《機(jī)電傳動控制》課件第7章

7.1機(jī)電傳動控制系統(tǒng)的組成和分類7.2直流傳動控制系統(tǒng)7.3交流傳動控制系統(tǒng)7.4步進(jìn)電動機(jī)的驅(qū)動與控制系統(tǒng)7.5單片機(jī)在機(jī)電傳動系統(tǒng)中的應(yīng)用小結(jié)習(xí)題與思考題7.1.1機(jī)電傳動控制系統(tǒng)的組成

機(jī)電傳動控制系統(tǒng)是以實(shí)現(xiàn)一種預(yù)定的自動控制功能為目的，以滿足生產(chǎn)工藝和過程的要求，并達(dá)到最優(yōu)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的控制系統(tǒng)，是整個(gè)生產(chǎn)設(shè)備中的重要組成部分之一。它的性能和質(zhì)量將在很大程度上影響到產(chǎn)品的質(zhì)量、產(chǎn)量、生產(chǎn)成本和工人勞動條件。7.1機(jī)電傳動控制系統(tǒng)的組成和分類機(jī)電傳動控制系統(tǒng)是以電動機(jī)為控制對象，對生產(chǎn)機(jī)械按工藝要求進(jìn)行控制的系統(tǒng)。機(jī)電傳動控制系統(tǒng)從硬件上可以包括電動機(jī)、控制電器、檢測元件、功率半導(dǎo)體器件和微電子器件等，還可能包含微型計(jì)算機(jī)。一個(gè)大型的機(jī)電傳動控制系統(tǒng)可能需要控制多臺電動機(jī)，往往采用多層微型計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制。7.1.2機(jī)電傳動控制系統(tǒng)的分類

1.按組成原理分類

從組成原理上，機(jī)電傳動控制系統(tǒng)可以分為開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)。在一般開環(huán)控制的傳動系統(tǒng)中，盡管系統(tǒng)輸入的控制信號保持不變，但在某種擾動作用下，會使輸出量偏離給定值。圖7-1中給出了一個(gè)由晶閘管變流器、電動機(jī)和工作機(jī)械組成的機(jī)電傳動開環(huán)控制系統(tǒng)，其中工作機(jī)械包含傳動機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。通常這種系統(tǒng)的輸出量是工作機(jī)械中執(zhí)行機(jī)構(gòu)的速度或位移，當(dāng)電動機(jī)與工作機(jī)械剛性連接時(shí)，它們分別對應(yīng)于電動機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角。根據(jù)工作機(jī)械的需要，在一些系統(tǒng)中除了控制輸出量以外，可能還需要控制系統(tǒng)內(nèi)部的其他變量，如直流電動機(jī)的電樞電流或交流電動機(jī)的定子電流、變流器電壓或頻率等。圖7-1所示系統(tǒng)中，晶閘管變流器向電動機(jī)供電并控制它的運(yùn)行狀態(tài)，從而可以控制工作機(jī)械和相應(yīng)的工藝過程。當(dāng)電網(wǎng)電壓波動、負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化等擾動作用于變流器、電動機(jī)和工作機(jī)械時(shí)，會導(dǎo)致系統(tǒng)輸出量偏離給定值。

該系統(tǒng)在擾動作用下的靜態(tài)和動態(tài)特性將由變流器、電動機(jī)和工作機(jī)械的特性決定。圖7-1機(jī)電傳動開環(huán)控制系統(tǒng)框圖圖7-2所示閉環(huán)系統(tǒng)，當(dāng)輸出量的反饋值偏離給定輸入值時(shí)，由于系統(tǒng)輸出量信息反饋到系統(tǒng)輸入端，使得作用到調(diào)節(jié)器的輸入量發(fā)生變化，調(diào)節(jié)器根據(jù)這一信息產(chǎn)生控制信號，作用到變流器，確保系統(tǒng)輸出量變化具有預(yù)期的特性。圖7-2所示系統(tǒng)采用檢測轉(zhuǎn)換裝置測量系統(tǒng)的輸出量和其他變量，并將其轉(zhuǎn)換成與被檢測量成正比的電信號。像測速發(fā)電機(jī)、電流檢測器、位置傳感器、數(shù)/模轉(zhuǎn)換器及模/數(shù)轉(zhuǎn)換器等均是機(jī)電傳動控制系統(tǒng)中常用的檢測轉(zhuǎn)換裝置的部件。通常，檢測轉(zhuǎn)換裝置和調(diào)節(jié)器構(gòu)成系統(tǒng)的控制部分，其功能是采集和處理系統(tǒng)中有關(guān)變量的信息，并按預(yù)定的控制規(guī)律和算法產(chǎn)生控制信號。而把系統(tǒng)中的變流器、電動機(jī)和工作機(jī)械統(tǒng)稱為功率部分，其功能是進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換和控制。圖7-2機(jī)電傳動閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.按控制目的分類

按控制目的機(jī)電傳動控制系統(tǒng)可分為三種方式：定值控制、位置隨動控制和程序控制。

定值控制的目的在于保持受控量恒定。最常見的機(jī)電傳動定值控制系統(tǒng)是穩(wěn)速系統(tǒng)。當(dāng)然，定值控制系統(tǒng)也可以是生產(chǎn)過程中其他工藝參數(shù)的控制，例如，各種帶形物料卷取時(shí)的張力定值控制，就是一個(gè)多電動機(jī)的傳動系統(tǒng)。位置隨動控制的目的在于控制工作機(jī)構(gòu)的位移，即電動機(jī)的轉(zhuǎn)角按事先規(guī)定的或者未知的規(guī)律變化。雷達(dá)天線的方位控制系統(tǒng)就是這種系統(tǒng)的一個(gè)典型例子，它的功能是將天

線對準(zhǔn)所跟蹤的目標(biāo)。

程序控制的目的在于使受控量按事先確定的規(guī)律變化。如機(jī)床上刀具的位移控制系統(tǒng)就屬于這一種系統(tǒng)，它的功能是要實(shí)現(xiàn)切削刀具和工件之間的復(fù)雜運(yùn)動軌跡。將系統(tǒng)按控制目的分類，與系統(tǒng)構(gòu)成原理無關(guān)，主要決定于給定量的變化特性。

在實(shí)踐中，盡管系統(tǒng)的控制目的相同，但其結(jié)構(gòu)和作用仍會有本質(zhì)上的區(qū)別。7.2.1概述

直流電動機(jī)具有良好的啟動、制動性能，在較大范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，所以，由晶閘管-電動機(jī)(V-M)組成的直流調(diào)速系統(tǒng)是目前應(yīng)用較普遍的一種機(jī)電傳動自動控制系統(tǒng)。它在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。7.2直流傳動控制系統(tǒng)

1.調(diào)速的概念

所謂調(diào)速，是指在某一具體負(fù)載情況下，通過改變電動機(jī)或電源參數(shù)的方法，使機(jī)械特性曲線得以改變，從而使電動機(jī)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化或保持不變。調(diào)速具有兩個(gè)方面的含意。一是能在一定范圍內(nèi)“變速”。如圖7-3所示，電動機(jī)負(fù)載不變時(shí)，轉(zhuǎn)速由n0變到nc或ne，這就是“變速”調(diào)速。二是“恒速”。當(dāng)生產(chǎn)機(jī)械在某一速度下運(yùn)行時(shí)，總要受到外界的干擾(如負(fù)載變化)，為了保證生產(chǎn)機(jī)械的速度不受干擾的影響，也要進(jìn)行調(diào)速。例如由于負(fù)載的增加，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就要降低，為維持轉(zhuǎn)速恒定，就得調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速，使其回升，并等于或接近于原來的轉(zhuǎn)速。圖7-3中的n0隨轉(zhuǎn)矩M的變化而維持不變就屬于“恒速”調(diào)速。圖7-3調(diào)速與機(jī)械特性的關(guān)系

2.直流調(diào)速的方法

直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用下式表達(dá)：

(7-1)

式中：

n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速;U為電樞供電電壓;I為電樞電流;R為電樞回路總電阻;Ke為由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢系數(shù);Φ為電動機(jī)勵(lì)磁磁通。由式(7-1)可以看出，直流電動機(jī)的調(diào)速方法有三種：

(1)改變電樞回路總電阻R。

(2)減弱電動機(jī)勵(lì)磁磁通Φ。

(3)調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。

對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速;減弱磁通雖然能夠?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速(即電動機(jī)額定轉(zhuǎn)速)以上作小范圍的升速。因此，機(jī)電傳動自動控制系統(tǒng)中的直流調(diào)速系統(tǒng)都是以變壓調(diào)速為主的。在調(diào)壓調(diào)速方案中，從供電電源種類上看又有兩種情況：(1)在交流供電系統(tǒng)中，采用可控交流裝置，以獲得可調(diào)的直流電壓。

(2)在具有恒定直流供電電源的地方，采用晶閘管斬波器實(shí)現(xiàn)脈沖調(diào)壓調(diào)速。在現(xiàn)代工業(yè)企業(yè)中，都具有低壓交流供電系統(tǒng)，因此第(1)種調(diào)壓方式應(yīng)用廣泛。

3.直流調(diào)速的指標(biāo)

根據(jù)各類典型生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的要求，直流調(diào)速指標(biāo)一般可以概括為靜態(tài)和動態(tài)兩類。靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求機(jī)電傳動自動控制系統(tǒng)能在最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，并且要求在不同轉(zhuǎn)速下工作時(shí)，速度穩(wěn)定。動態(tài)調(diào)速指標(biāo)要求系統(tǒng)啟動、制動快而平穩(wěn)，并具有良好的抗擾動性?？箶_動性是指系統(tǒng)穩(wěn)定在某一轉(zhuǎn)速上運(yùn)行時(shí)，應(yīng)盡量不受負(fù)載變化以及電源電壓波動等因素的影響。

1)靜態(tài)調(diào)速指標(biāo)

(1)調(diào)速范圍。生產(chǎn)機(jī)械要求電動機(jī)在額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，提供的最高轉(zhuǎn)速nmax與最低轉(zhuǎn)速nmin之比，稱為調(diào)速范

圍，用符號D表示，即

(7-2)

(2)靜差率。靜差率是用來表示負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度，用系數(shù)s表示。

靜差率具體是指電動機(jī)穩(wěn)定工作時(shí)，在一條機(jī)械特性曲線上，電動機(jī)的負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δned與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，用百分?jǐn)?shù)表示為

(7-3)

顯然，機(jī)械特性硬度越大，Δned越小，靜差率就越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。圖7-4不同轉(zhuǎn)速下的靜差率然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。兩條相互平行的直線性機(jī)械特性的靜差率是不同的。對于圖7-4中的線1和線2，它們有相同的轉(zhuǎn)速降落Δned1=Δned2

，但由于n02<n01，因此s2>s1。這表明，在相同機(jī)械特性硬度條件下，低速時(shí)靜差率較大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性較差。轉(zhuǎn)速n在1000r／min時(shí)降落10r／min，只占1％;n在100r／min時(shí)也降落10r／min,就占10％;若n0只有10r／min，再降落10r／min，則電動機(jī)將停轉(zhuǎn)，即轉(zhuǎn)速全都降完。由圖7-4可知，對一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)來說，如果能滿足最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行的靜差率s，那么其他轉(zhuǎn)速的靜差率也必然都能滿足。調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指在最低速時(shí)還能滿足給定靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍;反過來，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的靜差率也就容易得多了。

(3)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系。在直流調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)機(jī)械特性硬度一定時(shí)，最高轉(zhuǎn)速nmax就是電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ned。若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速

降落為Δned，則最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率s=Δned/n0min×100％。于是，最低轉(zhuǎn)速為而調(diào)速范圍為

(7-4)

式(7-4)表示了調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間應(yīng)滿足的關(guān)系?？梢?，當(dāng)機(jī)械特性硬度一定時(shí)，即Δned一定時(shí)，對靜差率要求越嚴(yán)，s越小，允許的調(diào)速范圍便越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速ned＝1430r／min，額定速降Δned＝115r／min，當(dāng)要求靜差率s≤30％時(shí)，允許的調(diào)速范圍是：

2)動態(tài)調(diào)速指標(biāo)

在給定信號的作用下，系統(tǒng)輸出量的變化情況可用動態(tài)性能指標(biāo)來描述。當(dāng)給定信號變化方式不同時(shí)，輸出響應(yīng)也不一樣。通常以輸出量的初始值為零、給出單位階躍輸入信號x(t)作用下的系統(tǒng)輸出y(t)過渡過程(見圖7-5)的要求。這時(shí)的動態(tài)響應(yīng)又稱做階躍響應(yīng)。一般希望在階躍響應(yīng)中輸出量y(t)與其穩(wěn)態(tài)值y(∞)的偏差越小越好，達(dá)到y(tǒng)(∞)的時(shí)間越短越好。圖7-5系統(tǒng)輸出過渡過程圖表示動態(tài)性能的指標(biāo)有(見圖7-5)：

(1)超調(diào)量p0：表示輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量。它也可用相對值表示，即輸出量超出穩(wěn)態(tài)值的最大偏離量與穩(wěn)態(tài)值之比，用百分?jǐn)?shù)表示為

超調(diào)量反映系統(tǒng)的相對穩(wěn)定性，超調(diào)量越小，則相對穩(wěn)定性越好，即動態(tài)響應(yīng)比較平穩(wěn)。

(2)延遲時(shí)間td：對應(yīng)于y(t)上升到穩(wěn)態(tài)值的50％時(shí)的時(shí)間。

(3)調(diào)節(jié)時(shí)間tf：等于y(t)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)值的5％誤差帶的時(shí)間。(4)振蕩次數(shù)n：表示圍繞y(∞)值上下振蕩的次數(shù)。

(5)時(shí)間tr：表示第一次到達(dá)y(∞)值的時(shí)間。7.2.2直流電動機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)

直流調(diào)速系統(tǒng)中，目前用得最多的是晶閘管-電動機(jī)(V-M)調(diào)速系統(tǒng)。晶閘管-電動機(jī)直流傳動控制系統(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)和可逆系統(tǒng)。這里著重介紹單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。

常見的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的框圖如圖7-6所示。單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)常分為有靜差調(diào)速系統(tǒng)和無靜差調(diào)速系統(tǒng)兩類：單純由被調(diào)量負(fù)反饋組成的按比例控制的單閉環(huán)系統(tǒng)屬有靜

差的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡稱有靜差調(diào)速系統(tǒng);而按積分(或比例積分)控制的系統(tǒng)，則屬無靜差調(diào)速系統(tǒng)。圖7-6單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)框圖

1.有靜差調(diào)速系統(tǒng)

1)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的基本組成和工作原理

圖7-7所示為一典型的晶閘管-直流電動機(jī)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。其中，放大器為比例放大器(或比例調(diào)節(jié)器)，直流電動機(jī)M由晶閘管可控整流器經(jīng)過平波電抗器L供電。整流器整流電壓Ud可由控制角α來改變，在這里整流器的交流電源省略未畫出。觸發(fā)器的輸入控制電壓為Uk。為使速度調(diào)節(jié)靈敏，使用放大器把輸入信號ΔU加以擴(kuò)大，ΔU為給定電壓Ug與速度反饋信號Uf的差值(ΔU又稱偏差信號)，即

ΔU=Ug-Uf

圖7-7晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖速度反饋信號電壓Uf與轉(zhuǎn)速n成正比，即

Uf=γn

式中，γ為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。

放大器的輸出電壓為

Uk=KpΔU=Kp(Ug-Uf)=Kp(Ug-γn)式中，Kp為放大器的電壓放大倍數(shù)。

把觸發(fā)器和可控整流器看成一個(gè)整體，設(shè)其等效放大倍數(shù)為Ks，則空載時(shí)，可控整流器的輸出電壓為

Ud=KsUk=KsKp(Ug-γn)

(7-5)

對于電動機(jī)電樞回路，若忽略晶閘管的管壓降，則有Ud=KeΦn+IaRΣ=Cen+IaRΣ(7-6)式中：RΣ為電樞回路的總電阻(RΣ=RX+Ra);RX為可控整流電源的等效內(nèi)阻(包括整流變壓器和平波電抗器等的電阻);Ra為電動機(jī)的電樞電阻。

聯(lián)立求解式(7-5)和式(7-6)，可得帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的晶閘管—電動機(jī)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性方程為

(7-7)式中：K0=KpKs為從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數(shù);K＝KpKs為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)。由圖7-7可以看出，如果系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋(即開環(huán)系統(tǒng))，則整流器的輸出電壓為

Ud=KsKpUg=K0Ug=Cen+IaRΣ由此可得開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性方程為

(7-8)

比較式(7-7)與式(7-8)，不難看出：

(1)在給定電壓一定時(shí)，有

(7-9)即閉環(huán)系統(tǒng)理想空載轉(zhuǎn)速降低到開環(huán)時(shí)的。為了使閉環(huán)系統(tǒng)獲得與開環(huán)系統(tǒng)相同的理想空載轉(zhuǎn)速，閉環(huán)系統(tǒng)所需要的給定電壓Ug要比開環(huán)系統(tǒng)高1+K倍。因此，僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)系統(tǒng)在運(yùn)行中若突然失去轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，就有可能造成嚴(yán)重的事故。

(2)如果將系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)得一樣，即n0f=n0，則

(7-10)即在同樣負(fù)載電流下，閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降僅為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降的，從而大大提高了機(jī)械特性的硬度，使系統(tǒng)的靜差率減少。

(3)由式(7-4)可知，開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍分別為:

開環(huán)：

閉環(huán)：

(7-11)即閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的1+K倍。

由上可知，提高系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K是減小轉(zhuǎn)速降、擴(kuò)大調(diào)速范圍的有效措施。

但是，放大倍數(shù)也不能過分增大，否則系統(tǒng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。下面分析這種系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速自動調(diào)節(jié)過程。在某一個(gè)規(guī)定的轉(zhuǎn)速下，給定電壓Ug是固定不變的。假設(shè)電動機(jī)空載運(yùn)行(Ia≈0)時(shí)，空載轉(zhuǎn)速為n0，測速發(fā)電機(jī)有相應(yīng)的電壓UTG，經(jīng)過分壓器分壓后，得到反饋電壓Uf，給定量Ug與反饋量Uf的差值ΔU加進(jìn)比例調(diào)節(jié)器(放大器)的輸入端，其輸出電壓Uk加入觸發(fā)器的輸入電路，可控整流裝置的輸出整流電壓Ud供電給電動機(jī)，產(chǎn)生空載轉(zhuǎn)速n0。當(dāng)負(fù)載增加時(shí)，Ia加大，由于IaRΣ的作用，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降，測速發(fā)電機(jī)的電壓UTG下降，使反饋電壓Uf下降到Uf′，但這時(shí)給定電壓Ug并沒有改變，于是偏差信號增加到ΔU′=Ug-Uf′，使放大器輸出電壓上升到Uk′，它使晶閘管整流器的控制角α減小，整流電壓上升到Ud′，電動機(jī)轉(zhuǎn)速又回升到近似等于n0。

但絕不可能等于n0，因?yàn)槿绻厣絥0，那么，反饋電壓也將回升到原來的數(shù)值Uf，而偏差信號又將下降到原來的數(shù)值ΔU，也就是放大器輸出的控制電壓Uk沒有增加，因而晶閘管整流裝置的輸出電壓Ud也不可能增加，也就無法補(bǔ)償負(fù)載電流Ia在電阻RΣ上的電壓降落，電動機(jī)轉(zhuǎn)速又將下降到原來的數(shù)值。這種維持被調(diào)量(轉(zhuǎn)速)近于恒值不變，但又具有偏差的

反饋控制系統(tǒng)通常稱為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)(即有差調(diào)速系統(tǒng))。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，準(zhǔn)確度就越高，靜差率就越小，調(diào)速范圍就越大。

轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)能克服擾動作用(如負(fù)載的變化、電動機(jī)勵(lì)磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等)對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。只要擾動引起電動機(jī)轉(zhuǎn)速的變化能被測量元件——測速發(fā)電機(jī)等測出，調(diào)速系統(tǒng)就能產(chǎn)生作用來克服它，換句話來說，只要擾動是作用在被負(fù)反饋所包圍的環(huán)內(nèi)，就可以通過負(fù)反饋的作用來減少擾動對被調(diào)量的影響。但是必須指出，測量元件本身的誤差是不能補(bǔ)償?shù)?。例如，?dāng)測速發(fā)電機(jī)的磁場發(fā)生變化時(shí)，UTG就要變化，通過系統(tǒng)的作用，會使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化。因此，正確選擇與使用測速發(fā)電機(jī)是很重要的。如用他勵(lì)式測速發(fā)電機(jī)時(shí)，應(yīng)使其磁場工作在飽和狀態(tài)或者用穩(wěn)壓電源供電，也可選用永磁式的測速發(fā)電機(jī)(當(dāng)安裝環(huán)境不是高溫，沒有劇烈振動的場合)，以提高系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。在安裝測速發(fā)電機(jī)時(shí)，還應(yīng)使軸的對中不偏心，否則也會給系統(tǒng)帶來干擾。

2)直流調(diào)速系統(tǒng)的其他反饋控制

速度(轉(zhuǎn)速)負(fù)反饋是抑制轉(zhuǎn)速變化的最直接而有效的方法，它是自動調(diào)速系統(tǒng)最基本的反饋形式。但速度負(fù)反饋需要有反映轉(zhuǎn)速的測速發(fā)電機(jī)，它的安裝和維修都不太方便，因此，在調(diào)速系統(tǒng)中還常采用其他的反饋形式。常用的反饋形式有電壓負(fù)反饋、電流正反饋、電流截止負(fù)反饋等。

(1)電壓負(fù)反饋系統(tǒng)。具有電壓負(fù)反饋環(huán)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)如圖7-8所示。圖7-8電壓負(fù)反饋系統(tǒng)直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電樞端電壓的大小而變，電樞電壓高，電動機(jī)轉(zhuǎn)速高;電樞電壓的大小可以近似地反映電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。電壓負(fù)反饋系統(tǒng)就是把電動機(jī)電樞電壓作為反饋量，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。圖中，Ug是給定電壓;Uf是電壓負(fù)反饋的反饋量，它是從并聯(lián)在電動機(jī)電樞兩端的電位計(jì)Rp上取出來的。所以，電位計(jì)Rp是檢測電動機(jī)端電壓大小的檢測元件。

Uf與電動機(jī)端電壓U成正比，Uf與U的比例系數(shù)用λ表示，稱為電壓反饋系數(shù)。

在給定電壓Ug一定時(shí)，其調(diào)整過程如下：

同理，負(fù)載減小時(shí)，其n上升，通過電壓負(fù)反饋調(diào)節(jié)可使n下降，趨于穩(wěn)定。負(fù)載電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的特點(diǎn)是線路簡單，可是穩(wěn)定速度的效果并不明顯，因?yàn)榧词闺妱訖C(jī)端電壓因電壓負(fù)反饋的作用而維持不變，但是負(fù)載增加時(shí)，電動機(jī)電樞內(nèi)阻Ra所引起的

內(nèi)阻壓降仍然要增大，電動機(jī)速度還是要降低。

一般線路中采用電壓負(fù)反饋，主要不是用它來穩(wěn)速，而是用它來防止過壓、改善動態(tài)特性和加快過渡過程。

(2)電流正反饋與電壓負(fù)反饋組合的綜合反饋系統(tǒng)。由于電壓負(fù)反饋系統(tǒng)對電動機(jī)電樞電阻壓降引起的轉(zhuǎn)速降落不能予以補(bǔ)償，因而轉(zhuǎn)速降落較大，靜特性不夠理想，使允許的調(diào)速范圍減小。為了補(bǔ)償電樞電阻壓降IaRa，一般在電壓負(fù)反饋的基礎(chǔ)上再增加一個(gè)電流正反饋環(huán)節(jié)，如圖7-9所示。所謂電流正反饋，是把反映電動機(jī)電樞電流大小的量IaRa取出，與電壓負(fù)反饋一起加到放大器輸入端，由于是正反饋，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，放大器輸入信號也增加，使晶閘管整流輸出電壓Ud增加，以此來補(bǔ)償電動機(jī)電樞電阻所產(chǎn)生的壓降。由于這種反饋方式的轉(zhuǎn)速降落比僅有電壓負(fù)反饋時(shí)小了許多，因而擴(kuò)大了調(diào)速范圍。圖7-9電壓負(fù)反饋和電流正反饋系統(tǒng)為了保證一定的效果，電流正反饋的強(qiáng)度與電壓負(fù)反饋的強(qiáng)度應(yīng)按一定比例組成，如果比例選擇恰當(dāng)，綜合反饋將具有轉(zhuǎn)速反饋的性質(zhì)。

簡化的圖7-10可以說明這種組合，圖中，從a、o兩點(diǎn)取出的是電壓負(fù)反饋信號，從b、o兩點(diǎn)取出的是電流正反饋信號，從a、b兩點(diǎn)取出的則是綜合反饋信號。圖7-10高電阻電橋圖7-10中，a、b兩點(diǎn)之間的電壓Uab可看做是電壓Uao與電壓Uob之和，即

Uab(Uf)=Uao+Uob

Uob與Ubo極性相反，所以

Uab(Uf)=Uao-Ubo

這里，Uao隨端電壓U而變，如果令

則有Uao=λU

式中：Uao為電壓負(fù)反饋信號;U為電動機(jī)電樞端電壓;λ為電壓反饋系數(shù)。

Ubo隨電流Ia而變，它代表Ia在電阻R3上引起的壓降，即電流正反饋信號Ubo=IaR3。將Uao與Ubo的表達(dá)式代入U(xiǎn)ab的表達(dá)式中，得

從電動機(jī)電樞回路電動勢平衡關(guān)系知:

將Ia的表達(dá)式代入U(xiǎn)ab中可得:上式如果滿足下列條件:

化簡后可以得到電橋的平衡條件

(7-12)則有

這就是說，滿足式(7-12)所示的條件，則從a、b兩點(diǎn)取出的反饋信號形成的反饋，將轉(zhuǎn)化為電動機(jī)反電動勢的反饋。因?yàn)榉措妱觿菖c轉(zhuǎn)速成正比，即E=Cen，所以Uab也可以表示為

(7-13)

因此，這種反饋也可以稱為轉(zhuǎn)速反饋。因?yàn)闈M足式(7-12)后，電動機(jī)電樞電阻Ra與附加電阻R3、R2、R1組成電橋的四個(gè)臂，a、b兩點(diǎn)代表電橋的中點(diǎn)，所以，這種線路稱為高電阻電橋線路，式(7-12)為高電阻電橋的平衡條件。高電阻電橋線路實(shí)質(zhì)上是電動勢反饋線路，或者說是電動機(jī)的轉(zhuǎn)速反饋線路。

(3)電流截止負(fù)反饋系統(tǒng)。圖7-7所示的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)解決了轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)問題，大大提高了靜特性的硬度。但是直流電動機(jī)在全電壓啟動時(shí)，如果沒有專門的限流措施，則會產(chǎn)生很大的沖擊電流。這不僅對電動機(jī)換向不利，對過載能力低的晶閘管來說，更是不允許的。采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓Ug時(shí)，由于系統(tǒng)的慣性較大，電動機(jī)轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來，因而在啟動初期轉(zhuǎn)速反饋電壓Uf=0，相當(dāng)于偏差電壓ΔU=Ug。這時(shí)，整流電壓Ud

一下子就達(dá)到它的最高值。這對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全電壓啟動，其啟動電流高達(dá)額定電流的幾十倍，是不允許的。此外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，當(dāng)機(jī)械裝置被卡住或挖土機(jī)運(yùn)行中碰到堅(jiān)硬的石塊時(shí)，由于閉環(huán)系統(tǒng)的特性很硬，此時(shí)，若無限流環(huán)節(jié)，則電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。如果只依靠過流斷電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，將會給正常工作帶來不便。為了解決單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的啟動和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流過大的裝置。根據(jù)反饋控制原理，要維持某一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入該物理量的負(fù)反饋。因此，引入的電流負(fù)反饋應(yīng)能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。但是，這種作用只應(yīng)在啟動和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在，在正常運(yùn)行時(shí)又得取消，使靜特性保持較好的硬度，讓電流自由地隨著負(fù)載增減。這樣一來，一旦電流超過某一規(guī)定值時(shí)，電流負(fù)反饋即投入運(yùn)行，使靜特性急劇地“軟化”。隨著電流的增加，電動機(jī)轉(zhuǎn)速不斷下降，當(dāng)電流增加到某一數(shù)值(即堵轉(zhuǎn)電流)時(shí)，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動(即堵轉(zhuǎn))。這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋，叫做電流截止負(fù)反饋。如圖7-11所示，電流截止負(fù)反饋的信號由串聯(lián)在回路中的電阻R上取出(電阻R上的壓降IaR與電流Ia成正比)。在電流較小時(shí)，IaR<Ub，二極管不導(dǎo)通，電流負(fù)反饋不起作

用，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，故能得到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的比較硬的特性。當(dāng)主回路電流增加到一定值時(shí)，IaR>Ub，二極管VD導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號IaR經(jīng)過二極管與比較電壓Ub比

較后送到放大器，其極性與Ug極性相反，經(jīng)放大后控制移相角α，使α增大，輸出電壓Ud減小，電動機(jī)轉(zhuǎn)速下降。如果負(fù)載電流一直增加下去，則電動機(jī)速度最后將降到零。電動機(jī)速度降到零后，電流不再增大，這樣就起到了“限流”的作用。加有電流截止負(fù)反饋的速度特性如圖7-12所示(這種特性常被稱為“挖土機(jī)特性”)。圖7-11電流截止負(fù)反饋?zhàn)鳛檎{(diào)速系統(tǒng)限流保護(hù)圖7-12電流截止負(fù)反饋速度特性圖7-12中，速度等于零時(shí)，電流為Iao，Iao稱為堵轉(zhuǎn)電流，一般Iao＝(2～2.5)IaN。電流負(fù)反饋開始起作用的電流稱為轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流Io，轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流Io一般為額定電流IaN的1.35倍,且比較電壓越大，則電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流越大，比較電壓小，則轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流越小。所以，比較電壓的選擇是很重要的。一般按照轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流Io=KIaN選取比較電壓Ub。當(dāng)負(fù)載沒有超出規(guī)定值時(shí)，起截止作用的二極管不應(yīng)導(dǎo)通，也就是比較電壓Ub應(yīng)滿足下式:

Ub+Ubo≤KIaNR

式中：Ub為比較電壓;Ubo為截止元件二極管的導(dǎo)通電壓;

IaN為電動機(jī)額定電流;K為轉(zhuǎn)折點(diǎn)電流的比例系數(shù)，即K=Io/IaN;R為電動機(jī)電樞回路中所串的電流反饋電阻。電流正反饋可以改善電動機(jī)的運(yùn)行特性，而電流負(fù)反饋會使ΔU隨著負(fù)載電流的增加而減少，使電動機(jī)的速度迅速降低。這種反饋可以人為地造成“堵轉(zhuǎn)”，可防止電樞電流過大而燒壞電動機(jī)。加有電流負(fù)反饋的系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)載電流超過一定數(shù)值，電流負(fù)反饋?zhàn)銐驈?qiáng)時(shí)，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機(jī)速度降到零，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而起到保護(hù)作用。采用過流保護(hù)繼電器也可以保護(hù)這種嚴(yán)重過載，但是過流保護(hù)繼電器要使觸點(diǎn)斷開、電動機(jī)斷電，方能實(shí)現(xiàn)保護(hù)。而采用電流負(fù)反饋?zhàn)鳛楸Ｗo(hù)手段，則不必切斷電動機(jī)的電路，只是使它的速度暫時(shí)降下來，一旦過載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產(chǎn)。

上述各種反饋信號都是直接反映某一參量的大小的，即反饋信號的強(qiáng)弱與其反映的參量大小成正比。另外，還有其他形式的反饋，如電壓微分負(fù)反饋，這種反饋與某一參量的一次導(dǎo)數(shù)或二次導(dǎo)數(shù)成正比，而且它只在動態(tài)時(shí)起作用，在靜態(tài)時(shí)不起作用。

2.無靜差調(diào)速系統(tǒng)

在前面所述的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，如果僅采用比例調(diào)節(jié)器，那么這時(shí)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的。也就是說，在穩(wěn)態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速只能接近給定值，而不可能完全等于給定值。提高開環(huán)放大倍數(shù)或引入電流正反饋只能減小靜差而不能消除靜差。為了完全消除靜差，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無靜差調(diào)節(jié)，可以在調(diào)速系統(tǒng)中引入積分控制規(guī)律，用比例積分調(diào)節(jié)器代替比例調(diào)節(jié)器。只要有過偏差，其積分就存在，就能產(chǎn)生控制電壓。這樣，積分控制的系統(tǒng)只是在調(diào)節(jié)過程中有偏差(動態(tài)偏差)，而在穩(wěn)態(tài)時(shí)就可以沒有偏差了。所以，積分控制的系統(tǒng)是無靜差系統(tǒng)。圖7-13所示為一常用的具有比例積分調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)。這種系統(tǒng)的特點(diǎn)是：

靜態(tài)時(shí)系統(tǒng)的反饋量總等于給定量，即偏差等于零。要實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，系統(tǒng)中必須接入無差元件，它在系統(tǒng)出現(xiàn)偏差時(shí)起作用以消除偏差，當(dāng)偏差為零時(shí)停止作用。圖中，PI調(diào)節(jié)器是一個(gè)典型的無差元件。下面先介紹PI調(diào)節(jié)器，然后分析系統(tǒng)工作原理。圖7-13具有比例積分調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)

1)比例積分(PI)調(diào)節(jié)器

把比例運(yùn)算電路和積分運(yùn)算電路組合起來就構(gòu)成了比例積分調(diào)節(jié)器，簡稱PI調(diào)節(jié)器。由圖7-14(a)可知:

而

所以由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出由兩部分組成，第一部分是比例部分，第二部分是積分部分。在零初始狀態(tài)和階躍信號輸入下，輸出電壓的時(shí)間特性如圖7-14(b)所示，這里Uo用絕

對值表示，當(dāng)加入輸入信號Ui時(shí)，開始瞬間電容C1相當(dāng)于短路，反饋回路中只有電阻R1，此時(shí)相當(dāng)于比例調(diào)節(jié)器，它可以毫無延遲地起調(diào)節(jié)作用，故調(diào)節(jié)速度快;而后隨著電容C1被充電而開始積分，

Uo線性增長，直到穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)時(shí)，C1相當(dāng)于開路，極大的開環(huán)放大倍數(shù)使系統(tǒng)基本上達(dá)到無靜差。圖7-14比例積分(PI)調(diào)節(jié)器(a)電路;(b)時(shí)間特性采用比例積分調(diào)節(jié)器的自動調(diào)速系統(tǒng)，綜合了比例和積分調(diào)節(jié)器的特點(diǎn)，既能獲得較高的靜態(tài)精度，又具有較快的動態(tài)響應(yīng)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

2)采用PI調(diào)節(jié)器的無靜差調(diào)速系統(tǒng)

在圖7-13中，由于有比例積分調(diào)節(jié)器的存在，只要偏差ΔU=Ug-Uf不等于零，系統(tǒng)就會起調(diào)節(jié)作用;當(dāng)ΔU=0時(shí)，Ug=Uf，則調(diào)節(jié)作用停止，調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uk由于積分作用而保持在某一數(shù)值，以維持電動機(jī)在給定轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)，系統(tǒng)可以消除靜態(tài)誤差。故該系統(tǒng)是一個(gè)無靜差調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用是：當(dāng)電動機(jī)負(fù)載增加時(shí)，如圖7-15(a)中的t1瞬間，負(fù)載突然由TL1增加到TL2，則電動機(jī)的轉(zhuǎn)速將由n1開始下降而產(chǎn)生轉(zhuǎn)速偏差Δn(見圖7-15(b))。它通過測速發(fā)電機(jī)反饋到PI調(diào)節(jié)器的輸入端，產(chǎn)生偏差電壓ΔU=Ug-Uf>0，于是開始了消除偏差的調(diào)節(jié)過程。首先，比例部分調(diào)節(jié)作用顯著，其輸出電壓等于Δ，使控制角α減小，可控整流電壓增加ΔUd1(見圖7-15(c))，由于比例輸出沒有慣性，故這個(gè)電壓使電動機(jī)轉(zhuǎn)速

迅速回升。偏差Δn越大，ΔUd1也越大，它的調(diào)節(jié)作用也就越強(qiáng)，電動機(jī)轉(zhuǎn)速回升也就越快。而當(dāng)轉(zhuǎn)速回升到原給定值n1時(shí)，Δn=0，ΔU=0，故ΔUd1也等于零。積分部分的調(diào)節(jié)作用是：積分輸出部分的電壓等于偏差電壓ΔU的積分，它使可控整流電壓的增加量

或即ΔUd2的增長率與偏差電壓ΔU(或偏差Δn)成正比。開始時(shí)Δn很小，ΔUd2增加很慢，當(dāng)Δn最大時(shí)，ΔUd2增加得最快。

在調(diào)節(jié)過程的后期，Δn逐漸減少，ΔUd2的增加也逐漸減慢，一直到電動機(jī)轉(zhuǎn)速回升到n1，Δn=0時(shí),ΔUd2就不再增加了，且在以后就一直保持這個(gè)數(shù)值不變(見圖7-15(c)。把比例作用與積分作用合起來考慮，其調(diào)節(jié)的綜合效果如圖7-15(c)所示。不管負(fù)載如何變化，系統(tǒng)一定會自動調(diào)節(jié)，在調(diào)節(jié)過程的開始和中間階段，比例調(diào)節(jié)起主要作用，它首先阻止Δn的繼續(xù)增大，而后使轉(zhuǎn)速迅速回升，在調(diào)節(jié)過程的末期，Δn很小，比例調(diào)節(jié)作用就不明顯了。此時(shí)，積分調(diào)節(jié)作用上升到主要地位，依靠它來消除轉(zhuǎn)速偏差Δn，使轉(zhuǎn)速回升到原值。這就是無靜差調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。圖7-15負(fù)載變化時(shí)PI調(diào)節(jié)器系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用可控整流電壓Ud等于原靜態(tài)時(shí)的數(shù)值Ud1加上調(diào)節(jié)過程進(jìn)行后的增量(ΔUd1+ΔUd2)，如圖7-15(d)所示?？梢姡谡{(diào)節(jié)過程結(jié)束時(shí)，可控整流d穩(wěn)定在一個(gè)大于Ud1的新的數(shù)值Ud2上，增加的那一部分電壓(ΔUd)正好補(bǔ)償由于負(fù)載增加引起的那部分主回路壓降(Ia2-Ia1)RΣ。無靜差調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過程結(jié)束以后，轉(zhuǎn)速偏差Δn=0(PI調(diào)節(jié)器的輸入電壓ΔU也等于零)，這只是在靜態(tài)(穩(wěn)定工作狀態(tài))上無差，而動態(tài)(如當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，系統(tǒng)從一個(gè)

穩(wěn)態(tài)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)的過渡過程)上卻是有差的。在動態(tài)過程中，最大的轉(zhuǎn)速降落Δnmax叫做動態(tài)速降(如果是突卸負(fù)載，則有動態(tài)速升)，它是一個(gè)重要的動態(tài)指標(biāo)。有些生產(chǎn)機(jī)械

不僅有靜態(tài)精度的要求，而且有動態(tài)精度的要求。例如，熱連軋機(jī)一般要求靜差率小于0.2％～0.5％,動態(tài)速降小于1～3％，動態(tài)恢復(fù)時(shí)間小于0.2～0.3s(圖7-15中的t2-t1)。如果超過這些指標(biāo)，就會造成兩個(gè)機(jī)架間的堆鋼和拉鋼現(xiàn)象，影響產(chǎn)品質(zhì)量，嚴(yán)重的還會造成事故。

這個(gè)調(diào)速系統(tǒng)在理論上是無靜差調(diào)速系統(tǒng)，但是由于調(diào)節(jié)放大器不是理想的，且放大倍數(shù)也不是無限大，測速發(fā)電機(jī)也還存在誤差，因此實(shí)際上這樣的系統(tǒng)仍然是有一點(diǎn)靜差的。

這個(gè)系統(tǒng)中的PI調(diào)節(jié)器是用來調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的，因此，常把它稱為速度調(diào)節(jié)器(ST)。在晶閘管—電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中，還常用電壓負(fù)反饋及電流正反饋來代替由測速發(fā)電機(jī)構(gòu)成的速度負(fù)反饋，組成電壓負(fù)反饋及電流正反饋的自動調(diào)速系統(tǒng)。為了在電動機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)不會使電動機(jī)和晶閘管燒壞，也常采用具有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋帶電流截止負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)，獲得所謂“挖土機(jī)特性”。但必須注意，為了提高保護(hù)的可靠性，在這種系統(tǒng)的主回路中還必須接入快速熔斷器或過流繼電器，以防止在電流截止環(huán)節(jié)出故障時(shí)把晶閘管燒壞。在允許堵轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械中，快速熔斷器或過流繼電器的電流整定值一般應(yīng)大于電動機(jī)的堵轉(zhuǎn)電流，使電動機(jī)在正常堵轉(zhuǎn)時(shí)，快速熔斷器或過流繼電器不動作。7.2.3直流電動機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)

1.晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本工作原理

目前，應(yīng)用較廣的一種直流電動機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的基本電路如圖7-16所示。三相交流電源經(jīng)整流濾波變成電壓恒定的直流電壓，V1

～V4為四只大功率晶體三極管，工作在開關(guān)狀態(tài)，其中，處于對角線上的一對三極管的基極，因受到同一信號的控制而同時(shí)導(dǎo)通或截止。

若V1和V4導(dǎo)通，則電動機(jī)電樞上加正向電壓;若V2和V3導(dǎo)通，則電動機(jī)電樞上加反向電壓。當(dāng)它們以較高的頻率(一般為2000Hz)交替導(dǎo)通時(shí)，電樞兩端的電壓波形如圖7-17所示，由于機(jī)械慣性的作用，決定電動機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的僅為此電壓的平均值。圖7-16直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)圖7-17電動機(jī)電樞電壓的波形設(shè)矩形波的周期為T，正向脈沖寬度為t1，并設(shè)γ=t1/T為占空比。由圖7-17可求出電樞電壓的平均值為

(7-14)由式(7-14)可知，在T=常數(shù)時(shí)，人為地改變正脈沖的寬度以改變占空比γ，即可改變Uav，達(dá)到調(diào)速的目的。當(dāng)γ＝0.5時(shí)，Uav＝0，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為零;當(dāng)γ>0.5時(shí)，Uav為正，

電動機(jī)正轉(zhuǎn)，且在γ＝1時(shí)，Uav=Us，正向轉(zhuǎn)速最高;當(dāng)γ<0.5時(shí)，Uav為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，且在γ＝0時(shí)，Uav=-Us，反向轉(zhuǎn)速最高。連續(xù)地改變脈沖寬度，即可實(shí)現(xiàn)直流電動

機(jī)的無級調(diào)速。

2.晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的組成

圖7-18所示的系統(tǒng)是采用典型的雙閉環(huán)原理組成的晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)，既有速度反饋，又有電流反饋。下面分別對幾個(gè)主要組成部分進(jìn)行分析。圖7-18晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)框圖

1)主電路(功率開關(guān)放大器)

晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)主電路的結(jié)構(gòu)形式有多種，按輸出極性有單極性輸出和雙極性輸出之分，而雙極性輸出的主電路又分H型和T型兩類，H型脈寬放大器又可分為單極式和雙極式兩種。這里僅介紹一種技術(shù)性能較好、經(jīng)常采用的雙極性雙極式脈寬放大器，如圖7-19所示，它與圖7-16相似。圖中，四只晶體三極管分為兩組，V1和V4為一組，V2和V3

為另一組。同一組的兩只三極管同時(shí)導(dǎo)通，同時(shí)關(guān)斷，且兩組三極管之間可以交替地導(dǎo)通和關(guān)斷。圖7-19脈寬調(diào)制放大器(雙極性雙極式)要使電動機(jī)M正向旋轉(zhuǎn)，則要求控制電壓Uk(見圖7-18)為正，各三極管基極電壓的波形分別如圖7-19與7-20(a)、(b)所示。

當(dāng)電源電壓Us大于電動機(jī)的反電動勢時(shí)，在0≤t≤t1期間，Ub1和Ub4為正，三極管V1和V4導(dǎo)通，Ub2和Ub3為負(fù)，V2和V3關(guān)斷。電樞電流Ia沿回路1(經(jīng)V1和V4)從B流向A，電動機(jī)工作在電動狀態(tài)。圖7-20功率開關(guān)放大器的電壓電流波形(a)、(b)三極管基極電壓波形;(c)電樞電壓波形;(d)電樞電流波形;(e)重負(fù)載時(shí)電樞電流波形;(f)E>Us時(shí)電樞電流波形在t1≤t≤T期間，Ub1和Ub4為負(fù)，V1

和V4關(guān)斷，Ub2和Ub3為正，在電樞電感La中產(chǎn)生的自感電動勢LadIa/dt的作用下，電樞電流Ia沿回路2(經(jīng)V2和V3繼續(xù)從B流向A，電動機(jī)仍然工作在電動狀態(tài)。此時(shí)雖然Ub2和Ub3為正，但受VD2和VD3正向壓降的限制，V2和V3仍不能導(dǎo)通。假若在t=t2時(shí)正向電流Ia衰減到零，如圖7-20(d)所示，

那么，在t2≤t≤T期間，V2和V3在電源電壓Us和反電動勢E的作用下即可導(dǎo)通，電樞電流Ia將沿回路3(經(jīng)V3和V2)從A流向B，電動機(jī)工作在反接制動狀態(tài)。在

T<t≤t4期間(t4=T+t1)，三極管的基極電壓又改變了極性，V2和V3關(guān)斷，電樞電感La所生自感電動勢維持電流Ia沿回路4(經(jīng)V4和V1)繼續(xù)從A流向B，電動機(jī)工作在發(fā)電制動狀態(tài)。此時(shí)，雖Ub1和Ub4為正，但受VD1和VD4正向壓降限制，

V1和V4也不能導(dǎo)通。假如在t=t3時(shí)，反向電流(-Ia)衰減到零，那么在

t3<t≤t4期間，在電源電壓Us的作用下，V1和V4就可以導(dǎo)通，電樞電流Ia又沿回路1(經(jīng)V1和V4)從B流向A，電動機(jī)工作在電動狀態(tài)，如圖7-20(d)所示。若電動機(jī)的負(fù)載重，電樞電流Ia大，在工作過程中Ia不會改變方向的話，則盡管基極電壓Ub1、Ub4與Ub2、Ub3的極性在交替地改變方向，而V2和V3總不會導(dǎo)通，僅是V1和V4的導(dǎo)通或截止，此時(shí)，電動機(jī)始終都工作在電動狀態(tài)。電流Ia的變化曲線如圖7-20(e)所示。當(dāng)E>Us(如位能轉(zhuǎn)矩負(fù)載)時(shí)，在0≤t<t1期間，電流Ia

沿回路4(經(jīng)VD4和VD1)從A流向B，電動機(jī)工作在再生制動狀態(tài);在t1≤t<T期間，電流Ia沿回路3(經(jīng)V3和V4)從A流向B，電動機(jī)工作在反接制動狀態(tài)。電流Ia的變化曲線如圖7-20(f)所示。

從上面的分析可知，電動機(jī)不論工作在什么狀態(tài)，在0≤t<t1期間電壓U總是等于+Us，而在t1≤t<T期間電壓總是等于-Us，如圖7-20(c)所示。由式(7-14)可知，電樞電壓U的平均值為

若定義雙極性雙極式脈寬放大器的負(fù)載電壓系數(shù)為

(7-15)(7-16)即

可見，ρ可在-1～+1之間變化。當(dāng)t1=T/2時(shí)，ρ=0，Uav=0，電動機(jī)停止不動，但電樞電壓U的瞬時(shí)值不等于零，而是正、負(fù)電樞電壓的寬度相等，即電樞電路中流過一個(gè)交變的電流Ia，類似于圖7-20(d)的電流波形。這個(gè)電流一方面增大了電動機(jī)的空載損耗，但另一方面它使電動機(jī)發(fā)生高頻微動，可以減小靜摩擦，起著動力潤滑作用。

欲使電動機(jī)反轉(zhuǎn)，可令控制電壓Uk為負(fù)即可。

2)控制電路

(1)速度調(diào)節(jié)器ST和電流調(diào)節(jié)器LT。ST和LT均采用比例積分調(diào)節(jié)器。

(2)三角波發(fā)生器。三角波發(fā)生器如圖7-21所示，由運(yùn)算放大器N1

和N2組成，在開環(huán)狀態(tài)下工作，它的輸出電壓不是正飽和值就是負(fù)飽和值，電阻R3和穩(wěn)壓管V組成一個(gè)限幅值，限制N1輸出電壓的幅值。N2為一個(gè)積分器，當(dāng)輸入電壓U1為正時(shí)，其輸出電壓U2向負(fù)方向變化;當(dāng)輸入電壓U1為負(fù)時(shí)，其輸出電壓U2向正方向變化。當(dāng)輸入電壓U1正負(fù)交替變化時(shí)，其輸出電壓U2就變成了一個(gè)三角波。U1和U2的變化曲線如圖7-22(a)和(b)所示。

具體分析如下：R5構(gòu)成正反饋電路，R6構(gòu)成負(fù)反饋電路，相應(yīng)的反饋電流I1和I2在N1的同相輸入端疊加。設(shè)在t=0時(shí)，I0為正，U1為負(fù)限幅值，I1為負(fù)，U2從負(fù)值向正方向增加，I2亦從負(fù)值向正方向增加;當(dāng)U2(I2)增加到使I1+I2>I0，即在t=t7時(shí)刻，U1為正限幅值，I1為正，則U2(I2)從正值向負(fù)方向減少;當(dāng)U2(I2)減少到使I1+I2<I0，即在t=t8時(shí)刻，U1(I1)為負(fù)，U2(I2)從負(fù)值向正方向增加。

2)從負(fù)值向正方向增加。

以后重復(fù)上述過程，這樣就產(chǎn)生了一連串的三角波。改變積分時(shí)間常數(shù)R4C的數(shù)值，可以改變?nèi)遣妷篣2的頻率f;改變電阻R5、R6的比值，可以改變?nèi)遣妷篣2的幅值;調(diào)節(jié)電位器Rp滑點(diǎn)的位置，可以獲得一個(gè)對稱的三角波電壓U2。圖7-21三角波發(fā)生器圖7-22控制電路中各部分的電壓波形(a)、(b)三角波發(fā)生器中有關(guān)的電壓波形;(c)、(d)、(e)分別為Uk>0、Uk<0、Uk=0時(shí)的電壓-脈沖變換器的輸出電壓波形;(f)、(g)為主電路三極管的基極電壓波形

(3)電壓-脈沖變換器。電壓-脈沖變換器BU如圖7-23所示，運(yùn)算放大器N工作在開環(huán)狀態(tài)。當(dāng)它的輸入電壓極性改變時(shí)，其輸出電壓總是在正飽和值和負(fù)飽和值之間變化，這

樣，它就可實(shí)現(xiàn)把連續(xù)的控制電壓Uk轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再經(jīng)限幅器(由電阻R4和二極管VD組成)削去脈沖電壓的負(fù)半波，在BU的輸出端形成一串正脈沖電壓U4。圖7-23電壓-脈沖變換器具體分析如下：在運(yùn)算放大器N的反相輸入端加入兩個(gè)輸入電壓，一個(gè)是三角波電壓U2，另一個(gè)是由系統(tǒng)輸入給定電壓Ugn經(jīng)速度調(diào)節(jié)器ST和電流調(diào)節(jié)器LT后而輸出的直流控制電壓Uk。當(dāng)Ugn為正時(shí)，Uk為正，由圖7-22(b)、(c)可見，在t<t1區(qū)間，因U2為負(fù)，且Uk+U2<0,故U4為正的限幅值;在t1<t<t4區(qū)間，因Uk+U2>0，故U4為零(因負(fù)脈沖已削去)。依此類推，將重復(fù)上述過程，隨著三角波電壓U2的變化，在BU的輸出端就形成了一串正的矩形脈沖，BU的輸出電壓U4如圖7-22(c)所示。當(dāng)Ugn為負(fù)時(shí)，Uk為負(fù)，則在t<t2區(qū)間，

Uk+U2<0，U4為正;而在t2<t<t3區(qū)間，Uk+U2>0，U4=0，所得U4的波形如圖7-22(d)所示。

當(dāng)Ugn=0時(shí)，Uk=0，則U4的波形如圖7-22(e)所示，為一正、負(fù)脈寬相等的矩形波電壓。

(4)脈沖分配器及功率放大。脈沖分配器如圖7-24所示，其作用是把BU產(chǎn)生的矩形脈沖電壓U4(經(jīng)光電隔離器和功率放大)分配到主電路被控三極管的基極。圖7-24脈沖分配器及功率放大由圖7-24可知，當(dāng)U4為高電平時(shí)，門1輸出低電平，一方面它使門5的輸出Uc14為高電平，VD1截止，光電管V1也截止，經(jīng)功率放大電路，其輸出Ub14為低電平，使三極管V1、V4(見圖7-19)截止;另一方面使門2輸出高電平。其后使門6的輸出Uc23為低電平，VD2導(dǎo)通發(fā)光，使光電管V2導(dǎo)通，經(jīng)功率放大后，其輸出Uc23為高電平，使三極管V2、V3(見圖7-19)導(dǎo)通。反之，當(dāng)U4為低電平時(shí)，Uc23為高電平，V2截止，Uc23為低電平，使V2、V3截止;而Uc14為低電平，VB1導(dǎo)通，Uc14為高電平，使V1、V4

可以導(dǎo)通。Uc14和Uc23的波形如圖7-22(f)和(g)所示。可知，隨著電壓U4的周期性變化，電壓Uc14與Uc23正、負(fù)交替變化，從而控制三極管V1、V4與V2、V3的交替導(dǎo)通與截止。

圖7-24中點(diǎn)畫線框內(nèi)的環(huán)節(jié)是個(gè)延時(shí)環(huán)節(jié)，它的作用是保證V1和V4

、V2

和V3兩對三極管中，一對先截止而后另一對再導(dǎo)通，以防止在交替工作時(shí)發(fā)生電源短路。

功率放大電路的作用是把控制信號放大，使其能驅(qū)動大功率晶體三極管。

(5)其他控制電路(過流、失速保護(hù)環(huán)節(jié))。當(dāng)電樞電流過大和電動機(jī)失速時(shí)，該環(huán)節(jié)輸出低電平，封鎖門5和門6，其輸出Uc14和Uc23均為高電平，使Ub14和Ub23均為低電平，從而關(guān)斷三極管V1~V4

，使電動機(jī)停轉(zhuǎn)。泵升限制電路是限制電源電壓的。在由整流電源供電的電動機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，電動機(jī)轉(zhuǎn)速由高到低，存儲在轉(zhuǎn)子和負(fù)載中的動能會變成電能反饋到電源的蓄能電容器中，從而使電源電壓Us升高ΔUp(即所謂泵升電壓值)。電源電壓升高會使晶體管承受的電壓、電流峰值相應(yīng)也升高，超過一定限度時(shí)就會使晶體管損壞。泵升限制電路就是為限制泵升電壓而設(shè)置的控制回路。

3.晶體管脈寬調(diào)速系統(tǒng)的分析

如圖7-18所示，整個(gè)裝置由速度調(diào)節(jié)器ST和電流調(diào)節(jié)器LT組成雙閉環(huán)無差調(diào)節(jié)系統(tǒng)，由LT輸出的電壓Uk(可正可負(fù)且連續(xù)可調(diào))和正負(fù)對稱的三角波電壓U2在BU中進(jìn)行疊加，

產(chǎn)生頻率固定而占空比可調(diào)的方波電壓U4。然后，此方波電壓由脈沖分配器產(chǎn)生兩路相位相差180°的脈沖信號，經(jīng)功放后由這兩路脈沖信號去驅(qū)動橋式功率開關(guān)主電路，使其負(fù)載(電動機(jī))兩端得到極性可變、平均值可調(diào)的直流電壓，該電壓控制直流電動機(jī)正反轉(zhuǎn)或制動。下面具體分析該系統(tǒng)在靜態(tài)、啟動、穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)、穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)突加負(fù)載、制動及降速時(shí)的工作過程。

1)靜態(tài)

系統(tǒng)處于靜態(tài)時(shí)電動機(jī)停轉(zhuǎn)(電動機(jī)完全停轉(zhuǎn)是不現(xiàn)實(shí)的，由于運(yùn)算放大器的高放大倍數(shù)，系統(tǒng)總存在一定的零漂，因此，電動機(jī)總有一定的爬行，不過這種爬行非常緩慢，一般1h左右才爬行一圈，可忽略)，由于速度給定信號Ugn=0。此時(shí)，速度調(diào)節(jié)器ST、電流調(diào)節(jié)器LT的輸出均為零，電壓-脈沖變換器BU在三角波的作用下，輸出端輸出一個(gè)頻率同三角波頻率且負(fù)載電壓系數(shù)ρ=0的正、負(fù)等寬的方波電壓U4，經(jīng)脈沖分配器和功放電路產(chǎn)生的Ub14和Ub23加在橋式功率開關(guān)管V1~V4的基極，使橋式功率晶體管輪流導(dǎo)通或截止，此時(shí)，電動機(jī)電樞兩端的平均電壓等于零，電動機(jī)停止不動。必須說明的是，此時(shí)，電動機(jī)電樞兩端的平均電壓及平均電流雖然為零，但電動機(jī)電樞的瞬時(shí)電壓及電流并不為零，在ST及LT的作用下，系統(tǒng)實(shí)際上處于動態(tài)平衡狀態(tài)。

2)啟動

由于系統(tǒng)是可逆的，現(xiàn)以正轉(zhuǎn)啟動為例(反轉(zhuǎn)啟動類同)。在啟動時(shí)，速度給定信號Ugn送入速度調(diào)節(jié)器的輸入端之后，由于速度調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)很大，使得即使在極微弱的輸入信號作用下，也能使速度調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到其最大限幅值。由于電動機(jī)的慣性作用，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速升到所給定的轉(zhuǎn)速需要一定的時(shí)間，因此，在啟動開始的一段時(shí)間內(nèi)，ΔUn=Ugn-Ufn>0,速度調(diào)節(jié)器的輸出Ugi便一直處于最大限幅值，相當(dāng)于速度調(diào)節(jié)器處于開環(huán)狀態(tài)。由于速度調(diào)節(jié)器的輸出是電流調(diào)節(jié)器的給定值，在速度調(diào)節(jié)器輸出電壓限幅值的作用下，使得電樞兩端的平均電壓迅速上升，電動機(jī)迅速啟動，電動機(jī)電樞平均電流也迅速增加。由于電流調(diào)節(jié)器的電流負(fù)反饋?zhàn)饔茫骰芈冯娏鞯淖兓答伒诫娏髡{(diào)節(jié)器的輸入端與速度調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行比較，因?yàn)長T是PI調(diào)節(jié)器，只要輸入端有偏差存在，LT的輸出就要積分，使電動機(jī)的主回路電流迅速上升，一直升到所規(guī)定的最大電流值為止。此后，電動機(jī)就在這個(gè)最大給定電流下加速。電動機(jī)在最大電流作用下，產(chǎn)生加速動態(tài)轉(zhuǎn)矩，以最大加速度升速，轉(zhuǎn)速迅速上升，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的增長，速度給定電壓與速度反饋電壓的差值ΔUn=Ugn-Ufn跟著減少，但由于速度調(diào)節(jié)器的高放大倍數(shù)積分作用，使得Ugi始終保持在限幅值。因此，電動機(jī)在最大電樞電流下加速，轉(zhuǎn)速繼續(xù)上升，當(dāng)上升到使ΔUn=Ugn-Ufn<0時(shí),速度調(diào)節(jié)器才退出飽和區(qū)，使其輸出Ugi下降，在電流閉環(huán)的作用下，電樞電流隨之下降，當(dāng)電流降到電動機(jī)外加負(fù)載所對應(yīng)的電流以下時(shí)，電動機(jī)便減速，直到ΔUn=Ugn-Ufn＝0為止，這時(shí)電動機(jī)便進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。簡而言之，在整個(gè)啟動過程中，速度調(diào)節(jié)器處于開環(huán)狀態(tài)，不起調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用主要由電流調(diào)節(jié)器來完成。

3)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)

在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速等于給定轉(zhuǎn)速，速度調(diào)節(jié)器的輸入ΔUn＝Ugn-Ufn=0，但由于速度調(diào)節(jié)器的積分作用，其輸出不為零，而是由外加負(fù)載所決定的某一數(shù)值，此值也就是電流給定值。電流調(diào)節(jié)器的輸入值ΔUi=Ugi-Ufi，同樣，

由于電流調(diào)節(jié)器的積分作用，其輸出穩(wěn)定在某一個(gè)值，這個(gè)值是由功率開關(guān)主電路輸出的電壓平均值所決定的。穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不變。

4)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)突加負(fù)載的調(diào)節(jié)過程

當(dāng)負(fù)載突然增加時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速就要下降，速度調(diào)節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn>0，速度調(diào)節(jié)器的輸出(即電流調(diào)節(jié)器的給定值)便增加，電流調(diào)節(jié)器的輸出也增加，使得BU輸出的脈沖占空比發(fā)生變化。于是，功率開關(guān)放大器電路輸

出的電壓平均值也增加，迫使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速回升，直到ΔUn=Ugn-Ufn=0為止，這時(shí)的電流給定值(即速度調(diào)節(jié)器的輸出)對應(yīng)于新的負(fù)載電流，系統(tǒng)處于新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。

5)制動

當(dāng)電動機(jī)處于某種速度的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，若突然使速度給定降為零，即Ugn=0，此時(shí)由于速度反饋信號Ufn>0，因而，速度調(diào)節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn<0，速度調(diào)節(jié)器的輸出Ugi

和電流反饋的輸出Ufi一起使得電流調(diào)節(jié)器的輸出立即處于負(fù)的限幅值，電動機(jī)即進(jìn)行制動，直到速度降為零。以后的過程同靜態(tài)。

6)降速

當(dāng)電動機(jī)處于某種速度的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，若使速度給定Ugn降低，此時(shí)，速度調(diào)節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn<0，電動機(jī)立即進(jìn)行制動降速。當(dāng)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降低到所給定的轉(zhuǎn)速時(shí)，又使速度調(diào)節(jié)器的輸入ΔUn=Ugn-Ufn=0，系統(tǒng)又在新的轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運(yùn)行。

以后的過程同穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)。7.3.1概述

交流調(diào)速系統(tǒng)就是以交流電動機(jī)作為電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)換裝置，并通過對電能的控制以產(chǎn)生所需的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速。它與直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最大的不同之處在于它沒有直流電

動機(jī)電流流向變化的機(jī)械換向器——整流子。7.3交流傳動控制系統(tǒng)

19世紀(jì)80年代以前，在工業(yè)生產(chǎn)中，直流電力傳動是唯一的一種電力傳動方式。到19世紀(jì)末，由于發(fā)明了交流電，解決了三相制交流電的輸送與分配問題，加之又制成了經(jīng)濟(jì)實(shí)用的交流籠型異步電動機(jī)，這就使交流電力傳動在工業(yè)中逐步得到了廣泛的應(yīng)用。隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，對機(jī)電傳動在啟制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍等靜態(tài)特性與動

態(tài)響應(yīng)方面提出了新的、更高的要求。而交流傳動比直流傳動在技術(shù)上難以實(shí)現(xiàn)這些要求，所以20世紀(jì)前半葉，在可逆、可調(diào)速與高精度傳動技術(shù)領(lǐng)域，幾乎都采用直流傳動系統(tǒng)。由于直流電動機(jī)具有電刷與整流子，必須經(jīng)常對電刷與整流子進(jìn)行維修檢查，因而電動機(jī)安裝的環(huán)境受到限制(如不能安裝在有易爆氣體及塵埃多的場合)。另外，直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不夠高、容量小，且它的體積、重量與價(jià)格比同等容量的交流電動機(jī)要大。在20世紀(jì)60年代以后，隨著電力電子學(xué)與電子技術(shù)的發(fā)展，使得采用半導(dǎo)體交流技術(shù)的交流調(diào)速系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。特別是70年代以來，大規(guī)模集成電路和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，以及現(xiàn)代控制理論的應(yīng)用，為交流機(jī)電傳動的開發(fā)創(chuàng)造了有利條件，如交流電動機(jī)的串級調(diào)速、各種類型的變

頻調(diào)速和無換向器電動機(jī)調(diào)速，使得交流機(jī)電傳動逐步具備了寬的調(diào)速范圍、高的穩(wěn)速精度、快的動態(tài)響應(yīng)以及在四象限作可逆運(yùn)行等良好的技術(shù)性能。交流調(diào)速在各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用所占的比重正在逐漸增大，在機(jī)電傳動自動化領(lǐng)域中的地位也日趨重要。

1.交流調(diào)速的重要作用

交流調(diào)速傳動在節(jié)約能源方面起著重要作用。一方面，交流傳動負(fù)荷在各國的總用電量中都占有很大的比重，對這類負(fù)荷實(shí)現(xiàn)節(jié)能，可以獲得很好的節(jié)能效益;另一方面，交流傳動本身又存在著很大的可以挖掘的節(jié)電潛力。在許多交流傳動裝置中，交流電動機(jī)及其所傳動的機(jī)械在選用時(shí)，往往都留有一定的富余容量，而且也常在最大負(fù)荷情況下運(yùn)行。輕載時(shí)，如果利用電力電子技術(shù)降低電動機(jī)的外加電壓，或者通過對電動機(jī)的速度控制來改變某些工作機(jī)械的工況，就可達(dá)到節(jié)電的目的。例如工業(yè)上大量使用的風(fēng)機(jī)、水泵、壓縮機(jī)等，都是采用交流電動機(jī)拖動，其用電量約占工業(yè)用電的50％。過去大都靠調(diào)節(jié)風(fēng)門、閘閥來改變流量，使得大量電能被白白浪費(fèi)，若采用電動機(jī)調(diào)速來改變流量，則其效率可以大大提高。

2.交流調(diào)速的基本類型

交流電動機(jī)分為同步電動機(jī)和異步電動機(jī)兩大類。

同步電動機(jī)的調(diào)速靠改變供電電壓的頻率而改變其同步轉(zhuǎn)速。因此，同步電動機(jī)的調(diào)速方法有兩種：

(1)不改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，具體有轉(zhuǎn)子串電阻、轉(zhuǎn)子斬波調(diào)速、改變定子電壓、改變轉(zhuǎn)子附加電動勢、應(yīng)用電磁轉(zhuǎn)差離合器等方法。

(2)改變同步轉(zhuǎn)速的調(diào)速方法，具體有改變定子極對數(shù)、改變定子電壓頻率，應(yīng)用無換向器電動機(jī)等方法。

異步電動機(jī)的調(diào)速方法較多，常見的有：

①降電壓調(diào)速;

②電磁轉(zhuǎn)差離合器調(diào)速;

③繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻調(diào)速;

④繞線轉(zhuǎn)子異步電動機(jī)串級調(diào)速;

⑤變極對數(shù)調(diào)速;

⑥變頻調(diào)速等。按照交流異步電動機(jī)的基本原理，從定子傳入轉(zhuǎn)子的電磁功率Pm可分為兩部分：一部分為P2=(1-s)Pm，是拖動負(fù)載的有效功率;另一部分是轉(zhuǎn)差功率Ps=sPm，其與轉(zhuǎn)差率s成正

比。從能量轉(zhuǎn)換的角度上看，轉(zhuǎn)差功率是否增大，是消耗掉還是得到回收，是評價(jià)調(diào)速系統(tǒng)效率高低的一種標(biāo)志。從這點(diǎn)出發(fā)，可以把異步電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)分成三大類。

1)轉(zhuǎn)差功率消耗型調(diào)速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的全部轉(zhuǎn)差功率都被轉(zhuǎn)換成熱能的形式而消耗

掉。上述的第①、②、③三種調(diào)速方法都屬于這一類。在三大調(diào)速系統(tǒng)中，這類調(diào)速系統(tǒng)的效率最低，而且它以增加轉(zhuǎn)差功率的消耗來換取轉(zhuǎn)速的降低(恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí))，越向下調(diào)速，效率越低。但這類系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，所以還有一定的應(yīng)用場合。

2)轉(zhuǎn)差功率回饋型調(diào)速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差功率的一部分被消耗掉，大部分則通過變流裝置回饋電網(wǎng)或者轉(zhuǎn)化為機(jī)械能予以利用，轉(zhuǎn)速越低時(shí)，回收的功率也越多。上述第④種調(diào)速方法(串級調(diào)速)屬于這一類。這類調(diào)速系統(tǒng)的效率顯然比第一類要高，但增設(shè)的交流裝置總要多消耗一部分功率，因此還不及第三類。

3)轉(zhuǎn)差功率不變型調(diào)速系統(tǒng)

該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差功率中轉(zhuǎn)子銅損部分的消耗是不可避免

的，但在這類系統(tǒng)中，無論轉(zhuǎn)速高低，轉(zhuǎn)差功率的消耗基本不變，因此效率最高。上述的第⑤、⑥兩種調(diào)速方法屬于此類。其中變極對數(shù)調(diào)速只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，應(yīng)用場合有限。只有變頻調(diào)速應(yīng)用最廣，可以構(gòu)成高動態(tài)性能的交流調(diào)速系統(tǒng)，取代直流調(diào)速，最有發(fā)展前途。

無論是異步電動機(jī)還是同步電動機(jī)，都是依靠改變供電電壓的頻率而改變其轉(zhuǎn)速，變頻的結(jié)果都是改變旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，二者的效果是一樣的。7.3.2異步電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)

當(dāng)異步電動機(jī)定子與轉(zhuǎn)子回路的參數(shù)為恒定時(shí)，在定轉(zhuǎn)差率下，電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩M與加在其定子繞組上電壓U的平方成正比，即M∝U2。因此，改變電動機(jī)的定子電壓就可改變其機(jī)械特性的函數(shù)關(guān)系，從而改變電動機(jī)在一定輸出轉(zhuǎn)矩下的轉(zhuǎn)速。圖7-25表示異步電動機(jī)在調(diào)壓調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性。

交流調(diào)壓調(diào)速是一種比較簡便的調(diào)速方法，可以在異步電動機(jī)定子回路中串入飽和電抗器以及在定子側(cè)加調(diào)壓變壓器來實(shí)現(xiàn)調(diào)壓調(diào)速。當(dāng)今可使用雙向晶閘管元件來實(shí)現(xiàn)交流調(diào)壓調(diào)速。

1.控制方式

晶閘管交流調(diào)壓就是在恒定交流電源與負(fù)載(如電阻、交流電動機(jī)等)之間接入晶閘管作為交流電壓控制器。其控制方式有相位控制和通斷控制兩種。圖7-25異步電動機(jī)在改變定子電壓時(shí)的機(jī)械特性(U1>U2>U3)

1)相位控制

晶閘管單相調(diào)壓電路如圖7-26所示。作為相位控制時(shí)，晶閘管在每個(gè)電源電壓波形周期的選定時(shí)刻將負(fù)載與電源接通。如圖7-27所示，不同的控制角可得到不同的輸出負(fù)載電壓波形u=f(t)，從而起到調(diào)壓作用。為使輸出電壓正、負(fù)半波對稱，反并聯(lián)的兩個(gè)晶閘管的控制角應(yīng)相等。圖7-26晶閘管單相調(diào)壓電路圖7-27晶閘管單相調(diào)壓電路在相位控制時(shí)的負(fù)載電壓波形

2)通斷控制

通斷控制時(shí)的調(diào)壓電路仍如圖7-26所示，但晶閘管起著快速開關(guān)作用，它把負(fù)載與電源按一定的頻率通斷關(guān)系接通與斷開。晶閘管的控制角α一般為0°，可連續(xù)導(dǎo)通幾個(gè)

周期，晶閘管在控制脈沖消失時(shí)自然關(guān)斷。電動機(jī)作為負(fù)載時(shí)，它相當(dāng)于工作在脈沖調(diào)速狀態(tài)。負(fù)載電壓波形如圖7-28所示。圖7-28晶閘管單相調(diào)壓電路在通斷時(shí)的負(fù)載電壓波形

2.異步電動機(jī)調(diào)壓時(shí)的機(jī)械特性

根據(jù)電機(jī)學(xué)原理，在①忽略空間和時(shí)間諧波，②忽略磁飽和，③忽略鐵損耗的情況下，可畫出感應(yīng)電動機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖，如圖7-29所示。圖中各參量的定義如下：

R1、R2為定子每相電阻和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相電阻;L11、L12′為定子每相漏感和折合到定子側(cè)的轉(zhuǎn)子每相漏感;Lm為定子每相繞組產(chǎn)生氣隙主磁通的等效電感，即勵(lì)磁電

感;U1、

ω1為電動機(jī)定子相電壓和供電角頻率。圖7-29感應(yīng)電動機(jī)穩(wěn)態(tài)等效電路

由圖7-29可以導(dǎo)出：

(7-17)

式中：

在一般情況下，LmL11，則C1≈1，這相當(dāng)于將上述假設(shè)條件的第③條改為忽略鐵損耗和勵(lì)磁電流。這樣，電流公式可簡化為

(7-18)

令電磁功率，同步機(jī)械角轉(zhuǎn)速，p為極對數(shù)，則感應(yīng)電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為

(7-19)

式(7-19)就是感應(yīng)電動機(jī)的機(jī)械特性方程。它表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速或轉(zhuǎn)差率一定時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比。這樣，不同電壓下的機(jī)械特性如圖7-30所示，圖中Ued表示額定電壓。將式(7-19)對s求導(dǎo)，并令，可求出產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩時(shí)的轉(zhuǎn)差率sm和最大轉(zhuǎn)矩Memax，即:

(7-20)