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第4章机电传动速度连续控制杨艳娟13710171451yyjscut@263.net机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院4.1.1无级调速机电传动速度连续控制是指在一定的控制下,工作机构能够实现任意连续的速度变化,即无级调速。无级调速可通过机械传动、流体传动或电气传动等方式来实现。电气无级调速,实际上是通过不同的电气控制系统对直流电动机和交流电动机进行控制(改变电压、频率等参数),使其输出轴的转速连续而任意地变化,分别成为直流调速和交流调速。机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院4.1.2调速静态技术指标1.静差率电动机在某一机械特性曲线所示状态下运行时,额定负载下所产生的转速降落与理想空载转速之比,称为静差率,用S表示,即。0nnSNNn0n静差率表示电动机运行的稳定程度。在n0相同时,电动机运行的机械特性越硬,越小,则静差率越小,电动机相对稳定性越高。Nn为了保证转速的稳定性,要求S应不大于某一允许值。由于低速时S较大,因此电动机最低转速的调节受到允许静差率的限制。n01n02nLTT1233Nn2Nn1NnO机械特性的静差率机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院2.调速范围4.1.2调速静态技术指标电动机在额定负载下调速时,允许的最高转速与最低转速之比,称为调速范围,用D表示,即。maxnminnminmaxnnD假设最大静差率为,即2S则转速范围与静差率之间的关系为,2202min1SSnnnnNN22maxminmax1SnSnnnDNn01n02nLTT23NnNnO机械特性的静差率机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院ΦICTΦnCEIREUTE直流电动机的调速控制直流电动机的基本调速方式电枢电压反电动式电磁转距电枢电流转矩常数电枢绕组电阻电枢转速电机主磁极的磁通直流电动机的机械特性方程式也就是它的调速公式,即nnKTnTΦCCRΦCUnTEE002机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院直流电动机的调速控制电枢回路降压调速的条件是保持励磁电流恒定(恒定)。ΦICTΦnCEIREUTEnnKTnTΦCCRΦCUnTEE002机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院直流电动机的调速控制弱磁调速ΦICTΦnCEIREUTEnnKTnTΦCCRΦCUnTEE002机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院直流电动机的调速控制电枢回路降压调速的条件是保持励磁电流恒定(恒定),若电枢电流为额定电流IN,为则恒转矩调速他励直流电动机的电磁功率与电磁转矩有以下关系:dtΦICT55.9602nTnTTP在弱磁调速过程中,由于要调节磁通,所以电磁转矩要变化,若在不同转速时保持电枢电流为额定值IN不变,为恒功率调速机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院直流电动机的调速控制机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院4.3.4闭环控制直流调速系统闭环控制直流调速系统转速负反馈调速系统电流截止负反馈双闭环控制直流调速系统如果生产机械对静差率要求不严的话,采用开环系统就可以满足要求。由于在工业生产中,许多调速系统都要求有较小的静差率,如龙门刨床工作台的拖动要求的静差率、D=20,开环系统不能满足此项要求,故必须采用闭环调速系统%5S机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院转速负反馈调速系统(1)系统组成和原理G放大器触发器整流器M~GUFUUKUURP转速负反馈调速系统FGUUU(2)系统静特性分析1)放大器UKUAK式中:是放大器电压放大倍数。AK2)触发器、整流器整流器输出电压与触发器输入电压之间的关系,可近似看成线性关系,即KVUKU式中:是整流器包括触发器在内的放大倍数。VK机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院转速负反馈调速系统EIRUnKnCEEE3)电动机电枢回路电枢回路的电压平衡方程式为绕组电势E为式中:是回路中所有电阻之和。R式中:为电动机放大系数。EK4)测速发电机式中:为速度反馈系数。nKnKUnF测速发电机输出电压信号为机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院转速负反馈调速系统IRKKKKUKKKKKKnnvAEGnvAEVA1GnvAEVAUKKKKKKnn0UKUAKKVUKUEIRUnKnCEEEnKUnF综合右面各式得到系统静态特性方程式为FGUUU当负载为零时,绕组电流,则0I上式为理想空载转速与给定电压的关系式。机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院转速负反馈调速系统IRKKKKnnvAE1转速降与负载的关系为开环系统的转速降为EKKIRn则KEnvAnKKKKn11IRKKKKUKKKKKKnnvAEGnvAEVA1转速负反馈系统静态特性方框图AKGUnEK1IRnKFUUVKKUU机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院电流截止负反馈直流电动机全电压起动或过载时,如果没有限流措施,会产生很大的冲击电流,不仅对电动机不利,对过载能力低的晶闸管来说,也是不允许的。当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈叫做电流截止负反馈。这种作用支应在起动和堵转时存在,在正常工作时又得取消。机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院双闭环控制直流调速系统(1)系统结构和原理机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院双闭环控制直流调速系统dtdILIREU(2)系统动态特性分析1)额定励磁下的直流电动机-直流电动机的传递函数电动机电枢回路加上整流电压U,回路中产生电流I,主电路的电压平衡关系为式中:为额定励磁下的感应电势;为包含整流装置内阻的电枢回路电阻;为包含平波电抗器在内的电枢回路电感。nCEERL对上式两边取拉氏变换,得sRsEsUsIa1/1)()()(式中为电枢回路电磁时间常数,aRLa机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院双闭环控制直流调速系统dtdnJdtdJTTL30电流I产生力矩,克服负载力矩,使拖动系统起动运行。运行方程式是ICTTLT式中:J为整个拖动系统折算到电动机轴上的惯量。设代人上式得:IKICTTTdtdndtdnKJKTImTTL30同样,对上式取拉氏变换得式中:为电动机的机电时间常数.TmKJ30sKsTsIsnmTL1/)()()(机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院mTmfs1/1max2)触发器、整流器双闭环控制直流调速系统输出整流电压滞后于控制电压,晶闸管触发与整流装置是一个滞后的放大环节。KUU晶闸管输出整流电压滞后于触发电路控制电压的失控时间的大小随发生变化的时刻而改变,是一个随机变量。无论哪一种整流电路,最大可能的失控时间为两个自然换相点的相隔时间,即sKU式中:m为整流电压波形在一周内的脉波数(波头数);f为交流电源频率。为了计算方便,可取为常数。目前有两种取法:一种方法是按最大值取;另一种方法是取其统计平均值。s机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院双闭环控制直流调速系统ssKsseKsUsUsW)(/)()(3322!31!211)(sssKsWsssss综上所述,晶闸管触发和整流装置的传递函数可表示为将上式按泰勒级数展开可简化为从简化后的传递函数看,晶闸管触发和整流装置的特性相当于一个惯性环节。忽略高次项,上式可简化为sKsWsss1)(机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院双闭环控制直流调速系统3)比例、积分调节器(PI调节器)由运算放大器原理可知dtURCURRdtICIRURRC0101111111dtUKUKRiPRp式中:为比例放大系数;为积分时间常数。01RRKP11RCi对上式进行拉氏变换得ssKsKKsUsUsWiiPiPPRCPI1)()()(机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院双闭环控制直流调速系统4)转速、电流检测电路转速、电流检测电路为纯比例环节,传递函数就是各自的反馈系数与。nKIKssKiip1111GUnnKFUUIKKUUssKiip2221sKss1GU1IFUETLKTsRa11Ism1双闭环调速系统动态结构图机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院双闭环控制直流调速系统第一阶段为电流上升阶段第二阶段是恒电流等加速度升速阶段第三阶段是转速调节阶段机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院交流电动机的调速控制交流电动机的调速原理异步电动机的同步转速,即旋转磁场的转速为Pfn1160式中,n1——同步转速(r/min)f1——定子频率(即电源频率Hz);P——磁极对数。异步电动机的转速为sPfnsn160111转差率机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院交流电动机的调速控制交流电动机的调速方式变极调速改变电机绕组的接线方式变转差率调速对于绕线式异步电动机,可通过调节串连在转子绕组中的电阻值(调阻调速)、在转子电路中引入附加的转差电压(串级调速)、调整电机定子电压(调压调速)以及采用电磁转差离合器改变气隙磁场等方法均可实现变转差S。变频调速通过改变定子供电频率来改变同步转速实现对异步电动机的调速,在调速过程中从高速到低速都可以保持有限的转差率,因而具有高效率、宽范围和高精度的调速性能。机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院交流电动机的调速控制机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院变频调速的原理与调速方式变频调速的基本原理异步电动机定子绕组每相感应电动势为ΦkfE111144.41111EZIUk1——定子绕组等值匝数,k11;f1——定子频率(即电源频率Hz);——气隙中的磁通量;U1——电机外加电压;I1——电机定子电流;Z1——电机定子绕组;1——定子绕组的实际匝数;机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院如果略去定子阻抗电压降变频调速的原理与调速方式ΦkfEU1111144.4电机转距为22cosΦICTtI2——电机转子电流;cos2——转子电路功率因数;Ct——转距常数;机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院基频以下恒磁通变频调速变频调速的原理与调速方式由于E1难于直接检测和直接控制,当E1和f1较高时,可略去定子阻抗压降近似得到ΦkfU111144.4机电传动控制华南理工大学工业装备与控制工程学院基频以上的弱磁变频调速变频调速的原理与调速方式
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