第一章交直流调速系统

交直流调速系统施振金学习目的和要求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，调速应按一定的技术指标来执行，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、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。交流电动机结构简单、制造方便、维护容易、价格便宜，直流电机换向有火花，交流调速系统将取代直流调速。近年来，随着电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。而直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。所以掌握好直流调速系统是很重要的。直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理：每一台直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。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。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确定义。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。动态性能指标：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可用下式表示edddKRIUn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（）；φ——励磁磁通（Wb）；Ke——由电动机结构决定的电动势系数。由此可见，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。Ia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。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U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F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。If变化时间遇到的时间常数同Ia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。工作条件：保持电压U=UN；保持电阻R=Ra调节过程：减小励磁FNFn，n0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Rn，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；减弱磁调速范围不大，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。这两种都会使直流他励电机的机械特性变软。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。早在20世纪40年代，采用电动机—发电机机组（又称放大机控制的发电机—电动机组系统）向直流电动机供电。但它的缺点是占地大，效率低，运行费用昂贵，维护不方便等。为了克服这些缺点，50年代开始使用水银整流器作为作为可控变流装置。其主要缺点是污染环境，危害人体健康。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。稳速以一定的精度在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。不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、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，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。（3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流控整流电源供电，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或不可平均电压。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速系统的原理图如图1-1所示。由交流电动机（称原动机，通常采用柴油机、交流异步或同步电动机）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，国际上通称Ward-Leonard系统。fi•G-M系统特性n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限G-M系统机械特性图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）基本淘汰为了供给直流发电机G和电动机M的励磁，还需专门设置一台并励的直流励磁发电机GE，可装在变流机组同轴上由原动机拖动，也可另外单用一台交流电动机拖动。对系统的调速性能要求不高时，可直接由励磁电源供电，要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大装置（G-M系统的放大装置多采用交磁放大机或磁放大器）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。G-M系统具有很好的的调速性能，在20世纪50年代曾广泛地使用，至今在尚未进行设备更新的地方仍然使用这种系统。但是这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速直流电动机容量相当的旋转电机（原动机和直流发电机）和一台容量小一些的励磁发电机，因而设备多、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）按照器件能够被控制的程度，分为以下三类：(2)半控型器件—控制信号可以控制导通而不能控制关断晶闸管（Thyristor）(3)全控型器件—既可控制其导通又可控制其关断绝缘栅双极晶体管（IGBT）电力场效应晶体管（MOSFET）门极可关断晶闸管（GTO）电力电子器件知识(1)不可控器件—工作原理同普通二极管电力二极管（PowerDiode）晶闸管（SiliconControlledRectifier）晶闸管是在晶体管基础上发展起来的一种大功率半导体器件。它的出现使半导体器件由弱电领域扩展到强电领域。晶闸管也像半导体二极管那样具有单向导电性，但它的导通时间是可控的，主要用于整流、逆变、调压及开关等方面。体积小、重量轻、效率高、动作迅速、维修简单、操作方便、寿命长、容量大（正向平均电流达千安、正向耐压达数千伏）。优点：晶闸管常用晶闸管的结构螺栓型晶闸管晶闸管模块平板型晶闸管外形及结构G控制极一、基本结构K阴极G阳极AP1P2N1N2四层半导体晶闸管是具有三个PN结的四层结构,其外形、结构及符号如图。(c)结构KGA(b)符号(a)外形晶闸管的外形、结构及符号三个PN结P1P2N1N2KGA晶闸管相当于PNP和NPN型两个晶体管的组合+KAT2T1_P2N1N2IGIAP1N1P2IKGPPNNNPAGK晶闸管由P1、N1、P2、N2四层半导体材料交替组成，其结构及图形符号如图所示。P1区引出的电极为阳极A，N2层引出的电极为阴极K，由中间P2层引出的电极为控制极G。为更好的理解晶闸管的工作原理，常将其N1、P2两个区域分解成两部分，分别构成一个NPN型和一个PNP型的三极管。分解后的情况如图（b）所示。用三极管符号表示等效电路，如图（c）所示，晶闸管的符号如图（d）所示。晶闸管的结构、等效电路和符号（a）结构示意图（b）结构的分解（c）等效电路（d）符号T1T2二、工作原理AG2Bii1BG22Ciii在极短时间内使两个三极管均饱和导通，此过程称触发导通。211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程KGEA0、EG0EGEA+_RGi2BiG21iββG2iβ晶闸管导通后，去掉EG，依靠正反馈，仍可维持导通状态。GEA0、EG0KEA+_RT1T2Gi2BiGiββ21Giβ2EGAG2Bii1BG22Ciii211CCiβi2BG21ii形成正反馈过程实验证明，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。晶闸管的工作原理(a)实际电路(b)等效电路晶闸管可以看作如图连接的两个三极管，当晶闸管的阳极A和阴极K之间加正向电压而控制极不加电压时，晶闸管处于反向偏置，管子不导通，称为阻断状态。当A与K之间加正向电压且G与K之间也加正向电压时，晶闸管导通。晶闸管导通的条件1.晶闸管阳极电路(阳极与阴极之间)施加正向电压。2.晶闸管控制电路(控制极与阴极之间)加正向电压或正向脉冲(正向触发电压)。晶闸管导通后，控制极便失去作用。依靠正反馈，管仍可维持导通状态。晶闸管关断的条件：1.必须使可控硅阳极电流减小,直