直流調(diào)速系統(tǒng)-課件(教師版)2-6剖析

2.6弱磁控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本節(jié)提要調(diào)壓與弱磁的配合控制非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)弱磁過程的直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型和弱磁控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)2.6.1調(diào)壓與弱磁的配合控制概述

在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法中，前面討論的調(diào)電壓方法是從基速（即額定轉(zhuǎn)速nN

）向下調(diào)速。如果需要從基速向上調(diào)速，則要采用弱磁調(diào)速的方法，通過降低勵(lì)磁電流，以減弱磁通來提高轉(zhuǎn)速。

兩種調(diào)速方式1.恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式按照電力拖動(dòng)原理，在不同轉(zhuǎn)速下長(zhǎng)期運(yùn)行時(shí)，為了充分利用電機(jī)，都應(yīng)使電樞電流達(dá)到其額定值IN。于是，由于電磁轉(zhuǎn)矩Te

=Km

I，在調(diào)壓調(diào)速范圍內(nèi)，因?yàn)閯?lì)磁磁通不變，容許的轉(zhuǎn)矩也不變，稱作“恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式”。2.恒功率調(diào)速方式而在弱磁調(diào)速范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)速越高，磁通越弱，容許的轉(zhuǎn)矩不得不減少，轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積則不變，即容許功率不變，稱為“恒功率調(diào)速方式”。

兩種調(diào)速方式由此可見，所謂“恒轉(zhuǎn)矩”和“恒功率”調(diào)速方式，是指在不同運(yùn)行條件下，當(dāng)電樞電流達(dá)到其額定值IN時(shí)，所容許的轉(zhuǎn)矩或功率不變，是電機(jī)能長(zhǎng)期承受的限度。實(shí)際的轉(zhuǎn)矩和功率究竟有多少，還要由其具體的負(fù)載來決定。

兩種調(diào)速方式

恒轉(zhuǎn)矩類型的負(fù)載適合于采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，而恒功率類型的負(fù)載更適合于恒功率的調(diào)速方式。但是，直流電機(jī)允許的弱磁調(diào)速范圍有限，一般電機(jī)不超過1:2，專用的“調(diào)速電機(jī)”也不過是1:3或1:4。

兩種調(diào)速方式恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載

任何轉(zhuǎn)速下負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL總保持恒定或基本恒定，而與轉(zhuǎn)速無關(guān)的負(fù)載稱為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。這類負(fù)載多數(shù)呈反抗性的，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的極性隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變。反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性應(yīng)畫在一三象限內(nèi)。還有一種位勢(shì)性轉(zhuǎn)矩負(fù)載，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的極性不隨轉(zhuǎn)速方向的改變而改變。因此，恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性應(yīng)畫在一四象限。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點(diǎn)是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速無關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下轉(zhuǎn)矩總保持恒定或基本恒定。應(yīng)用的場(chǎng)合比如傳送帶、攪拌機(jī)，擠壓機(jī)等摩擦類負(fù)載以及吊車、提升機(jī)等位能負(fù)載。

恒功率負(fù)載當(dāng)負(fù)載功率恒定，與轉(zhuǎn)速無關(guān)或負(fù)載功率PL為某一定值時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n成反比的負(fù)載特性稱為恒功率負(fù)載。

恒功率負(fù)載的特點(diǎn)是比如機(jī)床主軸和軋機(jī)、造紙機(jī)、塑料薄膜生產(chǎn)線中的卷取機(jī)、開卷機(jī)等要求的轉(zhuǎn)矩，大體與轉(zhuǎn)速成反比，這就是所謂的恒功率負(fù)載。負(fù)載的恒功率性質(zhì)應(yīng)該是就一定的速度變化范圍而言的。當(dāng)速度很低時(shí)，受機(jī)械強(qiáng)度的限制，轉(zhuǎn)矩不可能無限增大，在低速下轉(zhuǎn)變?yōu)楹戕D(zhuǎn)矩性質(zhì)。

調(diào)壓和弱磁配合控制當(dāng)負(fù)載要求的調(diào)速范圍更大時(shí)，就不得不采用調(diào)壓和弱磁配合控制的辦法，即在基速以下保持磁通為額定值不變，只調(diào)節(jié)電樞電壓，而在基速以上則把電壓保持為額定值，減弱磁通升速，這樣的配合控制特性示于下圖。電樞電壓與勵(lì)磁配合控制特性TeNnNnmax變電壓調(diào)速弱磁調(diào)速UNUPPTeUnO圖2-35變壓與弱磁配合控制特性

從圖中可知：調(diào)壓與弱磁配合控制只能在基速以上滿足恒功率調(diào)速的要求，在基速以下，輸出功率不得不有所降低。電樞電壓與勵(lì)磁配合控制特性在基速以下調(diào)壓調(diào)速時(shí)，保持磁通為額定值不變；在基速以上弱磁升速時(shí)，保持電壓為額定值不變；弱磁升速時(shí)，由于轉(zhuǎn)速升高，使轉(zhuǎn)速反饋電壓Un也隨著升高，因此必須同時(shí)提高轉(zhuǎn)速給定電壓Un*，否則轉(zhuǎn)速不能上升。系統(tǒng)設(shè)計(jì)要點(diǎn)1）獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)；2）非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)?？刂品绞?/p>

2.6.2.獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)-AFR+GTFCUif-VFCU*ifRP2MTGnASRACRU*nRP1-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPE+TGM1．系統(tǒng)構(gòu)成

系統(tǒng)部件說明圖中RP2—給定電位器AFR—?jiǎng)?lì)磁電流調(diào)節(jié)器VFC—?jiǎng)?lì)磁電流可控整流裝置2.工作原理在基速以下調(diào)壓調(diào)速時(shí)，RP2不變保持磁通為額定值，用RP1調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此時(shí)，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)起控制作用。在基速以上弱磁升速時(shí)，通過RP2減少勵(lì)磁電流給定電壓，從而減少勵(lì)磁磁通，以提高轉(zhuǎn)速；為保持電樞電壓為額定值不變，同時(shí)需要調(diào)節(jié)RP1，以提高給定電壓。

由于需要分別調(diào)節(jié)RP1和RP2，因此稱為獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)。

工作原理3．特點(diǎn)：實(shí)際調(diào)速時(shí)須先使RP2放在滿磁位置，只有在Ud和n增加到額定值時(shí)才允許RP2減小給出的電壓，操作不方便，應(yīng)用很少。

2.6.3.非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)

在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行弱磁控制，調(diào)壓與調(diào)磁的給定裝置不應(yīng)該完全獨(dú)立，而是要互相關(guān)聯(lián)的。從上圖可以看出，在基速以下，應(yīng)該在滿磁的條件下調(diào)節(jié)電壓，在基速以上，應(yīng)該在額定電壓下調(diào)節(jié)勵(lì)磁，因此存在恒轉(zhuǎn)矩的調(diào)壓調(diào)速和恒功率的弱磁調(diào)速兩個(gè)不同的區(qū)段。

實(shí)際運(yùn)行中，需要選擇一種合適的控制方法，可以在這兩個(gè)區(qū)段中交替工作，也應(yīng)該能從一個(gè)區(qū)段平滑地過渡到另一個(gè)區(qū)段中去，下圖便是一種已在實(shí)踐中證明很方便有效的控制系統(tǒng)，稱作非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)。

非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)

1.系統(tǒng)組成圖2-36非獨(dú)立控制勵(lì)磁的調(diào)速系統(tǒng)TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-系統(tǒng)部件說明圖中TVD—電壓隔離器

AE—電動(dòng)勢(shì)運(yùn)算器AER—電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器系統(tǒng)共有四個(gè)閉環(huán)――兩個(gè)雙閉環(huán)：①轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)；②電動(dòng)勢(shì)、勵(lì)磁電流雙閉環(huán)。

2.工作原理1)控制的基本思想根據(jù)E=Ken原理，若能保持電動(dòng)勢(shì)E不變，則減少電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通，可以達(dá)到提高轉(zhuǎn)速的目的。

TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-

為此，在勵(lì)磁控制系統(tǒng)中引入電動(dòng)勢(shì)調(diào)節(jié)器AER，利用電動(dòng)勢(shì)反饋，使勵(lì)磁系統(tǒng)在弱磁調(diào)速過程中保持電動(dòng)勢(shì)E基本不變。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-2)電動(dòng)勢(shì)的檢測(cè)由于直接檢測(cè)電動(dòng)勢(shì)比較困難，因此，采用間接檢測(cè)的方法。通過檢測(cè)電壓Ud

和電流Id，根據(jù)E=Ud

–

RId+LdId/dt，由電動(dòng)勢(shì)運(yùn)算器AE，算出電動(dòng)勢(shì)E的反饋信號(hào)Ue。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-

3)電動(dòng)勢(shì)的給定由RP2提供基速時(shí)電動(dòng)勢(shì)的給定電壓Ue*

，并使Ue*

對(duì)應(yīng)

95%UN。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-

4)控制過程

在基速以下調(diào)壓調(diào)速：

a.設(shè)置Ue*對(duì)應(yīng)95%UN，因?yàn)殚_始時(shí)Ud和n都很小，則E<95%UN；此時(shí)，Ue*>Ue，AER飽和，相當(dāng)于電勢(shì)環(huán)開環(huán)：。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-

b.AER的輸出限幅值設(shè)置為滿磁給定，加到勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)器AFR上，由AFR調(diào)節(jié)保持磁通為額定值。c.用RP1調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，此時(shí)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)起控制作用。TVDAETGnASRACRU*nRPn-UnUiU*i-UcTAVM-UdIdUPE-AFR+Uif+UPEFU*if+RPeAERUi-U*eUeTAFUvTGM+Ucf～～-在基速以上弱磁升速:調(diào)節(jié)RP1提高轉(zhuǎn)速給定電壓，使轉(zhuǎn)速上升。當(dāng)n>95%

nN

時(shí)，E>95%UN，使Ue*

<Ue

，AER開始退飽和，減少勵(lì)磁電流給定電壓，從而減少勵(lì)磁磁通，以提高轉(zhuǎn)速。

系統(tǒng)運(yùn)行分析如果負(fù)載是恒功率負(fù)載，則Id

和Ud

都保持滿磁時(shí)的穩(wěn)態(tài)值不變；如果是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，則隨著下降，Id

和Ud

都上升，所以在電動(dòng)勢(shì)給定設(shè)置時(shí)留有5%的余量，讓Ud

可以上升到100%UN?？梢姡孩倩僖韵篓D―AER飽和，AFR調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流恒定；ASR飽和，ACR調(diào)節(jié)電樞電流恒定。②基速以上――AER調(diào)節(jié)電動(dòng)勢(shì)E恒定，AFR跟隨；ASR飽和，ACR調(diào)節(jié)電樞電流恒定。

系統(tǒng)運(yùn)行分析3.AE的設(shè)計(jì)反電勢(shì)信號(hào)的重構(gòu)根據(jù)直流調(diào)速系統(tǒng)主電路回路方程（2-96）可采用運(yùn)算放大器組成模擬計(jì)算電路來實(shí)現(xiàn)AE。AE的模擬電路結(jié)構(gòu)電動(dòng)勢(shì)運(yùn)算器模擬電路

2.6.4弱磁過程的直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型和弱磁

控制系統(tǒng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的設(shè)計(jì)

前面討論的直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型都是在恒磁通條件下建立的，它不能適用于弱磁過程。

當(dāng)磁通為變量時(shí)，參數(shù)Ce和Cm都不能再看作常數(shù)，而應(yīng)被Ke

和Km

所取代，這時(shí)式（1-48）和（1-49）所表示的電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩應(yīng)改成變參數(shù)直流電動(dòng)機(jī)數(shù)學(xué)模型（2-97）（2-98）（2-99）

這里，Tm不能再視作常數(shù)。機(jī)電時(shí)間常數(shù)

電磁轉(zhuǎn)矩方程電動(dòng)勢(shì)方程弱磁過程的直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖2-37弱磁過程直流電動(dòng)機(jī)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

勵(lì)磁電流與磁通之間的非線性函數(shù)關(guān)系可用飽和曲線表示注意（1）圖2-37是包含線性與非線性環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖，其中只有線性環(huán)節(jié)可用傳遞函數(shù)表示。（2）乘法器等非線性環(huán)節(jié)的輸入與輸出變量只能是時(shí)間函數(shù)，因此各變量都用時(shí)間函數(shù)標(biāo)注。（3）非線性環(huán)節(jié)與線性環(huán)節(jié)的連接純屬結(jié)構(gòu)上的聯(lián)系，在采用僅適用于線性系統(tǒng)的等效變換時(shí)須十分慎重。