机电传动第9章直流调速系统

第9章直流调速系统9.1调速系统的主要性能指标

机电传动控制系统选择调速方案的依据：生产机械对调速系统提出的调速技术指标调速系统的调速技术指标静态指标动态指标一、静态技术指标1.静差度S：

静差度表示生产机械运行时转速稳定的程度。

速度稳定性指标

当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差度S小于一定数值。普通设备普通车床龙门刨床冷轧机热轧机造纸机S≤50%S≤30%S≤5%S≤2%0.2%~0.5%S≤0.1%

电动机的机械特性愈硬，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。2.调速范围D

在额定负载下，允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速之比称为调速范围。车床龙门刨床钻床铣床轧钢机造纸机进给机械20～12020～402～1220～303～1510～205～300009.1调速系统的主要性能指标

3.调速的平滑性

调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。

调速无级调速有级调速

以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度S之间的关系：最高速度和静态速降由系统中所使用电动机的额定转速和结构决定；当这两个参数确定后，静差度S小，调速范围D也小，要求D大，则静差度S必然大；调速系统往往可以解决这一矛盾。9.1调速系统的主要性能指标

二、动态技术指标

从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转（启动、制动过程仅是特例而已），由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡过程，或称动态过程。1.最大超调量

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范围：9.1调速系统的主要性能指标

超调量2.过渡过程时间T

从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被调量n进入（0.05～0.02）n2稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时间，叫作过渡过程时间。

过渡过程时间9.1调速系统的主要性能指标

3.振荡次数N

在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值上下摆动的次数。

如图所示是三种不同调速系统被调量从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大较长多不好3小短中好9.1调速系统的主要性能指标

9.2晶闸管－电动机直流调速系统按结构的不同：单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统9.2.1单闭环直流调速系统

一、有静差调速系统

单纯由被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；

（一）转速负反馈调速系统

1.基本组成按静态误差的不同：无静差直流调速系统有静差直流调速系统任务：

调节速度；扩大调速范围，减小静态误差。分类：

测速发电机：与直流电动机M同轴相连，即两者的速度相同，测速发电机用来测量电动机的速度，称检测元件；

转换元件：将测速发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压进行比较。

给定电位器：调节Rg的位置可改变给定电压Ug的大小。

放大器：将外加电压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。

触发电路：将放大器放大后的电压信号变为脉冲信号去控制整流电路的输出大小。整流电路：变交流电压为直流电压，输出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定，整流电路的输出为直流电动机电枢的外加电压；

直流电动机：系统的控制对象。

系统的调速方法是改变外加电压调速；

系统的反馈信号是被控制对象n本身;

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。9.2晶闸管－电动机直流调速系统2.工作原理

当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。

(2)调速（Uf不变，改变Ug的大小）

改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速.

(1)稳态（Ug、Uf

不变）

(3)稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化)

当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这种状态称为稳速。3.静特性分析

目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。

静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系。(1)各环节输入输出的关系

电动机电路

式中:

电枢回路的总电阻；

可控整流电源的等效内阻；

电动机的电枢电阻。

9.2晶闸管－电动机直流调速系统可控硅和触发电路

设可控硅和触发电路的放大倍数为Ks，则：放大器电路

设放大器的放大倍数为KP，则：

反馈电路

速度反馈信号电压与转速n成正比，设放大系数为r，则：9.2晶闸管－电动机直流调速系统(2)静特性——从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数；——闭环系统的放大倍数。

如果系统没有转速负反馈（即开环系统）时，则整流器的输出电压:

由此可得开环系统的机械特性方程:(3)分析与结论

理想空载转速

在给定电压一定时，有:

转速降

如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，则，

调速范围与静差度

在最大运行转速和低速时最大允许静差度S不变的情况下，开环：

闭环：

机械特性硬度变大，静差度减小

调速范围变大结论：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。提高系统的放大倍数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。9.2晶闸管－电动机直流调速系统（二）其他反馈在自动调速系统中的应用1.电压负反馈系统

由公式可知：

电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。9.2晶闸管－电动机直流调速系统(1)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。(2)工作原理

稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。

在给定电压Ug一定时，其调整过程如下：9.2晶闸管－电动机直流调速系统电压负反馈系统的特点:

线路简单

稳定速度的效果并不大

电动机端电压即使由于负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落。2.电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统9.2晶闸管－电动机直流调速系统(1)系统特点RP为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其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为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大小直接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

因为反馈电压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。9.2晶闸管－电动机直流调速系统(2)工作原理

稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同,给定电压Ug一定时，调整过程如下：(3)静特性9.2晶闸管－电动机直流调速系统

从电动机电枢回路电势平衡关系知

上式如果满足下列条件系统具有转速反馈的特性。

3.电流截止负反馈系统(1)电流截止负反馈的作用过载保护。

电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使随着负载电流的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。

如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，这就会使电枢过流而烧坏。本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器，要触头断开，电动机断电方能保护，而采用电流负反馈作用为保护手段，则不必切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一旦过负载去掉后，它的速度又会自动升起来，这样有利于生产。(2)基本思想方法9.2晶闸管－电动机直流调速系统IO=1.35IaNIao=(2~3)Ian

当负载正常，电枢电流在一定范围内（如小于1.35倍的额定电流），电流截止负反馈不起作用；

当负载增加使电枢电流超过一定数值（如额定电流的1.35倍）时，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；

当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额定电流的2~3倍）时，电流负反馈足够强，它足以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。这种特性因它常被用于挖土机上，故又称“挖土机特性”。

（3）工作原理

当电流小于转折点的电流时，反馈电压UI<Ub,二极管V截止，电流反馈不起作用；

当电流大于转折点的电流时，反馈电压UI>Ub,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，给定电压的大小，时电动机的转速为零，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；9.2.2双闭环直流调速系统

一、转速负反馈调速系统的特点采用PI调节器组成速度调节器ASR的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。启动过程中，随着转速的升高，转速负反馈的作用越来越大，使启动转矩越来越小，启动过程变慢，因此转速负反馈调速系统不能满足快速启动、停止和反向的要求。如龙门刨床、可逆轧钢机等经常处于正反转工作状态的生产机械，为提高生产效率，要求尽快缩短启动、制动和反转过渡过程的时间。在单闭环调速系统中，采用电流截止负反馈环节限制了最大电流，但它并不能很理想地控制电流的动态波形。系统起动时，电流达最大值后随着转速的上升，反电势的增加而迅速下降。这样，电动机的起动转矩也迅速下降，从而使起动加速过程变慢，其起动电流及转速波形图如图。我们希望能充分利用电动机所允许的过载能力，在起动过程中保持电流（转矩）为允许的最大值不变，以使系统尽可能用最大的加速度起动，转速直线上升，到达稳态转速后，尽快使电流下降为稳态值，并转入稳态运行。这样的理想起动过程波形示于图中，这就是调速系统在最大电流（转矩）受限制的条件下的最佳起动过程。9.2.2双闭环直流调速系统

实际上，由于主电路电感的作用，电流不能突变，图中所示理想波形不能实现，只能尽量逼近。为了获得近似理想的过渡过程，并克服几个信号综合于一个调节器输入端的缺点，最好的办法就是将主要的被调量转速与辅助被调量电流分开加以控制，用两个调节器分别调节转速和电流，构成转速、电流双闭环调速系统。

二、双闭环调速系统9.2.2双闭环直流调速系统ASRACRASRACR双闭环调速系统

电流环ACR——内环，启动时起作用。

速度环ASR——外环，运行时起作用。启动时速度小，反馈电压Ufn小，当Ugn一定时，△Un比较大，使ASR饱和，输出Ugi一定。速度环失去作用。此时只有电流环作用，为恒流调节系统。

当速度上升到一定值后，反馈Ufn增加，当Ugn一定时，△Un减小，使ASR退出饱和而起作用。就静态特性而言：电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用。当转速调节器不饱和时：电流负反馈的扰动作用完全被转速调节器的积分作用所抵消，所以，双闭环系统仍是一个无静差调速系统。当转速调节器饱和时：转速环失去作用，仅剩下电流环起作用时，系统相当于恒流调节系统，静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。9.2.2双闭环直流调速系统就动态特性而言：在给定信号大范围增加的启动过程中，转速调节器饱和，系统相当于恒值电流调节系统，可基本实现理想启动过程。如果扰动作用在电流环以内：如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节；如果扰动作用在电流环之外：如负载波动，则靠转速环进行调节，此时电流环相当于电流的随动系统，电流反馈加快了跟随作用。9.2.2双闭环直流调速系统

双闭环调速系统在给定阶跃信号电压作用下，电动机由静止开始启动时，整个启动过程可以分成三个阶段。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。第I阶段电流上升的阶段第II阶段恒流升速阶段在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流Ugi给定下的电流调节系统，基本上保持电流Id恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。第Ⅲ阶段转速调节阶段在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使Ia尽快地跟随其给定值Ugi，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。9.2.3可逆直流调速系统

在生产实际中，有许多生产机械都要求电动机既能正、反转，又能快速制动，这类生产机械的拖动，需要四象限运行的特性，则必须采用可逆调速系统。能够改变电动机转矩方向的系统叫做可逆调速系统。由T＝CmΦId知，改变电机转矩有两种方法：（1）改变电枢电流Id的方向

Id→电枢可逆系统→改变Ud的方向实现（常用）（2）改变电机励磁磁通Φ的方向

Φ→磁场可逆系统→改变If的方向实现

一、用接触器切换的可逆线路FKM闭合，电动机正转；RKM闭合，电动机反转。优点：仅需一组晶闸管装置，简单、经济。缺点：有触点切换，开关寿命短、噪音大、动作时间长（0.2～0.5s）；需自由停车后才能反向，时间长。应用：经常单方向运行，偶尔才需要反转的生产机械（地铁列车的倒车）。9.2.3可逆直流调速系统

二、用晶闸管切换的可逆线路VT1、VT4导通，电动机正转；

VT2、VT3导通，电动机反转。工作可靠性高，但经济上无明显优点（10只VT），多用于几十千瓦以下的中小功率可逆线路。9.2.3可逆直流调速系统

三、用两组整流电路的可逆系统

较大功率的可逆直流调速系统多采用晶闸管-电动机系统。由于晶闸管的单向导电性，需要可逆运行时经常采用两组晶闸管可控整流装置反并联的可逆线路，如下图所示。电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电；反转时，由反组晶闸管装置VR供电。

两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。9.2.3可逆直流调速系统优点：VT寿命长，切换速度快缺点：不允许两组VT同时处于整流状态（控制电路要求严格）适用场合：要求频繁、快速正反转的生产机械的拖动上得到广泛应用。9.2.3可逆直流调速系统可逆系统中的环流

1.环流的定义不流过电动机或其它负载，而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流。

反并联可逆V-M系统中的环流

MVR

VFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc

—

环流Id

—负载电流

9.2.3可逆直流调速系统

（1）静态环流系统在某一控制角下稳