交直流调速系统与MATLAB仿真-第1章-直流调速系统

第一章直流调速系统及其仿真1-2单闭环转速负反馈有静差直流调速系统1-3其它反馈形式在调速系统中的应用1-4转速负反馈无静差直流调速系统1-1直流调速系统的基本概念1-5转速电流双闭环调速系统1-6三环调速系统1-7可逆调速系统1-1直流调速系统的基本概念Rl+d0UdIE直流电源M++RaRndU一、直流调速主要的调速方法1、直流他励电动机供电原理图图1-1直流他励电动机供电原理图RIEUddonKnCEeeesddeddeKRIUKRIUKEn0为电源空载电压；为电动机电枢电压；E为电枢电动势；R为电枢回路总电阻，n转速，单位r/min；Φ为励磁磁通；Ke为电动机结构决定的电动势系数。doUdUanlRRRR2.直流他励电动机转速方程式中：3、直流他励电动机的调速方法(1)电枢回路串电阻调速特点：损耗较大、有级调速，机械特性较软。(2)弱磁调速特点：只能弱磁，调速范围小(3)变电枢电压调速特点：机械特性上下平移、可平滑地调节转速n，但只能降压调速。是主要的调速方式。0nTnd3d2d1UUUUnn12ΦΦΦn1Φ2ΦnΦnUd3Ud2Ud1UenT工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围。图1-2调压和调磁时的机械特性二、调压调速的关键装置--可控直流电源常用的可控直流电源有以下三种：1、旋转变流机组2、静止可控整流器3、直流斩波器和脉宽调制变换器励磁电源放大装置+GEM+(-)(+)+-+-fIGUM~~nn1、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。组成：由~M拖动=G→=G给=M供电→直流励磁发电机GE给=G和=M励磁。原理：调节→U改变→转速n变化。改变方向，n转向跟着改变。特点：设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。2、静止可控整流器--利用静止的可控整流器(如晶闸管可控整流器)，获得可调的直流电压。（V-M系统）M+-nUGTVLn~~dU图1-4晶闸管直流调速系统晶闸管整流器可以是单相、三相或多相；电路形式可以是半波、全波、半控、全控等类型；通过调节触发电路的移相电压，可改变整流电压Ud，实现平滑调速。优点:整流装置效率高、体积小、成本低、无噪声。缺点:可逆难；过电压、过电流能力差；谐波电流大。组成：原理：3、直流斩波器和脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。（b)电压波形sU0TutontdUVT强迫关断电路MVDsU+-+-（a）原理图VT工作于开关状态。VT通时，U加到M；VT断时，U与M断开，M经VD续流，两端电压接近于零。平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节，从而调节M的转速。优点:运行稳定、效率高、静动态性能好；缺点:容量不大原理：1、系统组成三、开环V-M系统的机械特性2.调节原理调节→改变移相角α→改变→改变。dU*nUnM+-nUGTVLn~~dU图1-4晶闸管直流调速系统3.开环系统机械特性晶闸管整流器可看成是一个线性的可控电压源特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。电流连续时：电流断续时：01()dodenUIRnnC0edIdInn01n02n03n04n1a2a3a4a图2-6开环机械特性其中：为转速降，越小，机械特性的硬度越大。取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。/denIRCnnn机械特性的近似处理方法：(1)在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速。(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。1-2单闭环转速负反馈有静差直流调速系统一、开环存在的问题：min/900rnnommin/100minrnmin/80rnnom某一车床的拖动电动机的额定转速，要求，由开环系统决定的要求S≤0.1，问开环V-M系统能否满足要求？如不满足要求，怎么办？问题的提出解：要求：D=?而满足S≤0.1的D=?满足D、S的分析：因为，所以要引入负反馈。(1)nomnomnsDnsnomnomnnn0?△n二、系统的组成及静特性(1)原理框图AGTMIG+-+--++-+-+-+-RP1nUnUnUdILndUtgURP2V-M闭环系统原理框图ctU1、系统的组成(a)给定环节——产生控制信号：由高精度直流稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。(b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、PI运放器组成(d)速度检测环节：测速机反馈线路求出(反馈系数);单位2etgCmin/Vr(c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大GT：单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器;整流装置：单相、三相、半控、全控.+-+-RLdIEnfUfIeTLT直流电动机电路图U(e)直流电动机环节直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回路，另一个是励磁回路。+-+-RLdIEnfUfIeTLT直流电动机电路图U动态关系：ERIUsddEtLRiussddddiddmdmiCiKTtnJTTGLddtnCJIImGdLdddnCnKEee稳态关系：mdmdTKICILTTdLdIInCnKEee（2）对负载波动等扰动信号的调节——稳速过程：n基本不受负载波动等扰动输入的影响（1）对给定信号的调节——调速过程：改变,则n改变*nU例如：*()LnnnnTnUUUU0()ctddeUUITn2、系统的自动调节过程3、闭环系统的机械特性1234ndI0d04Ud03Ud02Ud01UABBC开环机械特性闭环静特性d01d02d03d04UUUUd1Id2Id3Id4I闭环系统稳（静）态特性(1)闭环系统机械特性的定性分析(2)闭环系统的机械特性的定量分析①系统结构图放大器整流器及触发装置电动机速度检测nU-nUnUctUd0Un②系统中各环节的稳态输入输出关系如下：电压比较环节nnnUUU*放大器nPctUKU晶闸管整流器及触发装置ctsdUKU0V-M系统开环机械特性eddeCRIUCEn0转速检测环节22ntgetgUUCnn③单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图d0UnU--nUctUnUEpKdIRnsK1eC由系统稳态结构图得到系统的静特性方程为clcledenSPeSPednSPnnKCRIKCUKKCKKCRIUKKn0**)1()1()/1(espCKKK/为闭环系统的开环放大系数cln0为闭环系统的理想空载转速cln为闭环系统的稳态速降。式中：三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较1、开环系统的机械特性断开转速反馈回路（令，则K=0）则得开环机械特性为：0＝opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*02、闭环系统的静特性：clcledenSPnnKCRIKCUKKn0*)1()1((1)闭环静特性比开环机械特性硬得多。在同样的负载下，两者的稳态速降分别为：)1(KCRInCRInedcledopKnnopcl1关系是(2)闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为clclclnns0opopopnns000opclnn＝当时Kssopcl1比较后得出结论：如果电机的最高速都是nnom，且对最低速的静差率要求相同，)1(snsnDopnomop(4)闭环系统必须设置放大器。(3)当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可大大提高。闭环时)1(snsnDclnomclopclDKD)1(所以则开环时闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性，且闭环系统的开环放大系数越大，静特性就越硬，在保证一定静差率要求下其调速范围越大，但必须增设转速检测与反馈环节和放大器。例1-1龙门刨床工作台采用Z2-93型直流电动机，220nomUV305nomIA1000nomnr/min、60nomPkWRa=0.05ΩKs=30晶闸管整流器的内阻Rrec=0.13Ω要求D=20，s≤5%问若采用开环V-M系统能否满足要求？若采用α=0.015V·min/r转速负反馈闭环系统，问放大器的放大系数为多大时才能满足要求？问题解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s≤5%？min100050(/min)20nnnrDenCIRn0minminnsnnnn2203050.050.2(.min/)1000nnaenUIRCVrn305(0.050.13)275(/min)0.2neIRnrC0minmin2750.8585%5%50275nnsnnn（2）那么同时满足D=20，s≤5%的?n可见只要放大器的放大系数大于或等于46，转速负反馈闭环系统就能满足要求。(在上述闭环条件下，如何判断系统能否正常工作？)10000.052.63(/min)(1)20(10.05)nomnomnsnrDs（3）采用负反馈，则开环放大系数K为：610316322751..nnKclop得：46200150306103./..α/CKKKesp课后作业：四、反馈控制规律改变给定，转速n随之变化。即被调量总是紧紧跟随给定信号变化的。*nU2、被调量紧紧跟随给定量变化3、闭环系统对反馈环内主通道上的一切扰动作用都能有效抑制)1(KCRInedcl1、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的只有当K=∞时→Δncl=0。而比例控制的K≠∞→Δncl≠0。闭环系统的稳态速降为扰动：当给定不变时，把引起被调量转速发生变化的所有因素称为扰动。*nU扰动因素：交流电源电压波动、电机励磁电流的变化、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的主电路电阻的变化、负载变化等等，如下图所示。nU+-nUnUPKctUsKd0Ue1CEn+-测速发电机励磁变化给定PK变化电源波动R电阻变化励磁变化被调量（输出）dI结论：反馈环内且作用在控制系统主通道上的各种扰动，通过反馈控制作用可减小它们对转速的影响。4、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无法抑制的当给定电源发生不应有的波动时，转速会随之变化。因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量的偏差。为此，高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件作保证。五、系统的稳态参数计算例1-2直流调速系统如下图所示，根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算。已知数据如下：MIG-+++-RP1nUnUdILdURP2ctU-++R0R0R1+ba1R4.测速发电机：永磁式直流测速发电机，Pnom=23.1W、Unom=110/V、Inom=0.21/A、nnom=1900/r/min。1.电动机：额定数据为Pnom=10kW、Unom=220V、Inom=55A、nnom=1000r/min，电枢电阻Ra=0.5Ω。2.晶闸管装置：三相全控桥式整流电路，变压器Y/Y接法，二次线电压U2l=230V，触发整流环节的放大系数Ks=44。3.V-D系统：主回路总电阻R=1.0/Ω。5.生产机械：要求调速范围D=10，静差率s≤5%。解：1.为满足D=10，s≤5%，额定负载时调速系统的稳态速降应为10000.055.26(/min)(1)10(10.05)nomclnsnrDs2.根据Δncl，确定系统的开