直流电机的调速方法

第八章直流调速系统8.1概述调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，我们先着重讨论直流调速系统。8.1.1直流电机的调速方法根据第三章直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：（1）调节电枢供电电压U。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。变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。（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。变化时间遇到的时间常数同变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。（3）改变电枢回路电阻。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。改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。直流电动机电枢绕组中的电流与定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。直流电动机电磁转矩中的两个可控参量和是互相独立的，可以非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。调节主磁通一般还是通过调节励磁电压来实现，所以，不管是调压调速，还是调磁调速，都需要可调的直流电源。8.1.3调速系统性能指标任何一台需要转速控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如，精密机床要求加工精度达到几十微米至几微米；重型机床的进给机构需要在很宽的范围内调速，最高和最低相差近300倍；容量几千kW的初轧机轧辊电动机在不到1秒的时间内就得完成从正转到反转的过程；高速造纸机的抄纸速度达到1000m/min，要求稳速误差小于0.01%。所有这些要求，都可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。转速控制要求各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面：（1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。（3）加、减速控制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速度变化的生产机械，则要求起、制动尽量平稳。以上三个方面有时都须具备，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互矛盾的。为了定量地分析问题，一般规定几种性能指标，以便衡量一个调速系统的性能。稳态指标运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标。（1）调速范围D生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即（8.2）其中nmax和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。在设计调速系统时，通常视nmax为电动机的额定转速nnom。（2）静差率S当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落与理想空载转速no之比，称为静差率S，即（8.3）显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。图8.3不同转速下的静差率（3）调压调速系统中D，S和之间的关系在直流电动机调压调速系统中，就是电动机的额定速度nnom，若额定负载时的转速降落为，则系统的静差率应该是最低转速时的静差率，即（8.4）而额定负载时的最低转速为（8.5）考虑到式（8.4），式（8.5）可以写成（8.6）而调速范围为（8.7）将式（8.6）代入式（8.7），得（8.8）式（8.8）表达了调速范围D、静差率S和额定速降之间应满足的关系。对于同一个调速系统，其特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越严（即S值越小），系统允许的调速范围D就越小。例如，某调速系统电动机的额定转速为nnom=1430r/min，额定速降为，当要求静差率S≤30%时，允许的调速范围为如果要求静差率S≤10%，则调速范围只有动态指标运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。（1）跟随性能指标在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。对于不同变化方式的给定信号，其输出响应不一样。通常，跟随性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，如图8.4所示。具体的跟随性指标有下述几项：图8.4表示跟随性能指标的单位阶跃响应曲线①上升时间tr单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。②超调量动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即（8.9）超调量用来说明系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统的相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。③调节时间ts调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性控制系统，理论上要到才真正稳定。实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常取稳态值的±5%或±2%）所需的最小时间定义为调节时间。8.2.1晶闸管（SCR）晶闸管的结构闸管晶是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。其外形、结构及图形符号如图8.5所示，它有三个电极，即阳极A，阴极K，控制极（又称门极）G。根据功率的大小，具有TO92、TO220、螺栓形和平板形等多种封装形式，如图8.5（a）所示。螺栓形带有螺栓的那一端是阳极A，它可与散热器固定，另一端的粗引线是阴极K，细线是控制极G，这种结构更换方便，用于100A以下元件。平板形中间的金属环是控制极G，离控制极远的一面是阳极A，近的一面是阴极K，这种结构散热效果比较好，用于200A以上的元件。晶闸管是由四层半导体构成的，如图8.5（b）所示。它由单晶硅薄片P1、N1、P2、N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。晶闸管的图形符号如图8.5（c）所示。图8.5晶闸管外形、结构及图形符号（a）外形封装（b）内部结构（c）图形符号晶闸管的工作原理实验证明，当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。下面来分析晶闸管的工作机理。根据晶闸管的内部结构，可以把它等效地看成是两只晶体管的组合，其中，一只为PNP型晶体管VT1，另一只为NPN型晶体管VT2，中间的PN结为两管共用，如图8.6所示。图8.6晶闸管的等效电路（a）结构分解图（b）三极管等效电路当晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压时，这时VT1和VT2都承受正向电压，如果在控制极上加上一个对阴极为正的电压，就有控制电流Ig流过，它就是VT2的基极电流Ib2,经过VT2的放大，在VT2的集电极就产生电流Ic2=β2Ib2=β2Ig（β2为VT2的电流放大系数），而这个IC2又恰恰是VT1的基极电流Ib1，这个电流再经过VT1的放大作用，便得到VT1的集电极电流IC2=β1Ib1=β1β2Ig(β1为VT1的电流放大系数)，由于VT1的集电极和VT2的基极是接在一起的，所以这个电流又流入VT2的基极，再次放大。如此循环下去，形成强烈的正反馈，直至元件全部导通为止，这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为“触发导通过程”。在晶闸管导通后，VT2的基极始终有比控制电流Ig大得多的电流流过，因此，当晶闸管一经导通，控制极即使去掉控制电压，晶闸管仍然可保持导通。当在晶闸管阳极与阴极间加反向电压时，VT1和VT2便都处于反向电压的作用下，它们都没有放大作用，这时即使加入控制电压，导通过程也不可能产生。由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左右。综上所述，可以得到下述结论：（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压晶闸管都不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断的能力。（2）晶闸管的阳极和控制极相对于阴极同时加正向电压时晶闸管才导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定的数值以下。伏安特性晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图8.7所示。晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时，在晶闸管控制极开路(Ig＝0)情况下，开始元件中有很小的电流(称为正向漏电流)流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态(称为正向阻断状态)，简称断态。当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态，简称通态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压(UDSM)，或称正向转折电压(UBO)。图8.7晶闸管的伏安特性曲线导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻(使用时由负载)决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时，阳极电流随之减小，当阳极电流小于维持电流IH时，晶闸管便从导通状态转化为阻断状态。由图8.7可看出，当晶闸管控制极流过正向电流Ig时，晶闸管的正向转折电压降低，Ig越大，转折电压越小，当Ig足够大时，晶闸管正向转折电压很小，一加上正向阳极电压，晶闸管就导通。实际规定，当晶闸管元件阳极与阴极之间加上6V直流电压时，能使元件导通的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)。在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压(URSM)，或称反向转折(击穿)电压(UBR)。可见，晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。晶闸管的主要参数为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品的目录上都给