直流调速系统原理【高教知识】

1、直流调速技术,1,全面分析,直流调速系统：引言 转速负反馈晶闸管直流调速系统 小功率有静差直流调速系统实例分析 速度和电流双闭环直流调速系统 双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统,直流调速系统,2,全面分析,直流调速系统：引言,调速系统的性能指标,3,全面分析,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。所以，我们就将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完成这一功能的

2、自动控制系统就被称为是调速系统。 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。但近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的,一、什么是调速,4,全面分析,在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统，其稳态和动态指标

3、有着具体而明确 定义。 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。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力,二、调速控制系统的性能指标,5,全面分析,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 调速系统在某一转速下稳定运行时，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,6,全面分析,他励直流电动机

4、的转速公式,式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数,他励直流电机的调速方案,7,全面分析,由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的是变电压调速,8,全面分析,用晶闸管触发整流整流电路实现电枢电压可调，从而达到改变电机转速的目的,这就是所谓的电源电动机调速系统（VM）系统，它属于开环系统,9,全面分析,而由已知条件并设系统电

5、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，CeN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn5%，则该调速系统是否能满足要求,解：如果要满足D=20，Sn5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为,10,全面分析,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。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，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,而静差率为,11,全面分析,

6、1 转速负反馈晶闸管直流调速系统,给定,比较放大,晶闸管触发整流,他励直流电动机,测速发电机,反馈电位器,12,全面分析,1.1 系统的组成,由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。该调速系统的组成框图如下,13,全面分析,由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电压方程,直流电动机(Direct Current Motor,14,全面分析,代入他励直流电动机的机电参数,可得,两边取Laplac

7、e变换,即他励直流电机的传递函数是,15,全面分析,晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier,优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路控制，响应速度为毫秒级。 缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害,16,全面分析,晶闸管整流电路的调节特性为输出的平均电压 与触发电路的控制电压 之间的关系，即 。图7-4为晶闸管整流装置的调节特性。由图可见，它既有死区，又会饱和,如果

8、在一定范围内将非线性特性线性化，可以把它们之间的关系视为由死区和线性放大区两个部分级成。其中线性放大区有,17,全面分析,死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用的，这主要是由于整流装置的失控时间造成的。由电力电子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通，门极便失去了作用。改变控制电压Uc，虽然可以使触发脉冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成其导通周期并自然关断后，整流电压Ud才能与新的脉冲相位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc的情况,18,全面分析,综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可以

9、看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K视为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一个具有纯滞后环节放大环节。这样就有： 式中，0是晶闸管触发装置和整流装置的失控时间，单位为秒,若再考虑到0的延迟时间一般很小(三相桥式01.7ms，单相全波0=5ms)。这样晶闸管整流装置的传递函数为,19,全面分析,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,电源及晶闸管电路,电动机,电流载止比较电路,20,全面分析,比较放大电路（Amplifier,由叠加定理：当Us(s)单独作用时，有,当Ufn(s)单独作用时

10、，有,所以当Us和Ufn共同作用时，有,21,全面分析,转速检测环节(Speed Measurement Element,转速的检测方式很多，有测速发电机、电磁感应传感器、光电传感器等。读出量又分模拟量和数字量。此系统中，转速反馈量需要的是模拟量，一般采用测速发电机。测速发电机分直流和交流两种。测速反馈信号 与转速成正比，有： 称为转速反馈系数,22,全面分析,转速负反馈晶闸管直流调速系统的框图,系统的自动调节过程,电网 波动,负载波动,23,全面分析,电流截止负反馈,问题的提出（一）： 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

11、转 动起来，即n=0，则其反电动势E=0。这时起动电流为： 它只与电枢电压Ud和电枢电阻Ra有关。由于电枢电阻很 小，所以起动电流是很大的。为了避免起动时的电流冲 击，在电压不可调的场合，可采用电枢串电阻起动，在 电压可调的场合则采用降压起动在调速系统中如何 处理,24,全面分析,另外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转情况。例如由于故障造成机械轴被卡住，或挖土机工作时遇到坚硬的石头等。在这此情况下，由于闭环系统的机械特性很硬，若没有限流环节的保护，电枢电流将远远超过允许值,25,全面分析,可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值(称为阈值)时才起作用，这就是电流截止

12、负反馈,电流截止负反馈的作用,26,全面分析,电流截止负反馈环节的组成工作原理,当Id较小,即IdRcUo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用,当Id较大，即IdRcU0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下降到允许最电流,27,全面分析,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统,28,全面分析,带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统的框图,由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去,29,全面分析,在如图所示的调速系统中，已知负载变化为： 求：负载变化所产生的转速降。 若此时系统的给定量为： ，此时系统的稳 态输出nN。 该系统是否

13、能满足5%的静差率,30,全面分析,解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误 差传递函数为,故系统拢动量的误差函数,当已知系统拢动量为,31,全面分析,由终值定理可求得该系统在负载变化量T（s）作用 下的稳态误差为,由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下 的工作转速下降了10r/min,32,全面分析,若此时系统的给定量： ，则由系统闭环传 递函数的概念，可得,故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求 得,33,全面分析,由静差率定义可得,由此可见该闭环系统是可以满足5%的静差率的稳 态指标的,34,全面分析,KZD-型直流调速系统实例,35,全面分析,KZD-型直流调速系统的组成框图及调节过程,36,全面分析,37,全面分析,KZD-型直流调速系统分析,此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于4kW以下直流电动机无级调速。系统的主回路采用单相桥式半控整流线路。具有电流截止负反馈、电压负反馈和电流正反馈（电动势负反馈）。具体数据如下,交流电源电压 单相220V 整流输出电压 直流180V 最大输出电流 直流30A,励磁电压 单相180V 励磁电流 直流1A 调速范围 直流180V 静差率 s10,38,全面分析,39,全面分析,主电路及励磁回路,平波电抗器Ld,R9为能耗制动电阻,Ud（S,N（S,电动机,整流滤波,40,全面分析,41,全面分析,给定、触发及