直流调速系统2

1、第三章直流电动机调速系统本章教学重点：调速系统的性能指标;直流调速系统。本章教学难点：直流调速系统。第一节直流调速麴知识一、直流调速系统的性能指标衡最个调速系统的性能高低、质量好坏，必须从调速的稳定指标和动态指 标两个方面考虑，即从调速系统的稳态指标和动态指标来分解调速系统的性能。1 -稳态指标调速系统的稳态指标，是指系统处于稳定运行时的性能指标。主要有静差率 s、调速范围d、调速系统与负载配合能力等。(1) 静差率s静滥率s反映了当负载变化时电动机转速的变化程度，表示在电动机的某一条机械特性上，由理想空载增加到额定负载时的转速降落(又称静态速降)yj >7am与理想空载转速5之比，即$

2、= =亠，生产机械对静并率的要求刃0%是针対最低转速而言的。(2) 调速范围d生产机械要求电动机能提供的最高转速%与最低转速z比gm叫做调速n范围，通常用d表示，即d二心。调速系统与负载配合能力各种生产机械在调速过程中，电动机输出转矩与输出功率以及负载转矩与消 耗功率，随转速变化的规律是各不相同的。例如起重机、卷扬机等机械，在调速时，电动机轴滋受的负载转愆不变， 其输出功率与转速成正比变化，这种调速称为怛转矩调速。另一类生产机械，例 如金加切削料味的主轴调速，电动朋角上的负载随转速的增大而减小，其输出功 率基本维持不变，这种调速称为恒功率调速。还有一类牛产机械，如轧钢机，在其整个调速过程中，部

3、分要求恒功率调 速，一分要求恒转炬调速，这种调速可称为混合调速。而风机、离心泵等负载, 在调速吋，负载转矩随转速的变化的平方关系成正比，轴上输出功率随转矩的立 方成111匕。般來说，调速方案的选择应充分考虑到拖动负载的性质，以保证拖动要求 的实现，充分发挥电动机的作用，否则，电动机容量不能充分利用而造成电能 的浪费。2. 动态指标生产机械的调速过程，即从一种转速调节至u所需的另一种转速，并不是瞬间 完成的，是个动态的过渡过程。调速系统的动态指标是表示调速系统在速度变 化过程中的技术指标。对于调速精度要求较高的调速控制系统，如龙门创床的主 拖动、造纟硕等都必须充分考虑改善动态指标，否则不能满足生

4、产要求。调速系统的动态指标主耍有：最大超调量、调整时间、振荡次数、最大动态 速降和恢复时间等。(1) 最大超调量b最大超调量是扌审周速系统在外来突变信号的作用f,系统 达到的最人转速和稳态值的稳态转速z比，用表示。(2) 调速时间又称为动态响应时间，它是指从信号加入，到系统开始进入允许偏洼区为止的时间。它反映系统调整的快速性。(3) 振荡次数n震荡次数表示在调整时间内,车令速在稳态值i ：卜-摆动的次 数。它反映了系统的调速稳定性。最大动态速降anmax是指调速系统的一项抗干扰指标，即在稳定运行屮， 系统突加一个负载转矢e所引起的最人速降。 恢复时间tr从扰动最作用开始，到被调量开始转入稳定转

5、速允许偏差区为止的一段时间。越小，说明系统的抗干扰能力越强。二直流电动机调速施从工流电动机的电路分析可知，一个是电枢回路，另一个是励磁回路，如图 4-la所示，电枢回路有电阴r和漏磁电感l,其等效电路如图4-lb所示。图4一1直流电动机原理及其等效电路图a)直流电动机原理图b)直流电动机电枢回路等效电路图当电动机止常运行时，其各种物理量可表示如匕u =ir + e(4-1)te = kr(/>i(4-2)e = ke(/fn(4-3)由上式可知：e u-ir u-tr/(kt(44)n ske式(44)中：u为加在电枢回路上的电压；/?为电动机电枢电路总电阻；0为电动机磁通；&为

6、电动势常数；知为转矩常数；7；为电磁转矩。此公式即为直流电动机的机械特征方科弍。对于每-个特定的电动机來说,定时，要调节电动机的转速，便可以有一以下三种其心、q为常数，当负载方法：改变电动机电枢回路的电阻/?、 改变电动机磁通0和改变加在电枢回 路的外加电压"01.改变电枢回路电阻人调速 采用电枢回路串联电阻的方法调 速，其机械特性变软，系统转速受负载图4_2改变电枢回路电阻调速的调节特性影响人，轻载时达不到调速的口的，重 载时还会产生堵转现象，而几在串联电 阻屮通过的是电枢电流，长期运行时损 耗也人，经济性差，因此在直流传动调速系统中已很少应用。2.改变磁通0调速在电动机励磁回路1

7、1',改变具串联电阻的人小或采川专门的励磁调节器來控 制励磁电压，都可以改变励磁电流和磁通。此吋电动机的电枢电压通常为额定值, 而旦不附加电阻。由公式44可知，理想空载转速与磁通成反比，即减弱磁通使 理想空载转速增加；机械特征斜率与磁通平方成正比，即随着磁通减弱，斜率急 剧增加（见图43）。因此 采用调节磁通进行调速时，在高速下由于电枢电流去磁 作川增人，使转速特征变得不稳定，换相性能也会下降。所以采川改变磁通來调 速的范围是冇限的。无换向极电动机的调速范围为基速的1.5倍，冇换向极电动 机的调速范围为基速的3-4倍。nn图4 一3改变磁通调速时系统的调节特性和机械特性3. 改变电枢电

8、冋调速曲公式4一4可知，当改变电枢电压/时，理想空载转速n（）也将改变，而机 械特征的斜率不变，此时电动机的特征方程式为n旦一仝t©0 ktke（/）2(4-5)其特征曲线为一组以u为参数的平行曲线（见图牛4）。由此町知，右整个调速范 围内有较人的硬度，在允许的转速变化范围内可以获得较低的稳定转速，故此种 方法的调速范围较宽， 般可达1012。图4一4改变电枢电斥调速时系统的调肯持件和机械持性改变电枢电压调速方法属于恒转矩调速，在空载或负载转矩变化时也可以得到稳定转速，通过电压止反向变化，便电动机能平滑地川动和工作在四个象限， 能实现回馈制动，而且控制功率较小，效率较高，配上各种调节

9、器町以纽成性能 较高的调速系统，因此在工中得到广泛应用。第二节反馈控制直流调速系统1.开环调速系统从公式町知，若供给的电枢电压可连续调节，则能实现m流电动机的平 滑调速。h前，由电力器件（或晶闸器）组成的半导体变流装置，可将单相或三 相交流电转换成可调输出电压的直流电流，给宜流电动机供电，其开环控制系统 如图牛5所示：图4一5丿i：环血流调速系统原理图图屮的厶为电抗器，其作用是使电动机的匸作电流连续平稳，使电动机的机 械特性变巫 稳定运行时，忽略电抗器l的绕线电阻后，(4-6)5=5(4-7)从上式可知,稳定后的转速川与负载阻力矩7；成线性关系,负载阻力矩7；引起的转速变化部分为：(4-8)当

10、7； =0即理想空载的情况下，英转速为理想空载转速厲，则=七n = n- a/i o az?也就称为负载引起的转速降。例：4-1假设在图4-5中的电动机型号为z33型，其铭牌额定参数为：p科=3kw , un =160v , in =16.5a , nn =1500r/min ,ra =0.93 o, k,0 =0.096v/(r/min),要求计算出加上额定负载后的转速降为多少？解：加上额定负载后的转速降z = 虽 =16.5x0.93 = 如血。心0 0.096山上例可知，负载引起的转速降会使电动机在150n/ipm以下的调速范围和调 速精度都太淤，而这乂是开坏调速系统所无法解决的，为减小

11、调速精度£对整个 调速系统的影响，可以釆用闭环调速系统。2.闭环调速系统闭环系统是把反映输出转速的电床信号反馈到系统输入端，与给定电斥比鮫, 形成-个闭环。由于反馈的作用，系统可以白行调整转速，这种方式也称为反馈 控制。典型的单闭环宜流调速系统由他励宜流电动机、整流装置、永磁式测速发电 机、放大器和触发器等组成，测速发电动机通过刈直流电动机转速的测量，实现 转速电压变换和速度负反馈，这称为转速负反馈自动调速系统。除此以外，述有 电压负反馈、带电流截止负反馈、电压微分及转速微分负反馈等。(1)转速负反馈调速系统图4-6为转速负反馈调速系统原理图，检测的反馈信号匕“与转速成匸比,ufn=

12、an. q又称为转速反馈系数。图4-6 带有转速负反馈得单闭环直流调速系统原理图由图46可知：(4-9)uc = kpu(4-10)ua = kqc(4-11)u -i rn =(4-12)式中：为电压偏差信号，kp为放大器的电压放人倍数，ks为整流装置的 电压放人倍数，匕为整流输出理想空载电压(忽略直流装置的内阻抗)，心为 电枢回路总电阻，人为电动机丄作电流，k卑为电动机常数。消除中间变量，可得:=n( -n1 + k ke(/>(4-13)其屮，饰为系统理想空载时(ia =0 )的转速；街/为负载引起的转速降;1 + k k®k=k,kscc称为开环増益系数。同时，推出an

13、k伸由此nj知，对照开环调速系统的转速降公式48可知，调速系统增加了电压 负反馈环节后，将使转速降为开环时的倍，大大提高了系统的控制楮度,1 + k从而提高了整个系统对于工艺状况要求的适应性。加入转速负反馈环节后的自动调节过程如图4-7所示（忽略电动机内部自动 调节过程）。负载转矩兀增加吋，转速负反馈电压匕”下降，使偏差电压at/增 加，整流装置电压上升，电枢电压匕上升，使得电枢电流打增加。在电板 电流增加的情况卜；由于磁场的作丿ij,将使血流电动机电枢电路屮的电磁转矩7； 增加，以适应用减负载巒河厶的增加，这个过程将一直进行到人=7；旳才结束。 同理，在机械负载转矩7；减少的情况下，也会同样

14、减小电枢i叫路的电流打而引 起电枢电路中电磁转矩7；的减小，一直进行到7； =t,为止。tl- n | - t/hl - a（7 ' -uc-ud ua仏:一tiiiii图4-7 带有转速负反馈的单闭环肓流调速系统自动调节过程图4-8表示在口动调节过程中，带转速负反馈环节与开环环节对调速系统机 械特性的影响。/ 为敕流装置输出电流，即宜流电动机的电枢电流匚，7；为负 载转矩。当负载转矩由7；变为集时，对于开环系统，此时，转速由©降到 加入转速负反馈环节后 负载转矩人的增加将使转速n下降，而导致u肋的下 降，使t/加增加，整流装置的电压输出值由t/右增加到3,这样 便机械负载增

15、加后电动机的转速由厲变为代，由图牛8可知代«，显然对于 转速降来说，帶转速负反馈环i啲直流调速系统的机械特性比开环直流调速系统 的机械特性“硬”多了。图4-8 开环与闭环（带有转速负反馈环节）对百流调速系统机戚戏性的影响原理在实际m用的过程屮，若肓流电动机在起动、堵转（或过载）时，由于负载 转矩7；的增人，在单纯的带转速负反馈的过程中，将会使电枢回路的电流匚增 加很人，这样将会使整流器件和直流电动机经受彳艮大的电流冲击，严重时将会烧 毁整流器件和电动札 因此要对电枢电流加以限制，须采用带电流截止负反馈调 速系统。带电流截ii：负反馈调速系统在电枢电流大于截止电流 他町以为极限电流或最

16、大允许电流）时，电流负 反馈环节起作用，图09是带电流截11负反馈的转速负反馈调速系统原理图。在 其电枢电路中串联入一个収样电阻夕卜部辅助电源经电位器提供一个比较阀 值电压/ ,电流反馈信号idr经二极管vd与比较电压反极性串联后，再 加到放人器的输入端，ufi = i（fr.-u（）o当匕山0时，一极管vd截|上， 电流截i上负反馈不起作用；当ufl>0时，二极管vd导通。此时，电流截i上 负反馈环节起作丿山反馈信号电压f/“将加到放大器的输入端，此时偏差电压差 为:u =us-ufl-ufn.当电流继续增加吋，“彳使厶降低，匕也可同 时降低，从而限制电流增加过人。这时，由于电枢电压/

17、的下降，再加上匚人 的增大，由式刃=匕_打&町知转速将急剧下降,使用减特性出现很陡的下垂k/特性。整个系统的机械特性如图4-10所示，人为电动机额泄电流，厶为电动机 截i上电流，为电动机堵转电流。在a段，转速负反馈不起作用；而在b段，电 流截止负反馈起作用，这样在电动机堵转（或起动）时，电流不会很大。这是因 为，虽然转速斤=0,但由于电流截止负反馈的作用，使11枢电；玉匕下降。图4-9 带电流截止负反馈的转速直流调速系统原理图图4-10 带电流截11 负反馈的转速a流调速系统的机械特征图在具有电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统屮，其口动调仔过程如图4-11所示：当 ia>ib 吋，au=us-ufit-ufiuc转速f降一 ud、图411电枢电流大丁截止电流时电流截ii-负反馈的作川从上面的分析可知，具有带电流截i上负反馈的转速负反馈肓流调速系统具冇 较高的调速范围和静差率小的优点，并口实现起来系统组成简单等优点。但整个 系统全部是属于被调量的负反馈，具有反馈控制规律，并且在采用比例放人器时 是具有静差率的。放人系数k什陋人，则静淤率越小。所以，对于一些要求静怎 率极小的场合，也可以采用放人器采用积分调节器或比例积分调节器的办法来消 除静祥率。在