修改后 直流传动

1、修改后修改后 直流传动直流传动 直流传动控制系统直流传动控制系统 -反馈控制闭环直流调速系统反馈控制闭环直流调速系统 的稳态分析和设计的稳态分析和设计 本节提要本节提要 v转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标 v开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题 v闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性 v开环系统特性和闭环系统特性的关系开环系统特性和闭环系统特性的关系 v反馈控制规律反馈控制规律 v限流保护限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈 第一章节内容第一章节内容 111 机电传动控制系统的组成和分类机电传动控制系统的组成和分类 两种：两种：直流直流传动控

2、制系统和传动控制系统和交流交流传动控制系统。传动控制系统。 1111 机电传动控制系统的组成：机电传动控制系统的组成： 组成部分：电机、电器、电子部件。组成部分：电机、电器、电子部件。 开环开环控制：控制： 1. 转速控制的要求和调速指标转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产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。工艺对调速性能都有一定的要求。 归纳起来，对于调速系统的转速控制要归纳起来，对于调速系统的转速控制要 求有以下三个方面：求有以下三个方面： 1. 控制要求 （1）调速）调速在一定的最高转速和最低转速范在一定的最高转速和最低转速范 围内，

3、分挡地（有级）或围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调平滑地（无级）调 节转速；节转速； （2）稳速）稳速以一定的精度在所需转速上稳定以一定的精度在所需转速上稳定 运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动， 以确保产品质量；以确保产品质量； （3）加、减速）加、减速频繁起、制动的设备要求加、频繁起、制动的设备要求加、 减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速 度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。 2. 调速指标 v调速范围：调速范围： 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转

4、 速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即 min max n n D 其中nmin 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速， 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可 用实际负载时的转速。 v静差率：静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想 空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN ，与理 想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即 0 N n n s 或用百分数表示 %100 0 N n n s （1-32） （1-33） 式中 nN = n0 - nN 0 TeN Te n0a n0b a b nNa nNb n O 图1-23 不同转速下的静差率 3. 静差率与机械特性硬度的

5、区别 然而静差率和 机械特性硬度又是 有区别的。一般调 压调速系统在不同 转速下的机械特性 是互相平行的 。对 于同样硬度的特性， 理想空载转速越低 时，静差率越大， 转速的相对稳定度 也就越差。 例如例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%； 在100r/min时同样降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占 100%，这时电动机已经停止转动，转速全部 降落完了。 因此，调速范围和静差率这两项指标并 不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。 调速系统的静差率指标应以最低速时所能 达到的数值为准。 静差率与机械特性硬度的区别（续） 4.

6、 调速范围、静差率和额定速降之间的关系 设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN， 则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是 最低速时的静差率，即 Nmin N min0 N nn n n n s 于是，最低转速为 s ns n s n n N N N min )1 ( 而调速范围为 min N min max n n n n D 将上面的式代入 nmin，得 )1 ( N N sn sn D （1-34） 式（1-34）表示调压调速系统的调速范 围、静差率和额定速降之间所应满足的关 系。对于同一个调速系统， nN 值一定， 由式（1-34）可见，如果对静差率要求越 严，即要求 s 值

7、越小时，系统能够允许的 调速范围也越小。 v结论1： 一个调速系统的调速范围，是指在最低一个调速系统的调速范围，是指在最低 速时还能满足所需静差率的转速可调范围。速时还能满足所需静差率的转速可调范围。 v例题例题1-1 某直流调速系统电动机额定转 速为1430r/min，额定速降 nN = 115r/min， 当要求静差率30%时，允许多大的调速 范围？如果要求静差率20%，则调速范 围是多少？如果希望调速范围达到10， 所能满足的静差率是多少？ 解解 要求30%时，调速范围为 若要求20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是 3 . 5 )3 . 01 (115 3 . 01

8、430 )1 ( N N sn sn D 1 . 3 )2 . 01 (115 2 . 01430 D %6 .44446. 0 115101430 11510 NN N nDn nD s 只有控制量对控制量的单向控制作用而只有控制量对控制量的单向控制作用而 不存在被控制量对控制量的影响和联系，这不存在被控制量对控制量的影响和联系，这 样的系统称为样的系统称为开环控制系统开环控制系统。 2 开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题 2 开环调速系统及其存在的问题开环调速系统及其存在的问题 若可逆直流脉宽调速系统是开环调速系 统，调节控制电压就可以改变电动机的转 速。如果负载的生产工

9、艺对运行时的静差 率要求不高，这样的开环调速系统都能实 现一定范围内的无级调速，可以找到一些 用途。 但是，许多需要调速的生产机械常常对 静差率有一定的要求。在这些情况下，开 环调速系统往往不能满足要求。 v例题例题1-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流 电动机，其额定数据如下：60kW、220V、 305A、1000r/min，采用V-M系统，主电路 总电阻0.18欧。如果要求调速范围 D = 20， 静差率5%，采用开环调速能否满足？若要 满足这个要求，系统的额定速降最多能有 多少？ 解解 当电流连续时，当电流连续时，V-M系统的额定速降为系统的额定速降为 开环系统机械特性连续段在额定转速时

10、的静差率为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为 这已大大超过了这已大大超过了5%的要求，更不必谈调到最低的要求，更不必谈调到最低 速了。速了。 mrn K u nnn nnnK RIunK N aN /526.3321000 1651. 0 220 ,1651. 0 1000 1 .165 1 .16518. 0305220 N E NN NNE aNNE 0 0 %2525. 0 526.3321000 526.332 NN N N nn n s 如果要求D = 20，s 5%，则由式（1-29）可知 由上例可以看出，开环调速系统的额定速降是332 r/min， 而生产工艺的要求却只

11、有2.63r/min，相差几乎百倍！ 由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制 的闭环调速系统来解决这个问题。 min/63. 2min/ )05. 01 (20 05. 01000 )1 ( N N rr sD sn n 第一章节内容第一章节内容 具有转速负反馈的具有转速负反馈的G GM M调速系统。调速系统。 第一章节内容第一章节内容 机电传动控制系统调速方案的选择机电传动控制系统调速方案的选择 v1、机械与电气调速方案、机械与电气调速方案 v调速方案通常有机械的、电气的、液压的、调速方案通常有机械的、电气的、液压的、 气动的几种气动的几种 v2、生产机械对自动调速系统技术指标的要

12、求、生产机械对自动调速系统技术指标的要求 v（1）静态技术指标：）静态技术指标：1）静差度；）静差度；2）调速）调速 范围；范围；3)调速的平滑性调速的平滑性 机电传动控制系统调速方案的选择机电传动控制系统调速方案的选择 v（2）动态技术指标：）动态技术指标： 1）最大超调量；）最大超调量；2）过渡过）过渡过 程时间程时间T；3）振荡次数）振荡次数 v（3）机电传动控制系统方案的确定原则）机电传动控制系统方案的确定原则 v1）对于不要求电气调速的生产机械）对于不要求电气调速的生产机械 v2）对于要求电气调速的生产机械）对于要求电气调速的生产机械 v3）根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速）

13、根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速 方式方式 v4）从系统的经济指标方面考虑）从系统的经济指标方面考虑 常用有：常用有：单闭环单闭环、双闭环双闭环和和可逆可逆系统系统 单闭环分：单闭环分：有静差有静差调速系统和调速系统和无静差无静差调调 速系统。速系统。 只要调节器中有只要调节器中有积分积分成份、系统就是无成份、系统就是无 静差的。静差的。 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 3 闭环调速系统的组成及其静特性闭环调速系统的组成及其静特性 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系 统是按被调量的偏差进行控制的系统，只 要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正 偏差的作用。 调

14、速系统的转速降落正是由负载引起的 转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速 系统应该能够大大减少转速降落。 fg UUU 一有一有静差静差调速系统调速系统 . .有静差调速系统的基本组成和工作原理。有静差调速系统的基本组成和工作原理。 nU f 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 )()(nUKUUKUKU gpfgppk )(nUKKUKU gpsksd IRnCRInKU eaed fofa ee g nnI KC R KC UK n )1 ()1 ( 0 )( 0SPK KK )( sp e KK C K 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 若

15、开环时：若开环时： RInCUKUKKU aeggspd0 开环时开环时: : nnI C R C UK n a ee g 0 0 K n KC UK n e g f 1)1( 0 0 0 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 如果将系统闭环与开环的理想空载转速如果将系统闭环与开环的理想空载转速 调得一样，即调得一样，即 0 nnof 则则: : K n I KC R n a e f 1)1( 开环：开环： )1 ( 2 2max Sn Sn D N 闭环：闭环： DK S K n Sn Sn Sn D N Nf f )1( )1( 1 )1( 2 2max 2 2max

16、 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 以分析可得以分析可得: :（1 1）提高系统的开环放大倍）提高系统的开环放大倍 数是减小静态转速降落扩大调速范围的有数是减小静态转速降落扩大调速范围的有 效措施效措施 （2 2）闭环系统静性可以比开环系统机械）闭环系统静性可以比开环系统机械 特性硬得多。特性硬得多。 有差调速系统：这种维持被调量（近于恒值有差调速系统：这种维持被调量（近于恒值 的变量），但又具有偏差的反馈控制系统通的变量），但又具有偏差的反馈控制系统通 常称为有差调速系统常称为有差调速系统 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 n 调速系统的扰

17、动源 负载变化的扰动（使Id变化）； 交流电源电压波动的扰动（使Ks变化）； 电动机励磁的变化的扰动（造成Ce 变化 ）； 放大器输出电压漂移的扰动（使Kp变化）； 温升引起主电路电阻增大的扰动（使R变化）； 检测误差的扰动（使变化） 。 在图1-27中，各种扰动作用都在稳态结构框图上 表示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速。 n 扰动作用与影响 图1-27 闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化 Id变化变化 电源波动电源波动 Kp变化变化 电阻变化电阻变化 检测误差检测误差 KpKs 1/Ce U*nUcUn E n Ud0 Un + + - - R n 结论： 反馈控制系

18、统的规律是：一方面能反馈控制系统的规律是：一方面能 够有效地抑制一切被包在负反馈环内够有效地抑制一切被包在负反馈环内 前向通道上的扰动作用；另一方面，前向通道上的扰动作用；另一方面， 则紧紧地跟随着给定作用，对给定信则紧紧地跟随着给定作用，对给定信 号的任何变化都是唯命是从的。号的任何变化都是唯命是从的。 其他反馈在自动调速系统中的应用其他反馈在自动调速系统中的应用 ）电压负反馈系统）电压负反馈系统 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 Kfd UUUUIn)(负载 nUUU Ud d ）电流正反馈与电压负反馈的综合电流正反馈与电压负反馈的综合 反馈系统反馈系统高电阻电桥

19、高电阻电桥 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 )( 21 2 RR R UUUU obaofab 3 21 2 3 3 RI RR UR RIUUUU RIU UU aaboaoab abo ab 电流正反馈：由于这种反馈方式的转速电流正反馈：由于这种反馈方式的转速 降落比仅有电压负反馈时小了许多，因而扩降落比仅有电压负反馈时小了许多，因而扩 大了调速范围大了调速范围 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 电动机电枢回路电势平衡关系：电动机电枢回路电势平衡关系： )/()( )( 3 3 aa aa RREUI RRIEU 3 321 2 R R

20、R EU RR UR U a ab aa RR ER R RR U RR UR 3 3 3 321 2 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 若若 0 3 3 21 2 a RR UR RR UR 即即 a R R R R 3 1 2 则则 E RR R U a ab 3 3 nC RR R U e a ab 3 3 所以这种反馈称为转速反馈所以这种反馈称为转速反馈 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 电流截止负反馈系统：电流截止负反馈系统： 为何起到保护作用为何起到保护作用 过流保护继电器的保护与电流负反馈保护有何不过流保护继电器的保护与电流负反

21、馈保护有何不 同，电流截止负反馈。同，电流截止负反馈。 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 二、无静差调速系统二、无静差调速系统 比例积分调节器的无静差调速系统的特点，比例积分调节器的无静差调速系统的特点， 静态时系统的反馈总等于给定量，偏差等于零。静态时系统的反馈总等于给定量，偏差等于零。 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 t Id C RIU 1 110 1 1. 比例积分调节器：比例积分调节器： 又：又： 0 01 R U II i 故：故： ti Ud CR U R R U 100 1 0 1 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统

22、直流传动控制系统 所以可看出由所以可看出由 两部分组成：比例部分两部分组成：比例部分 和积分部分。和积分部分。 采用调节器的采用调节器的 无静差调速系统。比无静差调速系统。比 例积分调节器兼顾了例积分调节器兼顾了 快速响应和消除静差快速响应和消除静差 两方面的要求。两方面的要求。 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 双闭环直流调速系统：双闭环直流调速系统： 第三节：第三节：SCR-M直流传动控制系统直流传动控制系统 1. 了解机电传动自动调速系统的组成；了解机电传动自动调速系统的组成； 2. 了解生产机械对调速系统提出的调速技术指标要了解生产机械对调速系统提出的调速技术

23、指标要 求；求； 3. 深知调速系统的调速性质与生产机械的负载特性深知调速系统的调速性质与生产机械的负载特性 合理匹配的重要性；合理匹配的重要性； 4. 掌握自动调速系统中各个基本环节、各种反馈环掌握自动调速系统中各个基本环节、各种反馈环 节的作用与特点；节的作用与特点； 5. 掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点 及适用场所；及适用场所； 6. 能根据生产机械的特点和要求来正确选择机电传能根据生产机械的特点和要求来正确选择机电传 动控制系统，能在生产动控制系统，能在生产 实际中处理控制系统运行实际中处理控制系统运行 时所出现的一般问题。时所出现

24、的一般问题。 2.基本要求基本要求 3. 重点与难点重点与难点 a.重点重点 1.了解机电传动自动调速系统的组成；了解机电传动自动调速系统的组成； 2.了解生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求；了解生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求； 3.深知调速系统的调速性质与生产机械的负载特性合理匹配的深知调速系统的调速性质与生产机械的负载特性合理匹配的 重要性；重要性； 4.掌握自动调速系统中各个基本环节、各种反馈环节的作用与掌握自动调速系统中各个基本环节、各种反馈环节的作用与 特点；特点； 5.掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点及适用场所；掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点及

25、适用场所； 6.能根据生产机械的特点和要求来正确选择机电传动控制系统，能根据生产机械的特点和要求来正确选择机电传动控制系统， 能在生产实际中处理控制系统运行时所出现的一般问题。能在生产实际中处理控制系统运行时所出现的一般问题。 1.恒转矩调速与恒功率调速问题恒转矩调速与恒功率调速问题,特别是电动机的特别是电动机的 调速性质与生产机械的负载特性相配合问题调速性质与生产机械的负载特性相配合问题; 2.比例积分调节器比例积分调节器(PI调节器调节器)的调节作用的调节作用; 3.双闭环调速系统的动态分析双闭环调速系统的动态分析; 4.晶体管脉宽调速系统中主电路晶体管脉宽调速系统中主电路(功率开关放大器

26、功率开关放大器) 工作时的电压、电流波形分析。工作时的电压、电流波形分析。 b. 难点难点 1.在自动调速系统中在自动调速系统中,扩大调速范围扩大调速范围D的基本方法的基本方法 机电传动控制系统是由电机、电器、电子部件等机电传动控制系统是由电机、电器、电子部件等 基础环节组合而成，能控制生产机械实现调速的控制系基础环节组合而成，能控制生产机械实现调速的控制系 统，亦称自动调速系统。在调速系统中，电动机所能达统，亦称自动调速系统。在调速系统中，电动机所能达 到的调速范围，其中是电动机在额定负载下所允许的最到的调速范围，其中是电动机在额定负载下所允许的最 高转速，而是在保证生产机械对保证生产机械对

27、转速变高转速，而是在保证生产机械对保证生产机械对转速变 化率化率S(即静差度即静差度)的要求这一前提下所能达到的最低转的要求这一前提下所能达到的最低转 速速,也就是说也就是说,调速系统的要小于或等于生产机械要求的调速系统的要小于或等于生产机械要求的, 才能谈及调速范围才能谈及调速范围,根据可知根据可知,在与一定时在与一定时,设法减少转速设法减少转速 降就可扩降就可扩 大调速范围大调速范围, 闭环控制系统闭环控制系统(亦称反馈控制系亦称反馈控制系 统统)能起到这个作用能起到这个作用. 例例11-1 11-1 有一直流调速系统，试求：系统的调速有一直流调速系统，试求：系统的调速 范围和系统允许的静

28、差度。范围和系统允许的静差度。 解解: : 系统的调速范围系统的调速范围 67.10 135 1440 10145 101450 02 01 min max N N nn nn n n D 系统允许的静差度系统允许的静差度 069.0 145 10 02 2 n n SS N 例例11-2 有一车床的主轴控制系统采用直流调速系有一车床的主轴控制系统采用直流调速系 统，直流电动机为型，其主要技术数据为：统，直流电动机为型，其主要技术数据为： kWP N 55 VU N 220 AI N 5 .285min/1000rnN 试求：试求： 1.若调速范围时，其最低转速时的静差度若调速范围时，其最低转

29、速时的静差度 2 S 2.若静差度若静差度%5S时，其允许的转速降时，其允许的转速降 N n 是多少？是多少？ 为多少？为多少？ 解：（解：（1）由教材中的式（）由教材中的式（3.15）知）知 N N NN N a I U IU P R 1)7 . 05 . 0( 取系数为取系数为 55. 0,则则 05. 0 5 .285 220 5 .285220 1055 155. 0 3 R )min(206. 0)min( 1000 5 .285220 11 rVrV n RIU K N NNN Ne min4 .69min 206. 0 05. 05 .285 rr K RI n Ne aN N

30、故故25D时时,最低转速时的静差度最低转速时的静差度 %100 )( %100%100 min02 2 NN N N NN nDn n nn n n n S 63. 0%63%100 4 .69251000 4 .69 (2)若若%5S时时,允许的转速降允许的转速降 min1 . 2min )05. 01 (25 05. 01000 )1 ( 2 2 rr SD Sn n N N 可见可见,在调速范围不变时在调速范围不变时,若要求的静差度减少了若要求的静差度减少了, 则必须设法降低其转速降。减少的办法是采用闭则必须设法降低其转速降。减少的办法是采用闭 环控制系统。环控制系统。 第十二章第十二章

31、 交流传动控制系统交流传动控制系统 1. 基本内容基本内容 2. 基本要求基本要求 3. 重点与难点重点与难点 4. 例题分析例题分析 1. 基本内容基本内容 本章概论本章概论 第一章节内容第一章节内容 第二章节内容第二章节内容 第三章节内容第三章节内容 第四章节内容第四章节内容 本章概论本章概论 交流电机分交流电机分:同步电机和异步电机两种同步电机和异步电机两种. 同步电机的调速靠供电电压的频率来改变其同步转速。同步电机的调速靠供电电压的频率来改变其同步转速。 异步电动机而言：有调压调速控制附加在转子回路中的异步电动机而言：有调压调速控制附加在转子回路中的 电势电势串级调速；控制定子的供电串

32、级调速；控制定子的供电 电压与频率电压与频率变频调速以及无换向器电机调速系统和变频调速以及无换向器电机调速系统和 电磁转差离合器调速系统。电磁转差离合器调速系统。 )1 ( 60 )1 ( 0 s p f snn 调速有改变转差率，改变定子电源频率和极对数调速。调速有改变转差率，改变定子电源频率和极对数调速。 第一章节内容第一章节内容 12.1电磁转差离合器调速系电磁转差离合器调速系 统统 电磁转差离合器调速系统是通过改变电磁离合电磁转差离合器调速系统是通过改变电磁离合 器的励磁电流来实现调速的，对异步电动机本身并器的励磁电流来实现调速的，对异步电动机本身并 不进行调速。不进行调速。 第一章节

33、内容第一章节内容 一一. 电磁转差离合器的调速原理。电磁转差离合器的调速原理。 组成：电枢、磁极、励磁绕组。组成：电枢、磁极、励磁绕组。 调速系统主要由晶闸管整流电源，电磁转差离合调速系统主要由晶闸管整流电源，电磁转差离合 器和异步电动机三大部分组成。器和异步电动机三大部分组成。 第一章节内容第一章节内容 4 2 12 f I T Knn 电磁转差离合器的调速性能电磁转差离合器的调速性能: 第一章节内容第一章节内容 第二章节内容第二章节内容 12.2 交流调压调速系统交流调压调速系统 2 20 2 2 2 2 )( 1 SXR USR T 20 2 X R Sm 20 2 max 2X u KT 改变异步电动机的定子电压也就是改变电改变异步电动机的定子电压也就是改变电 动机的转矩及机械特性从而实现调速。动机的转矩及机械特性从而实现调速。 第二章节内容第二章节内容 一一. 采用晶闸管的交流调压电路。采用晶闸管的交流调压电路。 1. 单相交流调压电路。单相交流调压电路。 2. 三相交流调压电路。三相交流调压电路。 第二章节内容第二章节内容