运动控制系统电源调速

直流拖动控制系统运动控制系统第1篇1电气工程专业导论内容提要直流调速方法直流调速电源直流调速控制2电气工程专业导论引言

直流调速系统的特点和地位直流电动机具有线性的静态和动态数学模型,使得便于控制。理论分析和工程设计方法成熟。尽管面临高性能交流调速技术的挑战，仍然在电力拖动领域具有重要的地位。从控制系统设计的角度讲，直流调速系统是交流调速系统的基础。因此应该首先掌握直流调速系统。3电气工程专业导论直流电机转速方程

直流调速方法nUIRKe—转速（r/min）；

—电枢电压（V）；

—电枢电流（A）；

—电枢回路总电阻（）；

—励磁磁通（Wb）；

—电机结构决定的电动势常数。4电气工程专业导论

由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：

（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻R。5电气工程专业导论一、电力拖动系统的运动方程式将和代入上式，得到工程计算中常用的运动方程式:右图的运动方程为：6电气工程专业导论对此式进行分析，得出系统的三种运行状态：（1）当时，系统处于加速运行的过渡状态；（1）当时，系统处于静止或稳定运行

；（1）当时，系统处减速运行的过渡状态；7电气工程专业导论假设转速n的参考方向为顺时针方向，则各转矩的参考方向如图所示。考虑Tem与TL的方向随着电动机运转状态的不同以及生产机械负载类型的不同而变化的，因此存在正负取值问题，将（6.1.3）式写为如下形式：设定电动机转速n的某一旋转方向为参考方向，那么电磁转矩Tem的正方向与n的参考方向相同，而负载转矩TL的正方向与n的参考方向相反。8电气工程专业导论二、电力拖动系统的负载特性

将工作机构的负载转矩特性也各不相同，经过统计分析，可分为下列三种基本的负载转矩特性：恒转矩负载特性、恒功率负载特性和通风机类负载特性。生产机械中工作机构的负载转矩TL与转速n之间的关系称为负载的机械特性，也叫负载的转矩特性:9电气工程专业导论转速和转矩的参考方向：1.恒转矩负载特性由摩擦力产生的。当

n＞0，TL＞0

当

n＜0，TL＜0(1)反抗性恒转矩负载方向总是相反10电气工程专业导论(2)位能性恒转矩负载

当

n＞0，TL＞0

当

n＜0，TL＞0

如起重机和矿井卷扬机等。11电气工程专业导论直流电动机的机械特性n=UaCEΦ－Ra+RbCECTΦ2Tem当Ua、Ra、If

=常数时：

n=f(Tem

)——机械特性将和可得:代入12电气工程专业导论=n0－γ

Temγ=

dndTRa+RbCECTΦ2=α=

1γ——机械特性的硬度n0=UNCEΦN理想空载转速:n=UaCEΦ－Ra+RbCECTΦ2Tem13电气工程专业导论一、固有特性n0Nn=f(Tem)UaN,

IfN,RanN

N

点：额定状态

TST：起动转矩OTemnTSTn=UaNCEΦN

－RaCECTΦN2Tem14电气工程专业导论1.降低电枢电压时的人为特性n=UaCEΦN－RaCECTΦN2Tem

n0"n0'Ua↓→n0↓但γ、

不变→机械特性的硬度不变。OTemnUa'Ua"

＜二、人为特性15电气工程专业导论3.

减小励磁电流(改变气隙每极磁通

)时的人为特性n=UNCEΦN

－RaCECTΦN2Tem

OTemnn0"n0'If"If'＜If

→Φ→n0

→γ

、→机械特性变软。n=－TemUNCEΦNRa＋RbCECTΦN2OTemnn0Ra+R1Ra+R2R1＜R2(Ra＋Rb)→γ

→

即机械特性变软。2.增加电枢电路电阻时的人为特性16电气工程专业导论（1）调压调速工作条件：保持励磁=N；保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UN

U

Un，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3调压调速特性曲线n=UaCEΦN－RaCECTΦN2Tem

17电气工程专业导论（2）串电阻调速工作条件：保持励磁=N

；保持电压U=UN；调节过程：增加电阻Ra

R

Rn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3调阻调速特性曲线n=－TemUNCEΦNRa＋RbCECTΦN218电气工程专业导论（3）弱磁调速工作条件：保持电压U=UN

；保持电阻R=Ra；调节过程：减小励磁N

n，n0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调磁调速特性曲线n=UNCEΦN

－RaCECTΦN2Tem

19电气工程专业导论小结

——三种调速方法的性能与比较改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。20电气工程专业导论直流调速系统的优越性21电气工程专业导论22电气工程专业导论23电气工程专业导论24电气工程专业导论1.1直流调速系统用的可控直流电源

根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。本节介绍几种主要的可控直流电源。第1章闭环控制的直流调速系统25电气工程专业导论常用的可控直流电源有以下三种旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。在大功率及超大功率(兆瓦以上)直流调速范围内，相控整流电源是不可替代的。直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。在要求快速响应的直流调速场合，PWM变换电源具有不可替代的优势。26电气工程专业导论1.1.1旋转变流机组图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）

交流电动机拖动直流发电机G，

G供电给直流电动机M。调节励磁电流if→U改变→转速n

；专设直流励磁发电机GE给G和M励磁。特点：设备多、体积大、费用高、效率低、运行有噪声。27电气工程专业导论

G-M系统机械特性n第I象限正向电动状态第IV象限反向制动状态OTeTL-TLn0n1n2第II象限正向制动状态第III象限反向电动状态图1-2G-M系统机械特性特点：G-M系统可在转矩范围内四象限运行。28电气工程专业导论

1.1.2静止式可控整流器图1-3晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）

调节触发装置GT的控制电压Uc→来移动触发脉冲的相位→可改变整流电压Ud，实现平滑调速。

29电气工程专业导论晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。在控制作用的快速性上，交流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。V-M系统的特点与G-M系统相比较：30电气工程专业导论31电气工程专业导论1.1.3直流斩波器或脉宽调制变换器在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、IGBT等。采用简单的单管控制时，称作直流斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，脉宽调制变换器（PWM-PulseWidthModulation）。32电气工程专业导论a）原理图b）电压波形图tOuUsUdTton控制电路M直流斩波器的基本结构图1-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形

VT通时，Us加到M；VT断时，Us与M断开，M经VD续流，两端电压接近于零。平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节，从而调节M的转速。电源电压Us像是在ton

时间内被接上，又在(T–ton)时间内被斩断，故称“斩波”。VT工作于开关状态33电气工程专业导论这样，电动机得到的平均电压为输出电压计算(1-2)式中T—晶闸管的开关周期；

ton

—开通时间；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f为开关频率。34电气工程专业导论斩波电路三种控制方式根据对输出电压平均值进行调制的方式不同而划分，有三种控制方式：T不变，变ton—脉冲宽度调制（PWM）；ton不变，变T—脉冲频率调制（PFM）；ton和T都可调，改变占空比—混合型。35电气工程专业导论

PWM系统的优点（1）主电路线路简单，需用