1、直流調速技術直流調速系統：引言轉速負反饋晶閘管直流調速系統小功率有靜差直流調速系統實例分析速度和電流雙閉環直流調速系統雙極晶體管脈寬調制控制系統的直流調速系統 直流調速系統直流調速系統：引言調速系統的性能指標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。所以，我們就將調節電動機轉速，以適應生產要求的過程就稱之為調速；而用于完成這一功能的自動控制系統就被稱為是調速系統。目前調速系統分交流和直流調

2、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。但近年來，隨著電子工業與技術的發展，高性的交流調速系統的應用范圍逐擴大并大有取代直流調速系統發展趨勢。但作為一個延用了近百年的調速系統，了解其基本的工作原理，并加深對自動控制原理的理解還是有必要的。一、什么是調速在前幾章中我們學過，各種自動化生產機械或系統所提出的性能指標一般都可以分成穩態指標和動態指標。對于調速系統來說也不例外，只是它作為一個特定的系統，其穩態和動態指標有著具體而明確定義。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

3、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。動態性能指標：主要是平穩性和抗干擾能力。二、調速控制系統的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：靜差率調速系統在某一轉速下穩定運行時，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：他勵直流電動機的轉速公式：式中：U為他勵電動的電樞電壓 I為電樞電流 E為電樞電動勢 R為電樞回路的總電阻 n為電機的轉速 為勵磁磁通 CE為由電

4、機結構決定的電動勢系數他勵直流電機的調速方案由直流他勵電機有調速方式有三種調速方式：電樞回路串電阻的變電阻調速，改變電樞電壓的變電壓調速以及減小氣隙磁通量的弱磁調速。由于串電阻調速和弱磁調速都會使直流他勵電機的機械特性變軟，所以在實際應用中我們通常采用的是變電壓調速。用晶閘管觸發整流整流電路實現電樞電壓可調，從而達到改變電機轉速的目的。這就是所謂的電源電動機調速系統（VM）系統，它屬于開環系統。而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，CeN=0.2，若要求電

5、動機調速范圍D=20，sn5%，則該調速系統是否能滿足要求？解：如果要滿足D=20，Sn5%的要求，則其在額定條件下的轉速降為：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。要把額定負載下的轉速降從開環系統中的274.5降低到滿足要求的2.63就必須采用負反饋，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。而靜差率為：1 轉速負反饋晶閘管直流調速系統 給定比較放大晶閘管觸發整流他勵直流電動機測速發電機反饋電位器1.1 系統的組成由圖可見，該系統的控制對象是直流電動機M，被控量是電動機的轉速n，晶閘管觸發及整流電路為功率放大和執行環節，由運算放大

6、器構成的比例調節器為電壓放大和電壓(綜合)比較環節，電位器RP1為給定元件，測速發電機TG與電位器RP2為轉速檢測元件。該調速系統的組成框圖如下: 由基爾霍夫定律，可得他勵直流電動機電樞回路的電壓方程：直流電動機(Direct Current Motor) 代入他勵直流電動機的機電參數：可得：兩邊取Laplace變換：即他勵直流電機的傳遞函數是：晶閘管整流電路(Thyristor Rectifier) 優點：晶閘管整流裝置不但經濟、可靠而且其功率放大倍數在104以上，門極可直接采用電子電路控制，響應速度為毫秒級。 缺點：由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向，給系統的可逆運行造成困難。另一問

7、題是當晶閘管導通角很小時，系統的功率因素很低，并產生較大的諧波電流，從而引起電網電壓波動殃及同電網中的用電設備，造成“電力公害”。 晶閘管整流電路的調節特性為輸出的平均電壓 與觸發電路的控制電壓 之間的關系，即 。圖7-4為晶閘管整流裝置的調節特性。由圖可見，它既有死區，又會飽和。 如果在一定范圍內將非線性特性線性化，可以把它們之間的關系視為由死區和線性放大區兩個部分級成。其中線性放大區有：死區線性放大區t11t2t30UcudUd0Ud1Ud2死區：晶閘管觸發裝置和整流裝置之間之是存在滯后作用的，這主要是由于整流裝置的失控時間造成的。由電力電子學可知，晶閘管是一個半控型電子器件，在陽極正向電

8、壓下，供給門極觸發脈沖才能使其導通，晶閘管一旦導通，門極便失去了作用。改變控制電壓Uc，雖然可以使觸發脈沖的相位產生移動，但是也必須等正處于導通的元件完成其導通周期并自然關斷后，整流電壓Ud才能與新的脈沖相位相適應。因此這就造成整流電壓Ud滯后于控制電壓Uc的情況。綜上所述，晶閘管觸發可控整流裝置的傳遞函數可以看成是由兩個環節串聯組成的。即：可以把它的觸發電壓Uc與整流輸出電壓Ud之間的放大系數K視為常數，而把晶閘管電路和整流裝置可以看成是一個具有純滯后環節放大環節。這樣就有： 式中，0是晶閘管觸發裝置和整流裝置的失控時間，單位為秒。若再考慮到0的延遲時間一般很小(三相橋式01.7ms，單相全

9、波0=5ms)。這樣晶閘管整流裝置的傳遞函數為： 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源及晶閘管電路電動機電流載止比較電路比較放大電路（Amplifier） 由疊加定理：當Us(s)單獨作用時，有：當Ufn(s)單獨作用時，有：所以當Us和Ufn共同作用時，有：轉速檢測環節(Speed Measurement Element) 轉速的檢測方式很多，有測速發電機、電磁感應傳感器、光電傳感器等。讀出量又分模擬量和數字量。此系統中，轉速反饋量需要的是模擬量，一般采用測速發電機。測速發電機分直流和交流兩種。測速反饋信號 與轉速成正比，有： 稱為轉速反饋系數

10、。 轉速負反饋晶閘管直流調速系統的框圖系統的自動調節過程：電網波動負載波動電流截止負反饋問題的提出（一）：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：它只與電樞電壓Ud和電樞電阻Ra有關。由于電樞電阻很小，所以起動電流是很大的。為了避免起動時的電流沖擊，在電壓不可調的場合，可采用電樞串電阻起動，在電壓可調的場合則采用降壓起動在調速系統中如何處理。另外，有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉情況。例如由于故障造成機械軸被卡住，或挖土機工作時遇到堅硬的石頭等。在這此情況下，由于閉環系統的機

11、械特性很硬，若沒有限流環節的保護，電樞電流將遠遠超過允許值。可以通過一個電壓比較環節，使電流負反饋環節只有在電流超過某個允許值(稱為閾值)時才起作用，這就是電流截止負反饋。 電流截止負反饋的作用電流截止負反饋環節的組成工作原理當Id較小,即IdRcUo時，則二極管VD截止，電流截止負反饋不起作用。挖土機特性額定電流時堵轉電流時的實際特性堵轉電流時理想特性Idn當Id較大，即IdRcU0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下降到允許最電流。帶電流截止負反饋的單閉環直流調速系統帶電流截止負反饋的單閉環直流調速系統的框圖Us（S）N（S）-+K p+T(s),負載變化+

12、電流載止-UfnUfi由于電流截止負反饋環節在正常工作狀況下不起作用，所以系統框圖上可以省去。在如圖所示的調速系統中，已知負載變化為：求：負載變化所產生的轉速降。 若此時系統的給定量為： ，此時系統的穩 態輸出nN。 該系統是否能滿足5%的靜差率。Un（S）N（S）-+5+T(s),負載變化+G1G2G3解：由于負載變化量是擾動量，所以其擾動量的誤差傳遞函數為：故系統攏動量的誤差函數：當已知系統攏動量為：由終值定理可求得該系統在負載變化量T（s）作用下的穩態誤差為：由于負載變化呈下降趨勢，所以系統在負載作用下的工作轉速下降了10r/min若此時系統的給定量： ，則由系統閉環傳遞函數的概念，可得：故在給定作用下，系統的穩態輸出轉速可由終值定理求得：由靜差率定義可得：由此可見該閉環系統是可以滿足5%的靜差率的穩態指標的。KZD-型直流調速系統實例 KZD-型直流調速系統的組成框圖及調節過程KZD-型直流調速系統分析 此為小容量晶閘管直流調速裝置，適用于4kW以下直流電動機無級調速。系統的主回路采用單相橋式半控整流線路。具有電流截止負反饋、電壓負反饋和電流正反饋（電動勢負反饋）。具體數據如下：交流電源電壓 單相220V整流輸出電壓 直流180V最大輸出電流 直流30A勵磁電壓 單相180V勵磁電流