1、第9章 直流调速系统,一、静态技术指标 1 静差度S：速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度，用S表示 。当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差度S小于一定数值。 电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高。在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。(若 一定，最低转速的理想空载转速 最小，故静差度最大）,9.1 自动调速系统主要性能指标,2. 调速范围D 在额定负载下允许的最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速之比称为调速范围，用D表示。 3. 调速的平滑性
2、调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，相邻调速级的转速差越小，调速的平滑性就越高，若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调，称为无极调速。不同的生产机械对调速的平滑性要求也不同，有的采用有极调速即可，有的则要求无级调速。,现以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度S之间的关系。 该式表示出调速范围、静差度、最高速度、转速降四者之间的关系。通常最高速度和转速降由系统中所使用电动机的额定转速和结构决定；当上述两个参数确定后，S小D必然小，D大S必然大。用调速系统解决这一矛盾。,调速范围D与静差度S之间的关系,二、
3、动态技术指标,生产机械由电动机拖动，在调速过程中，从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转（启动、制动过程仅是特例而已），由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡过程，或称动态过程。实际上，生产机械对自动调速系统动态品质指标的要求除过渡过程时间外，还有最大超调量、振荡次数等。,1. 最大超调量Mp,超调量太大，达不到生产工艺上的要求，但太小，则会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等，一般为10%35%。,2.过渡过程时间T 从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被调量 n 进入 （0.05 0.02）n2稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时
4、间，叫作过渡过程时间。 3.振荡次数 N 在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值上下摆动的次数。,9.2 晶闸管电动机直流传动控制系统,直流调速系统中，目前，用得最多的是晶闸管电动机调速系统。晶闸管电动机直流传动控制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系统。,自动控制系统的分类,单闭环直流调速系统常分为有静差调速系统和无静差调速系统两类： 有静差调速系统：单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统； 无静差调速系统：单纯由被调量负反馈组成的按积分（或比例积分）控制的系统，属无静差的自动调节系统，简称无静差调速系统。,9.2.1 单
5、闭环直流调速系统,测速发电机：与直流电动机M同轴相连，即两者的速度相同，测速发电机用来测量电动机的速度，称检测元件；,转换元件：将测速发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压进行比较。,给定电位器：调节Rg的位置可改变给定电压Ug的大小 。,放大器：将外加电压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。,触发电路：将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小。,整流电路：变交流电压为直流电压，输出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定，整流电路的输出为直流电动机电枢的外加电压；,直流电动机：系统的控制对象。,1 转速负反馈调速系统 1）有静差调速系统,由系统的结构分析可知：,系统的调速
6、方法是改变外加电压调速；,系统的反馈信号是被控制对象n本身;,反馈电压和给定电压的极性相反，即:,该系统又称转速负反馈调速系统。,对于有速度反馈的闭环系统：,对于无速度反馈的开环系统：,（1）、在给定电压一定时有： 故闭环系统的理想空载转速降低到开环系统的1/(1+K) 倍，为了使闭环系统得到与开环系统相同的理想空载转速，闭环系统所需要的给定电压Ug要比开环系统高1+K倍。 （2）、若将闭环系统与开环系统的理想空载转速调得相同，即n0f=n0，则有： 在同样负载电流下，闭环系统的转速降仅为开环系统的1/(1+K) ，使硬度提高，静差度减小。 （3）、调速范围,1. 比例积分（PI）调节器,比例
7、调节器,其输入输出之间的关系如下：,1 转速负反馈调速系统 2）无静差调速系统,积分调节器,其输入输出之间的关系如下：,U0的值增加的过程即是电容被充电的过程：,比例积分调节器,PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图所示。,当突加输入信号Ui时，开始瞬间电容C1相当于短路，反馈回路中只有电阻R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快； 随着电容C1被充电而开始积分，U0线性增长，直到稳态。 在稳态时， C1相当于开路，放大器呈现出极大的开环放大倍数。,采用PI调节器的无静差调速系统 放大器
8、采用具有比例积分调节器的调速系 统为无静差调速系统。,静态时U=UgUf=0，调节作用停止，由于积分作用，调节器的输出电压Uk保持在某一数值上，即Ud固定，以维持电动机在给定转速下运转。由于静态时呈现出无穷大的放大倍数，系统可以消除静态误差，故称无静差调速系统。,只要偏差U=UgUf不等于零，系统就会起调节作用,速度（转速）负反馈是抑制转速变化的最直接而有效的方法，它是自动调速系统最基本的反馈形式。但速度负反馈需要有反映转速的测速发电机，它的安装和维修都不太方便，因此，在调速系统中还常采用其他的反馈形式。常用的有电压负反馈、电流正反馈、电流截止负反馈等反馈形式。,2 其它反馈调速系统,1）电压
9、负反馈系统,由公式 可知：电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。 电压负反馈调速系统与转速负反馈调速系统的区别： 1、反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身； 2、检测元件不同，前者为电位器，后者为测速发电机。,工作原理：Ug 是给定电压，Uf 是电压负反馈的反馈量，它是从并联在电动机电枢两端的电位计Rp 上取出来的，所以，电位计Rp 是检测电动机端电压大小的检测元件，Uf 与电动机端电压U成正比，Uf 与U的比例系数用表示，即= Uf/ U称为电压反馈系数。 其调整过
10、程为： 负载n Id Uf U Uk n U Ud ,同理：负载减小时，引起n上升，通过调节可使n下降，趋于稳定。 电压负反馈系统的特点是线路简单，可是它稳定速度的效果并不大，因为，电动机端电压即使由于负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电枢内阻Ra 所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，顶多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落。一般线路中采用电压负反馈，主要不是用它来稳速，而是用它来防止过压、改善动态特性、加快过渡过程。,2） 电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统 由于电压负反馈调速系统对电动机电枢电阻压降引起的转速降落不能予以补偿，因而转速
11、降落较大，静特性不够理想，使允许的调速范围减小。为了补偿电枢电阻压降IaRa，一般在电压负反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节。 工作原理 稳速和调速的过程与转速负反馈相同。在给定电压Ug一定时， 其调整过程如下：,同理：负载减小时，引起n上升，通过调节可使n下降，趋于稳定。,a、o两点间取出的是电压负反馈信号，b、o两点间取出电流正反馈信号，a、b两点间取出综合信号。,3）电流截止负反馈系统,(1) 电流截止负反馈的作用,过载保护。,电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使U随着负载电流的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。,如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，这就会使电
12、枢过流而烧坏。本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器，要触头断开，电动机断电方能保护，而采用电流负反馈作用为保护手段，则不必切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一旦过负载去掉后，它的速度又会自动升起来，这样有利于生产。,(2) 基本思想方法,工作原理,电流截止负反馈的信号由串联在回路中的电阻R上取出（R上的压降与电流成正比）,当电流小于转折点的电流时，反馈电压UIUb ,二极管V截止，电流反馈不起作用；,当电流大于转折点的电流时，反馈电压UIUb ,二极管V导通，电流反馈UI与Ub 比较后反馈 到输入端一起控制电动机，使其转速下降；,当电流等于堵转点的电流时，电
13、流反馈UI与Ub 比较后反馈 到输入端的电压能够抵消给定电压的大小，这时电动机的转速为零，电流不再增加；,如果电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升；,IO=1.35IaN,Iao=(23)Ian,当负载正常，电枢电流在一定范围内（如小于1.35倍的额定电流），电流截止负反馈不起作用；,当负载增加使电枢电流超过一定数值（如额定电流的1.35倍）时，电流负反馈开始起作用，减小电动机电枢外加电压，使转速下降；,当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额定电流的23倍）时，电流负反馈足够强，它足以将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。,因为只有当电流大到一
14、定程度反馈才起作用，故称电流截止负反馈。这种特性因它常被用于挖土机上，故又称“挖土机特性”。,（a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统,直流调速系统起动过程的 电流和转速波形,1转速电流双闭环直流调速系统的组成,9.2.2 双闭环直流调速系统,前一节讲述的是采用PI调节的转速单闭环直流调速系统。系统中的电流截止负反馈只能在超过临界电流值以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击。并不能很理想地控制电流的动态波形，其波形如图（a）所示。启动电流突破后，受电流负反馈作用，电流只能再高一点。经过某一最大值后就降下来，电机的电磁转矩也随之减小，因而加速过程长。,为了缩短起、制动过程的时间，提高生产率。最好
15、在过渡过程中始终保持电流（转矩）为电机允许的最大值。使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩与负载相平衡，从而转入稳态运行。理想的波形图如图（b）所示。,9.2.2 双闭环直流调速系统,1转速电流双闭环直流调速系统的组成,（b) 理想的快速起动过程,直流调速系统起动过程的电流和转速波形,为此，直流调速系统可以采用转速和电流两个调节器，并将 二者之间实行嵌套（或称串级）连接,如图所示把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE,9.2.2 双闭环直流调速系统,转速、电流双闭环直流调速系统结构,为了获得良好的静、动态性能，
16、转速和电流两个调节器一般 都采用PI调节器，这样构成的双闭环直流调速系统的电路原 理图如图所示。,图 双闭环直流调速系统电路原理图,9.2.2 双闭环直流调速系统,2 双闭环直流调速系统的动态分析,下面我们通过分析系统的大给定启动过程来理解控制系统的工作原理,双闭环调速系统在大给定阶跃信号电压Un*作用下，电动机由静止开始启动时，整个启动过程可以分成三个阶段。由于在起动过程中转速调节器ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程就分成图中标明的I、II、III三个阶段。,9.2.2 双闭环直流调速系统,转速、电流双闭环调速系统启动过程动态响应曲线,9.2.2 双闭环直流调速系统,第I
17、阶段电流上升的阶段,突加给定电压 U*n 后，Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。 当 Id IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*im，强迫电流 Id 迅速上升。,直到，Id = Idm ， Ui = U*im 电流调节器很快就压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。 在这一阶段中，ASR很快进入并保持饱和状态，而ACR一般不饱和。,第 II 阶段恒流升速阶段,在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*im 给定下的电流调节系统，基
18、本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。,9.2.2 双闭环直流调速系统,第 II 阶段恒流升速阶段,恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。 为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。,9.2.2 双闭环直流调速系统,第 阶段转速调节阶段,当转速上升到给定值时，转速调节器ASR的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*im ，所以电机仍在加速，使转速超调。 转速超调后，ASR输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， U*i 和 Id 很快下降。但是，只要 I
19、d 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。,9.2.2 双闭环直流调速系统,在这最后的转速调节阶段内，ASR和ACR都不饱和，ASR起主导的转速调节作用，而ACR则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*i ，或者说，电流内环是一个电流随动子系统。,综上所述，转速调节器和电流调节器在双闭环调速系统中的作用可归纳如下： 转速调节器ASR的作用 使转速n跟随给定电压Un*变化，保证转速稳态无静差。 对负载变化起抗干扰作用。 其输出限幅值决定了电枢主回路的最大允许电流值Idm。 电流调节器ACR的作用 对电网电压波动起及时抗干扰作用。 启动时保证获得允许的最大电枢电流Idm。 在转速调节过程中，使
20、电枢电流跟随其给定电压值变化。 当电动机过载甚止堵转时，即有很大的负载干扰时，可以限制电枢电流的最大值，从而快速起到过流安全保护作用。如果故障消失，系统能自动恢复正常工作。,9.2.2 双闭环直流调速系统,问题的提出,前一节所讨论的单闭环和双闭环直流系统，都由一组晶闸管装置向电动机供电，电流不能反向，电动机拖动系统只能在单一方向运行，是不可逆系统，且不能满足快速制动的要求，只能单象限运行。 有许多生产机械要求电动机既能正转，又能反转，而且常常还需要快速地起动和制动，这就需要电气传动系统具有四象限运行的特性，也就是说，需要可逆的调速系统。,9.2.3 可逆直流调速系统,问题的提出,改变电枢电压的
21、极性，或者改变励磁磁通的方向，都能够改变直流电机的旋转方向，这本来是很简单的事。 然而当电机采用电力电子装置供电时，由于电力电子器件的单向导电性，问题就变得复杂起来了，需要专用的可逆电力电子装置和自动控制系统。,9.2.3 可逆直流调速系统,1 电枢反接可逆线路,电枢反接可逆线路的形式有多种，这里介绍如下3种方式： （1）接触器开关切换的可逆线路 （2）晶闸管开关切换的可逆线路 （3）两组晶闸管装置反并联可逆线路,9.2.3 可逆直流调速系统,（1） 接触器开关切换的可逆线路,KMF闭合， 电动机正转； KMR闭合， 电动机反转。,9.2.3 可逆直流调速系统,优点：仅需一组晶闸管装置，简单、
22、经济。 缺点：有触点切换，开关寿命短； 需自由停车后才能反向，时间长。 应用：不经常正反转的生产机械。,（2）晶闸管开关切换的可逆线路,VT1、VT4导通，电动机正转； VT2、VT3导通，电动机反转。 比较简单，工作可靠性、快速性较高，维护方便 对耐压和电流的容量要求较高，常在几十千瓦的中小容量可逆调速系统中使用,9.2.3 可逆直流调速系统,（3）两组晶闸管装置反并联可逆线路,9.2.3 可逆直流调速系统,电动机正转时，由正组晶闸管装置VF供电； 反转时，由反组晶闸管装置VR供电。,两组晶闸管分别由两套触发装置控制，都能灵活地控制电动机的起、制动和升、降速。 但是，不允许让两组晶闸管同时处
23、于整流状态，否则将造成电源短路，因此对控制电路提出了严格的要求。 适用于频繁正反转的生产机械，如龙门刨床等,2 可逆调速系统的环流,环流的定义 采用两组晶闸管反并联的可逆V-M系统，如果两组装置的整流电压同时出现，便会产生不流过负载而直接在两组晶闸管之间流通的短路电流，称作环流。,9.2.3 可逆直流调速系统, 环流的危害和利用,危害：一般地说，这样的环流对负载无益，徒然加重晶闸管和变压器的负担，消耗功率，环流太大时会导致晶闸管损坏，因此应该予以抑制或消除。 利用：只要合理的对环流进行控制，保证晶闸管的安全工作，可以利用环流作为流过晶闸管的基本负载电流，使电动机在空载或轻载时可工作在晶闸管装置
24、的电流连续区，以避免电流断续引起的非线性对系统性能的影响，同时可以保证电流无间断反向以加快反向时的过渡过程。,9.2.3 可逆直流调速系统, 环流的分类,在不同情况下，会出现下列不同性质的环流： （1）静态环流 两组可逆线路在一定控制角下稳定工作时出现的环流，其中又有两类： 直流平均环流由晶闸管装置输出的直流平均电压所产生的环流称作直流平均环流。 瞬时脉动环流两组晶闸管输出的直流平均电压差为零，但因电压波形不同，瞬时电压差仍会产生脉动的环流，称作瞬时脉动环流。,9.2.3 可逆直流调速系统,（2）动态环流 仅在可逆V-M系统处于过渡过程中出现的环流。,1三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流
25、电压；,21VS4VS为四只可控硅，其中，处于对角线上的一对三极管的基极，因接受同一控制信号而同时导通或截止；,9.3直流脉宽调制调速系统,9.3.1 PWM调速系统的工作原理和主要特点,PWM调速系统的基本主电路,4当它们以较高的频率（一般为2000Hz）交替导通时，电枢两端的电压波形如图所示。,3若1VS和4VS导通，则电动机电枢上加正向电压；2VS和3VS导通，电动机电枢上加反向电压。,9.3直流脉宽调制调速系统,由于机械惯性的作用，决定电动机转向和转速的仅为此电压的平均值。,设矩形波的周期为T ，正向脉冲宽度为t1，并设=t1/T为占空比。,则电枢电压的平均值,9.3直流脉宽调制调速系
26、统,人为地改变占空比，可以达到调速的目的。连续地改变脉冲宽度，即可实现直流电动机的无级调速。,9.3直流脉宽调制调速系统,PWM控制电路的作用是把速度信号Un*变成方波信号，方波的脉宽与速度信号Un*的大小成比例。不同的脉宽可获得不同的电枢电压，从而实现转速的调节。,直流脉宽调制PWM调速控制电路,转速、电流双闭环PWM控制电路,9.3.2 PWM调速系统的组成,（1）调制波发生器 它的作用是产生恒定频率的振荡源以作为比较的基准。它可以是三角波。也可以是锯齿波。,（2）脉宽调制器 它实际上是一种电压脉宽转换电路。它为功率开关器件提供一个宽度可由速度控制信号调节且与之成比例的脉冲电压。,（3）逻
27、辑延时电路 逻辑延时电路是保证在向一个管子发出关断脉冲后，延时一段时间，再向另一个管子发出开通脉冲。,（4）截流保护 截流保护的作用是防止电动机过载时流过功率晶体管或电枢的电流过大。,9.3直流脉宽调制调速系统,55,脉宽调制变换器,9.3直流脉宽调制调速系统,9.3直流脉宽调制调速系统,1.主电路,双极式PWM变换器电压电流波形,在一个开关周期内，当0t 时， 和 为正， 和 饱和导通；而 和 为负， 和 截止。这时 加到电枢AB两端，UAB= ，电枢电流 沿回1流通。当 t 时， 变负， 和 截止； 变正，但 和 不能立即导通，因为此时电枢电感释放储能，使 沿回路2经 续流， 上的压降使
28、的C-E极两端承受着反向电压， UAB = 。,由于电压UAB的正负变化，使电流波形呈现出两种状态，左图的id1和id2。id1相当于电动机负载较重的状态，此时平均负载电流大，在续流阶段电流仍维持在正方向，电动机始终工作第一象限的电动状态。id2相当负载较轻时的电流，平均值小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是VT2和VT3的C-E极两端失去反压，在-US和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，沿回路3流通，电动机处于制动状态。,双极式可逆PWM变换器的“可逆”作用，由正负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽时（T/2），则电枢两端的平均电压为正，电动机正转运行。当正脉冲较窄时（T/2），平均
29、电压为负，电动机反转运行。若正、负脉冲宽度相等（=T/2），平均电压为零，则电动机停止转动。,电枢两端电压UAB在一个周期内正负相间变化，这是双极式工作制的特征。,双极式工作制的优点是：,电流一定连续； 电动机可在四个象限中运行； 电动机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区； 低速时，每个功率开关管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证功率开关管的可靠导通； 低速平稳性好，调速范围广。,性能评价,双极式工作制的缺点是：,在工作过程中，四个功率开关管都处于开关状态，开关损耗大，而且容易发生上、下两管直通的事故，降低了装置的可靠性，为了防止这种事故，在一管关断和另一管导通的脉冲之间，应设置逻辑延时。,双极式工
30、作制时，电动机电枢两端平均电压用公式表示为：,定义为双极式PWM放大器的负载电压系数：,9.3直流脉宽调制调速系统,调速时的变化范围变成-11。当为正值时，电动机正转；为负值时，电动机反转； =0时，电动机停转。在 =0时，虽然电动机不动，电枢两端的瞬时电压和瞬时电流却都不是零，而且交变的，这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，但增加电动机的损耗。它的好处是电动机带有高频微振，起着所谓“动力润滑”的作用，消除正、反向转时的静摩擦死区。,三角波发生器原理图,三角波发生器,2.控制电路,9.3直流脉宽调制调速系统,9.4.1 微机数字控制双闭环直流调速系统的硬件结构,微机数字控制的双闭环直流调速系统。,微机数字控制双闭环直流调速系统原理图,9.4微机控制的直流传动系统,图为采用PWM功率变换器的微机控制双闭环直流调速系统图。,图微机数字控制双闭环直流调速系统硬件结构图,
