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1、机 床 电 气 控 制,王炳实 王兰军 主编,第二章 电动机的无级调速,第一节 速度控制的基本概念和指标 第二节 直流电动机的速度控制 第三节 交流电动机的调速系统 第四节 调速装置的选择与使用,第一节 速度控制的基本概念和指标,一、速度控制的基本概念 二、调速系统的静态技术指标 三、负载的类型与调速方式的匹配,一、速度控制的基本概念,1.速度控制 2.调速的必要性 3.机床的调速方法,1.速度控制,图2-1 电动机的调速及速度变化,电动机的速度控制，又称电动机的调速。是在机械传动系统中人为地 或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。,所谓调速，是在机械传动系统中人为地或自动
2、地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。调速和由于负载变动引起的转速变化是不同的概念，例如在图2-1中所示的，人为的使电压由UN降至U1时，在保持负载转矩为Tc不变的条件下，稳态时的转速由na降至nb，称为调速。若U=UN不变，负载转矩由Tc增加至Tc，则稳态时的转速将自动地由na降至nc，这称为由负载变动而引起的速度变化(或转速波动)。,2.调速的必要性,图2-2 直流电动机的机械特性,图2-2为直流电动机的机械特性,调速是机床对其电力拖动系统提出的重要要求。 机床不仅要求调速，在许多情况下还要求速度稳定(稳速)。,它是向下倾斜的，可见即使固定在某一转速下工作，如工作在A点，但在
3、加工时，由于电源电压的波动，工件毛坯余量不同，材质不均匀，摩擦力变化等原因，必然引起负载转矩Tc的变化。,3.机床的调速方法,(1)机械有级调速 在卧式车床、钻床、铣床、小型镗床等机床主传动中，常常采用不调速的笼型异步电动机拖动。 (2)电气和机械配合的有级调速 机床的传动系统采用多速异步电动机，再与齿轮变速箱传动比相配合而获得不同的转速。 (3)电气无级调速 就是机床执行机构所需的不同转速是通过直接改变电动机的转速而实现的，这种机床的齿轮变速箱改为减速器，从而使机床的传动系统变得很简单，这一点对重型机床来说是非常重要的，同时电气无级调速系统调速范围宽、控制灵活，可以实现远距离操作。,二、调速
4、系统的静态技术指标,静态技术指标主要有调速范围D，静差率S，调速的平滑性和经济性以及系统与负载配合的能力等，它们反映了调速系统的稳定性能。 1.调速范围D 2.静差率S 3.调速的平滑性 4.调速的经济性,图2-3 不同转速对S的影响,1.调速范围D,在额定负载转矩TN下，电动机的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围D，即,如图2-3所示，通常将nmax视为电动机的额定转速nN。一般希望调速系统D大一些好。,2.静差率S,静差率S是指电动机由理想空载增加到额定负载时，对应的转速降nN与其理想空载转速n0之比，采用百分数表示，即,静差率主要表示负载变化时，调速系统转速变化的程度。在
5、同一负载下，高速运行和低速运行时，转速降n是相同的(图2-3)但在高速和低速运行时，对应的理想空载转速n01和n02却不同，n01n02，显然高速时S较小，低速时S较大，当低速时S能满足要求的话，则高速时就更能满足要求了，所以用调速范围D内最低速时的静差率代表系统能达到的静差率。 通过利用已有的数学式，可以找到D、S和nN三者之间的关系为,由式(2-3)可见，nN一定时，要求S越小，则调速范围D也越小；若要满足D和S的要求，则要设法使nN减小。,2.静差率S,表2-1 几种生产机械的S与D范围,表2-1给出了几种生产机械的S、D值要求。,3.调速的平滑性,调速的平滑性用两个相邻转速之比表示,即
6、从某一转速ni与能调节到的最邻近的转速ni-1之比来评价。显然值愈小，说明愈平滑，无级调速时1。,4.调速的经济性,用调速的设备费用，能量消耗，维护及运转的费用来评价其经济性。,三、负载的类型与调速方式的匹配,(1)负载的类型 需要调速的工作机械是很多的，对调速有各种不同的要求，工作机械产生的转速与转矩的关系称为负载特性。负载特性分为不同的类型，通常的类型有恒转矩负载和恒功率负载。 (2)调速方式的匹配 对于恒转矩负载，应采用恒转矩的调速方式。对于直流电动机，当励磁=N一定时，采用调节电枢电压或电枢电阻的方法，即为恒转矩的调速方式。 同样，恒功率负载采用恒功率的调速方式，也称之为实现了匹配。,
7、第二节 直流电动机的速度控制,一、直流电动机的调速方法 二、他励直流电动机的开环速度控制 三、直流电动机的闭环速度控制系统 四、应用举例,一、直流电动机的调速方法,1.直流电动机的调速公式 2.改变电枢电压的速度控制方式(调压调速) 3.改变励磁磁通的调速方式(弱磁调速),1.直流电动机的调速公式,图2-4 他励直流电动机原理图,从电工学知，如图2-4所示他励电动机电路图，稳态时，可写出下列方程式,1.直流电动机的调速公式,式中，Ce为电动机电动势常数；Cm为电动机转矩常数；为磁通；Pd为电动机的输出功率(kW)；Ra、Rs为电枢绕组固有电阻Ra和电枢回路外串电阻Rs。 由式(2-5)和式(2
8、-6)可得,1.直流电动机的调速公式,图2-5 直流电动机的机械特性,图2-5中n0叫理想空载转速，n叫转速降落，又称为静差。,1.直流电动机的调速公式,由上面的分析可以得出下列结论： 1)由式(2-10)可知，直流电动机的调速方法有：改变电枢回路电阻Rs、电枢端电压Ud和磁通三种。 2)由式(2-11)看出，直流电动机的速度与反电动势Ed成正比例，也与外施电枢端电压Ud成正比例，同时与磁通成反比。 3)式(2-7)和(2-8)表明：若电枢电流Id维持恒定(调速必须遵循的原则)，当改变外施电压Ud，且维持每极磁通不变时，则转矩T不变，而电动机输出功率Pd与速度n成比例变化，它是恒转矩调速；由于
9、受到电动机绝缘条件限制，通常是在额定电压以下调速。 4)由式(2-7)、式(2-8)、式(2-11)看出，若维持Ud不变而削弱每极磁通时，则转速n上升，转矩T下降，而输出功率Pd可基本维持不变，所以弱磁调速是属恒功率调速。,图2-6 调压与调磁时的机械特性,1.直流电动机的调速公式,图2-6为它励电动机改变电枢端电压和每极磁通时的转速和输出功率、 转矩的特性曲线。,2.改变电枢电压的速度控制方式(调压调速),图2-7 调压调速的调整过程,由图2-7可见，调压调速的特性有以下特点：,2.改变电枢电压的速度控制方式(调压调速),1)无论是高速还是低速，其机械特性斜率不变，故硬度较高，负载变化时的速
10、度稳定性好。 2)电源电压能够平滑调节，故是无级调速，且调速平滑性好。 3)由于在恒定励磁条件下电枢电流与端电压无关，即Ud变化时Id不变，对于不变的负载，无论是高速或是低速电枢的铜损耗是不变的，故电能损耗小，但要注意，如果没有外界通风冷却，则电动机本身的散热能力将随着转速的下降而降低。 4)调压调速是恒转矩调速，它的性质正好满足恒转矩负载的要求。,3.改变励磁磁通的调速方式(弱磁调速),图2-8 调磁调速特性和过程,图2-8为改变磁通调速机械特性曲线。,3.改变励磁磁通的调速方式(弱磁调速),1)弱磁调速是因只能调小而不能调大，故速度只能调高不能调低，称为上调或向上调速。 2)机械特性斜率增
11、大，特性变软，负载变化时速度稳定性变差。 3)由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，调速平滑。 4)弱磁调速是恒功率调速，电动机能长期输出它的额定功率，而输出的转矩随转速升高而降低，这个性质恰好满足恒功率负载的要求。,二、他励直流电动机的开环速度控制,图2-9 直流电动机开环调速系统示意图,按照系统有无反馈环节，即输出量是否反馈到输入端，控制系统可分为开环控制和闭环控制。不设反馈环节的，则为开环控制系统；设有反馈环节的，则为闭环控制系统。图2-9是他励直流电动机由晶闸管供电的开环控制系统。系统由晶闸管脉冲触发器BPF、晶闸管变流器UR、滤波电抗器L和直流电动机组成。,图
12、2-9中电抗器L是为了减少晶闸管整流电压的交流分量，起到滤波作用，并使主电路电流波形连续。,二、他励直流电动机的开环速度控制,改变给定电压Ug，就可改变触发电路的控制电压Uk，就可改变控制角和Ud，从而实现调压调速。在这里，一定的Ug对应着一定的n，转速n为输出量或被控量。显然此系统只有输入量对输出量的控制作用，而没有输出量再反馈回来影响输入量之能力，所以它是开环控制系统。,三、直流电动机的闭环速度控制系统,1.闭环控制系统的组成及工作原理 2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析 3.采用PI调节器的晶闸管电动机转速负反馈系统 4.闭环速度控制系统的电流控制 5.其他反馈环节在自动调速系统中
13、的应用,1.闭环控制系统的组成及工作原理,(1)电路的构成 把输出量再引回到输入端，作为输入量的一部分，就构成闭环系统。 (2)工作原理 由图2-10看出，电位器RP1给出给定电压Ug，测速发电机输出反馈电压Ufn，两者之差U=Ug-Ufn送入放大触发电路。,图2-10 具有转速负反馈的闭环控制系统,(1)电路的构成,图2-10输出量为转速n，通常是把一个测速发电机接到电动机的输出轴上，测速发图2-10 具有转速负反馈的闭环控制系统 电机的输出就提供一个代表这个电动机实际转速的电压信号，再将这个电压信号送回到系统的输入端与给定值进行比较，从而使系统输出量趋近于给定量，达到其稳速之目的。显然这是
14、一个速度负反馈控制系统。,(2)工作原理,电路在输入信号U的作用下，产生出控制角为的触发脉冲去触发可控整流器，从而控制Ud的大小。由Ud向直流电动机供电，产生相应的转速n带动负载 运转，并同时带动与其同轴相连的测速发电机TG旋转，产生发电机电枢电动势,式中，Cef为测速发电机电动势常数；ef为测速发电机的励磁磁通。 而反馈电压,因为Ecfn，所以反馈电压Ufn也与转速成正比例。其稳压过程如下： 若给定电压Ug不变，当负载转矩Tc变化时，,这就是说，当负载增加时，引起了速度n下降，通过反馈后，系统又将转速拉回到原来的值，以维持转速基本不变。 同理可知，负载减小时也有同样的调整过程。,2.速度负反
15、馈晶闸管电动机系统的静态分析,图2-11为该系统的方框图(又称静态结构图)。假设该系统为线性系统，则可以写出闭环控制系统几个部分的方程式。 (1)放大器输出电压为 式中，Kp为放大器的电压放大倍数。 (2)晶闸管整流装置的输出电压Ud为 式中，Kkz为晶闸管整流装置放大倍数，它包括触发器BPF和晶闸管变流器UR在内。 (3)电动机电枢回路电势平衡方程式,式中，Rd为电枢回路总电阻(包括电枢电阻、电抗器电阻等)，Uzx为晶闸管正向管压降(一般Uzx1.2V)。,图2-11 转速负反馈系统的方框图,2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析,(4)转速反馈回路，由式(2-12)和式(2-13)得,2
16、.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析,式中,Kfn=CefefR2/(R1+R2)为速度反馈系数。 将式(2-14)、式(2-15)、式(2-16)、式(2-17)联立求解得该闭环系统的机械特性方程式为,式中，KG为从给定电压到晶闸管整流电压的电压放大倍数，KG=KpKkz;K=KGKfnCc为系统开环总放大倍数；nof为闭环理想空载转速;nf为闭环转速降落。,2.速度负反馈晶闸管电动机系统的静态分析,(5)开环系统的静特性 断开反馈回路与输入端的联系，图2-10所示电路即为开环系统，其机械特性为,如果将开环系统和闭环系统的理想空载转速调到相等，方法是把有反馈的给定电压增大为(1+K)Ug，设开环和闭环转速降分别为nk和nf，可得,由式(2-3)，闭环系统的调速范围Df为,上面两式表明，系统由转速负反馈构成闭环后，在同样大小负载条件下，静态转速降比开环时减少了(1+K)倍，而调速范围则增大(1+K)倍。,3.采用PI调节器的晶闸管电动机转速负反馈系统,(1)结构 图2-13为PI调节器的调速系统。 (2
