第五章-直流电动机调速控制系统

第五章直流电动机调速控制系统提纲直流调速的基础知识反馈控制直流调速系统无静差直流调速系统直流可逆调速系统简介5.1直流调速的基础知识5.1.1现代机床调速系统5.1.2现代机床控制技术5.1.3直流调速简介5.1.1现代机床调速系统机床调速系统的分类：*按照调速装置的主体，分为机械调速与电气调速；*按照速度是否连续可调，分为有级调速与无级调速；*按照电机驱动电源的类型，分为直流调速与交流调速。⑴机械有级调速系统在机械有级调速系统中，电动机一般采用不调速的笼型异步电动机，通过改变齿轮箱的变速比来实现速度调节。负载转矩是通过机械传动机构传到电动机轴上，电动机轴上转矩比负载转矩小，因此可以选择转矩较小的交流电动机。该调速方式使机械系统变得复杂，影响了机床的加工精度。在普通的车床、钻床、铣床等加工精度要求不高的场合，一般采用此类调速系统。⑵电气—机械有级调速系统用多速鼠笼式异步电动机代替不能调速的鼠笼式异步电动机，以便简化机械传动机构。多速电动机一般采用双速电动机，少数机床采用三速、四速电动机。中小型镗床的主拖动系统多采用双速异步电动机。⑶交直流无级调速系统通过改变电枢电压（或励磁电流）直接改变电动机转速，从而实现机床工作机构转速的无级调节。该调速系统满足机床的主运动和进给运动均有调速要求的场合，具有调速范围宽、实现平滑调速、调速精度高、控制灵活等优点，还可取消或简化电动机与机械运动部件之间的齿轮变速箱，简化了机械传动机构，因而广泛应用于机床的主拖动和进给拖动系统中。5.1.2现代机床控制技术⑴控制系统的分类①按照有无反馈测量装置，控制系统可以分为开环控制系统和闭环控制系统。②按照信号处理技术，可以分为模拟控制系统和数字控制系统。开环控制系统是没有输出反馈的一类控制系统。开环控制系统的主要优点是简单、经济、容易维修以及价格便宜。主要缺点是精度低，对环境变化和干扰十分敏感。闭环控制系统亦称为反馈控制系统，采用反馈原理将系统输出的全部或部分反馈到输入端。闭环控制系统与开环控制系统相比，具有精度高，动态性能好，抗干扰能力强等优点。它的主要缺点是结构比较复杂、价格比较昂贵等。5.1.3直流调速的基础知识直流电动机优点：转矩易于控制，具有良好的起制动性能，在相当长的时间内，一直在高性能调速领域占有绝对的统治地位。此外，直流调速技术方面的理论相对成熟，其研究方法和许多基本结论很容易在其它调速领域内推广，所以直流调速一直是研究调速技术的主流。电动机直流电动机交流电动机交流调速系统直流调速系统由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，本章将对直流调速的基本理论做较详细的介绍。直流电机工作原理：右图为直流电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转铁质圆柱体上的线圈，线圈和圆柱体分别称为电枢绕组和电枢铁心。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过与换向片连接、固定不动的电刷进行的。如图电刷A接电源正极，且总与转到上边的换向片接触，所以产生的电磁转矩使转子总是逆时针旋转。II⑴电压平衡方程0eeeUIRUIRnnnKKKUEIR(2)感应电动势eEKn转速一.直流调速的基础知识（5-1）式中：n——电机转速（r/min）IU——电枢电压（V）——电枢电流（A）,,Cm转矩常数。当磁通量不变时，电流与电磁转矩成正比，大小与方向均由电磁转矩确定；当电阻或电压改变时，如果保持磁通量和电磁转矩不变，则稳定后的电流也不变R——电枢回路总电阻（）——励磁磁通（Wb）Ke——由电机结构决定的结构常数在稳定运转时，直流电动机的转速与其它参量的关系：0eeeUIRUIRnnnKKKMTIC由（5-1）式可知，直流电动机的调速方法有三种：1.改变电枢回路电阻R2.改变励磁磁通Ф3.改变电枢外加电压U对于要求大范围无级调速的系统来说，改变电枢回路总电阻的方案难以实现改变电动机磁通Ф的方案虽然可以平滑调速，但调速范围不可能很大调电枢端电压U的方法调速，此时电动机磁通Ф应为最大值(额定值)且保持不变，以求得充分发挥电动机的负载能力。而在额定转速(基速)以上时，因电枢端电压U已不允许再增加，可采用减弱磁通Ф的方法使电动机的转速进一步提高，从而提高整个系统的速度调节范围调速范围宽、简单易行、负载适应性广，是当今直流电动机调速的主要方法。一.可控变流装置图5-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）工作原理：1.旋转变流机组交流电动机为原动机，工作时转速基本恒定，由它拖动的直流发电机G给需要调速的直流电动M的电枢供电。GE为一台小型直流发电机，可与交流电动机、直流发电机同轴相连，也可另设一台小型交流电动机对其拖动，它提供一小容量的直流电源供直流发电机和直流电动机励磁用，所以又称GE为励磁发电机。旋转变流机组供电的直流调速系统可简称为G-M系统。改变G的励磁电流If的大小时，也就改变了G的输出电压U，进而改变了直流电动机M的转速。结构如图如果改变If的方向，则U的极性和n的方向都跟着改变，实现G-M系统的可逆运行。由于能够实现回馈制动，G-M系统在允许的转矩范围内可以四象限运行，其完整的机械特性如图5-2。图5-2G-M系统的机械特性图5-3晶闸管整流装置供电的直流调速GT为晶闸管触发装置，V为晶闸管整流器，合起来为一可控直流电源。可控直流电源给直流电动机电枢供电组成直流调速系统。这类直流调速系统简称V-M系统工作原理：改变GT的输入信号大小，就可改变GT输出脉冲的相位，晶闸管在不同的相位处开始导通，使整流器输出的电压平均值Ud大小变化，进而改变电动机的转速。和传统的G-M系统相比，晶闸管可控直流电源的功率放大倍数高出旋转变流机组两到三个数量级，而系统反应速度也要高出二个数量级以上。2.晶闸管整流3.直流斩波器图5-4斩波器-电动机系统的原理图和电压波形图工作原理：图5-49a中，当VT被触发导通时，电源电压Us加到电动机电枢上；当VT在控制信号作用下，通过强迫关断电路关断时，电源与电动机电枢断开，电动机经二极管VD续流，此时，图中A、B两点间电压接近零。若使晶闸管反复通断，就得到A、B间电压波形如图b。常用的是周期T不变，改变导通时间ton,进而改变输出直流电压平均值，最终完成转速调节，这种方式称脉冲宽度调制，此时系统简称PWM调速系统。目前，由于全控型电力电子器件的发展，作为开关用的VT（半控型）已被取代，线路被优化，性能更优越。二.转速控制的要求和调速指标1.调速范围生产机械要求电动机所提供的最高转速与最低转速之比称为调速系统的调速范围。常用字母D来表示。minmaxnnD（5-2）这里、通常指电动机带上额定负载时的转速值。maxnminn2.静差率系统转速的变化主要由负载变化引起，反映负载变化对转速影响的一个指标被定义为静差率。其定义为：调速系统在额定负载下的转速降落与理想空载转速之比。静差率用字母S表示：0010nnnnnSnom调速稳速速度变化率n0—理想空载转速n1—额定负载转速静差率百分数表示：%1000nnSnom对一般系统来说，S越小时说明系统转速的相对稳定性越好。而对同一系统而言，静差率不是定值，电动机工作速度降低时，静差率就会变大。请看图5-5。图5-5不同转速下的静差率结论：调速系统只要在调速范围的最低工作转速时满足静差率要求，则其在整个调速范围内都会满足静差率要求。给出了系统两条稳定工作特性，对应于电枢上两个不同的外加电压。对于调压调速来说，两条特性是平行的，即在负载相同时，两种情况下转速降落值应是相同的，若是额定负载，两者的速降均为。而根据静差率S的定义，因，显然有S1S2。01n02nnomn3.调速范围与静差率的关系静差率和调速范围必须同时考虑才有意义，由各自的定义式可知：单提调速范围时，任何系统的调速范围都可以很大；而单提静差率，大多数系统也会较容易满足。对同一个系统，有：ninnomnnS0SnSnSnnnnnomnomnomnom)1(min0min由调速范围（对于调压调速），nomnnmaxminminmaxnnnnDnom将上页的表达式代入本式，得minn（5-5）)1(SnSnDnomnom上式表明，同一系统的调速范围、静差率和额定转速降落三者之间有密不可分的联系。对静差率值要求越小，能得到的调速范围也将越小。Back例题某生产机械由他励直流电动机拖动，采用降压调速，额定负载下电动机的额定转速为，理想空载转速。降低电压以后的转速为，理想空载转速。试求：（1）调速范围D和静差率；（2）如果生产工艺要求静差率，则此时的调速范围是多少？20%第二节反馈控制直流调速系统一.反馈控制的基本概念系统的调速范围、静差率、额定负载下的转速降落之间有确定的关系式：)1(SnSnDnomnom其中，调速范围D、静差率S取决于生产加工工艺要求，是无法变更的。为使上式成立，只能设法减少额定负载下的转速降落。无反馈控制的开环调速系统，额定负载下的转速降落值为：CeRIndnomnom其中，R是电枢回路总电阻，为系统固有参数，Idnom是对应额定负载时的电流，也是固定的。所以，一般开环系统无法满足一定调速范围和静差率性能指标要求。如果在负载增加的同时设法增大系统的给定电压Un，就会使电动机电枢两端的电压Ud增大，电动机的转速就会升高。若Un增加量大小适度，就可以使因负载增加而产生的n被Ud升高而产生的速升所弥补，结果会使转速n接近保持在负载增加前的值上。这样，既能使系统有调速能力，又能减少稳态速降，使系统具有满足要求的调速范围和静差率。图5-6转速闭环调速系统我们可以在与调速电动机同轴接一测速发电机TG，这样就可以将电动机转速n的大小转换成与其成正比的电压信号Un，把Un与Un相比较后，去控制晶闸管整流装置以控制电动机电枢两端的电压Ud就可以达到控制电动机转速n的目的。系统组成如图转速闭环调速原理：Un反映了电动机的转速，并被反回到输入端参与了控制，故称做转速反馈。又因为Un极性与给定信号Un相反，所以进一步称为转速负反馈。当电动机负载增加时，转速n下降，Un下降，而Un没变，Un=Un_Un增大，晶闸管整流器输出电压Ud增高，电动机转速回升，使转速接近原来值；而在负载减少，转速n上升时，Un则会增大，Un会下降，Ud也会相应降低，电动机转速n下降到接近原来转速。这种系统是把反映输出转速n的电压信号Un反馈到系统输入端，与给定电压Un比较，形成了一个闭环。由于反馈作用，系统可以自行调整转速，通常把这种系统称作闭环控制系统。又由于是反馈信号作用，达到自动控制转速的目的，所以常把这种控制方式称做反馈控制。二.转速负反馈自动调速系统1.转速负反馈调速系统的组成及工作原理图5-7采用比例放大器的转速负反馈闭环调速系统与上图不同的是加了电压放大器。其作用一是为了解决因反馈信号作用，正常工作为得到足够的触发器控制电压使所需给定电源电压过高的问题，二是提高闭环调整精度的需要。工作原理：系统中，由给定电位器给出一个控制电压Un，与反馈回来的速度反馈电压Un一起加到放大器输入端上，其差值信号Un=Un-Un被放大Kp倍后，得Uct做为触发器的控制信号，触发器产生相应相位的脉冲去触发整流器中的晶闸管。整流输出的直流电压Ud加在了电枢两端，产生电流Id，使电动机以一定的转速旋转。我们知道测速发电机的电枢电动势Etg为：nKEtgetgtg（5-6）etgKtgn其中：——由测速机结构决定的常数——测速发电机励磁磁通量——测速发电机转速，即电动机转速由于Ketg、是不变的常量，测速机与电动机同轴联接是同一个转速n，所以测速机的电枢电动势Etg反映了电动机的转速。测速机电动势Etg与其电枢端电压Utg相差无几，在这个意义上我们说，测速机电枢两端的电压