交直流调速系统

交直流调速系统 学习目的和要求1 了解调速系统的作用2 熟悉生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求3 了解调速系统与生产机械的负载特性合理匹配的基本概念4 掌握各种常用的调速系统的基本组成环节 调速原理 特点及适用场所及其选用 交通系统 1 什么是调速及调速系统将调节电动机转速 以适应生产要求的过程就称之为调速 用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备 所以需要根据工艺要求调节其转速 比如 在加工毛坯工件时 为了防止工件表面对生产刀具的磨损 因此加工时要求电机低速运行 而在对工件进行精加工时 为了要缩短工加时间 提高产品的成本效益 因此加工时要求电机高速运行 2 调速系统的作用机床在加工过程中 需要按不同的加工要求 调整主轴的转速 进给速度 为保证工件表面质量和精度 要求电动机运行速度平稳 1 调速 调速控制系统保证电动机起动 制动 调速过程迅速改变速度 2 稳速 调速控制系统能迅速消除扰动 主要是负载和电枢电压波动 而引起的转速波动 保证电动机运行速度平稳 3 调速系统的性能指标根据生产机械对调速系统提出的要求 调速技术指标又静态指标和动态指标 静态指标 静差度 调速范围 动态指标 跟随性能指标 抗扰性能指标 4 调速系统的分类目前调速系统分交流和直流调速系统 由于直流调速系统的调速范围广 静差率小 稳定性好以及具有良好的动态性能 因此在相当长的时期内 高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统 直流电动机工作原理 直流电动机原理示意图 磁极 电枢 换向器 电刷 直流电动机的励磁 直流电动机的分类励磁方式 励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式 指电机的励磁方式 如他励 并励 串励和复励等 励磁电压Uf 对并励电机来说 励磁电压就等于电机的额定电压 对他励电机来说 励磁电压要根据使用情况决定 励磁电流If 指电机产生主磁通所需要的最大允许励磁电流 他励方式 a 他励直流发电机 b 他励直流电动机他励直流电机的励磁方式 励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系Ia I 第一章单闭环直流调速系统调速控制系统的性能指标各种自动化生产机械或系统所提出的性能指标一般都分为稳态指标和动态指标 稳态指标 主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节 并且在不同转速下工作时能稳定运行 而在某一转速下稳定运行时 尽量少受负载变化及电源电压波动的影响 因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率 动态指标 主要是平稳性和抗干扰能力 直流调速系统基础知识直流他励电动机的转速公式表示 式中n 转速 单位r min Ud 电枢电压 V Id 电枢电流 A Rd 电枢回路电阻 励磁磁通 Wb Ke 由电动机结构决定的电动势系数 以上公式表明 直流电动机的调速方法有三种 1 调节电枢供电电压Ud改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压 从电动机额定转速向下变速 属恒转矩调速方法 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 这种方法最好 工作条件 保持励磁F FN 保持电阻R Ra调节过程 改变电压UN Ud n n0 调速特性 转速下降 机械特性曲线平行下移 调压调速特性曲线 2 改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速 但只能减弱磁通进行调速 简称弱磁调速 从电机额定转速向上调速 属恒功率调速方法 工作条件 保持电压U UN 保持电阻R Ra调节过程 减小励磁FN F n n0 调速特性 转速上升 机械特性曲线变软 调磁调速特性曲线 3 改变电枢回路电阻R在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法 设备简单 操作方便 但是只能进行有级调速 调速平滑性差 机械特性较软 空载时几乎没什么调速作用 还会在调速电阻上消耗大量电能 工作条件 保持励磁F FN 保持电压U UN调节过程 增加电阻Ra R n n0不变 调速特性 转速下降 机械特性曲线变软 调阻调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说 调节电枢供电电压的方式为最好 改变电阻只能有级调速 减弱磁通调速范围不大 并且这两种都会使直流他励电机的机械特性变软 在实际应用中我们通常采用的是变电压调速 实现调压调速的关键是要有可调的直流电源 直流调速系统用的可控直流电源调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控直流电源 60年代初 大功率晶闸管投入使用 采用晶闸管可控整流器向直流电动机供电 随着晶闸管变流技术的日渐成熟 使直流调速系统更加完善 目前 用晶闸管变流器控制的他励直流电动机 是工业应用最广泛的电动机传动系统 对直流调速系统的要求各类不同的生产机械 由于其具体的生产工艺过程不同 对控制系统的性能要求也是不同的 但归纳起来有以下三个方面 调速在一定的范围内实现有级或无级地调节转速 调速系统的转向若要求正 反转 则为可逆调速系统 若只要求单向运转 则为不可逆调速系统 稳速以一定的精度与要求的转速上稳定运行 尽可能不受外部或内部扰动的影响 以确保产品质量 良好的起 制动性能 对于频繁起 制动的设备要求尽可能快地加 减速 以提高生产效率 要求起 制动尽可能地平稳 常用的可控直流电源有以下三种 1 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组 以获得可调的直流电压 2 静止可控整流器 用静止的可控整流器 如晶闸管整流装置 产生可调的直流电压 3 直流斩波器或脉宽调制变换器 利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流直流电源 1 旋转变流机组 G M系统 以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调速系统的原理 由交流电动机拖动直流发电机G实现变流 由G给需要调速的直流电动机M电枢供电 调节发电机的励磁电流 即可改变其输出电压U 从而调节电动机的转速n的大小 这种调速系统叫做发电机 电动机系统 即G M系统 图1 1旋转变流机组供电的直流调速系统 G M系统 要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大装置进行控制 如果改变if的方向 则U的极性和n的转向都跟着改变 因此G M系统的可逆运行是很容易的 这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组 设备多 体积大 效率低 安装需打地基 运行有噪音 维护不方便 为了克服这些缺点 在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组 直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代 2 静止式可控整流器 V M系统 图1 3晶闸管 直流调速系统 V M系统 d2 d1 一 电阻负载 00 开环调速系统 直流电机调速系统的基本结构 控制 驱动 电机 机械 速度控制 速度负反馈闭环调速系统 闭环 控制 驱动 电机 机械 测量 速度控制 目前 晶闸管 电动机调速系统 简称V M系统 已经成为直流调速系统的主要形式 晶闸管 电动机调速系统原理框图 V M系统 给定电压Uc控制触发装置 GT触发脉冲的相位a 1 开环V M系统控制过程分析 在开环调速系统中 控制是单方向进行的 输出转速并不影响控制电压 控制电压直接由给定电压产生 1 直流电动机 直流电动机有两个独立的电路 一个是电枢回路 另一个是励磁回路 2 晶闸管整流电路 3 晶闸管触发脉冲电路 2 开环V M系统组成 当电动机处于稳态运行时 di dt 0 dn dt 0 即可得到系统的输出输入关系 当出现扰动时 如负载发生变化 问题 输出量不能按照输入量所期望的状态去工作 即不能得到期望的转速 2 解决方法自控原理中学过 采用反馈控制的闭环调速系统 即按被调量的偏差来进行控制 只要出现偏差系统就会自动产生纠正偏差的作用 反馈闭环控制有时称为偏差控制 V M系统的特点晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有很大提高 晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在104 控制功率小 在控制作用的快速性上也大大提高 有利于改善系统的动态性能 第二节转速负反馈有静差直流调速系统 任何一台需要控制转速的设备 其生产工艺对调速性能都有一定的要求 例如 最高转速与最低转速之间的范围 是有级调速还是无级调速 在稳态运行时允许转速波动的大小 从正转运行变到反转运行的时间间隔 突加或突减负载时允许的转速波动 运行停止时要求的定位精度等等 归纳起来 对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面 1 调速 在一定的最高转速和最低转速范围内 分档地 有级 或平滑地 无级 调节转速 2 稳速 在各种干扰下不允许有过大的转速波动 以确保产品质量 3 加 减速 要求加 减速尽量快 以提高生产率 要求起 制动尽量平稳 4 有两个调速指标 叫做 调速范围 和 静差率 这两个指标合称调速系统的稳态性能指标 调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速Nmax与最低转速Nmin之比称为调速范围 用D表示 即 静差率调速系统的负载由理想空载增加到规定负载时 所对应的转速降落 n与理想转速n0之比 用s表示 即 两者之间的关系是 静差率S是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的 与机械特性的硬度有关 2 1 开环V M调速系统原理图 稳态结构图 由已知条件并设系统电流连续 则其额定转速下的转速降为 例 某电源 电动机直流调速系统 已知电机的额定转速为n 1000r min 额定电流IN 305A 主回路电阻R 0 18 Ce N 0 2 若要求电动机调速范围D 20 sn 5 则该调速系统是否能满足要求 解 而静差率为 由此例不难发现 象这样的电源 电动机所组成的开环调速系统 是没有能力完成其调速指标的 必须采用负反馈 这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统 转速负反馈直流调速 转速负反馈有静差调速系统的组成框图 它在开环调速系统的基础上增加了转速检测环节 测速发电机TG和反馈电位器RP2 和放大环节 图中 电力电子器件组成的变换器 其输入接三相 或单相 交流电源 输出为可控的直流电压 2 2 单闭环V M调速系统及静特性 在闭环系统中 把系统的输出量通过检测装置 传感器 引向系统的输入端 与系统的输入量进行比较 从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号 利用此偏差信号通过控制器 调节器 产生控制作用 自动纠正偏差 因此 带输出量负反馈的闭环控制系统具有较高的抗扰性 具有改善控制精度的性能 广泛用于各类自动调节系统中 1 系统原理图 2 3 单闭环调速系统的组成 图1 4带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 M TG Utg Ud Id n Un Un U n Uc UPE Id Un Ud Uc tg 2 对于中 小容量系统 多采用PWM变换器 对于特大容量的系统 则常用晶闸管装置 3 在电动机轴上安装一台测速发电机TG 检测到电动机转速 并变换成与之成正比的电压 再经电位器为反馈电压Ufn 引至放大器的输入端与转速给定电压Usn比较 得到偏差电压 U 经过放大器A放大后得到输出电压Uk 用Uk控制晶闸管触发器的控制角 使晶闸管整流装置变换出不同的直流电压Udo 用以控制电动机的转速 因为只有转速反馈环 所以称为单闭环转速负反馈调速系统 闭环调速系统应该能够大大减少转速降落 2 4 稳态分析转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下 电压比较环节 放大器 电力电子变换器 调速系统开环机械特性 测速反馈环节 以上各关系式中 放大器的电压放大系数 电力电子变换器的电压放大系数 转速反馈系数 V min r UPE的理想空载输出电压 V 电枢回路总电阻 Kp Ks Ud0 R 2 5 静特性方程从上述五个关系式中消去中间变量 整理后 即得转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 2 3 开环放大系数K为静特性方程式 2 3 闭环系统的稳态结构框图 图1 25a转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图 转速负反馈调速系统稳态框图 系统的自动调节过程 以负载增大为例 闭环调速系统的自动调节过程如下 TL n Ufn U Usn Ufn Uk 脉冲前移 Ud n 转速负反馈闭环直流调速系统 比较放大 晶闸管整流 给定Un 下一步 控制Uc 负载变化 比较器 上一步 下一步 负载减小 上升加快 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 负载减小 转速加快 比较器 上一步 下一步 电机转速加快 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 负载减小 转速加快 测速发电机转速加快 上一步 下一步 测速发电机转速加快 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 负载减小 转速加快 测速发电机转速加快 反馈电压增大 上一步 下一步 反馈电压增大 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 上一步 下一步 比较结果减小 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 上一步 下一步 输出电压减小 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 上一步 下一步 电机转速减慢 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 上一步 exit 上升速度减慢 比较放大 晶闸管整流 给定Un 控制Uc 二 总结 把转速反馈与给定比较形成控制信号 组成闭环控制 测速环节 直流测速发电机 与直流电机同轴联结 设置放大器 这种系统是以存在偏差为前提的 反馈环节只是检测偏差 减小偏差 而不能消除偏差 因此它是有静差调速系统 三 反馈控制规律转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统 它具有以下三个基本特征 也就是反馈控制的基本规律1 只用比例放大器的反馈控制系统 其被调量仍是有静差的 因为闭环系统的稳态速降为 只有 才能使 0 而这是不可能的 2 反馈控制系统的作用是 抵抗扰动 服从给定 反馈控制系统具有良好的抗扰性能 它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用 但对给定作用的变化则唯命是从 在图1 27中 把各种扰动作用都表示出来了 反馈控制系统对它们都有抑制功能 给定和扰动作用 图1 27闭环调速系统的给定作用和扰动作用 3 系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 如果产生给定电压的电源发生波动 反馈控制系统无法鉴别是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动 因此 高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源 四 限流保护 电流截止负反馈问题的提出 1 起动的冲击电流2 闭环调速系统突加给定 全压启动 起动的冲击电流3 堵转电流很大的电流 会烧坏晶闸管元件和电机 须加以限制 根据直流电动机电枢回路的平衡方程式可知 电枢电流Id为 当电机起动时 由于存在机械惯性 所以不可能立即转动起来 即n 0 则其反电动势E 0 这时起动电流为 由于电枢电阻很小 所以起动电流是很大的 这不仅对电动机换向不利 对于过载能力低的晶闸管等电力电子器件来说 更是不允许的 另外 有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况 例如挖土机 轧钢机等 闭环系统特性很硬 若无限流措施 电流会大大超过允许值 为了解决反馈控制单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题 系统中必须设有自动限制电枢电流的环节 所以 引入电流负反馈能够保持电流不变 使它不超过允许值 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起动和堵转时存在 在正常运行时必须去掉 使电流能自由地随着负载增减 这种当电流大到一定程度时才起作用的电流负反馈叫做电流截止负反馈 4 1 电流负反馈截止环节 4 1 电流截止负反馈环节的组成工作原理 1 当Id较小 即IdRc Uo时 则二极管VD截止 电流截止负反馈不起作用 2 当Id较大 即IdRc U0时 则二极管VD导通 电流截止负反馈起作用 U减小 Ud下降 Id下降到允许的电流 图1 29电流截止负反馈环节 c 封锁运算放大器的电流截止负反馈环节 图1 30电流截止负反馈环节的I O特性 图1 31带电流截止负反馈的闭环直流调速稳态结构图 4 1 电流负反馈 Idbl n0 A 转速负反馈特性 B 电流负反馈特性 调速系统静特性 仅采用电流负反馈 不要转速负反馈 这种系统的静特性如图中B线 特性很陡 显然对稳态运行不利 4 2 转速负反馈晶闸管直流调速系统的组成 比较环节 比例调节器 给定电位器 测速电机 触发电路 电动机 电流载止比较电路 电源及晶闸管电路 4 2 1 静特性方程与特性曲线 由上图1 31可写出该系统两段静特性的方程式 当Id Idcr时 电流负反馈被截止 静特性只有转速负反馈调速系统的静特性 现重写于下 1 35 当Id Idcr时 引入了电流负反馈 静特性变成 1 41 Idbl Idcr n0 A B 图1 32带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性 转速负反馈 截止负反馈 4 2 1 静特性两个特点 1 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻KpKsRs 因而稳态速降极大 特性急剧下垂 2 比较电压Ucom与给定电压Un 的作用一致 好象把理想空载转速提高到 1 42 这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性 当挖土机遇到坚硬的石块而过载时 电动机停下 电流也不过是堵转电流 在式 1 41 中 令n 0 得一般KpKsRs R 因此 1 43 1 44 1 41 4 2 2 电流截止负反馈环节参数设计 Idbl应小于电机允许的最大电流 一般取Idbl 1 5 2 IN从调速系统的稳态性能上看 希望稳态运行范围足够大 截止电流应大于电机的额定电流 一般取 Idcr 1 1 1 2 IN 4 2 3 带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统 五 动态校正 PI调节器的设计在闭环调速系统时 常常会遇到动态稳定性的情况 这时 必须设计合适的动态校正装置 用来改造系统 使它同时满足动态稳定和静态稳定指标两方面的要求 在电力拖动自动控制系统中 最常用的是串联校正和反馈校正 串联校正比较简单 也容易实现 一般采用PID调节器的串联校正方案就能完成动态校正的任务 PID调节器中有比例微分 PD 比例积分 PI 和比例积分微分 PID 三种类型 一般调速系统的要求以稳态精度为主 对快速性的要求可以差一些 所以主要采用PI调节器 2 无静差调速系统概念 调速系统受到扰动作用后 又进入稳态运行时 系统的给定量与被调量的反馈量保持相等 即 0 也就是扰动前后的稳态转速不变 1 串联校正方法 无源网络校正 RC网络 有源网络校正 PID调节器 要实现无静差调速 则需要在控制电路中包含有积分环节 在调速系统中 通常采用包含积分环节的比例 积分调节器 积分调节器 I调节器 和积分控制规律的特性 1 延缓性 积分调节器输入阶跃信号时 输出按积分线性增长 2 积累性 只要积分调节器输入信号存在 不论信号大小如何变化 积分的积累作用就持续下去 只不过输出值上升速率不同而已 3 记忆性 在积分过程中 如果输入信号变为零 输出电压能保持在输入信号改变前的瞬时值 该电压值就是充电电容C两端的电压值 若要使输出值下降 必须改变输入信号Uin的极性 其变化过程如图所示 3 比例积分控制规律和无静差调速系统1 采用比例 P 放大器控制的直流调速系统是有静差的调速系统 2 采用积分 I 调节器或比例积分 PI 调节器代替比例放大器 构成无静差调速系统 4 积分调节器和积分控制规律 1 积分调节器如图 由运算放大器可构成一个积分电路 根据电路分析 其电路方程 图1 43积分调节器a 原理图 1 64 式中 积分时间常数 当初始值为零时 在阶跃输入作用下 0 t 对式 1 64 进行积分运算 得积分调节器的输出 1 65 如果采用积分调节器 则控制电压Uc是转速偏差电压 Un的积分 按照式 1 64 应有若初值不是零 还应加上初始电压Uc0 则积分式变成 5 转速的积分控制规律 输入和输出动态过程 Uc按线性规律增长 每一时刻Uc的大小和 Un与横轴所包围的面积成正比 如下图所示 图1 45积分调节器的输入和输出动态过程负载变化时 只有达到 Un 0时 Uc才停止积分 当 Un 0时 Uc并不是零 而是一个终值Ucf 如果 Un不再变化 此终值便保持恒定不变 这是积分控制的特点 实现无静差调速 当负载转矩由TL1突增到TL2时 有静差调速系统的转速n 偏差电压 Un和控制电压Uc的变化过程示于右图 图1 44有静差调速系统突加负载过程 有静差调速系统突加负载时的动态过程 6 比例与积分控制的比较 图1 46积分控制无静差调速系统突加负载时的动态过程 只要历史上有过 Un 其积分就有一定数值 足以产生稳态运行所需要的控制电压Uc 积分控制规律和比例控制规律的根本区别就在于此 7 无静差调速系统突加负载时的动态过程 1 PI调节器 Uex 图1 38比例积分 PI 调节器 i0 i1 2 PI输入输出关系按照运算放大器的输入输出关系 可得 1 60 输入与输出特性曲线 8 比例积分控制规律 式中PI调节器比例部分的放大系数 PI调节器的积分时间常数 由此可见 PI调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成 由此可见 比例部分能迅速响应控制作用 积分部分则最终消除稳态偏差 六 无静差直流调速系统1 系统组成 5 1 电流截止负反馈环节的组成工作原理 1 当Id较小 即IdRc Uo时 则二极管VD截止 电流截止负反馈不起作用 2 当Id较大 即IdRc U0时 则二极管VD导通 电流截止负反馈起作用 U减小 Ud下降 Id下降到允许的电流 图1 48无静差直流调速系统示例 图1 48所示是一个无静差直流调速系统的实例 采用比例积分调节器以实现无静差 采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流 TA为检测电流的交流互感器 经整流后得到电流反馈信号 当电流超过截止电流时 高于稳压管VS的击穿电压 使晶体三极管VBT导通 则PI调节器的输出电压接近于零 电力电子变换器UPE的输出电压急剧下降 达到限制电流