《機(jī)電控制技術(shù)》圖文-第六章

機(jī)電控制技術(shù)第六章控制調(diào)速系統(tǒng)10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)目錄6.1直流調(diào)速系統(tǒng)6.2交流調(diào)速系統(tǒng)6.3調(diào)速系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)目前，雖然直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速已不如交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速應(yīng)用普遍，但由于它具有優(yōu)良的調(diào)速性能和較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，一直在高性能調(diào)速領(lǐng)域占有絕對(duì)的統(tǒng)治地位。直流調(diào)速系統(tǒng)在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，從控制技術(shù)角度看，它是交流調(diào)速的基礎(chǔ)，所以對(duì)直流調(diào)速系統(tǒng)的研究是調(diào)速技術(shù)研究的主流。

6.1直流調(diào)速系統(tǒng)6.1.1直流調(diào)速的基本知識(shí)

1.直流調(diào)速的方法

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速方程的表達(dá)式為

式中，n為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速(r/min)；E為電樞電動(dòng)勢(shì)(V)；Ke為由電樞電動(dòng)勢(shì)結(jié)構(gòu)決定的電樞電動(dòng)勢(shì)的系數(shù)；Φ為勵(lì)磁磁通；U為電樞供電電壓(V)；I為電樞電流(A)；Ra為電樞回路中的總電阻（Ω）。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)2.直流調(diào)速的供電方式

調(diào)節(jié)電樞供電電壓的調(diào)速方法和減弱勵(lì)磁磁通的調(diào)速方法，都需要有專門的可控直流電源，常用的可控直流電源有以下三種：

（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。（2）靜止可控整流器。用靜止可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或可控整流電源供電，利用直流斬波器可產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)6.1.2晶閘管—電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，目前使用最多的是晶閘管—電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，常用的有單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)和可逆直流調(diào)速系統(tǒng)三種。

1.單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

在開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，假設(shè)存在系統(tǒng)增量參數(shù)Δn，根據(jù)調(diào)速系統(tǒng)有無(wú)增量參數(shù)，可將其分成有靜差系統(tǒng)和無(wú)靜差系統(tǒng)。一般將無(wú)法消除Δn的系統(tǒng)，稱為有靜差系統(tǒng)；將通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)可以使Δn=0的系統(tǒng)，稱為無(wú)靜差系統(tǒng)。研究Δn的大小對(duì)機(jī)械生產(chǎn)具有十分重要的意義，因此，在調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，首先要設(shè)法減小Δn，甚至使之為零。

根據(jù)反饋控制原理，要維持某一物理量基本不變，就應(yīng)該引入該物理量的負(fù)反饋，因此，可以引入被控量轉(zhuǎn)速的負(fù)反饋，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)。

由于該系統(tǒng)只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反饋環(huán)，故稱為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖6-2所示為單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)

10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)2.雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

在直流電動(dòng)機(jī)的最大電流（轉(zhuǎn)矩）受限制的約束條件下，希望充分發(fā)揮其過(guò)載能力，使其在過(guò)渡過(guò)程中始終保持電流（轉(zhuǎn)矩）為允許的最大值，使電力拖動(dòng)系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動(dòng)，在直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓其電流（轉(zhuǎn)矩）立即降下來(lái)，使轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。這樣理想啟動(dòng)過(guò)程的波形如圖6-5所示。為了盡量達(dá)到理想的啟動(dòng)過(guò)程，一種把轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋分別加到兩個(gè)調(diào)節(jié)器上的系統(tǒng)出現(xiàn)了，即轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)1）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成

為了使轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，因此，在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個(gè)調(diào)節(jié)器，用來(lái)分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，如圖6-6所示。也就是說(shuō)，把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器ACR輸入，再把電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出送到晶閘管的觸發(fā)器中，以控制晶閘管整流裝置的輸出。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流環(huán)在里面，稱為電流內(nèi)環(huán)，轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，稱為轉(zhuǎn)速外環(huán)。這樣由兩個(gè)環(huán)構(gòu)成的直流調(diào)速系統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)為了獲得良好的動(dòng)態(tài)特性和靜態(tài)特性，轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器一般都采用PI調(diào)節(jié)器。其電路原理圖如圖6-7所示。圖中標(biāo)出了兩個(gè)調(diào)節(jié)器輸入、輸出電壓的實(shí)際極性，它們是根據(jù)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uct為正電壓的情況，并考慮到運(yùn)算放大器的倒相作用而標(biāo)出的。

由圖6-7可知，兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是限幅的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓為Uim，它決定了電流調(diào)節(jié)器ACR給定電壓的最大值。電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓為Uctm，它限制了晶閘管整流器輸出電壓的最大值。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)2）轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性

根據(jù)圖6-7可以畫(huà)出轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖6-8所示。由于兩個(gè)調(diào)節(jié)器的靜態(tài)放大倍數(shù)是用PI調(diào)節(jié)器的特性來(lái)表示的，是帶有輸出限幅環(huán)節(jié)的，因而分析轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜特性的關(guān)鍵是掌握PI調(diào)節(jié)器的靜態(tài)特性。PI調(diào)節(jié)器有飽和（輸出達(dá)到限幅值）與不飽和（輸出未達(dá)到限幅值）兩種可能。當(dāng)PI調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使PI調(diào)節(jié)器退出飽和，即飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出之間的聯(lián)系，相當(dāng)于使系統(tǒng)開(kāi)環(huán)；當(dāng)PI調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，其輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是為零。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)3.可逆直流調(diào)速系統(tǒng)

由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，只用一組晶閘管變流器對(duì)直流電動(dòng)機(jī)供電的調(diào)速系統(tǒng)只能獲得單方向的運(yùn)行，是不可逆的調(diào)速系統(tǒng)。這類系統(tǒng)只適用于不要求經(jīng)常改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)向，同時(shí)對(duì)制動(dòng)的快速性無(wú)特殊要求的生產(chǎn)機(jī)械。但是在生產(chǎn)實(shí)際中，有一定數(shù)量的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)拖動(dòng)系統(tǒng)中的直流電動(dòng)機(jī)的要求是：既能正轉(zhuǎn)，又能反轉(zhuǎn)，且在減速和停車時(shí)產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以縮短制動(dòng)時(shí)間，這就出現(xiàn)了可逆直流調(diào)速系統(tǒng)。由于V-M系統(tǒng)中晶閘管的單向?qū)щ娦裕枰O(shè)置可逆線路來(lái)使直流電動(dòng)機(jī)反向運(yùn)行或制動(dòng)，主要的可逆線路包括電樞反接可逆線路；勵(lì)磁反接可逆線路。兩組晶閘管反并聯(lián)是大功率傳動(dòng)系統(tǒng)的主要供電方式。在兩組晶閘管反并聯(lián)線路中，會(huì)出現(xiàn)環(huán)流，因此，需要采取措施抑制環(huán)流，如設(shè)置環(huán)流電抗器；采取配合控制方式；采取封鎖觸發(fā)脈沖的方式，使兩組晶閘管不能同時(shí)工作等。根據(jù)控制環(huán)流方式，直流可逆調(diào)速系統(tǒng)可分為有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)和無(wú)環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)

6.1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)

20世紀(jì)70年代前，以晶閘管為基礎(chǔ)組成的相控整流裝置是機(jī)電傳動(dòng)中主要使用的變速裝置，但是由于晶閘管是一種只能控制其導(dǎo)通不能控制其關(guān)斷的半控型器件，使得由其構(gòu)成的V-M系統(tǒng)的性能受到一定的限制。

隨著電力電子器件的發(fā)展，使得既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型電力電子器件得到了廣泛的應(yīng)用，采用全控型電力電子器件中的門極可關(guān)斷晶閘管GTO、功率晶體管GTR、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管P-MOSFET、絕緣柵極雙極晶體管IGBT等組成的直流脈沖寬度調(diào)制型PWM調(diào)速系統(tǒng)已發(fā)展成熟，且用途越來(lái)越廣，在直流電氣傳動(dòng)中呈現(xiàn)越來(lái)越普遍的趨勢(shì)。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面具有較大的優(yōu)越性：（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率元件少。

（2）開(kāi)關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。

（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬。

（4）系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。

（5）主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。

（6）直流電源采用可控三相整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)高。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)6.2交流調(diào)速系統(tǒng)近年來(lái)，大功率半導(dǎo)體器件、大規(guī)模集成電路、電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，加上交流電動(dòng)機(jī)本身的優(yōu)越特性，為交流調(diào)速系統(tǒng)提供了廣泛的應(yīng)用前景。交流調(diào)速系統(tǒng)與直流調(diào)速系統(tǒng)相比，具有如下特點(diǎn)：（1）容量大。這是由電動(dòng)機(jī)本身的容量決定的。直流電動(dòng)機(jī)的容量一般能達(dá)到12～14MW，而交流電動(dòng)機(jī)的容量卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于此值。（2）轉(zhuǎn)速高且耐高壓。一般直流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速只能達(dá)3000r/min左右，而交流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速則可高達(dá)每分鐘幾萬(wàn)轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)受到換向器的限制，最高電壓只能達(dá)到1000多伏，而交流電動(dòng)機(jī)很容易就達(dá)到6～10kV，甚至更高。（3）與同等容量的直流電動(dòng)機(jī)比，交流電動(dòng)機(jī)具有體積小、重量輕和價(jià)格低的特點(diǎn)。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)

（4）交流電動(dòng)機(jī)特別是三相籠型交流異步電動(dòng)機(jī)的調(diào)速裝置的環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。直流電動(dòng)機(jī)由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜，換向器工作要求高，使用中受很多環(huán)境限制，如工廠里的酸洗車間，由于腐蝕嚴(yán)重，使用直流電動(dòng)機(jī)時(shí)每周都要檢修碳刷，維修起來(lái)也比較困難。而交流電動(dòng)機(jī)卻可以在十分惡劣的環(huán)境下使用且不易損壞。（5）由于高性能、高精度新型調(diào)速系統(tǒng)的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，交流拖動(dòng)系統(tǒng)已達(dá)到同直流拖動(dòng)系統(tǒng)一樣的性能指標(biāo)，越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。（6）交流調(diào)速裝置能顯著地節(jié)能。工業(yè)上大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵和壓縮機(jī)類負(fù)載都是靠交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的，這類裝置的用電量占工業(yè)用電量的50％。由于以往都不對(duì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速，而僅采用擋板、節(jié)流閥來(lái)控制風(fēng)量或流量，因而大量電能被白白浪費(fèi)；如果采用交流電動(dòng)機(jī)調(diào)速來(lái)改變風(fēng)量或流量的話，效率將會(huì)大大提高。從各方面來(lái)看，把恒速交流電動(dòng)機(jī)改造為交流調(diào)速電動(dòng)機(jī)，有著可觀的能源效益。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)6.2.1交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速是指通過(guò)改變定子外加電壓來(lái)改變電磁轉(zhuǎn)矩，從而在一定的輸出轉(zhuǎn)矩下達(dá)到改變交流異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。

交流異步電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡(jiǎn)便的調(diào)速方法，其關(guān)鍵是如何獲取可調(diào)的交流調(diào)壓電源。為了獲得可調(diào)的交流調(diào)壓電源，可采用調(diào)壓器調(diào)壓、飽和電抗器調(diào)壓和晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓。

1.調(diào)壓器調(diào)壓

調(diào)壓器調(diào)壓是利用自耦變壓器TU(小容量時(shí))調(diào)壓，其原理圖如圖6-10所示。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)2.飽和電抗器調(diào)壓

飽和電抗器調(diào)壓的原理圖如圖6-11所示。圖中飽和電抗器LS是帶有直流勵(lì)磁繞組的交流電抗器。改變直流勵(lì)磁電流可以控制鐵芯的飽和程度，從而改變其交流電抗值。當(dāng)鐵芯飽和時(shí)，由于交流電抗很小，因而交流異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓高；當(dāng)鐵芯不飽和時(shí)，由于交流電抗隨直流勵(lì)磁電流的變化而變化，因而交流異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓也隨其變化而變化，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。

10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)3.晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓

晶閘管交流調(diào)壓器調(diào)壓是指采用三個(gè)雙向晶閘管來(lái)調(diào)節(jié)交流異步電動(dòng)機(jī)的定子電壓。其原理圖如圖6-12所示。

10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)現(xiàn)以單相調(diào)壓電路為例來(lái)說(shuō)明晶閘管的控制方式，其控制方法有以下兩種：

（1）相位控制方式。相位控制方式是指通過(guò)改變晶閘管的導(dǎo)通角來(lái)改變輸出交流電壓。晶閘管每周期的導(dǎo)通角越小，加在負(fù)載上的電壓有效值越小，因此，可起到調(diào)壓的作用。相位控制方式下晶閘管負(fù)載電壓的輸出波形如圖6-13所示。相位控制方式具有調(diào)壓精度高、快速性好、電壓脈動(dòng)小等特點(diǎn)。但由于相位控制方式的導(dǎo)通波形只是工頻正弦波一周期的一部分，含有復(fù)合成分，因而易對(duì)電網(wǎng)造成諧波污染。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)（2）開(kāi)關(guān)控制方式。為了克服相位控制方式所產(chǎn)生的諧波影響，可采用開(kāi)關(guān)控制方式，即把晶閘管作為開(kāi)關(guān)，使其工作在全導(dǎo)通或全關(guān)斷狀態(tài)，先將負(fù)載電路與電源完全接通幾個(gè)半波，再將負(fù)載電路與電源完全斷開(kāi)幾個(gè)半波。交流電壓的大小可靠改變通斷時(shí)間比來(lái)調(diào)節(jié)。開(kāi)關(guān)控制方式下晶閘管負(fù)載電壓的輸出波形如圖6-14所示。開(kāi)關(guān)控制方式由于采用了過(guò)零觸發(fā)方式，因而所產(chǎn)生的諧波小。但在導(dǎo)通周期內(nèi)交流異步電動(dòng)機(jī)承受的電壓為額定電壓，而在間歇周期內(nèi)交流異步電動(dòng)機(jī)承受的電壓為零，故負(fù)載電壓變化劇烈、脈動(dòng)較大。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)6.2.2交流變頻調(diào)速技術(shù)

交流變頻調(diào)速技術(shù)是目前發(fā)展最為迅速的傳動(dòng)技術(shù)之一。交流變頻調(diào)速具有一系列的優(yōu)點(diǎn)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：（1）調(diào)速范圍寬，可以使普通交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。

（2）啟動(dòng)電流小，而啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大。

（3）啟動(dòng)平穩(wěn)，可消除機(jī)械的沖擊力，以保護(hù)機(jī)械設(shè)備。

（4）對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)具有保護(hù)功能，可降低其維修費(fèi)用。

（5）具有顯著的節(jié)電效果。

（6）通過(guò)調(diào)節(jié)電壓和頻率的關(guān)系就可方便地實(shí)現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩或恒功率調(diào)速。10/1/2024機(jī)電控制技術(shù)1.變頻器概述

變頻器是指對(duì)交流異步電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)速的變頻電源裝置。其功能是將電網(wǎng)提供的恒壓恒頻CVCF交流電變換為變壓變頻VVVF交流電