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第五章电动机的调速系统 第一节概述 电动机的调速系统有直流调速系统和交流调速系统两大类 一 直流调速系统直流电动机的方程式 Ea Ce n T Cm Ia U Ea IaRa 二 交流调速系统根据 所以交流电动机有三种调速方法 变极调速 变转差率调速和变频调速 第二节有静差直流自动调速系统 1 单闭环有静差调速系统 转速负反馈有静差调速系统 直流电动机的调速有三种方法 1 电枢回路串电阻调速 为有级调速 2 弱磁调速 可实现无级调速 为恒功率调速 调速范围小 一般在高于额定转速时应用 3 调压调速 可实现无级调速 为恒转矩调速 调速范围大 一般在低于额定转速时应用 应用范围广 系统各环节的关系如下 U Ug Uf UC Kp U Ud KtrUC 在反馈环节中Uf n 直流电动机的电压和电动势方程为 Ud E IdR E Ce n 则系统的开环特性为 将 各式带入 式 得系统的闭环特性 式中Kn KpKmKtr为系统开环放大倍数 特点 1 当给定电压不变时 闭环系统的稳态速降为开环系统稳态速降的1 1 K 倍 闭环系统的理想空在转速为开环系统的1 1 K 倍 2 若要维持系统的运行速度不变 闭环时的给定电压要比开环时的给定电压相应提高 1 K 倍 3 只要系统的开环放大倍数K足够大 就可以把系统的稳态速降减小到允许的范围内 而且闭环系统的调速范围是开环系统的 1 K 倍 即K越大 系统的静态性能越好 4 闭环系统能有效地抑制一切被包在反馈环内的扰动作用 但对给定电压和反馈检测元件本身的误差是无能为力的 2 电压负反馈调速系统具有转速负反馈的自动调速系统 在调速指标方面是不错的 但它需要一台测速发电机 而且测速发电机的要求很高 与电动机同轴连接 这不仅增加了成本 增添了维护上的困难 还会因为附带产生交流干扰问题 给调试和运行带来麻烦 因此 对于某些要求不高调速系统 可采用电压负反馈形式 R2 Ud R0 R0 Ug U0 Rp Kp Ktr R Rf R1 Ufv 式中R0为电源的内阻 Ra为电动机电枢绕组的内阻 特点 1 电压负反馈电阻接在电枢前面 它只能使主回路上的电压变化得到补偿 而电动机上的电压变化没有得到补偿 即电压负反馈只把由整流装置内阻引起的静态速降减小到1 1 K 由电枢电阻引起的速降仍和开环时一样 2 电压负反馈适用于调速范围D 10 静差率是S 15 30 的场合 3 电压负反馈调速系统静态特性比同等放大倍数的转速负反馈调速系统差 4 系统的结构简单 维修方便 但在低速时容易发生停转现象 R1 3 电压负反馈加电流正反馈直流调速系统电压负反馈系统的转速降落较大 即静特性不够理想 这是因为电动机电枢电阻上的电压降所引起的转速降落未得到补偿 为了补偿电枢电阻压降IaRa 故在电压负反馈的基础上增加一个电流正反馈环节 R2 Ud R0 R0 Ug U0 Rp Kp Ktr R Rf R3 L Rf 增加电流正反馈 就是把一个反映电动机电枢电流大小的量IaRa取出 也加到比例调节器的输入端 由于是正反馈 调节器的输入信号反映了负载电流的增减 即当负载电流Ia增加时 调节器的输入信号也增加 使晶闸管整流器输出电压Ud也增加 以补偿电枢电阻所产生的压降 特点 1 电流正反馈反映的物理量是电动机负载的大小 不是被调量电压和转速的大小 2 电流正反馈是一种补偿环节 不是反馈环节 3 在电流正反馈对转速进行补偿中 负载增加 转速量上升 负载减小时 则反之 4 这种调速系统的调速范围没有转速负反馈系统宽 适用于D 20 s 10 的场合 4 带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统 转速负反馈虽然解决了静态速降等问题 但没解决启动电流的问题 要限制启动电流 必须加电流负反馈 但是 电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软 不能满足一般调速系统的要求 电流负反馈的限流作用只应在启动和堵转时存在 在正常运行时必须去掉 n n0 Id Idu U0 Ud R0 R0 Ug U0 Rp Kp Ktr R Rf L Rf R3 R1 V1 Ia R2 Ufi Ufn 带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统 特点 1 电动机启动时 电流截止负反馈起作用 从而限制启动电流 正常工作时 电流截止负反馈作用很少 2 当系统工作超过额定值时 电流截止负反馈起作用 从而保证系统的安全 3 电流截止负反馈采用的方法有电压比较法和在反馈回路中串联一个稳压二极管 第三节无静差直流自动调速系统 一 转速单闭环无静差直流调速系统 C Ud R0 R0 Ug U0 Rp Kp R Rf L R2 Uct Un 比例调节过程 在 Un的作用下 PI调节器立即输出比例调节部分 Uct KP Un 它使晶闸管整流输出电压增加 Ud 这个电压使电动机转速迅速回升 其大小与偏差电压 Un成正比 即 Un越大 调节作用越强 电动机转速回升也就越快 当转速回升到原来的转速n1以后 Ud也减到零 这表明与偏差成比例的调节作用与偏差共存亡 偏差不存在 比例调节作用便结束 积分调节过程 积分部分的输出电压正比于偏差电压的积分 积分作用使晶闸管整流输出电压增长量 Ud增长的速度与偏差电压 Un成正比 开始阶段 n较小 Un也较小 Ud增长得十分缓慢 当 n最大时 Ud增长得最快 在调节过程的末段 电动机转速开始回升 n减小 Ud的增长也变慢 当 n完全等于零时 Ud便停止增长 之后就一直保持这个数值不变 积分作用虽然不再增长 但它却记住了以往积累的调节结果 正因为如此 整流输出电压在最后被保持在比原来数值Ud高出 Ud的新的数值上 Ud是比例调节器和积分调节器的综合效果 可以看出 不管负载怎样变化 积分调节作用要把负载变化的影响完全补偿掉 使转速回升到原来的转速 这就是无静差调节过程 二 速度 电流双闭环自动调速系统由PI调节器组成的无静差调速系统消除了静差 但电动机的启动过程较长 生产效率低 为了解决该问题 最好是在不超过电动机最大电流的情况下 让电动机在较大电流下启动 为了实现在允许条件下最快启动 关键是要获得一段使电流保持为最大值idm的恒流过程 按照反馈控制规律 采用某个物理量的负反馈可以保持该量基本不变 因此采用电流负反馈可以得到近似的恒流过程 电流调节器ACR 转速调节器ASR R0 Uct R0 Ui Ud R0 R0 Uis U0 Rp R2 TA Un Cn Kp Rb Rn L Id Ci Kp R Ri GT V Ui 该系统采用了两个PI调节器 其中ASR为速度调节器 称为外环 ACR为电流调节器 称为内环 两环进行串联 启动时 转速调节器饱和 作用很小 只有电流调节器起作用 系统在允许的最大电流下快速启动 启动完毕 速度调节器退出饱和 起转速调节作用 在整个控制过程中只有速度调节器会饱和 电流调节器不会饱和 Uic Un 速度 电流双闭环自动调速系统的工作过程1 启动过程速度 电流双闭环自动调速系统的启动分为以下三个阶段 1 第一阶段即电流上升阶段突加给定电压Un 后 由于转速很低 Un较小 所以转速调节器进入饱和状态 输出限幅值U im 这个电压加到电流调节器ACR的输入端 使Uct上升 从而使整流电压 电枢电流很快上高 直到设计时所选定的电流最大值Idm为止 此阶段因为转速调节器饱和而失去调节作用 2 第二阶段即恒流升速阶段从电流升到最大值Idm开始 到转速升到给定值为止 这是启动过程的主要阶段 在这个阶段中 转速调节器ASR一直处于饱和状态 转速环不起作用 电流保持恒值Idm不变 所以称为恒流升速阶段 在启动过程中 由于转速和反电动势线性增长 因而电流环必须发挥作用 使电流调节器的输出电压Uct也按线性增长 才能克服反电动势的扰动 保持电流恒定 即电流调节器不应饱和 第三阶段即转速调节阶段转速调节器在这个阶段才起作用 开始时 转速已上升到给定值 转速调节器的给定与反馈电压相平衡 输入偏差为零 但由于积分的作用 其输出仍然维持在限幅值 电动机仍然在最大电流下加速 直至转速超调 超调后 转速调节器的输入端出现负的偏差电压 使它退出饱和 转速调节器开始转速调节 由于电流调节器的输入发生了变化 故电流调节器也起调节作用 由于转速环是外环 起主导作用 最后使转速稳定在给定的转速上 2 负载变化时的自动调节过程当负载最大时 自动调节过程如下 由于负载最大 转速下降 转速调节器的输入偏差电压最大 其输出开始增加 电流调节器的输入偏差电压也增大 其输出开始增加 在电流调节器的作用下 使电流增加并超过负载电流 转速开始回升 经过一段时间的调节 使电动机转速重新回到给定转速 3 电动机堵转时的自动调节过程电动机堵转时 转速调节器迅速饱和 由于Id Idm使 Uic 0 从而使电流调节器的输出迅速下降 Ud和Id迅速下降 转速急剧下降 但由于电流调节器的调节作用 使Id维持Idm不变 直到堵转为止 转速调节器和电流调节器的作用可以归纳如下 1 转速调节器的作用 使电动机转速n跟随给定电压Ug变化 保证稳态转速无静差 对负载扰动起抗扰作用 其输出限幅值决定允许的最大电流 在启动时给出最大电流给定信号Uim 2 电流调节器的作用 对电网电压扰动起及时抗扰作用 启动时保证获得恒定的最大允许电流 当电动机过载或堵转时 限制电枢电流的最大值 起到快速的安全保护作用 在转速调节过程中 使电流Id跟随给定电压Ug的变化 转速 电流双闭环调速系统的特性 1 启动时 速度调节器饱和 作用小 主要依靠电流调节器起作用 2 负载突然增加时 主要依靠电流调节器的调节作用清除转速偏差 第四节可逆直流调速系统 一 可逆调速系统的基本概念 1 两组晶闸管反并联的变流装置由于晶闸管整流装置的电流不能反向 所以在电动机需要反转和回馈制动时 必须需要两套反并联的变流装置 2 电动机的四象限运行及正反组变流器的状态 3 可逆电路中的环流 所谓环流是指不流过电动机而直接在两组变流器之间流通的短路电流 环流的存在会增加损耗 降低效率 过大的环流会损坏晶闸管 因此必须控制环流 但少量环流的存在也有有利的一面 它有利于晶闸管中电流的连续 保证电流无间断的反向 加速反向时的过渡过程 可逆调速系统根据环流的有无 分为有环流系统和无环流系统两大类 二 配合控制的有环流可逆系统1 工作制配合控制在这种工作之中 若正组工作在整流状态 则让反组工作在逆变状态 且 或让 所以消除直流环流的条件是 VF VR 整流 逆变 UdF UdR 在这种工作制中 由于反组晶闸管中没有电流流过 也没有电能回馈电网 只是等待逆变 所以称为待逆变状态 当需要制动时 可以同时改变正反组的触发延迟角 即同时降低UdF和UdR 一旦电动机的反电动势Ed UdF和UdR 正组VF的整流电流将被截止 而进入等待整流状态 而反组进入逆变状态 将电能回馈给电网 实现回馈制动 在这种工作制中 虽然没有直流平均环流 但由于整流和逆变的瞬时电压并不相等 仍然存在瞬时环流 故将这种系统称为 配合控制的有环流可逆调速系统 2 系统组成和原理 L1 L4为环流电抗器 Ld为平波电抗器 ASR和ACR分别为转速 电流调节器 AR为反相器 GTF和GTR分别为正反向触发器 TA为电流互感器 当Uct 0时 两组触发装置的触发延迟角 FO和 RO均整定为90 Uct增大时 一方面 F减小 正组变流器进入整流状态 整流电压Udof增大 另一方面 R减小 反组变流器进入逆变状态Udof增大 在整个控制过程中始终保持 从而保持了 配合控制 3 系统的工作过程由于系统的启动与不可逆调速系统没有区别 因此只以正转制动过程为例分析 配合控制的有环流可逆系统正向运行时的极性 1 本桥逆变阶段发出停车指令后 Un 0 速度调节器ASR的输入为 Un 则ASR输出正饱和值U im 电流调节器ACR在U im和电流反馈信号Ui的共同作用下 ACR的输出电压变成负的限幅值Uctm 因而使正组变流器进入 min 30 的逆变状态 而反组处于 min 30 整流状态 由于转速和反电动势来不及产生明显的变化 而电流迅速下降 则在平波电抗器两端感应出很大的电压 由于 所以 Id通过正组桥把储存在电抗器中的能量迅速逆变回馈电网 而反组并不能真正输出整流电流 E Un GTR KF KR Un ASR Ui ACR L2 L1 Ld Udof Udor TA Id L3 L4 1 AR Uct GTF TG Ui Uct VF VR 配合控制的有环流可逆系统本桥逆变时的极性 2 反桥制动阶段 反接制动阶段当电动机电枢电流Id下降到零时 本桥逆变结束 平波电抗器中的感应电压下降 电流开始反向 这时 反组仍处于整流状态 在反组整流电压和反电动势E的共同作用下 反向电流迅速增长 电动机处于反接制动状态 转速开始下降 在该阶段反组和电动机将电能储存在电感中 E Un GTR KF KR Un ASR Ui ACR L2 L1 Ld Udof Udor TA Id L3 L4 1 AR Uct GTF TG Ui Uct VF VR 配合控制的有环流可逆系统反接制动时的极性 反桥逆变阶段当反向电流达到 Idm并略有超调时 电流调节器的输入偏差电压变负 其输出电压Uct退出饱和并急剧减小 然后反向 Uct由负变正 使反组桥重新回到逆变状态 正组回到整流状态 此后在电流调节器的作用下力图维持最大反向电流 使电动机回馈制动 当转速降低时 转速负反馈信号Un减小 但只要其极性不变 转速调节器仍一直在维持限幅值 直至转速为零时 主电路中仍有 Idm的制动电流 迫使转速超调 一旦n变负 Un也反号 转速调节器的输出才退出限幅值并急剧减小 Idm迅速减小到零 转速在负载的作用下又回到零 制动过程结束 E Un GTR KF KR Un ASR Ui ACR L2 L1 Ld Udof Udor TA Id L3 L4 1 AR Uct GTF TG Ui Uct VF VR 配合控制的有环流可逆系统回馈制动时的极性 三 逻辑无环流可逆调速系统 2 可逆系统对无环流逻辑控制装置的要求 1 电平检测器 时时间 第五节异步电动机串级调速系统 0 第六节异步电动机的变频调速系统 一 变频调速的基本原理与基本控制方式 2 变频调速的基本控制方式1 额定频率以下的恒磁通变频调速由于 E1 f1 为保持 为常数 必须使E1 f1为常数 但由于E1不容易测量 而电动机工作时 E1 U1 所以常采用U1 f1 常数的方式进行变频调速 且属于恒转矩调速 2 额定频率以上的弱磁调速当f1 fN时 由于电源电压的限制 U1只能等于UN 所以 随着f1的升高 只有下降 即弱磁调速 且属于恒功率调速 二 变频器的分类及其特点 分类 交 交变频 直接变频 交 直 交变频 间接变频 电压源型电流源型 脉冲幅度调制 PAM 和脉冲调制式 PWM式和SPWM式 交 交变频 直接变频 与交 直 交变频 间接变频 的比较 1 交 交变频 直接变频 如果正组变流器和反组变流器轮流导通 在在负载上便可获得交变的电压uo uo的幅值可以通过改变变流器的控制角 加以调节 uo的频率则由两组变流器轮流导通的切换频率所决定 由于变频器的输出电压是经过晶闸管变流后得到的 所以输出频率不可能高于电网频率 2 交 直 交变频 间接变频 1 按直流侧电源性质分 电压源型电流源型 电压源型 电流源型 2 按输出电压调节方式分 有脉冲幅度调制 PAM 和脉冲调制式两种方式 1 脉冲幅度调制 PAM 它是通过改变直流侧的电压幅值进行调压的 在变频器中 逆变器只负责调节输出频率 而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压实现 2 脉冲调制式又分为PWM 脉宽调制 式和SPWM 正弦波调制 式主要特点是整流电路采用二极管电路 逆变电路采用大功率的晶体三极管或绝缘栅双极晶体管等全控型器件 2 正弦波脉宽调制 SPWM 方式 参考信号 调制信号 在脉宽调制中 把期望的波形称为参考信号 调制信号 载波信号 受参考信号调制的信号称为载波信号 正弦波脉宽调制 SPWM 把参考信号为正弦波的脉宽调制方式称为正弦波脉宽调制 SPWM 方式 在SPWM方式中参考信号为正弦波 而载波信号为三角波 SPWM调制的原理 在采样控制理论中的一个重要结论 冲量相等而形状不同的窄脉冲 加在具有惯性的环节上时 其效果基本相同 SPWM法就是以该结论为理论基础 用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形 即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断 使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等 通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值 脉宽调制中从调制脉冲的极性上又分为单极性和双极性两种 当调制正弦波瞬时值高于载波三角波瞬时值时 三极管导通 输出电压为Ud 当调制正弦波瞬时值低于载波三角波瞬时值时 三极管截止 输出电压为0 调整正弦波的幅值和频率即可达到调节输出交流电压幅值和频率的目的 1 单极性的SPWM调制方式 由于三角波的极性为单方向的 故称为单极性SPWM逆变器 其工作特点是 同一桥臂的上 下管各工作调制正弦波的半个周期 如U相上的两个三极管V1和V4 在正弦波的正半周内V1按正弦脉宽规律交替导通和截止 而V2始终保持关断 在正弦波的负半周V2工作 而V1保持关断 三 位置移动数字显示系统在位置移动数字显示系统中 常用的检测元件有感应同步器 光栅 磁栅等 1 感应同步器感应同步器是用来测量直线或转角的一种位置检测器件 测量直线位置的有直线感应同步器 测量转角的有圆感应同步器 1 感应同步器的结构 感应同步器是一种电磁式的位置检测传感器 主要部件包括定尺和滑尺 定尺和滑尺做在相对移动的两个部件上 两者平行放置 保持0 2 0 3mm间隙 2 工作原理滑尺与定尺互相平行 并保持一定的距离 当向滑尺上的绕组通以交流激磁电压时 激磁信号在空间将产生一个和电压同角频率的磁场 磁场切割定尺导片 由于电磁感应 在定尺绕组上产生感应电压 当定尺与滑尺的绕组重合时 如右图中A点所示 这时感应电压最大 B点感应电压为零 C点感应电压值与A点位置相同但极性相反 D点感应电压又变为零 当移动到一个极距时即图中E点位置时 情况和A点位置相同 这样在滑尺移动一个节距的过程中感应电压变化了一个余弦波形 感应同步器就是利用这个感应电压的变化进行位置检测的 根据不同的激磁供电方式 感应同步器的工作状态可分为相位工作状态和幅值工作状态 3 感应同步器的特点1 精度高 2 测量长度不受限制 3 对环境的适应性强 4 维护简单 寿命长 5 抗扰能力强 工艺性好 成本较低 便于复制和成批生产 4 感应同步器安装是使用的注意事项1 感应同步器在安装时必须保持两尺平行 两平面间的间隙约为0 25mm 倾斜度小于0 5 装配面波纹度在0 01mm 250mm以内 滑尺移动时 晃动的间隙及不平行度误差的变化小于0 1mm 2 感应同步器大多数在容易被切屑及切屑液浸入的地方 所以必须加以防护 否则切屑夹在间隙内 会使滑尺和定尺的绕组刮伤或短路 使装置发生误动作及损坏 3 同步回路中的阻抗和激磁电压不对称以及激磁电流失真度超过2 将对检测精度产生很大的影响 因此在调整系统时 应加以注意 4 由于感应同步器感应电势低 阻抗低 所以应加强屏蔽以防干扰 2 光栅 光栅也是位置检测元件之一 1 光栅的组成和工作原理下面以透射光栅为例介绍光栅的组成工作原理 1 光栅尺光栅通常由两块光栅尺组成 其中长的一块称为主光栅或标尺光栅 要求与行程等长 短的一块称为指示光栅 两光栅上均匀地刻有相互平行 透光和不透光相间的线纹 这些线纹与两光栅相对运动的方向垂直 其中 白的部