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1、交直流调速系统,学习目的和要求 1了解调速系统的作用 2熟悉生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求 3了解调速系统与生产机械的负载特性合理匹配的基本概念 4掌握各种常用的调速系统的基本组成环节、调速原理、特点及适用场所及其选用,交通系统,1、什么是调速及调速系统 将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称之为调速；用于完成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。 电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需要根据工艺要求调节其转速。 比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加
2、工时要求电机高速运行。,2、调速系统的作用 机床在加工过程中、需要按不同的加工要求，调整主轴的转速、进给速度。为保证工件表面质量和精度，要求电动机运行速度平稳。 （1）调速：调速控制系统保证电动机起动、制动、调速过程迅速改变速度。 （2）稳速：调速控制系统能迅速消除扰动(主要是负载和电枢电压波动)而引起的转速波动，保证电动机运行速度平稳。,3、调速系统的性能指标 根据生产机械对调速系统提出的要求，调速技术指标又静态指标和动态指标。 静态指标：静差度,调速范围。 动态指标：跟随性能指标,抗扰性能指标。 4、调速系统的分类 目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速系统的调速范围广，静差率小、
3、稳定性好以及具有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调速系统几乎都采用了直流调速系统。,直流电动机工作原理,直流电动机原理示意图,磁极,电枢,换向器,电刷,直流电动机的励磁,直流电动机的分类 励磁方式：励磁绕组和电枢绕组之间的连接方式,指电机的励磁方式，如他励、并励、串励和复励等。 励磁电压Uf ：对并励电机来说，励磁电压就等于电机的额定电压；对他励电机来说，励磁电压要根据使用情况决定。 励磁电流If ：指电机产生主磁通所需要的最大允许励磁电流。,他励方式,（a）他励直流发电机 （b）他励直流电动机 他励直流电机的励磁方式,励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系 Ia=I,第一章 单闭环直
4、流调速系统 调速控制系统的性能指标 各种自动化生产机械或系统所提出的性能指标一般都分为稳态指标和动态指标。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。 动态指标：主要是平稳性和抗干扰能力。,直流调速系统基础知识 直流他励电动机的转速公式表示,式中 n转速；单位r/min 。 Ud电枢电压（V）；,Id电枢电流（A）； Rd电枢回路电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； Ke由电动机结构决定的电动势系数。,以上公式表明：直流电动机的调速方法有三种
5、。,（1）调节电枢供电电压Ud 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。,工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN Ud n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。,调压调速特性曲线,（2）改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a 调节过程： 减小励磁 FN F n ， n
6、0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。,调磁调速特性曲线,（3）改变电枢回路电阻R 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。,工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电压 U =UN 调节过程： 增加电阻 Ra Rn ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。,调阻调速特性曲线,三种调速方法的性能与比较,要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通调速范围不大，并且这两种都会使直流他励电机的机械
7、特性变软。 在实际应用中我们通常采用的是变电压调速，实现调压调速的关键是要有可调的直流电源。,直流调速系统用的可控直流电源 调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。60年代初，大功率晶闸管投入使用，采用晶闸管可控整流器向直流电动机供电，随着晶闸管变流技术的日渐成熟，使直流调速系统更加完善。目前，用晶闸管变流器控制的他励直流电动机，是工业应用最广泛的电动机传动系统。,对直流调速系统的要求 各类不同的生产机械，由于其具体的生产工艺过程不同，对控制系统的性能要求也是不同的。但归纳起来有以下三个方面。 调速 在一定的范围内实现有级或无级地调节转速。调速系统的转向若要求正、反转，则为可逆调速系
8、统，若只要求单向运转，则为不可逆调速系统。 稳速 以一定的精度与要求的转速上稳定运行，尽可能不受外部或内部扰动的影响，以确保产品质量。,良好的起、制动性能：对于频繁起、制动的设备要求尽可能快地加、减速，以提高生产效率。要求起、制动尽可能地平稳。 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机组，以获得可调的直流电压。 （2）静止可控整流器。用静止的可控整流器，如晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。 （3）直流斩波器或脉宽调制变换器。利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流直流电源。,1. 旋转变流机组（G-M系统） 以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调
9、速系统的原理：由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M电枢供电，调节发电机的励磁电流 ，即可改变其输出电压U，从而调节电动机的转速n的大小。这种调速系统叫做发电机电动机系统，即G-M系统。,图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大装置进行控制。如果改变if的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变，因此G-M系统的可逆运行是很容易的。,这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组，设备多、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为了克服这些缺点，在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替旋转变流机组，直
10、流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代。,2、静止式可控整流器（V-M系统）,图1-3 晶闸管-直流调速系统（V-M系统）,d2,d1,一、电阻负载（=00）,开环调速系统,直流电机调速系统的基本结构,控制,驱动,电机,机械,速度控制,速度负反馈闭环调速系统（闭环）,控制,驱动,电机,机械,测量,速度控制,目前，晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统。已经成为直流调速系统的主要形式。,晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统）,给定电压 Uc 控制触发装置：GT触发脉冲的相位a,1、开环V-M系统控制过程分析,在开环调速系统中，控制是单方向进行的，输出转速并不影响控制电压，控制电压直接由给定电
11、压产生。,1）直流电动机：直流电动机有两个独立的电路，一个是电枢回路，另一个是励磁回路； 2）晶闸管整流电路； 3）晶闸管触发脉冲电路；,2、开环V-M系统组成,当电动机处于稳态运行时，di/dt=0，dn/dt=0，即可得到系统的输出输入关系,当出现扰动时：如负载发生变化,问题：输出量不能按照输入量所期望的状态去工作，即不能得到期望的转速。 2、解决方法 自控原理中学过，采用反馈控制的闭环调速系统，即按被调量的偏差来进行控制，只要出现偏差系统就会自动产生纠正偏差的作用，反馈闭环控制有时称为偏差控制。,V-M系统的特点 晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，晶闸管可控整流器的功率放大倍
12、数大约在104 ，控制功率小，在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。,第二节 转速负反馈有静差直流调速系统,任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如：最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面： 1）调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。,2）稳速：在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。 3）加、减速：要
13、求加、减速尽量快，以提高生产率；要求起，制动尽量平稳。 4）有两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。,调速范围:生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速Nmax与最低转速Nmin之比称为调速范围，用D表示。即：,静差率 调速系统的负载由理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落n与理想转速n0之比，用s表示。即：,两者之间的关系是：,静差率S是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，与机械特性的硬度有关。,2.1、开环V-M调速系统原理图,稳态结构图,由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：,例：某电源电动机直流调速系统，已知
14、电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18，CeN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn5%，则该调速系统是否能满足要求？,解：,而静差率为：,由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。必须采用负反馈，这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统转速负反馈直流调速。,转速负反馈有静差调速系统的组成框图,它在开环调速系统的基础上增加了转速检测环节（测速发电机TG和反馈电位器RP2）和放大环节。图中，电力电子器件组成的变换器，其输入接三相（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压。,2.2、单闭环V-M调速系
15、统及静特性,在闭环系统中，把系统的输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统的输入量进行比较，从而得到反馈量与输入量之间的偏差信号。利用此偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，自动纠正偏差。因此，带输出量负反馈的闭环控制系统具有较高的抗扰性，具有改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。,1系统原理图,2.3、单闭环调速系统的组成,图1-4 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图,+,-,M,TG,+,-,+,-,+,-,Utg,Ud,Id,n,+,-,-,+,Un,Un,U*n,Uc,UPE,+,-,Id,Un,Ud,Uc,tg,2、对于中、小容量系统，多采用PWM变换器
16、；对于特大容量的系统，则常用晶闸管装置。,3、在电动机轴上安装一台测速发电机TG，检测到电动机转速，并变换成与之成正比的电压，再经电位器为反馈电压Ufn，引至放大器的输入端与转速给定电压Usn比较，得到偏差电压U，经过放大器A放大后得到输出电压Uk，用Uk控制晶闸管触发器的控制角，使晶闸管整流装置变换出不同的直流电压Udo，用以控制电动机的转速。因为只有转速反馈环，所以称为单闭环转速负反馈调速系统，闭环调速系统应该能够大大减少转速降落。,2.4、稳态分析 转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：,电压比较环节,放大器,电力电子变换器,调速系统开环机械特性,测速反馈环节,以上各关系式中 放大器的电压放大系数； 电力电子变换器的电压放大系数； 转速反
