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文档简介
1、 v1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统单闭环转速负反馈有静差直流调速系统 v1-3 其它反馈形式在调速系统中的应用其它反馈形式在调速系统中的应用v1-4 转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统v1-1 直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念v1-5 转速电流双闭环调速系统转速电流双闭环调速系统 v1-6 三环调速系统三环调速系统v1-7 可逆调速系统可逆调速系统Rl+d0UdIE直流电源M+RaRndU一、直流调速主要的调速方法一、直流调速主要的调速方法 1、直流他励电动机供电原理图、直流他励电动机供电原理图图图1-1直流他直流他励电动机供电励电动机供电原理图原
2、理图RIEUddonKnCEeeesddeddeKRIUKRIUKEn0 为电源空载电压;为电源空载电压; 为电动机电枢电压;为电动机电枢电压;E为为电枢电动势;电枢电动势;R为电枢回路总电阻,为电枢回路总电阻,n 转速,单位转速,单位r/min;为励磁磁通;为励磁磁通;Ke为电动机结构决定的电动为电动机结构决定的电动势系数。势系数。doUdUanlRRRR2.直流他励电动机转速方程直流他励电动机转速方程式中:式中:3、直流他励电动机的调速方法、直流他励电动机的调速方法 (1)(1)电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速特点:特点: 损耗较大、有级损耗较大、有级调速,机械特性调速,机械特性较软。
3、较软。(2)(2)弱磁调弱磁调速速 特点:特点: 只能弱磁,调只能弱磁,调速范围小速范围小(3)(3)变电枢电压调速变电枢电压调速特点:特点: 机械特性上下平移、机械特性上下平移、可平滑地调节转速可平滑地调节转速n,但只能降压调速。是主但只能降压调速。是主要的调速方式。要的调速方式。 0nTnd3d2d1UUUUnn12n12nnUd3Ud2Ud1UenT工程上,常将调压与调磁相结合,可以扩大调速范围工程上,常将调压与调磁相结合,可以扩大调速范围。 图图1-2 调压和调调压和调磁时的机械特性磁时的机械特性 二、调压调速的关键装置二、调压调速的关键装置-可控直流电源可控直流电源常用的可控直流电源
4、有以下三种:常用的可控直流电源有以下三种:1、旋转变流机组、旋转变流机组2、静止可、静止可控整流器控整流器3 3、直流斩波、直流斩波器和脉宽调制器和脉宽调制变换器变换器励磁电源放大装置+GEM+(-)(+)+-+-fIGUMnn1、旋转变流机组、旋转变流机组-用交流电动机拖动直流发电用交流电动机拖动直流发电机,以获得可调的直流电压(机,以获得可调的直流电压(G-M系统)。系统)。 组成组成:由由 M 拖 动拖 动= G = G 给给=M供电供电直直流励磁发电流励磁发电机机GE给给=G和和=M励磁。励磁。原理原理:调节调节U改变改变转速转速n变化。改变化。改变方向,变方向,n转向转向跟着改变。跟
5、着改变。特点特点:设备多、体积大、设备多、体积大、费用高、效率低、费用高、效率低、安装维护不便、运安装维护不便、运行有噪声行有噪声。2、静止可控整流器、静止可控整流器-利用静止的可控整流器利用静止的可控整流器(如晶闸管如晶闸管可控整流器可控整流器),获得可调的直流电压。(,获得可调的直流电压。(V-M系统系统)晶闸管整流器晶闸管整流器可以是单相、可以是单相、三相或多相;三相或多相;电路形式可以电路形式可以是半波、全波、是半波、全波、半控、全控等半控、全控等类型;类型;通过调节触发通过调节触发电路的移相电电路的移相电压,可改变整压,可改变整流电压流电压Ud,实实现平滑调速。现平滑调速。 优点优点
6、: :整整流装置流装置效率高、效率高、体积小、体积小、成本低、成本低、无噪声。无噪声。缺点缺点: :可逆可逆难;过电难;过电压、过电压、过电流能力差;流能力差;谐波电流谐波电流大。大。组成:组成:原理:原理:3、直流斩波器和脉宽调制变换器、直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电用恒定直流电源或不可控整流电源供电,利用直流斩波器或脉宽源或不可控整流电源供电,利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。调制变换器产生可变的平均电压。( b) 电 压 波 形sU0TutontdUV T强 迫 关 断 电 路MV DsU+-+-( a) 原 理 图 VT工作于开关状态。工作于开关状态。VT通时,
7、通时,U加到加到M;VT断时,断时,U与与M断开,断开,M经经VD续流,两端电压接近于零。平续流,两端电压接近于零。平均电压可通过改变均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节,从的导通和关断时间来调节,从而调节而调节M的转速。的转速。优点优点: 运行稳定、效率高、静动运行稳定、效率高、静动态性能好;态性能好;缺点缺点: 容量不大容量不大原理:原理:1、系统组成、系统组成三、开环三、开环V-M系统的机械特性系统的机械特性 2.调节原理调节原理调节调节 改变移相角改变移相角改变改变 改变改变。dU*nUn3.开环系统机械特性开环系统机械特性晶闸管整流晶闸管整流器可看成是器可看成是一个线性的一个线
8、性的可控电压源可控电压源特性很软,呈显特性很软,呈显著的非线性,理著的非线性,理想空载转速翘得想空载转速翘得很高。很高。电流连续时:电流连续时:电流断续时:电流断续时:01()dodenUI RnnC 0edIdInn01n02n03n04n1a2a3a4a图2-6 开环机械特性其中:其中: 为转速降,为转速降, 越越小,机械特性的硬度小,机械特性的硬度越大。越大。 取决于电枢回路电阻取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。及所加的负载大小。/denI R C nnn机械特性的近似处理方法:机械特性的近似处理方法:(1)在电流连续段:把特性曲线与纵轴的直线交点在电流连续段:把特性曲线与纵轴的直线
9、交点n0作为理想空载转速。作为理想空载转速。 (2)在断续特性比较显著的情况下,可以改用在断续特性比较显著的情况下,可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。 n 一般可近似的只考虑连续段。一般可近似的只考虑连续段。 (2)在断续特性比较显著的情况下,可以改用另一在断续特性比较显著的情况下,可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。段特性的延长线来逼近断续段特性。 一般可近似的只考虑连续段
10、。一般可近似的只考虑连续段。一、开环存在的问题:一、开环存在的问题:min/900rnnommin/100minrnmin/80rnnom某一车床的拖动电动机的额定转速某一车床的拖动电动机的额定转速 ,要求要求 ,由开环系统决定的,由开环系统决定的要求要求S0.1,问开环问开环V-M系统能否满足要求?如不满系统能否满足要求?如不满足要求,怎么办?足要求,怎么办?问题的问题的提出提出n解:要求:解:要求:D=?n而满足而满足S0.1的的 D=?n满足满足D、 S的的n分析:因为分析:因为 ,所以要引入负反馈。所以要引入负反馈。(1)nomnomnsDnsnomnomnnn0?n二、系统的组成及静
11、特性二、系统的组成及静特性 (1)(1)原理框图原理框图 AGTMIG+-+-+-+-+-+-RP1nUnUnUdILndUtgURP2V-M闭环系统原理框图ctU1、系统的组成、系统的组成(a)给定环节给定环节产生控制信号:由高精度直流产生控制信号:由高精度直流 稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。(b)比较与放大环节比较与放大环节信号的比较与放大;由信号的比较与放大;由P、I、PI运放器组成运放器组成( (d)d)速度检测环节速度检测环节 :测速机:测速机反馈线路反馈线路 求出求出( (反馈系数反馈系数) ) ; ; 单位单位(c)触发器和整流装
12、置环节(组合体)触发器和整流装置环节(组合体)-功率放大功率放大GT:单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器;整流装置:单相、三相、半控、全控整流装置:单相、三相、半控、全控. +-+-RLdIEneTLT直流电动机电路图U( (e)e)直流电动机环节直流电动机环节n直流他励电动机的两个独立的电路:一个是电枢回直流他励电动机的两个独立的电路:一个是电枢回路,另一个是励磁回路。路,另一个是励磁回路。 +-+-RLdIEnfUfIeTLT直流电动机电路图U动态关系:动态关系: ERIUsddEtLRiussddddiddmdmiCiKTtnJTTGLddtnCJIImGd
13、LdddnCnKEee稳稳态态关关系:系: mdmdTKIC ILTT dLdIInCnKEee(2)对负载波动等扰动信号的调节)对负载波动等扰动信号的调节稳速过程稳速过程: n基本不受负载波动等扰动输入的影响基本不受负载波动等扰动输入的影响 (1)对给定信号的调节)对给定信号的调节调速过程调速过程:改变:改变 , 则则n 改变改变 *nU例如:例如:*()LnnnnTnUUUU 0()ctddeUUITn 2、系统的自动调节过程、系统的自动调节过程 3、闭环系统的机械特性、闭环系统的机械特性1234ndI0d04Ud03Ud02Ud01UABBC开环机械特性闭环静特性d01d02d03d04
14、UUUUd1Id2Id3Id4I(1)(1)闭环系统机械特性的定性分析闭环系统机械特性的定性分析 (2) 闭环系统的机械特性的定量分析闭环系统的机械特性的定量分析 系统结构图系统结构图 放 大 器整 流 器 及触 发 装 置电 动 机速 度 检 测nU-nUnUctUd0Un系统中各环节的稳态输入输出关系如下:系统中各环节的稳态输入输出关系如下: 电压比较环节电压比较环节 nnnUUU*放大器放大器 nPctUKU晶闸管整流器及触发装置晶闸管整流器及触发装置 ctsdUKU0V-M系统开环机械特性系统开环机械特性 eddeCRIUCEn0转速检测环节转速检测环节 22ntgetgUUCnn 单
15、闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图 d0UnU-nUctUnUEpKdI RnsK1eC由系统稳态结构图得到系统的静特性方程由系统稳态结构图得到系统的静特性方程为为espCKKK/为闭环系统的开环放大系数为闭环系统的开环放大系数 cln0为闭环系统的理想空载转速为闭环系统的理想空载转速 cln为闭环系统的稳态速降为闭环系统的稳态速降。 式中:三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较 1 1、开环系统的机械特性、开环系统的机械特性 断开转速反馈回路(令断开转速反馈回路(令 ,则,则K K=0=0)则得开环机则得开
16、环机械特性为械特性为: 0opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0 2 2、闭环系统的静特性、闭环系统的静特性 : clcledenSPnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (1)(1)闭环静特性比开环机械特性硬得多。在同样的负载下,两者闭环静特性比开环机械特性硬得多。在同样的负载下,两者的稳态速降分别为:的稳态速降分别为:)1(KCRInCRInedcledopKnnopcl1关系是 (2)闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多。闭环系统闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为和开环系统的静差率分别为clclclnns0opopop
17、nns000opclnn当 时 Kssopcl1比较后得出比较后得出结论结论:如果电机的最高速都是如果电机的最高速都是nnom,且对最低速的静差率要求相同,且对最低速的静差率要求相同, )1(snsnDopnomop (4)闭环系统必须设置放大器。闭环系统必须设置放大器。(3)当要求的静差率一定时,闭环系统的调速范围可大大提高。当要求的静差率一定时,闭环系统的调速范围可大大提高。 闭环时闭环时 )1(snsnDclnomclopclDKD)1( 所以所以 则开环时则开环时闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性,且闭环系统的开环放大系数越大,静特性,且闭环
18、系统的开环放大系数越大,静特性就越硬,在保证一定静差率要求下其调速性就越硬,在保证一定静差率要求下其调速范围越大,但必须增设转速检测与反馈环节范围越大,但必须增设转速检测与反馈环节和放大器。和放大器。 例例1-1龙门刨床工作台采用龙门刨床工作台采用Z2-93型直流电动机,型直流电动机,220nomUV305nomIA1000nomnr/min、60nomPkWRa=0.05Ks=30晶闸管整流器的内阻晶闸管整流器的内阻Rrec=0.13要求要求D=20,s5%问若采用开环问若采用开环V-M系统能否满足要求?系统能否满足要求?若采用若采用=0.015Vmin/r转速负反馈闭环系统,问放大转速负反
19、馈闭环系统,问放大器的放大系数为多大时才能满足要求?器的放大系数为多大时才能满足要求? 问题问题解解(1)设系统满足)设系统满足D=20,检验系统是否满足检验系统是否满足s5%? min100050( /min)20nnnrDenCI Rn 0minminnsnnnn2203050.050.2( .min/ )1000nnaenUI RCVrn305(0.050.13)275( / min)0.2neI RnrC0minmin2750.8585%5%50275nnsnnn (2)那么同时满足)那么同时满足D=20,s5%的的?n 可见只要放大器的放大系数大于或等于可见只要放大器的放大系数大于或
20、等于46,转速,转速负反馈闭环系统就能满足要求。负反馈闭环系统就能满足要求。(在上述在上述闭环条件下,如何判断系统能否正常工作?闭环条件下,如何判断系统能否正常工作?) 10000.052.63( / min)(1)20(10.05)nomnomnsnrDs (3)采用负反馈,则开环放大系数)采用负反馈,则开环放大系数K为:610316322751.nnKclop得:得:46200150306103././CKKKesp课后课后作业:作业:四、反馈控制规律四、反馈控制规律改变给定改变给定 ,转速,转速n 随之变化。即被调量总是紧紧跟随给随之变化。即被调量总是紧紧跟随给定信号变化的。定信号变化的
21、。*nU2、被调量紧紧跟随给定量变化、被调量紧紧跟随给定量变化3、闭环系统对、闭环系统对反馈环内反馈环内 主通道上主通道上的一切的一切扰动扰动作用作用都能有效抑制都能有效抑制 )1(KCRInedcl1、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的只有当只有当K=时时ncl=0。而比例控制的而比例控制的Kncl0。闭环系统的稳态速降为闭环系统的稳态速降为扰动:扰动:当给定当给定 不变时,把引起被调量转速发生不变时,把引起被调量转速发生变化的所有因素称为扰动。变化的所有因素称为扰动。 *nU 扰动因素扰动因素:交流电源电压波动、电机励磁电流的:交流电源电压波动、
22、电机励磁电流的变化、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的变化、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的主电路电阻的变化、负载变化等等,主电路电阻的变化、负载变化等等,如下图所示。如下图所示。 nU+-nUnUPKctUsKd0Ue1CEn+-测速发电机励磁变化给定PK变化电源波动R电阻变化励磁变化被调量(输出)dI结论:结论:反馈环内且作用在控制系统主通道上的各反馈环内且作用在控制系统主通道上的各种扰动,通过反馈控制作用可减小它们对转速的种扰动,通过反馈控制作用可减小它们对转速的影响。影响。4、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无法抑制的无法抑制的
23、当给定电源发生不应有的波动时,转速会随之变化。因此当给定电源发生不应有的波动时,转速会随之变化。因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。 反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量的偏差。为此,高精度的系统还必须有高精度的被调量的偏差。为此,高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件作保证。反馈检测元件作保证。五、系统的稳态参数计算五、系统的稳态参数计算 例例1-2直流调速系统如下图所示,根据给定的技术数据对系统进行直流调速系统如下图所示,根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算。已知数据如下静态
24、参数计算。已知数据如下:MIG-+-RP1nUnUdILdURP2ctU-+R0R0R1+ba1R4.测速发电机测速发电机:永磁式直流测速发电机,:永磁式直流测速发电机,Pnom=23.1W、Unom=110/V、Inom=0.21/A、nnom=1900/r/min。1.电动机电动机:额定数据为:额定数据为Pnom=10kW、Unom=220V、Inom=55A、 nnom=1000r/min ,电枢电阻电枢电阻Ra=0.5。2.晶闸管装置晶闸管装置:三相全控桥式整流电路,变压器:三相全控桥式整流电路,变压器Y/Y接法,接法,二次线电压二次线电压U2l=230V,触发整流环节的放大系数触发整
25、流环节的放大系数Ks=44。3.V-D系统系统:主回路总电阻:主回路总电阻R=1.0/。5.生产机械生产机械:要求调速范围:要求调速范围D=10,静差率静差率s5%。 解:解:1. 为满足为满足D=10,s5%,额定负载时调速系统的稳额定负载时调速系统的稳态速降应为态速降应为 1000 0.055.26( /min)(1)10(1 0.05)nomclnsnrDs2. 根据根据ncl,确定系统的开环放大系数确定系统的开环放大系数K 式中式中1n o meclIRKCn22055 0.50.1925(min/ )1000nomnomaenomUIRCVrn3.53126.51925.00.155
26、1clenomnCRIK测速反馈系数测速反馈系数包含测速发电机的电势转速比包含测速发电机的电势转速比Cetg和电位器和电位器RP2的分压系数的分压系数2,即即 etgC2根据测速发电机的数据,根据测速发电机的数据, 110(min/ )0.0579min/1900etgCVrVr 本系统直流稳压电源为本系统直流稳压电源为15V,最大转速给定为最大转速给定为12V时,对时,对应电动机的额定转速,即应电动机的额定转速,即 =12V时,时,n=1000 r/min,测,测速发电机与电动机直接硬轴联接。速发电机与电动机直接硬轴联接。 *nU3. 计算测速反馈环节的参数计算测速反馈环节的参数当系统处于稳
27、态时,近似认为当系统处于稳态时,近似认为 ,则则 电位器电位器RP2的选择方法如下的选择方法如下:当测速发电机输出最高电压,:当测速发电机输出最高电压,且其电流约为额定值的且其电流约为额定值的20%时,测速发电机电枢压降对时,测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。检测信号的线性度影响较小。nnUU*212(m in/)0.012m in/10000.0120.20.0579nnometgUVrVrnC则则20 .0 5 7 91 0 0 01 3 7 9 /2 0 %0 .20 .2 1etgn o mR Pn o mCnRI 此时此时RP2所消耗的功率为所消耗的功率为 220%0.0
28、579 1000 0.2 0.21W2.43(W)RPetgnomnomPC nI 为了使电位器不过热,实选功率应为消耗功率的一倍以为了使电位器不过热,实选功率应为消耗功率的一倍以上,故选上,故选RP2为为10W、1.5k的可调电位器。的可调电位器。 4、计算放大器的电压放大系数、计算放大器的电压放大系数 43.1944012.01925.03 .53sePKKCK实取实取P20。 如果取放大器输入电阻如果取放大器输入电阻020/k, 则则P2020/k400/k。 六、限流保护六、限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈起动或堵转时:通过自动限流环节,使起动或堵转时:通过自动限流环节,使 许可d
29、dII正常运行时:限制电枢电流的环节自动取消。正常运行时:限制电枢电流的环节自动取消。 3.措施的实现措施的实现 ( (一一) )为使为使, ,可采用电流负反馈。可采用电流负反馈。 许可ddII 1.问题的提出问题的提出2.解决措施解决措施全压起动:会产生很大的冲击电流,对于全压起动:会产生很大的冲击电流,对于M和和KP不利。生产机械的堵转,电流很大。不利。生产机械的堵转,电流很大。限流原理限流原理 MIG+-RP1nUnULdURP2ctU-+R0R0R1ba1R+-R0-iU+-GTVdIRsVDdI带电流截止负反馈的转速闭环调速系统innUUUU*idsUIRddctidIUUUUI系统
30、原理图系统原理图 : 结构图结构图 innUUUU*nU+-nUPKctUsKd0Ue1CEn+-带电流截止负反馈转速闭环调速系统的稳态结构图R-iURssdRIdI从静特性方程知:正常运行时,电流负反馈的存在将使系统从静特性方程知:正常运行时,电流负反馈的存在将使系统的静差大大增加。的静差大大增加。 静特性方程静特性方程 *(1)(1)(1)psnpssddeeeKK UKK RRnIICKCKCK*(1)(1)psnpssdeeK K URK KRICKCK存在的问题存在的问题:( (二二) )为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节,可采用为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节,可采用
31、电流截止负反馈。电流截止负反馈。 带电流截止负反馈的调速系统原理图带电流截止负反馈的调速系统原理图 MIG+-RP1nUnULdURP2ctU-+R0R0R1ba1R+-+-。R0-iU+-GTVdIRsVDcomURP3dI带电流截止负反馈的转速闭环调速系统图中电流反馈信号取自小电阻图中电流反馈信号取自小电阻Rs两端,两端,IdRs正比于电枢电流,正比于电枢电流,设设Idcr为临界截止电流,为临界截止电流,Ucom =IdcrRs为比较电压。为比较电压。 当当IdRsUcom(即即IdIdcr)时,二极管导通,电流调时,二极管导通,电流调节器的输入偏差电压节器的输入偏差电压 为为 ,系统,系
32、统静特性较软。静特性较软。 innUUUU*当当IdRsUcom(即即IdIdcr)时,二极管截止,电流负反馈被切时,二极管截止,电流负反馈被切断,此时系统就是转速闭环调速系统,其静特性很硬。断,此时系统就是转速闭环调速系统,其静特性很硬。 调节调节Ucom的大小,即可改变的大小,即可改变临界截止电流临界截止电流Idcr的大小。的大小。REUIUUUUUUUIdddctinnid00*其限流原理为:其限流原理为:nU+-nUPKctUsKd0Ue1CEn+-带电流截止负反馈转速闭环调速系统的稳态结构图R-iURssdRIcomU-+-comUdI系统的静态结构图系统的静态结构图根据电流截止负反
33、馈的特性和结构图可推出系统的静特性根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性方程:当方程:当IdRsUcom时,电流截止负反馈不起作用。时,电流截止负反馈不起作用。系统的静特性方程:系统的静特性方程:nnIKCRKCUKKndeensp0*)1 ()1 (对应于图对应于图1-17的的n0-A段段当当IdRsUcom时,即电流截止负反馈起作用时,即电流截止负反馈起作用。nnKCIRKKRKCUUKKKCRIUIRKCKKKCUKKnedsspecomnspedcomdsespensp0*)1()()1()()1()()1()1(0c rd ,Ib 1d ,IdIABn0n 0n图1-17
34、对应于图对应于图1-17的的A-B段段 两段相比有如下特性:两段相比有如下特性: (1) n0,因为因为Ucom与与 作用一致,因而提高了作用一致,因而提高了 。 -A段段因电流负反馈被截止而不存在。因电流负反馈被截止而不存在。 0n*nU0n0n (2)n n,因为电流负反馈起作用时,相当于在主电路中因为电流负反馈起作用时,相当于在主电路中串入一个大电阻串入一个大电阻KpKsRs,因此稳态速降极大,特性急剧下垂。因此稳态速降极大,特性急剧下垂。这样的两段式静特性通常称为这样的两段式静特性通常称为“挖土机特性挖土机特性”。 当系统堵转时,当系统堵转时,n=0,则则 sspcomnspdbldR
35、KKRUUKKII)(*一般一般KpKsRsR,所以所以 nomscomndblIRUUI*电动机运行于电动机运行于n0-A段,希望有足够宽的运行范围。一般取段,希望有足够宽的运行范围。一般取Idcr1.2Inom,即即 式中式中为电动机过载系数,一般为为电动机过载系数,一般为1.52。nomscomdcrIRUI2.1/由上二式可得由上二式可得 nomdcrdblsnIIIRU)2 . 1(/*上述关系可作为设计电流截止负反馈环节参数的依据。上述关系可作为设计电流截止负反馈环节参数的依据。电流截止环节的其他电路:利用稳压管电流截止环节的其他电路:利用稳压管VST产生比较电压的产生比较电压的原
36、理见图(原理见图(a););采用封锁运算放大器的原理见图(采用封锁运算放大器的原理见图(b) M+-接放大器iUVZbrUdU+-+RsdI(a)-+MR0nIR1VTctUiUVZRsSRPdI(b)封锁运算放大器的电流截止环节ab第三节第三节 其它反馈形式在调速系统中的应用其它反馈形式在调速系统中的应用 一、电压负反馈调速系统一、电压负反馈调速系统 实现转速负反馈须有测速发电机。从实现转速负反馈须有测速发电机。从 edesnomdCUCRIUn可知:如果忽略电枢压降,则电动机的转速可知:如果忽略电枢压降,则电动机的转速n近似正比于电近似正比于电枢两端电压枢两端电压 。可采用电压负反馈代替转
37、速负反馈,维持可采用电压负反馈代替转速负反馈,维持转速转速n基本不变。基本不变。dUMRP1nURP2ctU-+R0R0R1RP01+-+-dULduUU由图可见,反馈检测元件是起分压作用的电位器由图可见,反馈检测元件是起分压作用的电位器RP2。电压反馈信号电压反馈信号Uu=Ud,为电压反馈系数。为电压反馈系数。 为了分析方便,把电枢总电阻分成两部分,即为了分析方便,把电枢总电阻分成两部分,即R=Rn+Ra,Rn为晶闸管整流装置的内阻(含平为晶闸管整流装置的内阻(含平波电抗器电阻),波电抗器电阻),Ra为电枢电阻。由此可得为电枢电阻。由此可得 0ddndddaUI RUUI REe1C(a)E
38、n+-nUPKctUnUsKd0UnRaR+-+-nUsKKpe1CndUnU(b)dI其稳态结构图其稳态结构图如下图所示如下图所示:e1CsKKpdUn+-ndRI( c )e1Cn-daIR( d )电压负反馈调速系统的静特性方程式为电压负反馈调速系统的静特性方程式为 *(1)(1)psnndadeeeK K UR IR InCKCKC 式中K=KpKs由方程知,电压负反馈把反馈环包围的整流装置由方程知,电压负反馈把反馈环包围的整流装置内阻引起的稳态速降减小到内阻引起的稳态速降减小到1/(1+K)。)。扰动量扰动量IdRa不包围在反馈环内,由它引起的稳态速降得不包围在反馈环内,由它引起的稳
39、态速降得不到抑制。为此引入电流正反馈,以补偿电枢电不到抑制。为此引入电流正反馈,以补偿电枢电阻引起的稳态速降。阻引起的稳态速降。二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 原理图第四节第四节 转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统一、无静差调速系统的控制规律一、无静差调速系统的控制规律 1.积分调节器及其控制规律积分调节器及其控制规律 -
40、+(a)ba1RR0inUiiACexUinUex,U0tinUexUmex,U(b)积分调节器及其输出特性exU0tinUexU(c)0111exininUidtU dtU dtCR C积分时间常数积分时间常数PIPI调节器的比例放大系数为调节器的比例放大系数为 ,积分时间常数为,积分时间常数为+-+ba1RR0inUAexU比例积分调节器电路图i-iC1inUex,U0tinUexUmex,UinUpiK阶跃输入时PI调节器的输出特性2、比例积分调节器及其控制规律、比例积分调节器及其控制规律 111inexUiRUiRidtC100111exininpiininRUUU dtK UU dt
41、RR CpiK01R C3.有差系统和无差系统控制规律的比较有差系统和无差系统控制规律的比较 无差系统的控制规律无差系统的控制规律 *1 nnnctnnUUUUU dtU dt要使系统无差,则要采用积分控制。考虑要使系统无差,则要采用积分控制。考虑到快速性,工程上通常采用到快速性,工程上通常采用PI调节器。调节器。*.nnnctpnnUUUUKUU 有差系统的控制规律有差系统的控制规律二、带二、带PIPI调节器的无静差直流调速系统调节器的无静差直流调速系统 MIG-+-RP1nUnUdILRP2ctU-+R0R0R1+ba1Rd0U-nC1VTiU+TA采用比例积分调节器的无静差直流调速系统1
42、、系统的、系统的组成框图组成框图系统采用转速负反馈系统采用转速负反馈和电流截止负反馈,和电流截止负反馈,速度调节器(速度调节器(ASR)为为PI调节器。调节器。 2、无静差的实现、无静差的实现 稳态时,稳态时,PI调节器输入偏差电压调节器输入偏差电压Un=0。当负载由当负载由TL1增至增至TL2时,转速下降,时,转速下降,Un下降使偏差电压下降使偏差电压 不为零,不为零,PI调节器进入调节过程调节器进入调节过程。 nU整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比。当电流大于整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比。当电流大于截止电流时,则稳压管被击穿导通,负反馈电压截止电流时,则稳压管被击穿导通,负反
43、馈电压Ui使晶体使晶体管管VT导通,而使电流降低下来。导通,而使电流降低下来。 3、电流检测电路、电流检测电路 电流截止反馈信号电流截止反馈信号Ui也可以由交流侧的电流互感器测得,也可以由交流侧的电流互感器测得,再经桥式整流后输出的直流信号。再经桥式整流后输出的直流信号。 第五节第五节 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统 电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流,而电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流,而不能维持最大电流,影响启动快速性(即启动时间不能维持最大电流,影响启动快速性(即启动时间ts较长)。较长)。 din,0ndin( )tLIdmI(a)(b)di
44、n,dmILIn( )0调 速 系 统 启 动 过 程 的 电 流 和 转 速 波 形一、问题的提出一、问题的提出 二、解决问题的措施二、解决问题的措施实现理想的启动实现理想的启动1、理想启动过程、理想启动过程理想启动波形如下图示,整个启动过程中,启动电流一直保理想启动波形如下图示,整个启动过程中,启动电流一直保持最大允许值,此时电动机以最大转矩启动,转速以直线规持最大允许值,此时电动机以最大转矩启动,转速以直线规律上升;启动结束后,电流从最大值下降为负载电流值且保律上升;启动结束后,电流从最大值下降为负载电流值且保持不变,转速维持给定转速不变。持不变,转速维持给定转速不变。din,0ndin
45、()tLIdmI(a)(b)din,dmILIn()0调速系统启动过程的电流和转速波形(2)稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转)稳态运行时,转速负反馈外环起主要作用,使转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速随转速给定电压的变化而变化,电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。 2、实现理想启动过程的方法、实现理想启动过程的方法采用转速电流双闭环负反馈调速系统。采用转速电流双闭环负反馈调速系统。(1)启动时,让转速外环饱和不起作用,电流内环)启动时,让转速外环饱和不起作用,电流内环起主要作用,调节启动电流保持最大值,使转速线起
46、主要作用,调节启动电流保持最大值,使转速线性变化,迅速达到给定值;性变化,迅速达到给定值;三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理转速、电流双闭环直流调速系统原理图转速、电流双闭环直流调速系统原理图。(一)系统的组成(一)系统的组成ASR输出限幅值为输出限幅值为U*im,它它决定决定了主回路中的最大了主回路中的最大允许电流允许电流Idm。1、设置了电流调节器设置了电流调节器ACR和转速调节器和转速调节器ASR。2、ACR和电流检测和电流检测-反馈回路构成了电流环,电反馈回路构成了电流环,电流环为内环(副环);流环为内环(副环);ASR和转速检测和转速
47、检测-反馈环节反馈环节构成了转速环,转速环为外环(又称主环)。构成了转速环,转速环为外环(又称主环)。ASR和和ACR均为均为PI调节器,其输入输出设有限幅电路。调节器,其输入输出设有限幅电路。ACR输出限幅值为输出限幅值为Uctm,它它限制限制了晶闸管整流器输了晶闸管整流器输出电压出电压Udm的最大值。的最大值。(二)系统的工作原理(二)系统的工作原理 双闭环调速系统的稳态结构图。双闭环调速系统的稳态结构图。 1、以、以ACR为核心的电流环为核心的电流环作用是稳定电流作用是稳定电流稳态时,稳态时,Ui= -U*i+Ui= -U*i +Id=0,即即Id=U*i/。其中其中为电流反馈系数。为电
48、流反馈系数。当当U*i一定时,由于电流负反馈的作用,使输出电流保持在一定时,由于电流负反馈的作用,使输出电流保持在U*i/数值上。当数值上。当Id U*i /时,调节过程如下时,调节过程如下: ddctdiidIUUIUUI0*)(最终保持电流稳定。当电流下降时,也有类似的调节过程。最终保持电流稳定。当电流下降时,也有类似的调节过程。 2.以以ASR为核心的转速环为核心的转速环作用是稳定转速作用是稳定转速。稳态时,稳态时,Un=U*n-n=0,即即n= U*n /。其中其中为转速反馈为转速反馈系数。当系数。当U*n一定时,转速一定时,转速n将稳定在将稳定在U*n /数值上。数值上。当当nU*n
49、 /时,其自动调节过程如下:时,其自动调节过程如下:*000nniictdnUUnUUUUn 负载()最终保持转速稳定。当转速上升时,也有类似的调节过程。最终保持转速稳定。当转速上升时,也有类似的调节过程。n0n0ABdmIdnIdI双闭环系统的静特性具有近似理双闭环系统的静特性具有近似理想的想的“挖土机特性挖土机特性”(见图中实线)(见图中实线)四、双闭环调速系统的静特性及稳态参数计算四、双闭环调速系统的静特性及稳态参数计算1、双闭环调速系统的静特性、双闭环调速系统的静特性 启动时,突加阶跃启动时,突加阶跃U*n,ASR饱和,输出限幅值饱和,输出限幅值U*im且不变,且不变,转速环相当于开环
50、。电流负反馈起恒流调节作用转速环相当于开环。电流负反馈起恒流调节作用,转速线性上转速线性上升,获得极好的下垂特性,如图中的升,获得极好的下垂特性,如图中的AB段虚线。段虚线。 当转速达到给定值且略有超调时,当转速达到给定值且略有超调时,ASR退饱和,转速负反馈起调节作用,退饱和,转速负反馈起调节作用,使转速保持恒定,即使转速保持恒定,即n= U*n /保持不保持不变。见图中变。见图中n0-A段虚线。段虚线。2、双闭环调速系统的稳态工作点和稳态参数计算、双闭环调速系统的稳态工作点和稳态参数计算 当当ASR和和ACR都不饱和且系统处于稳态时,各变量间的关系为都不饱和且系统处于稳态时,各变量间的关系
51、为 nnUUnn0*dLdiiIIUU*sdLnesdesdctKRIUCKRInCKUU/*0转速反馈系数转速反馈系数 max*nUnm电流反馈系数电流反馈系数 *imdmUI其中其中 U*nm和和 U* im是最大转速给定电压及转速调节器的输是最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压。出限幅电压。 ( a )( b )( c )( d )( e )nUnU,II II I I稳态nUnUnU00000tttttiUiU,iUiUi mUd LI,c tU)(dU123c t mUd LId mI)(,EnnABCDnE1t2t3t4t(二)(二)双闭环双闭环调速系调速系统的起统的起动特性
52、动特性启动特性如图所示。动态响应分为三个阶段。启动特性如图所示。动态响应分为三个阶段。 1、启动过程的第一阶段(电流上升)、启动过程的第一阶段(电流上升)原因:启动时,原因:启动时, 最大,最大,ASR的输出很快达到限幅的输出很快达到限幅值值 。此时,。此时, 作为电流环的给定电压,其输出电流迅速上升,作为电流环的给定电压,其输出电流迅速上升,当当 时,时, 开始上升,由于开始上升,由于ACR的调节作用,很快的调节作用,很快使使 。标志电流上升过程结束。标志电流上升过程结束。nUUnn*imUdLdIIndmdII*imU状态:状态:ASR达到饱和状态,不再起调节作用。因达到饱和状态,不再起调
53、节作用。因 ,Ui比比Un增长快,增长快,ACR不饱和,起主要调节作用。不饱和,起主要调节作用。LmTT特征关系:特征关系:diIU/*dmimIU*为电流闭环的整定依据为电流闭环的整定依据关键位置:关键位置:A: dLdII 时,时,n 开始升速;开始升速;dmdII 时,快速启动。时,快速启动。 B: 2、启动过程的第二阶段(恒流升速)、启动过程的第二阶段(恒流升速) 原因:随着转速上升,电流将从原因:随着转速上升,电流将从Idm回落。但由于回落。但由于ACR的的无静差调节作用,使无静差调节作用,使 ,即电流保持最大值,即电流保持最大值Idm。转转速线性上升,接近理想的启动过程。速线性上升
54、,接近理想的启动过程。dmdII状态:状态:ASR保持饱和,保持饱和,ACR保持线性调节状态。保持线性调节状态。 特征关系:特征关系: 0*dimiiimIUU UU,Uct线性上升。线性上升。 关键位置:关键位置:C: nUU nnnn*,状态:状态:ASR退出饱和,速度环开始调节,退出饱和,速度环开始调节,n跟随跟随 变化;变化;ACR保持在不饱和状态,保持在不饱和状态,Id紧密跟随紧密跟随 变化变化 *nU*iU3、启动过程的第三阶段(转速趋于稳定)、启动过程的第三阶段(转速趋于稳定) 原因:当转速上升到原因:当转速上升到 时,时, 。但此时电枢。但此时电枢电流仍保持最大值,电动机转速继
55、续上升,从而出现了转速超电流仍保持最大值,电动机转速继续上升,从而出现了转速超调现象。调现象。 *nn 0*nUUnn当转速当转速n大于大于 时,时, , ASR退出饱和。经退出饱和。经ASR的调节,最终使的调节,最终使n保持在保持在n*的数值上。而的数值上。而ACR调节使调节使0*nUUnn*ndLdII特征关系:稳态时,调节器输入特征关系:稳态时,调节器输入/输出电压:输出电压: sdLectiiinnKRInCUUUUnUU/ )(00*关键位置:关键位置:D: ,0/dtdnn为峰值为峰值 ;E: dLdIInn,*稳态。稳态。 可以看出:可以看出:ASR在电动机启动过程的第一阶段由不
56、饱和到饱在电动机启动过程的第一阶段由不饱和到饱和、第二阶段处于饱和状态、第三阶段从退饱和到线性调节和、第二阶段处于饱和状态、第三阶段从退饱和到线性调节状态;而状态;而ACR始终处于线性调节状态。始终处于线性调节状态。 五、双闭环调速系统中两个调节器的作用五、双闭环调速系统中两个调节器的作用(一)(一)ACR的作用:的作用: 1、起电流调节作用。、起电流调节作用。(1)启动时,在)启动时,在ASR的饱和作用下,经的饱和作用下,经ACR调节,使电枢调节,使电枢电流保持允许的最大值电流保持允许的最大值Idm,加快过渡过程,实现快速起动。,加快过渡过程,实现快速起动。(2)通过设置)通过设置ASR的饱
57、和限幅值,依靠的饱和限幅值,依靠ACR的调节作用,的调节作用,可限制最大电枢电流,可限制最大电枢电流,/imdmUI2、当电网波动时,通过、当电网波动时,通过ACR的调节,使电网电压的波动几的调节,使电网电压的波动几乎不对转速产生影响。乎不对转速产生影响。3、在电机过载甚至堵转时,一方面限制过大的电流,起到、在电机过载甚至堵转时,一方面限制过大的电流,起到快速保护作用;另一方面,使转速迅速下降,实现了快速保护作用;另一方面,使转速迅速下降,实现了“挖土机挖土机”特性。特性。*nU/nUn(二)转速调节器的作用:(二)转速调节器的作用:1、起转速调节作用。、起转速调节作用。(1)使转速)使转速n
58、跟随给定电压跟随给定电压 变化。变化。(2)稳态运行时,稳定转速。使转速保持在)稳态运行时,稳定转速。使转速保持在 的数值上,无静差。的数值上,无静差。2、在负载变化(或各环节产生扰动)而使转速出现、在负载变化(或各环节产生扰动)而使转速出现偏差时,靠偏差时,靠ASR的调节作用来消除转速偏差,保持转速的调节作用来消除转速偏差,保持转速恒定。恒定。3、ASR的输出限幅值决定了系统允许的最大电流,的输出限幅值决定了系统允许的最大电流,作用于作用于ACR,以获得较快的动态响应。,以获得较快的动态响应。 六、双环调速系统动态性能的改进六、双环调速系统动态性能的改进转速微分负反馈转速微分负反馈双环系统有
59、转速超调,且抗扰性能也有限制。在双环系统有转速超调,且抗扰性能也有限制。在ASR上引入上引入转速微分负反馈,可抑制超调、降低动态速降,提高抗扰性转速微分负反馈,可抑制超调、降低动态速降,提高抗扰性能。电路上增加了电容能。电路上增加了电容Cdn和电阻和电阻Rdn,在转速负反馈的基础上,在转速负反馈的基础上叠加上一个转速微分负反馈。只要有转速超调和动态速降的叠加上一个转速微分负反馈。只要有转速超调和动态速降的趋势,微分负反馈就开始进行调节。趋势,微分负反馈就开始进行调节。第七节第七节 可逆调速系统可逆调速系统一、可逆运行及可逆电路一、可逆运行及可逆电路 可逆运行可逆运行电磁转矩可逆电磁转矩可逆电磁
60、转矩电磁转矩 可逆,而可逆,而转矩方向由磁场方向和电枢电压的极性共同决定。转矩方向由磁场方向和电枢电压的极性共同决定。 (1)电枢可逆调速系统:)电枢可逆调速系统:励磁磁场方向不变,改变电枢电励磁磁场方向不变,改变电枢电压极性实现可逆运行;压极性实现可逆运行; (2)磁场可逆调速系统:)磁场可逆调速系统:电枢电压极性不变,改变励磁电电枢电压极性不变,改变励磁电流方向实现可逆运行。流方向实现可逆运行。 与此对应,与此对应,V-M系统的可逆电路有两种方式:系统的可逆电路有两种方式: (1)电枢反接可逆电路;)电枢反接可逆电路; (2)励磁反接可逆电路。)励磁反接可逆电路。aMeICT(一)电枢反接
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