《机电控制技术》图文-第六章

机电控制技术第六章控制调速系统10/1/2024机电控制技术目录6.1直流调速系统6.2交流调速系统6.3调速系统的MATLAB/Simulink仿真10/1/2024机电控制技术目前，虽然直流电动机的调速已不如交流电动机的调速应用普遍，但由于它具有优良的调速性能和较大的启动转矩，在过去相当长的时间内，一直在高性能调速领域占有绝对的统治地位。直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术角度看，它是交流调速的基础，所以对直流调速系统的研究是调速技术研究的主流。

6.1直流调速系统6.1.1直流调速的基本知识

1.直流调速的方法

他励直流电动机转速方程的表达式为

式中，n为他励直流电动机的转速(r/min)；E为电枢电动势(V)；Ke为由电枢电动势结构决定的电枢电动势的系数；Φ为励磁磁通；U为电枢供电电压(V)；I为电枢电流(A)；Ra为电枢回路中的总电阻（Ω）。10/1/2024机电控制技术2.直流调速的供电方式

调节电枢供电电压的调速方法和减弱励磁磁通的调速方法，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

（1）旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成旋转变流机组，以获得可调的直流电压。（2）静止可控整流器。用静止可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或可控整流电源供电，利用直流斩波器可产生可调的直流平均电压。10/1/2024机电控制技术6.1.2晶闸管—电动机直流调速系统

在直流调速系统中，目前使用最多的是晶闸管—电动机直流调速系统，常用的有单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统和可逆直流调速系统三种。

1.单闭环直流调速系统

在开环调速系统中，假设存在系统增量参数Δn，根据调速系统有无增量参数，可将其分成有静差系统和无静差系统。一般将无法消除Δn的系统，称为有静差系统；将通过适当调节可以使Δn=0的系统，称为无静差系统。研究Δn的大小对机械生产具有十分重要的意义，因此，在调速系统设计中，首先要设法减小Δn，甚至使之为零。

根据反馈控制原理，要维持某一物理量基本不变，就应该引入该物理量的负反馈，因此，可以引入被控量转速的负反馈，构成转速闭环控制系统。

由于该系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环直流调速系统，如图6-2所示为单闭环直流调速系统的原理图。10/1/2024机电控制技术

10/1/2024机电控制技术2.双闭环直流调速系统

在直流电动机的最大电流（转矩）受限制的约束条件下，希望充分发挥其过载能力，使其在过渡过程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统尽可能用最大的加速度启动，在直流电动机启动到稳态转速后，又让其电流（转矩）立即降下来，使转矩与负载转矩相平衡，从而转入稳态运行。这样理想启动过程的波形如图6-5所示。为了尽量达到理想的启动过程，一种把转速负反馈和电流负反馈分别加到两个调节器上的系统出现了，即转速、电流双闭环直流调速系统。10/1/2024机电控制技术1）转速、电流双闭环直流调速系统的组成

为了使转速和电流两种负反馈分别起作用，因此，在系统中设置了两个调节器，用来分别调节转速和电流，如图6-6所示。也就是说，把转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR输入，再把电流调节器ACR的输出送到晶闸管的触发器中，以控制晶闸管整流装置的输出。从闭环结构上看，电流环在里面，称为电流内环，转速环在外面，称为转速外环。这样由两个环构成的直流调速系统称为转速、电流双闭环直流调速系统。10/1/2024机电控制技术为了获得良好的动态特性和静态特性，转速、电流双闭环直流调速系统的两个调节器一般都采用PI调节器。其电路原理图如图6-7所示。图中标出了两个调节器输入、输出电压的实际极性，它们是根据触发装置GT的控制电压Uct为正电压的情况，并考虑到运算放大器的倒相作用而标出的。

由图6-7可知，两个调节器的输出都是限幅的。转速调节器ASR的输出限幅电压为Uim，它决定了电流调节器ACR给定电压的最大值。电流调节器ACR的输出限幅电压为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压的最大值。10/1/2024机电控制技术2）转速、电流双闭环直流调速系统的静态特性

根据图6-7可以画出转速、电流双闭环直流调速系统的静态结构图，如图6-8所示。由于两个调节器的静态放大倍数是用PI调节器的特性来表示的，是带有输出限幅环节的，因而分析转速、电流双闭环直流调速系统静特性的关键是掌握PI调节器的静态特性。PI调节器有饱和（输出达到限幅值）与不饱和（输出未达到限幅值）两种可能。当PI调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使PI调节器退出饱和，即饱和的调节器暂时隔断了输入和输出之间的联系，相当于使系统开环；当PI调节器不饱和时，其输入偏差电压在稳态时总是为零。10/1/2024机电控制技术3.可逆直流调速系统

由于晶闸管的单向导电性，只用一组晶闸管变流器对直流电动机供电的调速系统只能获得单方向的运行，是不可逆的调速系统。这类系统只适用于不要求经常改变直流电动机转向，同时对制动的快速性无特殊要求的生产机械。但是在生产实际中，有一定数量的生产机械对拖动系统中的直流电动机的要求是：既能正转，又能反转，且在减速和停车时产生制动转矩，以缩短制动时间，这就出现了可逆直流调速系统。由于V-M系统中晶闸管的单向导电性，需要设置可逆线路来使直流电动机反向运行或制动，主要的可逆线路包括电枢反接可逆线路；励磁反接可逆线路。两组晶闸管反并联是大功率传动系统的主要供电方式。在两组晶闸管反并联线路中，会出现环流，因此，需要采取措施抑制环流，如设置环流电抗器；采取配合控制方式；采取封锁触发脉冲的方式，使两组晶闸管不能同时工作等。根据控制环流方式，直流可逆调速系统可分为有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统。10/1/2024机电控制技术

6.1.3直流脉宽调速系统

20世纪70年代前，以晶闸管为基础组成的相控整流装置是机电传动中主要使用的变速装置，但是由于晶闸管是一种只能控制其导通不能控制其关断的半控型器件，使得由其构成的V-M系统的性能受到一定的限制。

随着电力电子器件的发展，使得既能控制其导通又能控制其关断的全控型电力电子器件得到了广泛的应用，采用全控型电力电子器件中的门极可关断晶闸管GTO、功率晶体管GTR、电力场效应晶体管P-MOSFET、绝缘栅极双极晶体管IGBT等组成的直流脉冲宽度调制型PWM调速系统已发展成熟，且用途越来越广，在直流电气传动中呈现越来越普遍的趋势。10/1/2024机电控制技术与V-M系统相比，PWM调速系统在以下几个方面具有较大的优越性：（1）主电路线路简单，需用的功率元件少。

（2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机的损耗和发热都较小。

（3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽。

（4）系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强。

（5）主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。

（6）直流电源采用可控三相整流时，电网功率因数高。10/1/2024机电控制技术6.2交流调速系统近年来，大功率半导体器件、大规模集成电路、电子计算机技术的发展，加上交流电动机本身的优越特性，为交流调速系统提供了广泛的应用前景。交流调速系统与直流调速系统相比，具有如下特点：（1）容量大。这是由电动机本身的容量决定的。直流电动机的容量一般能达到12～14MW，而交流电动机的容量却远远高于此值。（2）转速高且耐高压。一般直流电动机的最高转速只能达3000r/min左右，而交流电动机的最高转速则可高达每分钟几万转。直流电动机受到换向器的限制，最高电压只能达到1000多伏，而交流电动机很容易就达到6～10kV，甚至更高。（3）与同等容量的直流电动机比，交流电动机具有体积小、重量轻和价格低的特点。10/1/2024机电控制技术

（4）交流电动机特别是三相笼型交流异步电动机的调速装置的环境适应性强。直流电动机由于结构复杂，换向器工作要求高，使用中受很多环境限制，如工厂里的酸洗车间，由于腐蚀严重，使用直流电动机时每周都要检修碳刷，维修起来也比较困难。而交流电动机却可以在十分恶劣的环境下使用且不易损坏。（5）由于高性能、高精度新型调速系统的出现和不断发展，交流拖动系统已达到同直流拖动系统一样的性能指标，越来越广泛地应用于国民经济的各个生产领域中。（6）交流调速装置能显著地节能。工业上大量使用的风机、水泵和压缩机类负载都是靠交流电动机拖动的，这类装置的用电量占工业用电量的50％。由于以往都不对电动机调速，而仅采用挡板、节流阀来控制风量或流量，因而大量电能被白白浪费；如果采用交流电动机调速来改变风量或流量的话，效率将会大大提高。从各方面来看，把恒速交流电动机改造为交流调速电动机，有着可观的能源效益。10/1/2024机电控制技术6.2.1交流异步电动机调压调速系统

交流异步电动机调压调速是指通过改变定子外加电压来改变电磁转矩，从而在一定的输出转矩下达到改变交流异步电动机转速的目的。

交流异步电动机调压调速是一种比较简便的调速方法，其关键是如何获取可调的交流调压电源。为了获得可调的交流调压电源，可采用调压器调压、饱和电抗器调压和晶闸管交流调压器调压。

1.调压器调压

调压器调压是利用自耦变压器TU(小容量时)调压，其原理图如图6-10所示。10/1/2024机电控制技术2.饱和电抗器调压

饱和电抗器调压的原理图如图6-11所示。图中饱和电抗器LS是带有直流励磁绕组的交流电抗器。改变直流励磁电流可以控制铁芯的饱和程度，从而改变其交流电抗值。当铁芯饱和时，由于交流电抗很小，因而交流异步电动机的定子电压高；当铁芯不饱和时，由于交流电抗随直流励磁电流的变化而变化，因而交流异步电动机的定子电压也随其变化而变化，从而实现调压调速。

10/1/2024机电控制技术3.晶闸管交流调压器调压

晶闸管交流调压器调压是指采用三个双向晶闸管来调节交流异步电动机的定子电压。其原理图如图6-12所示。

10/1/2024机电控制技术现以单相调压电路为例来说明晶闸管的控制方式，其控制方法有以下两种：

（1）相位控制方式。相位控制方式是指通过改变晶闸管的导通角来改变输出交流电压。晶闸管每周期的导通角越小，加在负载上的电压有效值越小，因此，可起到调压的作用。相位控制方式下晶闸管负载电压的输出波形如图6-13所示。相位控制方式具有调压精度高、快速性好、电压脉动小等特点。但由于相位控制方式的导通波形只是工频正弦波一周期的一部分，含有复合成分，因而易对电网造成谐波污染。10/1/2024机电控制技术（2）开关控制方式。为了克服相位控制方式所产生的谐波影响，可采用开关控制方式，即把晶闸管作为开关，使其工作在全导通或全关断状态，先将负载电路与电源完全接通几个半波，再将负载电路与电源完全断开几个半波。交流电压的大小可靠改变通断时间比来调节。开关控制方式下晶闸管负载电压的输出波形如图6-14所示。开关控制方式由于采用了过零触发方式，因而所产生的谐波小。但在导通周期内交流异步电动机承受的电压为额定电压，而在间歇周期内交流异步电动机承受的电压为零，故负载电压变化剧烈、脉动较大。10/1/2024机电控制技术6.2.2交流变频调速技术

交流变频调速技术是目前发展最为迅速的传动技术之一。交流变频调速具有一系列的优点，主要体现在以下几个方面：（1）调速范围宽，可以使普通交流异步电动机实现无级调速。

（2）启动电流小，而启动转矩大。

（3）启动平稳，可消除机械的冲击力，以保护机械设备。

（4）对交流异步电动机具有保护功能，可降低其维修费用。

（5）具有显著的节电效果。

（6）通过调节电压和频率的关系就可方便地实现恒转矩或恒功率调速。10/1/2024机电控制技术1.变频器概述

变频器是指对交流异步电动机实现变频调速的变频电源装置。其功能是将电网提供的恒压恒频CVCF交流电变换为变压变频VVVF交流电