交直流調速系統 學習目的和要求1 了解調速系統的作用2 熟悉生產機械對調速系統提出的調速技術指標要求3 了解調速系統與生產機械的負載特性合理匹配的基本概念4 掌握各種常用的調速系統的基本組成環節 調速原理 特點及適用場所及其選用 交通系統 1 什么是調速及調速系統將調節電動機轉速 以適應生產要求的過程就稱之為調速 用于完成這一功能的自動控制系統就被稱為是調速系統 電動機是用來拖動某種生產機械的動力設備 所以需要根據工藝要求調節其轉速 比如 在加工毛坯工件時 為了防止工件表面對生產刀具的磨損 因此加工時要求電機低速運行 而在對工件進行精加工時 為了要縮短工加時間 提高產品的成本效益 因此加工時要求電機高速運行 2 調速系統的作用機床在加工過程中 需要按不同的加工要求 調整主軸的轉速 進給速度 為保證工件表面質量和精度 要求電動機運行速度平穩 1 調速 調速控制系統保證電動機起動 制動 調速過程迅速改變速度 2 穩速 調速控制系統能迅速消除擾動 主要是負載和電樞電壓波動 而引起的轉速波動 保證電動機運行速度平穩 3 調速系統的性能指標根據生產機械對調速系統提出的要求 調速技術指標又靜態指標和動態指標 靜態指標 靜差度 調速范圍 動態指標 跟隨性能指標 抗擾性能指標 4 調速系統的分類目前調速系統分交流和直流調速系統 由于直流調速系統的調速范圍廣 靜差率小 穩定性好以及具有良好的動態性能 因此在相當長的時期內 高性能的調速系統幾乎都采用了直流調速系統 直流電動機工作原理 直流電動機原理示意圖 磁極 電樞 換向器 電刷 直流電動機的勵磁 直流電動機的分類勵磁方式 勵磁繞組和電樞繞組之間的連接方式 指電機的勵磁方式 如他勵 并勵 串勵和復勵等 勵磁電壓Uf 對并勵電機來說 勵磁電壓就等于電機的額定電壓 對他勵電機來說 勵磁電壓要根據使用情況決定 勵磁電流If 指電機產生主磁通所需要的最大允許勵磁電流 他勵方式 a 他勵直流發電機 b 他勵直流電動機他勵直流電機的勵磁方式 勵磁繞組和電樞繞組無電路上的聯系Ia I 第一章單閉環直流調速系統調速控制系統的性能指標各種自動化生產機械或系統所提出的性能指標一般都分為穩態指標和動態指標 穩態指標 主要是要求系統能在最高和最低轉速內進行平滑調節 并且在不同轉速下工作時能穩定運行 而在某一轉速下穩定運行時 盡量少受負載變化及電源電壓波動的影響 因此它的指標就是調速系統的調速范圍和靜差率 動態指標 主要是平穩性和抗干擾能力 直流調速系統基礎知識直流他勵電動機的轉速公式表示 式中n 轉速 單位r min Ud 電樞電壓 V Id 電樞電流 A Rd 電樞回路電阻 勵磁磁通 Wb Ke 由電動機結構決定的電動勢系數 以上公式表明 直流電動機的調速方法有三種 1 調節電樞供電電壓Ud改變電樞電壓主要是從額定電壓往下降低電樞電壓 從電動機額定轉速向下變速 屬恒轉矩調速方法 對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說 這種方法最好 工作條件 保持勵磁F FN 保持電阻R Ra調節過程 改變電壓UN Ud n n0 調速特性 轉速下降 機械特性曲線平行下移 調壓調速特性曲線 2 改變電動機主磁通 改變磁通可以實現無級平滑調速 但只能減弱磁通進行調速 簡稱弱磁調速 從電機額定轉速向上調速 屬恒功率調速方法 工作條件 保持電壓U UN 保持電阻R Ra調節過程 減小勵磁FN F n n0 調速特性 轉速上升 機械特性曲線變軟 調磁調速特性曲線 3 改變電樞回路電阻R在電動機電樞回路外串電阻進行調速的方法 設備簡單 操作方便 但是只能進行有級調速 調速平滑性差 機械特性較軟 空載時幾乎沒什么調速作用 還會在調速電阻上消耗大量電能 工作條件 保持勵磁F FN 保持電壓U UN調節過程 增加電阻Ra R n n0不變 調速特性 轉速下降 機械特性曲線變軟 調阻調速特性曲線 三種調速方法的性能與比較 要求在一定范圍內無級平滑調速的系統來說 調節電樞供電電壓的方式為最好 改變電阻只能有級調速 減弱磁通調速范圍不大 并且這兩種都會使直流他勵電機的機械特性變軟 在實際應用中我們通常采用的是變電壓調速 實現調壓調速的關鍵是要有可調的直流電源 直流調速系統用的可控直流電源調節電動機的電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源 60年代初 大功率晶閘管投入使用 采用晶閘管可控整流器向直流電動機供電 隨著晶閘管變流技術的日漸成熟 使直流調速系統更加完善 目前 用晶閘管變流器控制的他勵直流電動機 是工業應用最廣泛的電動機傳動系統 對直流調速系統的要求各類不同的生產機械 由于其具體的生產工藝過程不同 對控制系統的性能要求也是不同的 但歸納起來有以下三個方面 調速在一定的范圍內實現有級或無級地調節轉速 調速系統的轉向若要求正 反轉 則為可逆調速系統 若只要求單向運轉 則為不可逆調速系統 穩速以一定的精度與要求的轉速上穩定運行 盡可能不受外部或內部擾動的影響 以確保產品質量 良好的起 制動性能 對于頻繁起 制動的設備要求盡可能快地加 減速 以提高生產效率 要求起 制動盡可能地平穩 常用的可控直流電源有以下三種 1 旋轉變流機組 用交流電動機和直流發電機組成機組 以獲得可調的直流電壓 2 靜止可控整流器 用靜止的可控整流器 如晶閘管整流裝置 產生可調的直流電壓 3 直流斬波器或脈寬調制變換器 利用直流斬波或脈寬調制的方法產生可調的直流直流電源 1 旋轉變流機組 G M系統 以旋轉變流機組作為可調電源的直流電動機調速系統的原理 由交流電動機拖動直流發電機G實現變流 由G給需要調速的直流電動機M電樞供電 調節發電機的勵磁電流 即可改變其輸出電壓U 從而調節電動機的轉速n的大小 這種調速系統叫做發電機 電動機系統 即G M系統 圖1 1旋轉變流機組供電的直流調速系統 G M系統 要求較高的閉環直流調速系統一般都通過放大裝置進行控制 如果改變if的方向 則U的極性和n的轉向都跟著改變 因此G M系統的可逆運行是很容易的 這種由機組供電的直流調速系統需要旋轉變流機組 設備多 體積大 效率低 安裝需打地基 運行有噪音 維護不方便 為了克服這些缺點 在20世紀50年代開始采用靜止變流裝置來代替旋轉變流機組 直流調速系統進入了由靜止變流裝置供電的時代 2 靜止式可控整流器 V M系統 圖1 3晶閘管 直流調速系統 V M系統 d2 d1 一 電阻負載 00 開環調速系統 直流電機調速系統的基本結構 控制 驅動 電機 機械 速度控制 速度負反饋閉環調速系統 閉環 控制 驅動 電機 機械 測量 速度控制 目前 晶閘管 電動機調速系統 簡稱V M系統 已經成為直流調速系統的主要形式 晶閘管 電動機調速系統原理框圖 V M系統 給定電壓Uc控制觸發裝置 GT觸發脈沖的相位a 1 開環V M系統控制過程分析 在開環調速系統中 控制是單方向進行的 輸出轉速并不影響控制電壓 控制電壓直接由給定電壓產生 1 直流電動機 直流電動機有兩個獨立的電路 一個是電樞回路 另一個是勵磁回路 2 晶閘管整流電路 3 晶閘管觸發脈沖電路 2 開環V M系統組成 當電動機處于穩態運行時 di dt 0 dn dt 0 即可得到系統的輸出輸入關系 當出現擾動時 如負載發生變化 問題 輸出量不能按照輸入量所期望的狀態去工作 即不能得到期望的轉速 2 解決方法自控原理中學過 采用反饋控制的閉環調速系統 即按被調量的偏差來進行控制 只要出現偏差系統就會自動產生糾正偏差的作用 反饋閉環控制有時稱為偏差控制 V M系統的特點晶閘管整流不僅在經濟性和可靠性上都有很大提高 晶閘管可控整流器的功率放大倍數大約在104 控制功率小 在控制作用的快速性上也大大提高 有利于改善系統的動態性能 第二節轉速負反饋有靜差直流調速系統 任何一臺需要控制轉速的設備 其生產工藝對調速性能都有一定的要求 例如 最高轉速與最低轉速之間的范圍 是有級調速還是無級調速 在穩態運行時允許轉速波動的大小 從正轉運行變到反轉運行的時間間隔 突加或突減負載時允許的轉速波動 運行停止時要求的定位精度等等 歸納起來 對于調速系統轉速控制的要求有以下三個方面 1 調速 在一定的最高轉速和最低轉速范圍內 分檔地 有級 或平滑地 無級 調節轉速 2 穩速 在各種干擾下不允許有過大的轉速波動 以確保產品質量 3 加 減速 要求加 減速盡量快 以提高生產率 要求起 制動盡量平穩 4 有兩個調速指標 叫做 調速范圍 和 靜差率 這兩個指標合稱調速系統的穩態性能指標 調速范圍 生產機械在額定負載時要求電動機提供的最高轉速Nmax與最低轉速Nmin之比稱為調速范圍 用D表示 即 靜差率調速系統的負載由理想空載增加到規定負載時 所對應的轉速降落 n與理想轉速n0之比 用s表示 即 兩者之間的關系是 靜差率S是用來衡量調速系統在負載變化時轉速的穩定度的 與機械特性的硬度有關 2 1 開環V M調速系統原理圖 穩態結構圖 由已知條件并設系統電流連續 則其額定轉速下的轉速降為 例 某電源 電動機直流調速系統 已知電機的額定轉速為n 1000r min 額定電流IN 305A 主回路電阻R 0 18 Ce N 0 2 若要求電動機調速范圍D 20 sn 5 則該調速系統是否能滿足要求 解 而靜差率為 由此例不難發現 象這樣的電源 電動機所組成的開環調速系統 是沒有能力完成其調速指標的 必須采用負反饋 這也就構成了我們所謂的閉環直流調速系統 轉速負反饋直流調速 轉速負反饋有靜差調速系統的組成框圖 它在開環調速系統的基礎上增加了轉速檢測環節 測速發電機TG和反饋電位器RP2 和放大環節 圖中 電力電子器件組成的變換器 其輸入接三相 或單相 交流電源 輸出為可控的直流電壓 2 2 單閉環V M調速系統及靜特性 在閉環系統中 把系統的輸出量通過檢測裝置 傳感器 引向系統的輸入端 與系統的輸入量進行比較 從而得到反饋量與輸入量之間的偏差信號 利用此偏差信號通過控制器 調節器 產生控制作用 自動糾正偏差 因此 帶輸出量負反饋的閉環控制系統具有較高的抗擾性 具有改善控制精度的性能 廣泛用于各類自動調節系統中 1 系統原理圖 2 3 單閉環調速系統的組成 圖1 4帶轉速負反饋的閉環直流調速系統原理框圖 M TG Utg Ud Id n Un Un U n Uc UPE Id Un Ud Uc tg 2 對于中 小容量系統 多采用PWM變換器 對于特大容量的系統 則常用晶閘管裝置 3 在電動機軸上安裝一臺測速發電機TG 檢測到電動機轉速 并變換成與之成正比的電壓 再經電位器為反饋電壓Ufn 引至放大器的輸入端與轉速給定電壓Usn比較 得到偏差電壓 U 經過放大器A放大后得到輸出電壓Uk 用Uk控制晶閘管觸發器的控制角 使晶閘管整流裝置變換出不同的直流電壓Udo 用以控制電動機的轉速 因為只有轉速反饋環 所以稱為單閉環轉速負反饋調速系統 閉環調速系統應該能夠大大減少轉速降落 2 4 穩態分析轉速負反饋直流調速系統中各環節的穩態關系如下 電壓比較環節 放大器 電力電子變換器 調速系統開環機械特性 測速反饋環節 以上各關系式中 放大器的電壓放大系數 電力電子變換器的電壓放大系數 轉速反饋系數 V min r UPE的理想空載輸出電壓 V 電樞回路總電阻 Kp Ks Ud0 R 2 5 靜特性方程從上述五個關系式中消去中間變量 整理后 即得轉速負反饋閉環直流調速系統的靜特性方程式 2 3 開環放大系數K為靜特性方程式 2 3 閉環系統的穩態結構框圖 圖1 25a轉速負反饋閉環直流調速系統穩態結構框圖 轉速負反饋調速系統穩態框圖 系統的自動調節過程 以負載增大為例 閉環調速系統的自動調節過程如下 TL n Ufn U Usn Ufn Uk 脈沖前移 Ud n 轉速負反饋閉環直流調速系統 比較放大 晶閘管整流 給定Un 下一步 控制Uc 負載變化 比較器 上一步 下一步 負載減小 上升加快 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 負載減小 轉速加快 比較器 上一步 下一步 電機轉速加快 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 負載減小 轉速加快 測速發電機轉速加快 上一步 下一步 測速發電機轉速加快 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 負載減小 轉速加快 測速發電機轉速加快 反饋電壓增大 上一步 下一步 反饋電壓增大 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 下一步 比較結果減小 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 下一步 輸出電壓減小 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 下一步 電機轉速減慢 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 上一步 exit 上升速度減慢 比較放大 晶閘管整流 給定Un 控制Uc 二 總結 把轉速反饋與給定比較形成控制信號 組成閉環控制 測速環節 直流測速發電機 與直流電機同軸聯結 設置放大器 這種系統是以存在偏差為前提的 反饋環節只是檢測偏差 減小偏差 而不能消除偏差 因此它是有靜差調速系統 三 反饋控制規律轉速反饋閉環調速系統是一種基本的反饋控制系統 它具有以下三個基本特征 也就是反饋控制的基本規律1 只用比例放大器的反饋控制系統 其被調量仍是有靜差的 因為閉環系統的穩態速降為 只有 才能使 0 而這是不可能的 2 反饋控制系統的作用是 抵抗擾動 服從給定 反饋控制系統具有良好的抗擾性能 它能有效地抑制一切被負反饋環所包圍的前向通道上的擾動作用 但對給定作用的變化則唯命是從 在圖1 27中 把各種擾動作用都表示出來了 反饋控制系統對它們都有抑制功能 給定和擾動作用 圖1 27閉環調速系統的給定作用和擾動作用 3 系統的精度依賴于給定和反饋檢測的精度 如果產生給定電壓的電源發生波動 反饋控制系統無法鑒別是對給定電壓的正常調節還是不應有的電壓波動 因此 高精度的調速系統必須有更高精度的給定穩壓電源 四 限流保護 電流截止負反饋問題的提出 1 起動的沖擊電流2 閉環調速系統突加給定 全壓啟動 起動的沖擊電流3 堵轉電流很大的電流 會燒壞晶閘管元件和電機 須加以限制 根據直流電動機電樞回路的平衡方程式可知 電樞電流Id為 當電機起動時 由于存在機械慣性 所以不可能立即轉動起來 即n 0 則其反電動勢E 0 這時起動電流為 由于電樞電阻很小 所以起動電流是很大的 這不僅對電動機換向不利 對于過載能力低的晶閘管等電力電子器件來說 更是不允許的 另外 有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況 例如挖土機 軋鋼機等 閉環系統特性很硬 若無限流措施 電流會大大超過允許值 為了解決反饋控制單閉環調速系統起動和堵轉時電流過大的問題 系統中必須設有自動限制電樞電流的環節 所以 引入電流負反饋能夠保持電流不變 使它不超過允許值 但是 電流負反饋的引入會使系統的靜特性變得很軟 不能滿足一般調速系統的要求 電流負反饋的限流作用只應在起動和堵轉時存在 在正常運行時必須去掉 使電流能自由地隨著負載增減 這種當電流大到一定程度時才起作用的電流負反饋叫做電流截止負反饋 4 1 電流負反饋截止環節 4 1 電流截止負反饋環節的組成工作原理 1 當Id較小 即IdRc Uo時 則二極管VD截止 電流截止負反饋不起作用 2 當Id較大 即IdRc U0時 則二極管VD導通 電流截止負反饋起作用 U減小 Ud下降 Id下降到允許的電流 圖1 29電流截止負反饋環節 c 封鎖運算放大器的電流截止負反饋環節 圖1 30電流截止負反饋環節的I O特性 圖1 31帶電流截止負反饋的閉環直流調速穩態結構圖 4 1 電流負反饋 Idbl n0 A 轉速負反饋特性 B 電流負反饋特性 調速系統靜特性 僅采用電流負反饋 不要轉速負反饋 這種系統的靜特性如圖中B線 特性很陡 顯然對穩態運行不利 4 2 轉速負反饋晶閘管直流調速系統的組成 比較環節 比例調節器 給定電位器 測速電機 觸發電路 電動機 電流載止比較電路 電源及晶閘管電路 4 2 1 靜特性方程與特性曲線 由上圖1 31可寫出該系統兩段靜特性的方程式 當Id Idcr時 電流負反饋被截止 靜特性只有轉速負反饋調速系統的靜特性 現重寫于下 1 35 當Id Idcr時 引入了電流負反饋 靜特性變成 1 41 Idbl Idcr n0 A B 圖1 32帶電流截止負反饋閉環調速系統的靜特性 轉速負反饋 截止負反饋 4 2 1 靜特性兩個特點 1 電流負反饋的作用相當于在主電路中串入一個大電阻KpKsRs 因而穩態速降極大 特性急劇下垂 2 比較電壓Ucom與給定電壓Un 的作用一致 好象把理想空載轉速提高到 1 42 這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機特性 當挖土機遇到堅硬的石塊而過載時 電動機停下 電流也不過是堵轉電流 在式 1 41 中 令n 0 得一般KpKsRs R 因此 1 43 1 44 1 41 4 2 2 電流截止負反饋環節參數設計 Idbl應小于電機允許的最大電流 一般取Idbl 1 5 2 IN從調速系統的穩態性能上看 希望穩態運行范圍足夠大 截止電流應大于電機的額定電流 一般取 Idcr 1 1 1 2 IN 4 2 3 帶電流截止負反饋的單閉環直流調速系統 五 動態校正 PI調節器的設計在閉環調速系統時 常常會遇到動態穩定性的情況 這時 必須設計合適的動態校正裝置 用來改造系統 使它同時滿足動態穩定和靜態穩定指標兩方面的要求 在電力拖動自動控制系統中 最常用的是串聯校正和反饋校正 串聯校正比較簡單 也容易實現 一般采用PID調節器的串聯校正方案就能完成動態校正的任務 PID調節器中有比例微分 PD 比例積分 PI 和比例積分微分 PID 三種類型 一般調速系統的要求以穩態精度為主 對快速性的要求可以差一些 所以主要采用PI調節器 2 無靜差調速系統概念 調速系統受到擾動作用后 又進入穩態運行時 系統的給定量與被調量的反饋量保持相等 即 0 也就是擾動前后的穩態轉速不變 1 串聯校正方法 無源網絡校正 RC網絡 有源網絡校正 PID調節器 要實現無靜差調速 則需要在控制電路中包含有積分環節 在調速系統中 通常采用包含積分環節的比例 積分調節器 積分調節器 I調節器 和積分控制規律的特性 1 延緩性 積分調節器輸入階躍信號時 輸出按積分線性增長 2 積累性 只要積分調節器輸入信號存在 不論信號大小如何變化 積分的積累作用就持續下去 只不過輸出值上升速率不同而已 3 記憶性 在積分過程中 如果輸入信號變為零 輸出電壓能保持在輸入信號改變前的瞬時值 該電壓值就是充電電容C兩端的電壓值 若要使輸出值下降 必須改變輸入信號Uin的極性 其變化過程如圖所示 3 比例積分控制規律和無靜差調速系統1 采用比例 P 放大器控制的直流調速系統是有靜差的調速系統 2 采用積分 I 調節器或比例積分 PI 調節器代替比例放大器 構成無靜差調速系統 4 積分調節器和積分控制規律 1 積分調節器如圖 由運算放大器可構成一個積分電路 根據電路分析 其電路方程 圖1 43積分調節器a 原理圖 1 64 式中 積分時間常數 當初始值為零時 在階躍輸入作用下 0 t 對式 1 64 進行積分運算 得積分調節器的輸出 1 65 如果采用積分調節器 則控制電壓Uc是轉速偏差電壓 Un的積分 按照式 1 64 應有若初值不是零 還應加上初始電壓Uc0 則積分式變成 5 轉速的積分控制規律 輸入和輸出動態過程 Uc按線性規律增長 每一時刻Uc的大小和 Un與橫軸所包圍的面積成正比 如下圖所示 圖1 45積分調節器的輸入和輸出動態過程負載變化時 只有達到 Un 0時 Uc才停止積分 當 Un 0時 Uc并不是零 而是一個終值Ucf 如果 Un不再變化 此終值便保持恒定不變 這是積分控制的特點 實現無靜差調速 當負載轉矩由TL1突增到TL2時 有靜差調速系統的轉速n 偏差電壓 Un和控制電壓Uc的變化過程示于右圖 圖1 44有靜差調速系統突加負載過程 有靜差調速系統突加負載時的動態過程 6 比例與積分控制的比較 圖1 46積分控制無靜差調速系統突加負載時的動態過程 只要歷史上有過 Un 其積分就有一定數值 足以產生穩態運行所需要的控制電壓Uc 積分控制規律和比例控制規律的根本區別就在于此 7 無靜差調速系統突加負載時的動態過程 1 PI調節器 Uex 圖1 38比例積分 PI 調節器 i0 i1 2 PI輸入輸出關系按照運算放大器的輸入輸出關系 可得 1 60 輸入與輸出特性曲線 8 比例積分控制規律 式中PI調節器比例部分的放大系數 PI調節器的積分時間常數 由此可見 PI調節器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成 由此可見 比例部分能迅速響應控制作用 積分部分則最終消除穩態偏差 六 無靜差直流調速系統1 系統組成 5 1 電流截止負反饋環節的組成工作原理 1 當Id較小 即IdRc Uo時 則二極管VD截止 電流截止負反饋不起作用 2 當Id較大 即IdRc U0時 則二極管VD導通 電流截止負反饋起作用 U減小 Ud下降 Id下降到允許的電流 圖1 48無靜差直流調速系統示例 圖1 48所示是一個無靜差直流調速系統的實例 采用比例積分調節器以實現無靜差 采用電流截止負反饋來限制動態過程的沖擊電流 TA為檢測電流的交流互感器 經整流后得到電流反饋信號 當電流超過截止電流時 高于穩壓管VS的擊穿電壓 使晶體三極管VBT導通 則PI調節器的輸出電壓接近于零 電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降 達到限制電流