机电传动控制直流电动机的变速工程系统

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1、机电传动控制 1 目录目录 第第7 7章章 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 7-1 7-1 电力半导体器件电力半导体器件 7-2 7-2 可控整流电路可控整流电路 7-3 7-3 逆变与脉宽调制逆变与脉宽调制 7-4 7-4 电力半导体器件和装置的保护电力半导体器件和装置的保护 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 7-6 7-6 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统 7-7 7-7 晶闸管晶闸管- -电动机可逆调速系统电动机可逆调速系统 7-8 7-8 晶体管直流脉宽调速系统晶体管直流脉宽调速系统 第一第一 部分部分 第二第二 部分部分 机电传动控制 2

2、 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 第二部分第二部分 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 7-6 7-6 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统 7-7 7-7 晶闸管晶闸管- -电动机可逆调速系统电动机可逆调速系统 7-8 7-8 晶体管直流脉宽调速系统晶体管直流脉宽调速系统 机电传动控制 3 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 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； 能根据生产机械的特

3、点和要求来 正确选择机电传动控制系统， 能处理控制系统运行时所出现的一般问题。 基本要求基本要求 机电传动控制 4 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 几种常用反馈(转速负反馈、 电压负反馈与电流正反馈、电流截止负反馈) 系统的工作原理，特点与作用； 晶体管脉宽调速系统 的组成基本工作原理与主要特点。 比例积分调节器(PI调节器)的调节作用； 晶体管脉宽调速系统中主电路(功率开关放大器) 工作时的电压、电流波形分析。 重点重点 难点难点 机电传动控制 5 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5 7-5 单闭环直流调速系

4、统单闭环直流调速系统 系统中采用比例调节器。系统具有以下性质： 一、单闭环有静差调速系统 在相同的负载电流下，闭环系统的静态转速降 仅为开环系统转速降的1(1K )倍 (K 是闭环系统的开环放大倍数)。 从而大大提高了机械特性的硬度， 使系统的静差度大为减小。 在给定电压一定时，闭环系统的理想空载转速 仅为开环时的1(1K )倍。 为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速， 闭环时的给定电压须比开环时的提高(1K )倍。 机电传动控制 6 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一、单闭环有静差调速系统

5、 在相同的最高转速和相同的低速 最大允许静差度的条件下， 闭环系统的调速范围为开环系统的(1+K)倍。 所以： 提高开环放大倍数K是减小闭环系统静差度、 扩大调速范围的有效措施。 但K太大，对系统的动态稳定性不利。 机电传动控制 7 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统（1）系统组成 + - 放 大 器 M TG + - + - + - Utg Ud Id n + - - + U Ug + - M TG Uf Uk u 整 流 器 触 发 器

6、测速发电机 电动机 负反馈 电压 给定电压 偏差 电压 控 制 角 控 制 电 压 输出 电压 转速 机电传动控制 8 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统（2）调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中， 与电动机同轴安装一台测速发电机 TG ， 从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf ， 与给定电压 Ug 相比较后，得到转速偏差电压 U ， 机电传动控制 9 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5

7、7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统 经过放大器 ，产生控制电压Uk， 通过触发器，改变控制角， 使整流器的输出电压Ud改变，从而控制电动机的转速n。 （2）调节原理 机电传动控制 10 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 （3）闭环系统的 稳态结构框图 KpKs 1/Ce UgUkUEnUd Uf + + -IdR - 机电传动控制 11 第第7 7章章 直流电动机调速

8、系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 励磁变化 Id变化 电源波动 Kp变化 电阻变化 检测误差 KpKs 1/Ce UgUkU En Ud Uf + + - IdR - 各种 扰动作用 最终都要 影响到转速 （4）扰动作用与影响 机电传动控制 12 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 一、单闭环有静差调速系统 1. 转速负反馈单闭环有静差调速系统 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动

9、都有抑制功能。 例如： UkUd n UfUUkUd n Id n UfUUkUd n KpKs 1/Ce UgUkU En Ud Uf + + - IdR - （5）抗扰能力 机电传动控制 13 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 一、单闭环有静差调速系统 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 2. 电压负反馈单闭环有静差调速系统（见教材P282图7-38） 它只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落， 故它主要不是用来稳速，而是用它来防止过电压， 改善动态特性、加快过渡过程。 3. 电压负反馈与电流正反馈组成的 转速负反馈单闭环有静

10、差调速系统（见教材P278图7-39） 电流正反馈可以补偿电动机电枢电阻压降IaRa， 因而扩大了调速范围，提高了转速的稳定性。 只要二者比例配合适当，可以起到速度负反馈的作用。 机电传动控制 14 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 系统组成见教材P281图7-43。 单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器， 比例部分迅速反映调节作用，动态响应快， 积分部分最终消除静态偏差。 因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。 对于反馈检测元件和给定电源误差的消除， 闭环系统是无能为力的，故

11、高精度的自动调速系统必须 有高精度的检测元件和给定电源作保证。 单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题， 所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。 二、单闭环无静差调速系统 机电传动控制 15 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 二、单闭环无静差调速系统 电流截止负反馈单闭环无静差调速系统 (见：教材P281图7-43、 P282图7-45) 有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。 例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬 的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若没有限流

12、 环节，硬运行下去，电流将远远超过允许值。 如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸， 也会给正常工作带来不便。 采取电流截止负反馈调速系统，可以获得“堵转”特性 (常称“挖土机”特性)，防止电流过大而烧坏电机。 机电传动控制 16 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-5 7-5 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 二、单闭环无静差调速系统 电流截止负反馈单闭环无静差调速系统 (见：教材P281图7-43、 P282图7-45) 调速系统静特性 Ia0I0 n0 I O n0 Ia0 n0 I O n0 A-转速 负反馈特性 B-电流负反馈特性

13、当挖土机遇到 坚硬的石块而过载时， 电动机停下， 电流也只是 堵转电流Ia0。 这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。 机电传动控制 17 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-6 7-6 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统 系统组成见教材P283图7-48。 转速、电流双闭环调速系统 是一个具有电流调节器为内环 和转速调节器为外环的串级调速系统。 两个调节器都采用比例积分调节器， 它具有良好的静态、动态特性。 机电传动控制 18 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-6 7-6 双闭环直流调速系统双闭环直流

14、调速系统 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。 且在转速调节器饱和、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。 机电传动控制 19 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-6 7-6 双闭环直流调速系统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

15、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。 机电传动控制 20 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-7 7-7 晶闸管电动机可逆调速系统晶闸管电动机可逆调速系统 l 采用逻辑控制无环流可逆电路，两组变流器反并联连接。 l 实现电动机正反转时，两组变流器交替工作。 两组变流器的 反并联可逆线路 机电传动控制 21 第第7 7章章 直流电动机调速系统直流电动机调速系统 第二部分第二部分 7-7 7-7 晶闸管电动机可逆调速系统晶闸管电动机可逆调速系统 对应电动机四象限运行时 两组变流器工作情况 电动机 正转时， 正组整流 由