《機床電氣控制技術(shù)》PPT課件.ppt

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1、第五章 直流電動機 調(diào)速控制系統(tǒng),提綱,直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識,反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng),無靜差直流調(diào)速系統(tǒng),直流可逆調(diào)速系統(tǒng)簡介,第一節(jié) 直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識,直流電動機優(yōu)點： 轉(zhuǎn)矩易于控制，具有良好的起制動性能，在相當(dāng)長的時間內(nèi)，一直在高性能調(diào)速領(lǐng)域占有絕對的統(tǒng)治地位。此外，直流調(diào)速技術(shù)方面的理論相對成熟，其研究方法和許多基本結(jié)論很容易在其它調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)推廣，所以直流調(diào)速一直是研究調(diào)速技術(shù)的主流。,由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，本章將對直流調(diào)速的基本理論做較詳細(xì)的介紹。,一.直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識,（5-

2、1）,在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，直流電動機的轉(zhuǎn)速與其它參量的關(guān)系 ：,由（5-1）式可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種：,1. 改變電樞回路電阻R,2. 改變勵磁磁通,3. 改變電樞外加電壓U,對于要求大范圍無級調(diào)速的系統(tǒng)來說，改變電樞回路總電阻的方案難以實現(xiàn),改變電動機磁通的方案雖然可以平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不可能很大,調(diào)電樞端電壓U的方法調(diào)速，此時電動機磁通應(yīng)為最大值(額定值)且保持不變，以求得充分發(fā)揮電動機的負(fù)載能力。而在額定轉(zhuǎn)速(基速)以上時，因電樞端電壓U已不允許再增加，可采用減弱磁通的方法使電動機的轉(zhuǎn)速進(jìn)一步提高，從而提高整個系統(tǒng)的速度調(diào)節(jié)范圍,一. 可控變流裝置,圖5-1 旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流

3、調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）,工作原理：,1.旋轉(zhuǎn)變流機組,交流電動機為原動機，工作時轉(zhuǎn)速基本恒定，由它拖動的直流發(fā)電機G給需要調(diào)速的直流電動M的電樞供電。GE為一臺小型直流發(fā)電機，可與交流電動機、直流發(fā)電機同軸相連，也可另設(shè)一臺小型交流電動機對其拖動，它提供一小容量的直流電源供直流發(fā)電機和直流電動機勵磁用，所以又稱GE為勵磁發(fā)電機。旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)可簡稱為G-M系統(tǒng)。改變G的勵磁電流If的大小時，也就改變了G的輸出電壓U，進(jìn)而改變了直流電動機M的轉(zhuǎn)速 。,結(jié)構(gòu)如圖,如果改變If的方向，則U的極性和n的方向都跟著改變，實現(xiàn)G-M系統(tǒng)的可逆運行。 由于能夠?qū)崿F(xiàn)回饋制動，G-M系統(tǒng)在允許的

4、轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)可以四象限運行，其完整的機械特性如圖5-2 。,圖5-2 G-M系統(tǒng)的機械特性,圖5-3 晶閘管整流裝置供電的直流調(diào)速,GT為晶閘管觸發(fā)裝置，V為晶閘管整流器，合起來為一可控直流電源?？煽刂绷麟娫唇o直流電動機電樞供電組成直流調(diào)速系統(tǒng)。這類直流調(diào)速系統(tǒng)簡稱V-M系統(tǒng),工作原理：,改變GT的輸入信號大小，就可改變GT輸出脈沖的相位，晶閘管在不同的相位 處開始導(dǎo)通，使整流器輸出的電壓平均值Ud大小變化，進(jìn)而改變電動機的轉(zhuǎn)速。和傳統(tǒng)的G-M系統(tǒng)相比，晶閘管可控直流電源的功率放大倍數(shù)高出旋轉(zhuǎn)變流機組兩到三個數(shù)量級，而系統(tǒng)反應(yīng)速度也要高出二個數(shù)量級以上。,2. 晶閘管整流,3. 直流斬波器,圖5

5、-4 斬波器 -電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖,工作原理：,圖5-49a中，當(dāng)VT被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓Us加到電動機電樞上；當(dāng)VT在控制信號作用下，通過強迫關(guān)斷電路關(guān)斷時，電源與電動機電樞斷開，電動機經(jīng)二極管VD續(xù)流，此時，圖中A、B兩點間電壓接近零。若使晶閘管反復(fù)通斷，就得到A、B間電壓波形如圖b。常用的是周期T不變，改變導(dǎo)通時間ton,進(jìn)而改變輸出直流電壓平均值，最終完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，這種方式稱脈沖寬度調(diào)制，此時系統(tǒng)簡稱 PWM調(diào)速系統(tǒng)。目前，由于全控型電力電子器件的發(fā)展，作為開關(guān)用的VT（半控型）已被取代，線路被優(yōu)化，性能更優(yōu)越。,二. 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo),調(diào)速范圍,生產(chǎn)機械要求電動

6、機所提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速 范圍。常用字母D來表示。,（5-2）,這里 、 通常指電動機帶上額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速值。,2.靜差率,系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化主要由負(fù)載變化引起，反映負(fù)載變化對轉(zhuǎn)速影響的一個指標(biāo) 被定義為靜差率。其定義為：調(diào)速系統(tǒng)在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速 之比。靜差率用字母S表示：,（5-3）,調(diào)速 穩(wěn)速 速度變化率,靜差率百分?jǐn)?shù)表示：,對一般系統(tǒng)來說，S越小時說明系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好。而對同一系統(tǒng) 而言，靜差率不是定值，電動機工作速度降低時，靜差率就會變大。請看圖5-5。,圖5-5 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率,結(jié)論：調(diào)速系統(tǒng)只要在調(diào)速范圍的最低 工作轉(zhuǎn)速時滿足靜

7、差率要求，則其在整個調(diào) 速范圍內(nèi)都會滿足靜差率要求。,給出了系統(tǒng)兩條穩(wěn)定工作特性，對應(yīng)于電樞上兩個不同的外加電壓。對于調(diào)壓調(diào)速來說，兩條特性是平行的，即在負(fù)載相同時，兩種情況下轉(zhuǎn)速降落值應(yīng)是相同的，若是額定負(fù)載，兩者的速降均為 。而根據(jù)靜差率S的定義，因 ，顯然有S1S2。,3. 調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系,將上頁的 表達(dá)式代入本式，得,（5-5）,上式表明，同一系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定轉(zhuǎn)速降落三者之間有密不可 分的聯(lián)系。對靜差率值要求越小，能得到的調(diào)速范圍也將越小。,第二節(jié) 反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng),一. 反饋控制的基本概念,系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率、額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落之間有確定的關(guān)系式：,其中

8、，調(diào)速范圍D、靜差率S取決于生產(chǎn)加工工藝要求，是無法變更的。為使 上式成立，只能設(shè)法減少額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落。,無反饋控制的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落值為：,其中，R是電樞回路總電阻，為系統(tǒng)固有參數(shù)， Idnom是對應(yīng)額定負(fù)載時的電流， 也是固定的。所以，一般開環(huán)系統(tǒng)無法滿足一定調(diào)速范圍和靜差率性能指標(biāo)要求。,如果在負(fù)載增加的同時設(shè)法增大系統(tǒng)的給定電壓 Un，就會使電動機電樞兩端的電壓Ud增大，電動機的轉(zhuǎn)速就會升高。若Un增加量大小適度，就可以使因負(fù)載增加而產(chǎn)生的 n被Ud升高而產(chǎn)生的速升所彌補，結(jié)果會使轉(zhuǎn)速n接近保持在負(fù)載增加前的值上。,這樣，既能使系統(tǒng)有調(diào)速能力，又能減少穩(wěn)態(tài)速降，

9、使系統(tǒng)具有滿足要求的調(diào) 速范圍和靜差率。,圖5-6 轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),我們可以在與調(diào)速電動機同軸接一測速發(fā)電機TG，這樣就可以將電動機轉(zhuǎn)速 n 的大小轉(zhuǎn)換成與其成正比的電壓信號Un，把Un與Un相比較后，去控制晶閘管整流裝置以控制電動機電樞兩端的電壓Ud就可以達(dá)到控制電動機轉(zhuǎn)速 n 的目的。,系統(tǒng)組成如圖,轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速原理：,Un反映了電動機的轉(zhuǎn)速，并被反回到輸入端參與了控制，故稱做轉(zhuǎn)速反饋。又 因為Un極性與給定信號Un 相反，所以進(jìn)一步稱為轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 當(dāng)電動機負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)速n下降，Un 下降，而Un 沒變，Un=Un_ Un 增大，晶 閘管整流器輸出電壓Ud增高，電動機轉(zhuǎn)速回升，使轉(zhuǎn)速

10、接近原來值；而在負(fù)載減少， 轉(zhuǎn)速 n上升時，Un 則會增大，Un 會下降，Ud也會相應(yīng)降低，電動機轉(zhuǎn)速 n 下降到接 近原來轉(zhuǎn)速。,這種系統(tǒng)是把反映輸出轉(zhuǎn)速 n的電壓信號Un 反饋到系統(tǒng)輸入端，與給定電壓 Un 比較，形成了一個閉環(huán)。由于反饋作用，系統(tǒng)可以自行調(diào)整轉(zhuǎn)速，通常把這種系統(tǒng)稱 作閉環(huán)控制系統(tǒng)。又由于是反饋信號作用，達(dá)到自動控制轉(zhuǎn)速的目的，所以常把這種 控制方式稱做反饋控制。,二. 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋自動調(diào)速系統(tǒng),1. 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的組成及工作原理,圖5-7 采用比例放大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),與上圖不同的是加了電壓放大器。其作用一是為了解決因反饋信號作用，正常工作為得到足夠的觸發(fā)器

11、控制電壓使所需給定電源電壓過高的問題，二是提高閉環(huán)調(diào)整精度的需要。,工作原理：,系統(tǒng)中，由給定電位器給出一個 控制電壓Un，與反饋回來的速度反 饋電壓Un一起加到放大器輸入端上， 其差值信號 Un=Un- Un被放大Kp倍 后，得Uct做為觸發(fā)器的控制信號，觸 發(fā)器產(chǎn)生相應(yīng)相位的脈沖去觸發(fā)整流 器中的晶閘管。整流輸出的直流電壓 Ud加在了電樞兩端，產(chǎn)生電流Id，使 電動機以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)。,我們知道測速發(fā)電機的電樞電動勢Etg為：,（5-6）,由于Ketg、 是不變的常量，測速機與電動機同軸聯(lián)接是同一個轉(zhuǎn)速 n，所 以測速機的電樞電動勢 Etg 反映了電動機的轉(zhuǎn)速。測速機電動勢 Etg與其電樞

12、端 電壓Utg 相差無幾，在這個意義上我們說，測速機電樞兩端的電壓Utg 反映了電 動機的轉(zhuǎn)速。,調(diào)速過程：,在穩(wěn)態(tài)工作時，假如電動機工作在額定轉(zhuǎn)速，當(dāng)負(fù)載增加時，電流Id增大，電 動機轉(zhuǎn)速 n 下降，測速發(fā)電機 Utg減小，Un按分壓關(guān)系成比例減小，由于速度給定 電壓Un沒有改變，所以Un 增大，放大器輸出Uct增大，它使晶閘管整流器控制角 減?。▽?dǎo)通角增大），使晶閘管整流電壓Ud增加，電動機轉(zhuǎn)速回升到接近原來的額 定轉(zhuǎn)速值。過程：,負(fù)載nUtgUnUnUctUdn,同理當(dāng)負(fù)載下降時轉(zhuǎn)速 n上升，其調(diào)整過程可示意為：,負(fù)載nUtgUnUnUctUdn,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋控制系統(tǒng)有兩個主要特點：,（1

13、）利用被調(diào)量的負(fù)反饋進(jìn)行調(diào)節(jié)，也就是利用給定量與反饋量之差即誤差進(jìn)行控 制，使之維持被調(diào)量接近不變。 （2）為了盡可能維持被調(diào)量不變，減小穩(wěn)態(tài)誤差，這樣就得使誤差量Un變得很小。 這種系統(tǒng)是靠給定與反饋之差調(diào)整的，從原理上說，是不能做到被調(diào)量在負(fù)載的變化 下完全不變的，總是有一定的誤差，因此這類系統(tǒng)叫做“有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)”。,2. 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)靜特性分析,靜特性通常是指閉環(huán)系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作時電動機的轉(zhuǎn)速 n 與負(fù)載電流I（或轉(zhuǎn)矩M） 的關(guān)系。即：,（5-7）,研究系統(tǒng)的靜特性，就是要找出減小穩(wěn)態(tài)速降，擴大調(diào)速范圍的途徑，改善系 統(tǒng)的調(diào)速性能。以帶有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的VM系統(tǒng)為例，給出求系統(tǒng)靜特性的一

14、般方 法和步驟 。常用方法有：,一種是在得到各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系以后，聯(lián)立各環(huán)節(jié)的表達(dá)式，消去中間 變量求取靜特性方程。 第二種方法是在求得各環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系后畫出系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，然后運用 結(jié)構(gòu)圖的變換規(guī)則及線性系統(tǒng)分析的疊加原理來求取系統(tǒng)的靜特性方程。,圖5-8 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,電壓比較環(huán)節(jié)： Un=UnUn,放大器： Uct=KpUn,晶閘管觸發(fā)與整流裝置： Udo=KsUct,V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性,速度檢測環(huán)節(jié)：,其中： Kp放大器的電壓放大系數(shù) Ks晶閘管觸發(fā)與整流裝置的電壓放大系數(shù) 測速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r,方法一：,在第一種方法中，聯(lián)立上述五個關(guān)系式并

15、消去中間變量，整理后,即得轉(zhuǎn)速負(fù) 反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：,（5-8）,方法二：,采用疊加原理，即將給定作用Un*和擾動作用IdR看成兩個獨立的輸入量， 先按它們分別作用下的系統(tǒng)（圖5-9a和b）求出各自的輸出與輸入關(guān)系方程式， 然后把二者疊加起來，即得系統(tǒng)靜特性方程式，與式（5-8）相同。,圖5-9 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的分解,開環(huán)系統(tǒng)的機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性的比較：,開環(huán)系統(tǒng)機械特性方程為：,閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性可寫成：,（5-9）,（5-10）,其中： n0op與n0cl分別表示開環(huán)和閉環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速； nop與ncl則分別表示開環(huán)與閉環(huán)時的穩(wěn)態(tài)速度降落,（1）若設(shè)

16、開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)帶有相同的負(fù)載，兩者的轉(zhuǎn)速降分別為：,；,（2）開環(huán)與閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)整為相同值，即n0op=n0cl ，則靜差率：,；,考慮到 ，且,得出：,（3）當(dāng)系統(tǒng)給出明確的靜差率要求，設(shè)DB為閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍；DK為開環(huán)系統(tǒng) 調(diào)速范圍 ：,（5-12）,式中：nnom為電動機的額定轉(zhuǎn)速，也是調(diào)壓調(diào)速時電動機的最高轉(zhuǎn)速值。,圖5-10 閉環(huán)靜特性與開環(huán)機械特性的比較,概括以上分析比較，得：,a. 當(dāng)負(fù)載相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降ncl減為開環(huán)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降落nop 的 。,b. 電動機的最高轉(zhuǎn)速相同，而對靜差率要求也相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速 范圍DB是開環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍DK的（1+K）

17、倍。即閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比 開環(huán)系統(tǒng)硬得多的特性，從而可在保證一定靜差率要求下，大大提高調(diào) 速范圍 。,圖中給出了取相同n0值的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性與開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性。比較可見，在相同負(fù)載下，轉(zhuǎn)速降落有明顯不同，閉環(huán)速降比開環(huán)速降小得多。,3. 靜特性計算舉例,例：某龍門刨床工作臺采用V-M轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下： 電動機：Z293型，Pnom=60KW、Unom=220V、Idnom=305A、nnom=1000 r min、 電樞電阻Ra=0.066; 三相全控橋式晶閘管整流電路，觸發(fā)器-晶閘管整流裝置的等效電壓放大倍數(shù)Ks=30； 電動機電樞回路總電阻：R=0.1

18、8 ；速度反饋系數(shù)： =0.015V (r/min) ； 要求調(diào)速范圍： D=20,靜差率：S5 。,解:,如果采用開環(huán)控制：,額定轉(zhuǎn)速的靜差率：,額定轉(zhuǎn)速時靜差率已遠(yuǎn)超出了要求的5%，如果根據(jù)調(diào)速要求再降速運轉(zhuǎn)，那 就更滿足不了要求 。,采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng) ，如果滿足D=20，S=5%，則額定負(fù)載時電動機轉(zhuǎn)速 降落為：,故，采用閉環(huán)控制后，只要使放大器的放大倍數(shù)大于或等于46，就能滿足所提的 調(diào)速指標(biāo)要求。,三. 電壓負(fù)反饋和電流正反饋自動調(diào)速系統(tǒng),電壓負(fù)反饋,圖5-11 電壓負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,反饋信號從接在電樞兩端的電位器RP上取出,反饋到放大器的輸入端與給定電壓進(jìn)行比較，而且

19、兩者極性相反。因此這種反饋稱電壓負(fù)反饋。,在給定電壓Un*下，加在放大器輸入端的控制信號為給定和反饋電壓差值U= Un*-Un, 經(jīng)放大器放大，使晶閘管整流器輸出一定電壓，使電動機工作于某一轉(zhuǎn)速。 當(dāng)負(fù)載增加時，即Id增大，整流器等效內(nèi)阻及平波電抗器電阻上壓降也相應(yīng)增大， 從而引起電動機電樞兩端電壓降低，這會使與其成正比的反饋電壓減少(Un=Ud)。加在 放大器輸入端的電壓U增加，使整流器輸出電壓增加，調(diào)整的結(jié)果是電樞兩端的電壓 接近恢復(fù)到負(fù)載增加前的值上。由于電樞兩端的電壓幾乎不變，使得電動機的轉(zhuǎn)速也會 不受負(fù)載變化的影響而接近不變。,電壓負(fù)反饋在負(fù)載變化時的調(diào)整過程：,電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的

20、靜特性方程：,（5-13）,圖5-12 幾種系統(tǒng)的特性比較的系統(tǒng),由于電壓負(fù)反饋本質(zhì)上是一個恒壓調(diào)整系 統(tǒng)，它只盡可能維持電樞兩端的電壓Ud不變。 由于電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)對電樞電阻引起的轉(zhuǎn) 速降落無法補償，所以該系統(tǒng)的調(diào)整效果遠(yuǎn)不 如轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)，但比開環(huán)系統(tǒng)要好一 些。,1、開環(huán)系統(tǒng)機械特性 2、電壓負(fù)反饋系統(tǒng)靜特性 3、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng),2. 電壓負(fù)反饋加電流正反饋調(diào)速系統(tǒng),圖5-13 帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖,在主電路中串入取樣電阻Rs，由IdRs取得電流正反饋信號。接線時應(yīng)保證IdRs信號的極性與Un*的極性一致，而與電壓反饋信號Uu=Ud的極性相反。,運算放大器的輸

21、入端通常給定和電壓反饋的輸入回路電阻都取R0，而為獲得合適的電流補償強度，電流正反饋輸入回路的電阻R2應(yīng)根據(jù)需要選取。電流補償強度可由電流反饋系數(shù)來反映，其定義為: （5-14）,帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程如下：,（5-15）,表示電流正反饋作用的一項 能夠適當(dāng)補償另兩項穩(wěn)態(tài)速降， 這樣,總的轉(zhuǎn)速降落要比只有電壓負(fù)反饋時小了許多，系統(tǒng)的靜特性改善了很多， 從而擴大了調(diào)速范圍。,應(yīng)該指出：,（1）正反饋的補償控制本質(zhì)上與負(fù)反饋控制不同。正反饋只是靠參數(shù)的配合 關(guān)系有針對性的對某一干擾量造成的偏差進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a償。而負(fù)反饋控制，它 能對負(fù)反饋所包圍的系統(tǒng)前向通道上出現(xiàn)的所有擾動都有

22、抑制作用。,（2）在系統(tǒng)調(diào)整時，電流正反饋的補償強度不應(yīng)太大，當(dāng)參數(shù)配合關(guān)系出現(xiàn) 的情況時系統(tǒng)根本無法穩(wěn)定工作。,當(dāng)系統(tǒng)的工作環(huán)境比較穩(wěn)定時，若選擇參數(shù)使其滿足：,（5-16）,則電壓負(fù)反饋加電流正反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程將變?yōu)椋?（5-17）,在形式上，此時的靜特性方程與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)的靜特性方程(式（5-8）)完全 一樣。此時電壓負(fù)反饋加電流正反饋的合成反饋信號與電動機反電動勢成正比，所 以又稱電動勢反饋。但是，系統(tǒng)的本質(zhì)并未改變。,圖5-14 電動機換向極繞組兩端取電流反饋信號,在電機容量較大時，電流反饋信號在這 一附加電阻Rs上的電能損耗相當(dāng)大，因此當(dāng) 電動機容量較大，一般超過10KW

23、時，電流 反饋信號可以從電動機換向極繞組兩端取出。 該信號必須進(jìn)行濾波后才能反饋到放大器輸 入端，以克服換向極繞組中的諧波電勢對 系統(tǒng)工作的影響。 見圖5-14。,四. 具有電流截止負(fù)反饋的自動調(diào)速系統(tǒng),電流截止負(fù)反饋的作用,閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)，在起動開始的一段時間內(nèi)，由于轉(zhuǎn)速還沒來得及建立 或轉(zhuǎn)速很低，所以速度反饋信號很小，放大器入口電壓會很大，所以整流器幾乎在 瞬間達(dá)到最高輸出電壓，造成電樞電流在很短的時間內(nèi)急劇上升到一個相當(dāng)大的值。 在電動機正常運轉(zhuǎn)情況下，如機械故障等原因，可使電動機堵轉(zhuǎn)，電樞電流也 會急劇上升到一個相當(dāng)大的值上。 在上述諸情況下，電動機電樞電流往往超過最大允許電流值

24、。過大的電流沖擊對 直流電動機的換向十分不利，尤其對于過載能力差的晶閘管來說，更是不能允許的。 因此，必須對起動或堵轉(zhuǎn)電流加以限制。,另一方面，許多生產(chǎn)機械出于提高生產(chǎn)效率的考慮，在起制動過程中，設(shè)法使電 動機工作于短時允許的最大電流值上，會使電動機轉(zhuǎn)速變化率盡可能大一些。那么， 如何做到在起動的過程中使電動機電樞回路電流盡可能大而又不超過最大允許電流呢？ 采用所謂電流截止負(fù)反饋。 這樣，正常運行時，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，以使系統(tǒng)具有足夠的穩(wěn)態(tài)調(diào)整精度；在電動 機起動或堵轉(zhuǎn)時，電流負(fù)反饋起主要的調(diào)節(jié)作用，使電樞電流受到有效的限制，使其不 超過最大允許值。帶有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)就基

25、本上能夠達(dá)到這 樣的控制效果。,2. 帶有電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng),電流負(fù)反饋信號是從電樞回路中附加的電阻Rs上取出，其值Ui=IdRs，顯然Ui與Id成正比。,利用獨立的直流電源通過電位器RP得到比較電壓Ucom。調(diào)節(jié)電位器就可改變Ucom，相當(dāng)于改變臨界截止電流Idcr，在IdRs與Ucom之間串接一個二極管VD，利用其單向?qū)щ娦裕?dāng)IdRsUcom時，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號Ui即可加到放大器上去；當(dāng)IdRsUcom時，二極管截止，Ui即消失。,若設(shè)Idcr為臨界截止電流，當(dāng)電流 大于Idcr時將電流負(fù)反饋信號加到放大 器的輸入端，當(dāng)電流小于Idcr時將電流 反饋切斷。截止電

26、流值Idcr=Ucom/Rs。,兩段靜特性方程 ：,（5-18）,（2）當(dāng)IdIdcr時，電流負(fù)反饋起作用，此時系統(tǒng)同時有 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和電流負(fù)反饋，靜特性為：,（1）當(dāng)IdIdcr時，電流負(fù)反饋被截止，系統(tǒng)只是單純的轉(zhuǎn) 速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其靜特性方程為：,（5-19）,n0-A段,A-B段,直到電動機轉(zhuǎn)速為零，當(dāng)堵轉(zhuǎn)時，電流為Idb1， 此電流稱為堵轉(zhuǎn)電流。,在式（5-19）中，令n=0 得，,一般 ，因此,（5-20）,為保證系統(tǒng)有盡可能寬的正常運行段，取臨界截止電流略大于電動機的額定電 流，通常取Idcr=(1.01.2)Inom；而堵轉(zhuǎn)電流應(yīng)小于電動機的最大允許電流，通常取 Idb1

27、=(1.52)Inom。,需要說明的是，電流截止負(fù)反饋，不僅在電動機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)起作用，而且在 起、制動過程中也能起限制起、制動電流的作用。當(dāng)動態(tài)過程將近結(jié)束時通過電流 反饋環(huán)節(jié)調(diào)整電流下降至Idcr，使得電動機過渡到n0-A段工作。,圖5-17 用穩(wěn)壓管作比較電路的電流截止負(fù)反饋,比較電壓Unom的選?。?圖5-15電流截止負(fù)反饋中，比較電壓Ucom 是由比較電源取出，如圖5-17采用穩(wěn)壓管獲取 比較電壓的線路更為簡單，而且更容易辦到 。,穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Udw相當(dāng)于比較電壓，當(dāng)反饋信號IdRs低于穩(wěn)壓值Udw時，反饋回路只能通過極小的漏電流，電流負(fù)反饋被截止，當(dāng)IdRs大于Udw時，穩(wěn)壓管被

28、反向擊穿，反饋回路有反饋電流通過，得到下垂特性。,缺點：用該線路省掉了比較電源，但臨界截止電流的調(diào)整不夠方便，且因穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓值的分散性，選取合適穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管也常有一些困難。,第三節(jié) 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng),有靜差系統(tǒng),無靜差系統(tǒng),采用一般按比例放大的放大器的自動調(diào)速系統(tǒng)，盡管放大倍數(shù)很大，但畢竟為有限值，所以在負(fù)載改變后，它不可能維持被調(diào)量完全不變，這種系統(tǒng)稱為有靜差系統(tǒng),就是系統(tǒng)的被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時完全等于系統(tǒng)的給定量，其偏差為零，這就是說，在無靜差系統(tǒng)中，電動機轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時與負(fù)載無關(guān)，只取決于給定量。,系統(tǒng)正是靠誤差進(jìn)行調(diào)節(jié) ，系統(tǒng)的正常工作是依靠偏差來維持 。,要想使偏差為零，系統(tǒng)又能正常工

29、作，必須使用有積分作用的調(diào)節(jié)器。,一.比例（P）、積分（I）、比例積分（PI）調(diào)節(jié)器,1. 比例調(diào)節(jié)器P,圖5-18 比例調(diào)節(jié)器線路,如圖5-18所示的比例調(diào)節(jié)器有兩個輸入信號，它們采用電壓并聯(lián)，在放大器輸入端電流相減的方式完成運算。A點為虛地點,當(dāng)我們對A點列寫電流運算式時，可有下 列結(jié)果：,集成運算放大器具有開環(huán)放大倍數(shù)高、輸入電阻大、輸出電阻小、漂移小、線性度好等優(yōu)點，所以它在模擬量控制系統(tǒng)中作為調(diào)節(jié)器的基本元件得到了廣泛應(yīng)用。運算放大器配以適當(dāng)?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)就可組成比例、積分、比例積分等調(diào)節(jié)器，可得到不同的調(diào)節(jié)規(guī)律，滿足控制系統(tǒng)的要求。,由 可得,令 ，可得,（5-21）,在此式中，沒有考

30、慮運算放大器輸入與輸出間的反相關(guān)系，實際上，這里的kp可看成是輸出與輸入之間的絕對值之比。,在采用比例調(diào)節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出是觸發(fā)裝置的控制電壓Uct，且Uct=kp（Un*-Un）=kp Un。只要電動機在運行，Uct就不能為零，也就是調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓Un不能為零，這是此類調(diào)速系統(tǒng)有靜差的根本原因。,2. 積分調(diào)節(jié)器I,積分調(diào)節(jié)器又稱I調(diào)節(jié)器。,圖5-19 積分調(diào)節(jié)器線路圖,由虛地點A的假設(shè)可以很容易得到：,（5-22）,式中： 積分時間常數(shù),由上式（5-22）可見，積分調(diào)節(jié)器輸出電壓Usc與輸入電壓Uin的積分成正比。當(dāng)然，這里暫也不考慮輸入與輸出兩者的反極性關(guān)系。,當(dāng)Usc

31、的初始值為零時，在階躍輸入下，對式（5-22）進(jìn)行積分運算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出時間特性（見圖5-20a）：,(5-23),圖5-20 積分調(diào)節(jié)器輸入輸出特性 (a)積分調(diào)節(jié)器階躍輸入時的輸出特性 (b)積分調(diào)節(jié)器的輸出保持特性,當(dāng)Uin突加的初瞬，由于電容尚未充電以及其兩端電壓不能突變，相當(dāng)于電容短路，使放大器輸出全部電壓都反饋到輸入端，由于這是強烈的負(fù)反饋，在其作用下，使Usc開始時為零，然后電容充電，電容兩端電壓Uc升高，負(fù)反饋逐漸減弱，Usc開始增長。因為電容充電電流接近為恒定值，所以Uc及Usc都接近線性增長。其上升斜率決定于Uin/。積分時間常數(shù)越大，Usc增長越慢。顯然，調(diào)速系統(tǒng)中

32、加入積分調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)的反應(yīng)速度會變慢。,如果采用積分調(diào)節(jié)器時，因其輸出積分的保持作用（圖5-20b），則在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作時，盡管調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓 ,而其輸出Uct仍可是不為零的某一電壓，而這一電壓正是維持該運行狀態(tài)所必要的電壓值。積分的保持作用是系統(tǒng)無靜差的根本原因。,工作原理：,圖5-19 積分調(diào)節(jié)器線路圖,3. 比例積分調(diào)節(jié)器PI,圖5-21 比例積分調(diào)節(jié)器線路圖,把比例和積分兩種控制規(guī)律結(jié)合起來 ，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，又有足夠快的反 應(yīng)速度。,在不計輸入和輸出的反相關(guān)系 利用A點的虛地：,，,（5-24）,式中， R0C1 PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)； PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)。,由式（5

33、-24）可知，在輸入電壓Uin（階躍函數(shù)）的初瞬，輸出電壓有一躍變，以后隨時間的延續(xù)線性增長，變化規(guī)律如圖5-22所示：,圖5-22 比例積分調(diào)節(jié)器的輸入輸出特性,輸出電壓Usc由兩部分組成：,第一部分為輸入Uin的比例放大部分,在輸入電壓加上的初瞬，電容C1相當(dāng)于短路，此時只相當(dāng)于比例調(diào)節(jié)器，輸出電壓Usc=KpUin，輸出電壓毫不遲延地跳到KpUin值，因而調(diào)節(jié)速度快。,第二部分是積分部分 隨著C1被充電，Usc不斷上升，上升快慢取決于,比例積分調(diào)節(jié)器特點：,1） 有比例調(diào)節(jié)功能，就有了較好的動態(tài)響應(yīng)特性，良好的快速性，彌補了積分調(diào)節(jié)的延緩作用；,2） 有積分調(diào)節(jié)功能，只要輸入端有微小的信

34、號，積分就進(jìn)行，積累過程，如圖5-22。在積分過程中，如果輸入信號變?yōu)榱悖漭敵鲇斜３诌^程，如圖5-20b所示。這種積累、保持特性，能在控制系統(tǒng)中能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差。,二. 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng),定義：,在一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入了比例積分調(diào)節(jié)器組成的反饋控制系統(tǒng)能夠消除誤差， 維持被調(diào)量不變，這樣的調(diào)節(jié)系統(tǒng)為無靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。,圖5-23 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),系統(tǒng)的被調(diào)量是電動機的轉(zhuǎn)速，這里比例積分調(diào)節(jié)器在系統(tǒng)中起調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的作用，因此也叫做速度調(diào)節(jié)器。,電動機的轉(zhuǎn)速實際值n 通過測速發(fā)電機得到的反饋電壓Un反映出來，把Un反饋到系統(tǒng)的輸入端與速度給定信號Un* 相比較，把差值

35、Un=Un*-Un 作為速度調(diào)節(jié)器的輸入。,當(dāng)電動機起動時，接通速度給定電壓Un* （相對電動機轉(zhuǎn)速n1），開始時電動機轉(zhuǎn)速為零，即Un=0, 速度調(diào)節(jié)器輸入電壓Un=Un*是很大的。此時，若無限流環(huán)節(jié)，則電動機電樞電流會在很短的時間內(nèi)升高到一個很大的值上，為避免起動電流的沖擊，系統(tǒng)仍需加電流負(fù)反饋來做限流保護(hù)。在電流負(fù)反饋環(huán)節(jié)的作用下，電樞電流達(dá)到某一最大值后不再升高。隨著起動過程的延續(xù)，轉(zhuǎn)速迅速上升，當(dāng)電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速n1 時，速度反饋電壓Un正好與給定Un*相等。也就是此時速度調(diào)節(jié)器的輸入信號Un=0。,電動機起動時系統(tǒng)的工作過程：,負(fù)載突變時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程：,假定系統(tǒng)已在穩(wěn)定運

36、行，對應(yīng)的負(fù)載電流為I1，在某一時刻突然將負(fù)載加大到I2，由于電動機軸上轉(zhuǎn)矩突然失去平衡，電動機轉(zhuǎn)速開始下降產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)速偏差n，如圖 5-24所示，這時速度反饋電壓Un相應(yīng)減少，因給定量未變，從而使調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓Un=(Un*-Un)0。,圖5-24 負(fù)載變化時調(diào)解過程曲線,（1）比例輸出的調(diào)節(jié)作用 比例輸出是沒有慣性的，由于產(chǎn)生偏差n(Un)使晶閘管整流輸出電壓增加了Ud01，如圖5-24c曲線1所示。這個電壓增量使電動機轉(zhuǎn)速很快回升，速度偏差愈大，比例調(diào)節(jié)的作用愈強，Ud01就愈大，電動機轉(zhuǎn)速回升也愈快。當(dāng)轉(zhuǎn)速回到原來轉(zhuǎn)速n1 以后，Ud01也相應(yīng)減少到零。,（2）積分調(diào)節(jié)的作用：

37、當(dāng)負(fù)載增加時，電動機轉(zhuǎn)速降低，調(diào)節(jié)器輸入出現(xiàn)偏差電壓Un，積分作用下，晶閘管整流器輸出電壓也要升高。積分作用產(chǎn)生的電壓增量Ud02對應(yīng)于調(diào)節(jié)器對輸入偏差電壓Un的積分。偏差愈大，電壓Ud02增長速度愈快，即偏差最大時，電壓增長速度最快。開始時 Un 很小，Ud02增長很慢，在調(diào)節(jié)后期n減小了，Ud02增加的也慢了。一直到Un 等于零時Ud02才不再繼續(xù)增加，在這以后就一直保持這個值不變，如圖5-24c曲線2所示。,（3）比例作用與積分作用的合成效果 圖5-24c曲線3為其合成效果曲線。從這里可以看出，晶閘管整流電壓增長的速度與偏差Un相對應(yīng)，只要存在偏差, 電壓就要增長，而且電壓增長的數(shù)值是積

38、累的。因為Ud0=Unt，所以整流電壓最后值不但取決于偏差值的大小，還取決于偏差存在的時間。在調(diào)節(jié)的開始和中間階段，比例調(diào)節(jié)起主要作用，它首先阻止n 的繼續(xù)增大，并能使轉(zhuǎn)速回升。在調(diào)節(jié)的后期轉(zhuǎn)速偏差 n很小了，比例調(diào)節(jié)的作用不顯著了，而積分調(diào)節(jié)作用上升到主導(dǎo)地位，最后依靠它來完全消滅偏差n。因此不論負(fù)載怎樣變化，積分調(diào)節(jié)的作用是一定要把負(fù)載變化的影響完全補償?shù)?，使轉(zhuǎn)速回到原來的轉(zhuǎn)速為止。這就是無差調(diào)節(jié)的基本道理。,（4）調(diào)節(jié)過程結(jié)束 電動機轉(zhuǎn)速又回升到給定轉(zhuǎn)速n1。速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓Un=0。但速度調(diào)節(jié)器的輸出電壓Uct，由于積分的保持作用，穩(wěn)定在一個大于負(fù)載增大前的Uct1的新值上。晶

39、閘管整流輸出電壓Ud0等于調(diào)節(jié)過程前的數(shù)值Ud01加上比例和積分兩部分的增量Ud01和Ud02。調(diào)節(jié)結(jié)束后晶閘管整流輸出電壓Ud0穩(wěn)定在Ud02上，如圖5-24d所示。,三. 帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),在單閉環(huán)系統(tǒng)中，為了限制電樞電流不超過最大允許電流可以采用電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。但電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)只是在超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負(fù)反饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波形如圖5-25所示。,圖 5-25 帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速,由圖可見，在整個起動過程中，電樞電流只在一點達(dá)到了最大允許電流I

40、dm，而在其余的時間里，電樞電流均小于Idm，這使得電動機的動態(tài)加速轉(zhuǎn)矩?zé)o法保持在最大值上，因而加速過程必然拖長。,1. 最佳過渡過程的概念,電動機的最大轉(zhuǎn)矩有一個極限值，充分利用電動機這個極限值，使過渡過程時間最短，獲得最高生產(chǎn)率的過渡過程叫做限制極值轉(zhuǎn)矩的最佳過渡過程。,即,電動機機電時間常數(shù),盡量保持最大轉(zhuǎn)矩不變，對于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來說也就是保持電動機工作于最大允許電流Idm上。在Idm不變的情況下，電動機是怎樣加速的呢？,于是,（5-25）,式中 電動機加速度 Mdm電動機最大電磁轉(zhuǎn)矩 J2 電動機飛輪慣量 Idm 電動機最大允許電流 Ie 電動機負(fù)載電流 TM 機電時間常數(shù) R 電樞回

41、路總電阻 CM=KM電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù) Ce=Ke電動機電動勢常數(shù),積分得,（5-26）,速度變化規(guī)律：,即n按線性增長，當(dāng)速度n上升到穩(wěn)定值時，加速度應(yīng)為零，即dn/dt=0, 此時電動機電流Id應(yīng)等于負(fù)載電流Ie，即動態(tài)加速電流為零。,由,當(dāng)電動機以最大恒加速升速時，晶閘管整流器輸出的整流電壓平均值Udo變化規(guī)律：,但實際系統(tǒng)，由于電樞回路電感的存在電樞電流不可能立即從零上升到最大值Idm，在起動過程結(jié)束，轉(zhuǎn)速升到給定轉(zhuǎn)速時電樞電流同樣不可能由最大電流Idm一下子降到穩(wěn)態(tài)電流Ie上。實際過渡過程中各量變化關(guān)系圖5-27所示。,圖5-26 最佳條件下各量變化曲線,圖5-27 實際系統(tǒng)的最佳過渡過

42、各量,如果電樞回路電感值相對很小，在電流變化時的影響不計，上式是成立的。這就是說IdmR為常數(shù)，Ce為常數(shù)，即Udo也應(yīng)與n一樣變化而為一線性增長。最佳過渡過程中各量變化關(guān)系圖5-26。,綜上分析，要實現(xiàn)最佳過渡過程，必須滿足下列要求：,（1）電動機在起動過程中，電樞電流應(yīng)一直保持在最大容許電流值Idm上，而在過渡過程結(jié)束時，要立即下降到穩(wěn)態(tài)值即負(fù)載電流值Ie上。,（2）電動機轉(zhuǎn)速n是按照線性上升（即恒最大加速度上升）到給定轉(zhuǎn)速n*，加速度的大小除與動態(tài)加速電流（Idm-Ie）成正比外，還與表示電機慣性的機電時間常數(shù)TM成反比。,（3）為了在起動過程中使電樞電流Id立刻由零升到最大允許值Idm

43、，晶閘管整流器輸出的整流電壓平均值Ud0必須立即為Idm R ，以后按線性上升。在上升的過程中應(yīng)始終保持 ，以保證得到最大的dn/d t值。到轉(zhuǎn)速n達(dá)到給定穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*時，又要立刻下降到穩(wěn)態(tài)所需要的值Udo上。,2. 雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成及其工作原理,圖5-28 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng),把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當(dāng)作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置。從閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。,圖5-29 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,圖中，速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR均采用了帶有輸出限幅環(huán)節(jié)的比

44、例積分（PI）調(diào)節(jié)器。,所以速度反饋系數(shù) 與電流反饋系數(shù)們 可分別計算為：,（5-27）,（5-28）,式中， Unm*電機最高轉(zhuǎn)速時所需的系統(tǒng)給定電壓 Uim*速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅壓，其值與電樞最大容許電流相對應(yīng)。,由圖5-29可看出，雙閉環(huán)系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時，兩個調(diào)節(jié)器均不應(yīng)飽和，各量之間滿足下列關(guān)系：,系統(tǒng)工作過程參量圖：,（1）起動過程,（2）負(fù)載變化過程,圖5-31 負(fù)載變化時各參量變化曲線,圖5-30 起動過程中各參量變化曲線,（3）靜特性,圖5-32 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,第四節(jié) 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)簡介,一. 電樞反接可逆線路,1. 利用接觸器進(jìn)行切換的可逆線路,圖5-3

45、31 用接觸器切換的可逆線路,晶閘管可控整流器作為電壓可變的單方向的直流電源，電樞電流Id方向的改變則由接觸器KMF和KMR的切換來完成。當(dāng)KMF閉合，KMR打開時，Ud的正端接圖中的A點，而負(fù)端接在B點，電樞電流Id的方向如圖中實線所示，設(shè)電動機為正向旋轉(zhuǎn)；若當(dāng)KMF打開，而KMR閉合時，Ud正端接到了B點，而負(fù)端接在了A點上，Id的方向就會改變?yōu)閳D中的虛線所示，電動機的旋轉(zhuǎn)方向也隨之改變?yōu)榉崔D(zhuǎn)。,電樞反接就是按照控制要求改變電樞外接電源的電壓極性，常用的有幾種不同的方法 。,2. 利用晶閘管切換的可逆線路,采用晶閘管做為無觸點開關(guān)形成的可逆線路如圖5-34，這里共用了VS1-VS4四個晶閘

46、管。當(dāng)VS1和VS4被觸發(fā)導(dǎo)通時，Ud正端接A點，負(fù)端接B點，電樞電流Id沿實線方向流動，電機設(shè)為正轉(zhuǎn)；而當(dāng)VS2和VS3被觸發(fā)導(dǎo)通，電源反極性接到電樞兩端，圖中A點為負(fù)，B點為正，電樞電流Id將沿虛線所示方向流動，電動機反轉(zhuǎn)。,圖5-34 用晶閘管切換的可逆線路,圖5-35 兩組整流器反并聯(lián)可逆線路,3. 采用兩組晶閘管整流器反并聯(lián)的可逆線路,若設(shè) I 組為正向晶閘管整流器，則 II 組即為反向晶閘管整流器，它們可分別為電樞回路提供不同方向的電流。當(dāng) I 組整流工作時，輸出的整流電壓Ud的極性如圖所示，給電樞提供的電流方向如實線所示；當(dāng) II 組整流工作時，提供的電樞回路電流方向就會如虛線所

47、示方向。,常用的兩組晶閘管整流器反并聯(lián)可逆線路有兩種不同的接線形式,普通的反并聯(lián)線路，簡稱反并聯(lián)連結(jié) 2. 交叉反并聯(lián)連結(jié),兩種連接的主要區(qū)別在整流器交流側(cè)的電源上。在反并聯(lián)線路中，兩組晶閘管整流器共用一套交流電源，也就是說整流變壓器二次側(cè)只設(shè)一套繞組。如圖5-36中（圖a所示）。而交叉反并聯(lián)則不同，如圖5-36中（圖b所示），整流變壓器二次側(cè)設(shè)兩套互為獨立的繞組，各自分別為 I 組和 II 組供電。反并聯(lián)電路在控制上有較嚴(yán)格的要求，一般情況下都不允許兩組整流器都工作在整流狀態(tài)，否則的話就會造成電源短路。,圖5-36 a)普通反并聯(lián)可逆線路 b)交叉反并聯(lián)可逆線路,我們重點介紹一下反并聯(lián)可逆線

48、路：,在反并聯(lián)線路中，存在的一個重要問題就是如何處理環(huán)流問題。,所謂環(huán)流就是指不流過電動機或其它負(fù)載，而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流。,環(huán)流的存在，加大了系統(tǒng)的損耗，降低了系統(tǒng)的效率，所以一般應(yīng)設(shè)法消除。在有環(huán)流系統(tǒng)中，大多采用交叉反并聯(lián)的連接方式，而在其它系統(tǒng)，一般采用普通反并聯(lián)連接方式。,環(huán)流,穩(wěn)態(tài)環(huán)流：指可逆線路工作在一定 控制角的穩(wěn)定工作狀態(tài)所存在的環(huán)流 。,動態(tài)環(huán)流：指系統(tǒng)工作于過渡過程中，也就是控制角在變化過程中所產(chǎn)生的環(huán)流，該環(huán)流在穩(wěn)態(tài)工作中并不存在。 （不做討論）,直流平均環(huán)流：在有環(huán)流系統(tǒng)中，當(dāng)整流組輸出的整流電壓平均值大于逆變組輸出的逆變電壓平均值時即產(chǎn)生該種環(huán)流。,

49、脈動環(huán)流：它的產(chǎn)生是由于在有環(huán)流系統(tǒng)中，整流組與逆變組輸出的電壓瞬時值不等，當(dāng)順著晶閘管的導(dǎo)通方向出現(xiàn)正的電壓差時，所產(chǎn)生的脈動式的電流 。,二. 有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng),1、采用 配合工作制的有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng),工作原理：,由電力電子變流理論可知，在反并聯(lián)可逆連接線路中，只要設(shè)法保證當(dāng)一組工作于整流狀態(tài)時，另一組讓其處于逆變工作壯態(tài)，且使整流組的觸發(fā)角 與逆變組的逆變角 在量值上相等（采用相同觸發(fā)器），于是整流輸出電壓與逆變輸出電壓平均值相等且極性相反，這樣直流平均環(huán)流將不會產(chǎn)生。按此原理組成的反并聯(lián)無直流平均環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng)見圖5-37。,有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)常用的有兩種。 一種是

50、采用 工作制的存在脈動環(huán)流但不存在直流平均環(huán)流的系統(tǒng)； 一種是存在可以控制的直流平均環(huán)流兼有脈動環(huán)流的所謂可控環(huán)流系統(tǒng)?，F(xiàn)分別簡介如下。,圖5-37 采用的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng),主電路采用兩組三相晶閘管整流器反并聯(lián)的線路，存在兩條脈動環(huán)流通路，每條環(huán)流通路需兩個限制環(huán)流電抗器，其中一個因流過較大的負(fù)載電流而飽和，只有另一個起限制環(huán)流的作用，這樣，共需四個限制環(huán)流電抗器Lc1Lc4。,因限制環(huán)流電抗器流過負(fù)載電流而飽和，為抑制電樞電流的脈動及防止電流斷續(xù)，電樞中還要串入一個體積比較大的平波電抗器Ld。,AR為反號器，其作用是保證正、反組觸發(fā)器得到的控制信號大小相等，極性相反，即圖中,用兩個繼電器來

51、進(jìn)行給定電壓Un*極性的切換，給定信號極性不同時，對應(yīng)電動機的不同轉(zhuǎn)動方向。,控制線路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器均需設(shè)置雙向輸出限幅，以限制最大動態(tài)電流和最小觸發(fā)角 min 與最小逆變角 min 。在選擇合適的觸發(fā)器配合關(guān)系時，就能做到使正組的觸發(fā)角 與反組的逆變角 相等，即前面提到的 配合關(guān)系。,工作過程：, 的配合關(guān)系只是指控制角的工作狀態(tài)。 實際上，當(dāng)正組工作于整流工作狀態(tài)時，反向組直流平均電流為零，嚴(yán)格地說，它只是處于“待逆變狀態(tài)”。當(dāng)需要制動時，因控制角的改變，使Udof和Udor同時降低，一旦電動機反電動勢 時，整流組電流被截止，逆變組才能真正投入逆變狀

52、態(tài)，使電動機在能量回饋電網(wǎng)的過程中實現(xiàn)制動降速。 當(dāng)逆變組回饋電能時，另一組也是工作于“待整流狀態(tài)”。所以，在這種 的配合工作制下，電動機的電流可以很方便地按正反兩個方向平滑過渡，在任何時候，實際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等待工作狀態(tài)。,通過切換Un*的極性,本系統(tǒng)可以在運行中進(jìn)行正反向的相互切換。,切換過程：,當(dāng)突然Un*從正極性變?yōu)樨?fù)極性電壓時，系統(tǒng)先是正向制動，使轉(zhuǎn)速下降到零，然后反方向起動，完成起動過程后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行于某一反方向的轉(zhuǎn)速值上。,制動過程：當(dāng)發(fā)出反向指令后，Un*突然變負(fù)，速度反饋信號與給定電壓極性相同了，速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出迅速改變極性且為限幅值，此時電

53、流沒來得及變化，Ui仍為正極性電壓，在 Uim*與 Ui 同為正極性電壓的作用下，ACR的輸出 Uct 迅速反向且達(dá)負(fù)限幅值 Uctm ，在其作用下使正組VF由原來的整流狀態(tài)很快變成逆變狀態(tài)，且逆變角 f=min ，同時反組VR由原“待逆變狀態(tài)”轉(zhuǎn)為“待整流狀態(tài)”。此時在電樞回路中，VF輸出電壓改變極性，而反電勢仍為原極性，迫使 Id 迅速下降， Id 的迅速減小使電樞電路中電感 L 兩端感應(yīng)出很大的電壓 ,其極性是力圖阻止 Id 下降的。這時 ，由電感L釋放的磁場能量維持原來的正向電流，大部分能量通過VF的逆變狀態(tài)回饋電網(wǎng)，而反組VR盡管觸發(fā)信號在整流區(qū)，但并不能真正輸出整流電流。 隨著磁場

54、能量的減少， Id逐漸減少到零。,通常將制動的這個子階段稱作本組逆變階段，有些書上稱其為本橋逆變。理由是在這一階段中投入逆變工作的仍是原來處于整流工作的一組裝置。,它組制動階段又可分成三個子階段： 它組建流子階段； 它組逆變子階段； 反向減流子階段。,當(dāng)主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第 I 階段結(jié)束，轉(zhuǎn)到反組VR 工作，開始通過反組制動。從這時起，直到制動過程結(jié)束，統(tǒng)稱“它組制動階段”。,（1）Id 過零并反向，直至到達(dá) - Idm 以前，ACR并未脫離飽和狀態(tài)，其輸出仍為 - Ucm 。這時，VF和 VR 輸出電壓的大小都和本組逆變階段一樣，但由于本組逆變停止，電流變化延緩， LdI/

55、dt 的數(shù)值略減，使,反組VR由“待整流”進(jìn)入整流，向主電路提供 Id 。 由于反組整流電壓 Ud0r 和反電動勢 E 的極性相同，反向電流很快增長，電機處于反接制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速明顯地降低，因此，又可稱作“它組反接制動狀態(tài)”。,（2） 當(dāng)反向電流達(dá)到 Idm 并略有超調(diào)時，ACR輸出電壓 Uc 退出飽和，其數(shù)值很快減小，又由負(fù)變正，然后再增大，使VR回到逆變狀態(tài)，而 VF 變成待整流狀態(tài)。此后，在ACR的調(diào)節(jié)作用下，力圖維持接近最大的反向電流 Idm ，因而,電機在恒減速條件下回饋制動，把動能轉(zhuǎn)換成電能，其中大部分通過 VR 逆變回饋電網(wǎng)，這一階段稱作“它組回饋制動階段”或“它組逆變階段”。 這

56、個階段所占的時間最長，是制動過程中的主要階段。 當(dāng)轉(zhuǎn)速下降得很低，無法再維持 Idm時，電流立即衰減，進(jìn)入下一階段。,（3） 在電流衰減過程中，電感 L上的感應(yīng)電壓 LdI/dt 支持著反向電流，并釋放出存儲的磁能，與電動機斷續(xù)釋放出的動能一起通過VR逆變回饋電網(wǎng)。 若給定信號為零，在Id 的作用下，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定大小的負(fù)值后， 隨著Id 的減小，經(jīng)幾次衰減震蕩后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在零上； 若給定信號為一定大小的負(fù)值，則轉(zhuǎn)速變負(fù) 后，ASR仍不退飽和，在電流環(huán)的作用下維持 Idm ，電動機處于反向起動狀態(tài)。,系統(tǒng)的突出優(yōu)點： 切換時電流無死區(qū)，快速性好； 缺點： 存在脈動環(huán)流，額外加限制脈動環(huán)流電抗器。

57、,、可控環(huán)流的可逆調(diào)速系統(tǒng),按著負(fù)載較輕時讓系統(tǒng)存在適當(dāng)?shù)闹绷髌骄h(huán)流，隨著負(fù)載的增加而自動減小，當(dāng)負(fù)載大到一定程度，完全取消直流平均環(huán)流的原則組成的可逆調(diào)速系統(tǒng)被稱作可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。,圖5-38 可控環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)原理圖,系統(tǒng)主電路采用兩組晶閘管交叉反并聯(lián)線路。控制線路仍為典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。,系統(tǒng)原理：,正、反組電流調(diào)節(jié)器1ACR,2ACR的輸入端由負(fù)電源經(jīng)分壓得 到的負(fù)極性電壓 Uc* 作為環(huán)流給定。,二極管VD、電容C、電阻R配合環(huán)流給定電壓Uc*，共同構(gòu)成了環(huán)流的抑制環(huán)節(jié),工作原理：,本系統(tǒng)除了可控環(huán)流環(huán)節(jié)以外，其它部分的工作原理與 配合工作制的有環(huán)流系統(tǒng)相仿，這里著

58、重介紹一下可控環(huán)流環(huán)節(jié)的工作原理。,當(dāng)速度給定信號Un*=0 時，ASR輸出電壓Ui*=0 ，則1ACR、2ACR均輸出一不大的正極性電壓，兩組整流器均處于整流狀態(tài)，輸出相等的電流If=Ir=Ic*(Ic*即為最大給定環(huán)流，其值由 Uc* 決定)，在原有脈動環(huán)流之外，又加上恒定的直流平均環(huán)流，而電動機的電樞電流為Id=If-Ir=0。,當(dāng)給定 Un* 為正時，Ui*為負(fù)，二極管 VD1導(dǎo)通，負(fù)的 Ui*加在正組電流調(diào)節(jié)器1ACR上，使正組控制角 f 更小，輸出電壓Udof 升高，正組流過的電流If也增大,與此同時，反組的電流給定 為正電壓，二極管 VD2截止，正電壓 只有通過與 VD2 并聯(lián)的

59、電阻 R 經(jīng)衰減后加到反組的電流調(diào)節(jié)器2ACR上， 與環(huán)流給定電壓 Uc*極性相反，故 抵消了 Uc* 的作用，抵消的程度取決于電流給定信號的大小。,采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)工作時電流環(huán)的給定信號 Ui* 與電流反饋信號 Ui 是相等的，而 Ui 與電樞電流 Id （穩(wěn)態(tài)時 Id=Ie ）成比例，為此，負(fù)載電流小時，正極性的Ui*不足以抵消負(fù)極性的 Uc*，所以反組還有較小的環(huán)流電流流過，電樞電流 Id=If-Ir；隨著負(fù)載加重，負(fù)載電流的增大，正極性的Ui*繼續(xù)增大，抵消負(fù)極性Uc*的程度增大，當(dāng)負(fù)載電流大到一定程度時，環(huán)流就完全被遏制住了。這時正組流過負(fù)載電流，反組則無直流平均

60、電流通過。,三. 無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng),無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng),邏輯控制 無環(huán)流系統(tǒng)：,錯位控制 無環(huán)流系統(tǒng)：（略）,采用的無環(huán)流控制方法：當(dāng)一組整流裝置工作時，用邏輯電路封鎖另一組整流裝置的觸發(fā)脈沖，使其根本不能導(dǎo)通，這樣，無論是直流平均環(huán)流還是瞬時脈動環(huán)流都不存在了。,采用的仍是配合控制，工作時，兩組整流裝置均可得到觸發(fā)脈沖，但兩組裝置的觸發(fā)脈沖的相位錯開的比較遠(yuǎn)，這樣，當(dāng)一組工作時，另一組雖也得到觸發(fā)脈沖，但因其晶閘管承受反壓而無法導(dǎo)通，自然環(huán)流也就不存在了。,1. 邏輯控制的無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng),邏輯控制器,邏輯控制器的作用： 根據(jù)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，適時發(fā)出正反兩組觸發(fā)脈沖的封鎖和開放信號Ube

61、f、Uber。,邏輯控制器的輸入信號： （1）是速度調(diào)節(jié)器的輸出Ui*，其值的極性反映了電動機電磁轉(zhuǎn)矩的給定極性。 （2）第二個信號 Uio是反映電樞電流是否接近零值的，當(dāng)該信號為一個二極管管壓降時，可認(rèn)為電樞中有電流，而當(dāng)信號小于二極管管壓降時，就可認(rèn)為電樞回路是零電流，所以該信號可稱為零電流檢測信號。,正向運行時，Ui*為負(fù)，DLC通過Ubef開放正組觸發(fā)脈沖，通過Uber封鎖反組觸發(fā)脈沖，正組工作于整流狀態(tài),反組不工作。,系統(tǒng)工作原理：,當(dāng) Un*為正給定時，Ui*為負(fù)，Uctf 為正，DLC通過 Ubef開放GTF的脈沖輸出，使正組整流裝置VF工作于整流狀態(tài)，電動機正向運行，同時DLC

62、通過Uber封鎖GTR的脈沖輸出，使反組VR的晶閘管全部處于關(guān)斷狀態(tài)。 若當(dāng)Un*為負(fù)給定時，Ui*為正，則Uctr為正，DLC通過Uber開放反組脈沖，VR工作于整流狀態(tài)，電動機反轉(zhuǎn)運行，而正組觸發(fā)脈沖被DLC通過Ubef封鎖。,正向制動過程及DLC工作特點：,當(dāng)給定信號變?yōu)榱銜r，ASR輸出迅速反向，由原來的Ui*為負(fù)變?yōu)檎?，DLC得到了封鎖正組，開放反組觸發(fā)脈沖的必要條件，但不是充分條件。此時系統(tǒng)的制動過程首先要進(jìn)行的是本組逆變。,本組逆變終止，電樞電流因接近零而斷續(xù)時DLC才應(yīng)準(zhǔn)備封鎖正組的觸發(fā)脈沖，所以電樞回路電流是否接近零值是DLC封鎖正組的另一條件，圖中的零電流檢測信號Uio正是起

63、這種作用的。,DLC 工作條件,1.,設(shè)置開放延時時間的目的是由于已封鎖組最后被觸發(fā)導(dǎo)通的晶閘管應(yīng)完全關(guān)斷后才能開放另一組的觸發(fā)脈沖，否則會造成兩組都有導(dǎo)通的晶閘管而形成環(huán)流。,判明電樞回路電流已斷續(xù)后，大約等待2-3ms后，才能真正封鎖正組觸發(fā)脈沖。這一時間稱為封鎖等待時間。,設(shè)置封鎖等待時間的目的是為了確保電流已斷續(xù)。否則的話，電流連續(xù)時就封鎖觸發(fā)脈沖會使工作于逆變狀態(tài)的整流裝置因失去觸發(fā)脈沖而發(fā)生逆變顛覆故障。,正組觸發(fā)脈沖被封鎖的同時，還不能立即開放反組的觸發(fā)脈沖，需要5-7ms的延時時間才能開放反組的觸發(fā)脈沖，這一時間常稱為開放延時時間。,反組開放后，余下的過程與前述的有環(huán)流系統(tǒng)相同,邏輯無環(huán)流的控制策略也是構(gòu)成全數(shù)字直流驅(qū)動裝置的基礎(chǔ)，得到廣泛應(yīng)用！,