机电产品设计实例与分析第十一章

1、第十一章 直流传动控制系统 了解机电传动自动调速系统的组成; 掌握生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求; 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; 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; 能在生产实际中处理控制系统的一般问题.11.1 机电传动系统的组成和分类机电传动系统的组成11.1 机电传动系统的组成和分类开环控制系统：只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)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（1）从组成原理上分类机电传动系统的分类闭环控制系统：其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环。故又称

2、闭环控制系统或反馈控制系统。 输入量输入量（励磁电流）（励磁电流） 控制器控制器（发电机）（发电机） 控制对象控制对象（电动机）（电动机） 输出量输出量（转速）（转速）（2）按反馈方式的不同，可分为转速负反馈、电压负反馈及电流正反馈控制系统；（3）按系统的复杂程度，可分为单环自动调节系统和多环自动调节系统；（4）按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为有静差调节系统和无静差调节系统。（5）按给定量变化的规律，可分为定值调节系统、程序控制系统和随动系统。（6）按调节动作与时间的关系，可分为断续控制系统和连续控制系统；（7）按系统中所包含的元件特性，可分为线性控制系统和非线性控制系统。 11.1

3、 机电传动系统的组成和分类机电传动系统的分类一般自动控制系统组成给定环节 放大调节环节执行环节被调对象 被调量 扰动测量环节比较Ug + EBRUn11.1 机电传动系统的组成和分类机电传动系统的分类纯机械方法调速: 通过变速齿轮箱或几套变速皮带轮或其他变速机构来实现；纯电气方法调速: 通过改变电动机的机械持性实现，这时机械变速机构简单、只一套变速齿轮或皮带轮；电气与机械配合调速: 用电动机来得到多种转速，同时，又用机械变速机构的换档来进行变速。 电气调速优点： 简化机械变速机构，提高传动效率操作简单。易于获得无级调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛应用。11.2 机电传

4、动控制系统调速方案选择机械与电气调速方法11.2 机电传动控制系统调速方案选择生产机械对自动调速系统技术指标的要求1）调速范围：D= nmax / nmin车床车床龙门刨床龙门刨床钻床钻床铣床铣床轧钢机轧钢机造纸机造纸机进给机械进给机械20120204021220303151020530000静态指标 静态指标 2）静差度0nnSN)1 (22maxSnSnDN普通设备普通设备普通车床普通车床龙门刨床龙门刨床冷轧机冷轧机热轧机热轧机造纸机造纸机S50%S30%S5%S2%0.2%0.5%S0.1%11.2 机电传动控制系统调速方案选择生产机械对自动调速系统技术指标的要求2）静差度电动机的机械特

5、性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高 ;在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。 最高速度由系统中所使用电动机的额定转速决定； 静差度S和调速范围D由生产机械的要求决定； 当上述三个参数确定后，则要求静态速降是一个定值。 3）调速平滑性调速无级调速有级调速11.2 机电传动控制系统调速方案选择生产机械对自动调速系统技术指标的要求静态指标 1） 最大超调量 %nnnMmaxp10022超调量超调量超调量太大，达不到生产工艺上的要求；超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等 %Mp3510范围：动态指标 11.2 机电传动控制系统

6、调速方案选择生产机械对自动调速系统技术指标的要求2）过渡过程时间T3）振荡次数 N被调量从x1改变为x2时的变化情况系统超调量过渡过程时间T振荡次数性能10长无不好2大长多不好3小短中好动态指标 11.2 机电传动控制系统调速方案选择生产机械对自动调速系统技术指标的要求11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则生产机械是否要求电气调速生产机械对调速要求的技术指标生产机械的性质：恒转矩&恒功率生产机械过程的复杂程度11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则对于不要求电气调速的机械(1)空载,轻载起动的,选鼠笼式异步电动机;(2)重载起动的,选线绕式异步

7、电动机;(3)大容量的选同步电动机;其中,简单的采用继电器-接触器 控制;复杂的采用PLC控制.11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则对于要求电气调速的机械(1)D=2-3、调速级数2-4。双速或多速鼠笼式异步电机；(2)D3、调速级数2-6、重载启动、短时工作。线绕式异步电机，如桥式起重机；11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则根据生产机械的性质选择调速方式(1)生产机械的负载特性恒转矩型和恒功率型(2)电机的负载能力直流电机：调压为恒转矩；调磁为恒功率交流电机：Y-YY时为恒转矩；-YY为恒功率；变频调速， 在固有特性以下为恒转矩，以上为

8、恒功率。(3)电机和负载特性的匹配NaLLIITTPP电机既满足了负载要求，又得到了充电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。理想配合分利用。理想配合11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则根据生产机械的性质选择调速方式(3)电机和负载特性的匹配1、恒转矩负载配恒转矩调速TLTTnNaLLIITTPP电机既满足了负载要求，又得到了充电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。理想配合分利用。理想配合TnLTT11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则根据生产机械的性质选择调速方式(3)电机和负载特性的匹配2、恒功率负载配恒功率调速只有在最高转速时才有只

9、有在最高转速时才有：NaLLIITTPP电机得到了充分利用。电机得到了充分利用。NaLLIITTPP在低于最高转速时：在低于最高转速时：电机未被充分利用。电机未被充分利用。TnLTmaxnminnTminnnN11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则根据生产机械的性质选择调速方式(3)电机和负载特性的匹配3、恒转矩负载配恒功率调速只有在最低转速时才有：只有在最低转速时才有：NaLLIITTPP电机得到了充分利用。电机得到了充分利用。NaLLIITTPP在高于最低转速时：在高于最低转速时：电机未被充分利用。电机未被充分利用。TTnmaxnminnLTmaxmaxLNNTT

10、nn11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则根据生产机械的性质选择调速方式(3)电机和负载特性的匹配4、恒功率负载配恒转矩调速11.2 机电传动控制系统调速方案选择机电传动控制方案的确定原则从性能的经济指标考虑经济指标分为初期投资和运行费用。后者主要指电能消耗和设备维护。直流电机：晶闸管调压以及调磁调速，初期投资大，但运行费用低； 交流电机： 分类：分类：SCR; PWMSCR; PWM可逆调速系统双闭环无静差调速有静差调速单闭环直流传动控制11.3 晶闸管-电动机直流传动控制系统有静差调速系统(转速负反馈)(nKUKKUfgPSd11.3.1单闭环直流调速系统单纯由被

11、调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统；组成fgUUU v 系统的调速方法是改变外加电压调速；v 系统的反馈信号是被控制对象n本身;v 反馈电压和给定电压的极性相反，即:该系统又称转速负反馈调速系统。信号处理装置abz光电盘透镜光源光电元件圆 盘 透 光狭缝光欄板节距AABBZZm+/4有静差调速系统(转速负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统工作原理(开环、闭环)调速（Uf不变，改变Ug的大小） 稳态（ Ug、Uf 不变） 稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化 )静特性分析1）各环节输入与输出的关系RInCRInKUaeaed ksdUKU )(fgp

12、PkUUKUKU 电机电路：晶闸管和触发电路：放大器电路：反馈电路：nKUff有静差调速系统(转速负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统静特性分析2）静特性nKUUUKUKsUURInCUfffgpkkdaed)(efpsapsCKKKRIUgKKn则：令：efpspsCKKKKKKK,0fofeaegnnKCRIKCUKn)1 ()1 (0闭环系统的静特性RInCUKUKKUaeggspd0nnICRCUKnaeeg00开环系统的静特性闭环时开环时有静差调速系统(转速负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统静特性分析3）分析理想空载转速调速范围与静差度KnKCUKnegf1)1 (000转速降

13、KnI)K(CRnaef11 开环： )1 (22maxSnSnDN闭环 ： DKSKnSnSnSnDNNff)1 ()1 (1)1 (22max22max调速 稳态 负载变化动态特性分析有静差调速系统(转速负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统静特性分析3）分析与结论由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。 提高系统的开环放大倍数

14、K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。 欲使闭环系统获得和开环系统同样的理想空载转速，需要使给定电压变为开环系统的K+1倍，因此，对于仅有转速负反馈的系统如果Uf突然丢失，会造成事故。 有静差调速系统(电压负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统组成电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身； 检测元件不同，前者为电位器，后者为测速发电机。有静差调速系统(电压负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统工作原理电压负反馈的

15、特点线路简； 稳速效果不理想：不能补偿内阻压降一般仅用于晶闸管整流系统的监控，防止过压有静差调速系统(电流正反馈+电压负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统组成系统特点 RP上的电压大小直接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈； R串接在电动机电枢回路中，其上电压大小反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。系统的总反馈电压 IVfUUUIVgfgUUUUUU 反馈电压UV的极性与给定电压的极性相反，故称电压负反馈，反馈电压UI的极性与给定电压的极性相同，故称电流正反馈。要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。 0IVfUUU有静差调速系统(电流正反馈+电压负反馈)11.

16、3.1单闭环直流调速系统工作原理dKIVgIVaUUUUUUUUUnI有静差调速系统(电流正反馈+电压负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统静特性boaoobaoabfUUUUUU3RIUUUUaboaoab)RR(IEUaa3)/()(3aaRREUIaaaabRRERRRURRRURRRREURRURU333321233212又因为：212RRR 令令UUao 3RIUabo实际上是一种转速负反馈有静差调速系统(电流正反馈+电压负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统静特性为保证负反馈性质，需：033212aRRURRRURnCRRRERRRUeaaab3333则aRRRR312此时：有静差

17、调速系统(电流截止负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统电流截止负反馈作用及基本思想IO=1.35IaNIao=(23)Ian当负载正常，电枢电流在一定范围内，电流截止负反馈不起作用；当电枢电流超过一定数值电流负反馈开始起作用，减小电动机电枢外加电压，使转速下降；当电枢电流超过一定值（大于额定电流的23倍），电流负反馈足够强，将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。 因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用，故称电流截止负反馈。称“挖土机特性”。有静差调速系统(电流截止负反馈)11.3.1单闭环直流调速系统组成和工作原理 当电流小于转折点的电流时，反馈电

18、压UIUb ,二极管V导通，电流反馈UI与Ub 比较后反馈到输入端一起控制电动机，使其转速下降； 当电流等于堵转点的电流时，电流反馈UI与Ub 比较后反馈到输入端的电压能够抵消给定电压，电动机的转速为零，电流不再增加； 如果电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升； 其中：U1=IaR无静差调速系统(采用PI调节器)11.3.1单闭环直流调速系统PI调节器比例调节器i0oURRUftUCRtiCUd1d1io1o积分调节器无静差调速系统(采用PI调节器)11.3.1单闭环直流调速系统PI调节器tICRIUod111110i01/ RUIItUCRURRUfd1 i10i0o比例积分调节器PI调节

19、器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图所示。11.3.1单闭环直流调速系统无静差调速系统(采用PI调节器)组成与分析 稳态时：U=Ug-Uf ，调节作用停止，由于积分作用，调节器的输出电压Uk 保持在某一数值上，即Ud 固定，以维持电动机在给定转速下运转。由于静态时呈现出无穷大的放大倍数，系统可以消除静态误差，故称无静差调速系统。11.3.1单闭环直流调速系统无静差调速系统(采用PI调节器)组成与分析11.3.1单闭环直流调速系统无静差调速系统(采用PI调节器)特点无静差调速系统在调节过程结束以后，转速偏差n = 0（PI

20、 调节器的输入电压U 也等于零），这只是在静态（稳定工作状态）上无差，而动态（如当负载变化时，系统从一个稳态变到另一个稳态的过渡过程）上却是有差的。这个调速系统在理论上讲是无静差调速系统，但是由于调节放大器不是理想的，且放大倍数也不是无限大，测速发电机也还存在误差，因此实际上这样的系统仍然是有一点静差的。这个系统中的PI 调节器是用来调节电动机转速的，因此，常把它称为速度调节器（ASR）。11.3.2双闭环直流调速系统转速电流双闭环调速系统的组成提出原因为了提高生产效率，使启动时间和过渡过程越短越好。电机和整流系统有最大电流要求。要想保持某量不变，则引入该量的负反馈。11.3.2双闭环直流调速

21、系统转速电流双闭环调速系统的组成组成内环(ACR)：电流环(PI)；外环(ASR)：速度环(PI)。 11.3.2双闭环直流调速系统转速电流双闭环调速系统分析静态分析 从静特性上看，维持电动机转速不变是由速度调节器ASR来实现的。 对于ACR，使用的是电流负反馈，它有使静特性变软的趋势，但内环相对于外环来说相当于一个扰动，只要ASR的放大倍数足够大，且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就受到抑制。 整个系统的本质由外环速度调节器来决定，仍是一个无静差的调速系统。也就是说，当ASR不饱和时，ACR产生的速降完全被ASR积分作用抵消。 一旦ASR饱和，当负载电流过大，系统实现保护作用使转速下降很大时

22、，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用，这时系统表现为恒流调节系统，静特性便会呈现出很陡的下垂段特性。11.3.2双闭环直流调速系统转速电流双闭环调速系统分析动态分析第阶段是恒流升速阶段第阶段：电流上升阶段11.3.2双闭环直流调速系统转速电流双闭环调速系统分析动态分析第阶段是转速调节阶段11.3.2双闭环直流调速系统转速电流双闭环调速系统分析特点系统的调整性能好，有很硬的静特性，基本上无静差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便（先调电流环，再调速度环）。所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。为了进一步改善调速系统的性能和提高系统的可靠性，还可以采用

23、三闭环（在双闭环基础上再加一个电流变化率调节器或电压调节器）调速系统。双闭环调速系统,在启动过程的大部分时间内，ASR处于饱和状态，系统表现为恒电流调节，实现理想启动过程曲线。系统只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，在稳定运行时ASR发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。11.3.3可逆直流调速系统可逆线路的类型可逆直流系统 向直流电动机提供双相电流，使电动机正、反转不可逆直流系统 向直流电动机提供单相电流，使电动机单向运转利用接触器进行切换的可逆线路线路简单、经济，但接触器的寿命短，一个方向的接触器断开到另一个方向的接触器闭合，大约需0.2s0.5s 的时间，切换过程延缓。适用于不频繁快速正、反转的场合。实现可逆方式：电枢反接电枢反接和励磁反接11.3.3可逆直流调速系统可逆线路的类型利用晶闸管切换的可逆线路线路简单，调整方便对晶闸管的耐压及电路容量要求高只适用于几十kW 以下的可逆调速系统。11.3.3可逆直流调速系统可逆线路的类型两套晶闸管变流器的可逆线路采用两套晶闸管变流器分别提供正、反两个方向的电枢