直流傳動控制系統(tǒng)

單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,第十一章 直流傳動控制系統(tǒng),11.1,自動調(diào)速系統(tǒng)主要性能指標(biāo),機(jī)電傳動控制系統(tǒng)選擇調(diào)速方案的依據(jù)：,生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速系統(tǒng)提出的調(diào)速技術(shù)指標(biāo),調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速技術(shù)指標(biāo),靜態(tài)指標(biāo),動態(tài)指標(biāo),一、靜態(tài)技術(shù)指標(biāo),1.,靜差度,S,：,靜差度表示出生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)行時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定的程度。,速度穩(wěn)定性指標(biāo),當(dāng)負(fù)載變化時，生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速的變化要能維持在一定范圍之內(nèi)，即要求靜差度,S,小于一定數(shù)值。,普通設(shè)備,普通車床,龍門刨床,冷軋機(jī),熱軋機(jī),造紙機(jī),S,50%,S30%,S5%,S2%,0.2%0.5%,S0.1%,電動機(jī)的機(jī)械特性愈硬，則靜差度愈小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就愈高,;,在一個調(diào)速系統(tǒng)中，如果在最低轉(zhuǎn)速運(yùn)行時能滿足靜差度的要求，則在其他轉(zhuǎn)速時必能滿足要求。,2.,調(diào)速范圍,D,在,額定負(fù)載,下，允許的,最高轉(zhuǎn)速,和在保證生產(chǎn)機(jī)械對轉(zhuǎn)速變化率要求的前提下所能達(dá)到的,最低轉(zhuǎn)速,之比稱為調(diào)速范圍 。,車床,龍門刨床,鉆床,銑床,軋鋼機(jī),造紙機(jī),進(jìn)給機(jī)械,20,120,20,40,2,12,20,30,3,15,10,20,5,30000,3.,調(diào)速的平滑性,調(diào)速的平滑性，通常是用兩個相鄰調(diào)速級的轉(zhuǎn)速差來衡量的。,調(diào)速,無級調(diào)速,有級調(diào)速,以改變直流電動機(jī)電樞外加電壓調(diào)速為例，說明調(diào)速范圍,D,與靜差度,S,之間的關(guān)系 ：,最高速度由系統(tǒng)中所使用電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速決定；,靜差度,S,和調(diào)速范圍,D,由生產(chǎn)機(jī)械的要求決定；,當(dāng)上述三個參數(shù)確定后，則要求靜態(tài)速降是一個定值。,二、動態(tài)技術(shù)指標(biāo),從一種穩(wěn)定速度變化到另一種穩(wěn)定速度運(yùn)轉(zhuǎn),（啟動、制動過程僅是特例而已），由于有電磁慣性和機(jī)械慣性，過程不能瞬時完成，而需要一段時間，即要經(jīng)過一段過渡過程，或稱,動態(tài)過程,。,1.,最大超調(diào)量,超調(diào)量,超調(diào)量太大，達(dá)不到生產(chǎn)工藝上的要求；,超調(diào)量太小，會使過渡過程過于緩慢，不利于生產(chǎn)率的提高等,范圍：,超調(diào)量,2.,過渡過程時間,T,從輸入控制（或擾動）作用于系統(tǒng)開始直到被調(diào)量,n,進(jìn)入（,0.05,0.02,）,n,2,穩(wěn)定值區(qū)間時為止（并且以后不再越出這個范圍）的一段時間，叫作過渡過程時間。,過渡過程時間,3.,振蕩次數(shù),N,在過渡過程時間內(nèi),被調(diào)量,n,在其穩(wěn)定值上下擺動的次數(shù)。,如圖所示是三種不同調(diào)速系統(tǒng)被調(diào)量從,x,1,改變?yōu)?x,2,時的變化情況。,系,統(tǒng),超調(diào),量,過渡過程,時間,T,振蕩次數(shù),性能,1,0,長,無,不好,2,大,長,多,不好,3,小,短,中,好,11.2,晶閘管電動機(jī)直流傳動控制系統(tǒng),按結(jié)構(gòu)的不同：,單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),可逆系統(tǒng),11.2.1,單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),一、有靜差調(diào)速系統(tǒng),單純由被調(diào)量負(fù)反饋組成的按比例控制的單閉環(huán)系統(tǒng)屬有靜差的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，簡稱有靜差調(diào)速系統(tǒng)；,（一）轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng),1.,基本組成,按靜態(tài)誤差的不同：,無靜差直流調(diào)速系統(tǒng),有靜差直流調(diào)速系統(tǒng),任務(wù)：,調(diào)節(jié)速度；,擴(kuò)大調(diào)速范圍，減小靜態(tài)誤差。,分類：,測速發(fā)電機(jī),：與直流電動機(jī),M,同軸相連，即兩者的速度相同，測速發(fā)電機(jī)用來測量電動機(jī)的速度，稱檢測元件；,轉(zhuǎn)換元件,：將測速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)換成電壓信號以便與給定電壓進(jìn)行比較。,給定電位器：,調(diào)節(jié),R,g,的位置可改變給定電壓,U,g,的大小 。,放大器：,將外加電壓和反饋信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后的電壓之差進(jìn)行放大。,觸發(fā)電路：,將放大器放大后的電壓信號變?yōu)槊}沖型號去控制整流電路的輸出大小。,整流電路,：變交流電壓為直流電壓，輸出電壓大小由觸發(fā)電路輸出脈沖信號所決定，整流電路的輸出為直流電動機(jī)電樞的外加電壓；,直流電動機(jī)：,系統(tǒng)的控制對象。,系統(tǒng)的調(diào)速方法是改變外加電壓調(diào)速；,系統(tǒng)的反饋信號是被控制對象,n,本身,;,反饋電壓和給定電壓的極性相反，即,:,該系統(tǒng)又稱,轉(zhuǎn)速負(fù)反饋,調(diào)速系統(tǒng)。,2.,工作原理,當(dāng),Ug,、,U,f,不變時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，這種狀態(tài)稱為,穩(wěn)態(tài),。,(2),調(diào)速（,U,f,不變，改變,U,g,的大?。?改變,U,g,的大小可改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種狀態(tài)稱為,調(diào)速,.,(1),穩(wěn)態(tài)（,Ug,、,U,f,不變）,(3),穩(wěn)速（,U,g,不變、負(fù)載變化使,U,f,變化,),當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化使速度發(fā)生變化后，系統(tǒng)通過反饋能維持速度基本不變，這種狀態(tài)稱為穩(wěn)速。,3.,靜特性分析,目的：找到減小靜態(tài)速降、擴(kuò)大調(diào)速范圍，提高系統(tǒng)性能的途徑。,靜特性表示出,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的大小關(guān)系。,(1),各環(huán)節(jié)輸入輸出的關(guān)系,電動機(jī)電路,式中,:,電樞回路的總電阻；,可控整流電源的等效內(nèi)阻；,電動機(jī)的電樞電阻。,可控硅和觸發(fā)電路,設(shè)可控硅和觸發(fā)電路的放大倍數(shù)為,K,2,，,則：,放大器電路,設(shè)放大器的放大倍數(shù)為,K,P,，,則：,反饋電路,速度反饋信號電壓與轉(zhuǎn)速,n,成正比，設(shè)放大系數(shù)為,K,f,，,則：,(2),靜特性,從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數(shù)；,閉環(huán)系統(tǒng)的放大倍數(shù)。,如果系統(tǒng)沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋（即開環(huán)系統(tǒng)）時，則整流器的輸出電壓,:,由此可得開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性方程,:,(3),分析與結(jié)論,理想空載轉(zhuǎn)速,在給定電壓一定時，有,:,轉(zhuǎn)速降,如果將系統(tǒng)閉環(huán)與開環(huán)的理想空載轉(zhuǎn)速調(diào)得一樣，即，,調(diào)速范圍與靜差度,在最大運(yùn)行轉(zhuǎn)速和低速時最大允許靜差度不變的情況下，,開環(huán)：,閉環(huán) ：,結(jié)論：,由于放大倍數(shù)不可能為無窮大，即靜態(tài)速降不可能為,0,，因此，上述系統(tǒng)只能維持速度基本不變。這種維持被調(diào)量（轉(zhuǎn)速）近于恒值不變，但又具有偏差的反饋控制系統(tǒng)通常稱為有差調(diào)節(jié)系統(tǒng)（即有差調(diào)速系統(tǒng)）。,采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)能克服擾動作用（如負(fù)載的變化、電動機(jī)勵磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等）對電動機(jī)轉(zhuǎn)速的影響。,提高系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù),K,是減小靜態(tài)轉(zhuǎn)速降落、擴(kuò)大調(diào)速范圍的有效措施。系統(tǒng)的放大倍數(shù)越大，準(zhǔn)確度就越高，靜差度就越小，調(diào)速范圍就越大。但是放大倍數(shù)也不能過分增大，否則系統(tǒng)容易產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。,（二）其他反饋在自動調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用,1.,電壓負(fù)反饋系統(tǒng),由公式,可知：,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨電樞端電壓的大小而變。電樞電壓的大小，可以近似地反映電動機(jī)轉(zhuǎn)速的高低。電壓負(fù)反饋系統(tǒng)就是把電動機(jī)電樞電壓作為反饋量，以調(diào)整轉(zhuǎn)速。,(1),電壓負(fù)反饋與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的區(qū)別,反饋信號不同，前者為被控制量的間接量電壓，后者為被控制量本身；,檢測元件不同，前者為電位器，后者為測速發(fā)電機(jī)。,(2),工作原理,穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋相同。,在給定電壓,U,g,一定時，其調(diào)整過程如下：,電壓負(fù)反饋系統(tǒng)的特點,:,線路簡單,穩(wěn)定速度的效果并不大,電動機(jī)端電壓即使由于負(fù)反饋的作用而維持不變，但是負(fù)載增加時，電動機(jī)電樞內(nèi)阻所引起的內(nèi)阻壓降仍然要增大，電動機(jī)速度還是要降低。或者說電壓負(fù)反饋，頂多只能補(bǔ)償可控整流電的等效內(nèi)阻所引起的速度降落。,則,U,d,=,U,-,U,AK,2.,電流正反饋與電壓負(fù)反饋的綜合反饋系統(tǒng),(1),系統(tǒng)特點,R,P,為電壓反饋檢測元件，并接在電動機(jī)電樞兩端，其上的電壓大小直接反映電動機(jī)電樞兩端電壓的大小，故稱電壓反饋；,R,為電流正反饋檢測元件，串接在電動機(jī)電樞回路中，其上的電壓大小直接反映電動機(jī)電樞電流的大小，故稱電流反饋。,系統(tǒng)的總反饋電壓,因為反饋電壓,U,V,的極性與給定電壓的極性相反，故稱,電壓負(fù)反饋,，反饋電壓,U,I,的極性與給定電壓的極性相同，故稱,電流正反饋,。,要使系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，系統(tǒng)總的反饋特性必須呈現(xiàn)出負(fù)反饋的性質(zhì)。,(2),工作原理,穩(wěn)速和調(diào)速的工作過程與轉(zhuǎn)速負(fù)反饋相同。,在給定電壓,U,g,一定時，其調(diào)整過程如下：,(3),靜特性,從電動機(jī)電樞回路電勢平衡關(guān)系知,上式如果滿足下列條件,系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)速反饋的特性。,3.,電流截止負(fù)反饋系統(tǒng),(1),電流截止負(fù)反饋的作用,過載保護(hù)。,電流正反饋可以改善電動機(jī)運(yùn)行特性，而電流負(fù)反饋會使 隨著負(fù)載電流的增加而減少，使電動機(jī)的速度迅速降低。,如果電動機(jī)的速度在負(fù)載過分增大時也不會降下來，這就會使電樞過流而燒壞。本來采用過流保護(hù)繼電器也可以保護(hù)這種嚴(yán)重過載，但是過流保護(hù)繼電器，要觸頭斷開，電動機(jī)斷電方能保護(hù)，而采用電流負(fù)反饋作用為保護(hù)手段，則不必切斷電動機(jī)的電路，只是使它的速度暫降下來，一旦過負(fù)載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產(chǎn)。,(2),基本思想方法,I,O,=1.35,I,aN,I,ao,=(23),I,an,當(dāng)負(fù)載正常，電樞電流在一定范圍內(nèi)（如小于,1.35,倍的額定電流），電流截止負(fù)反饋不起作用；,當(dāng)負(fù)載增加使電樞電流超過一定數(shù)值（如額定電流的,1.35,倍）時，電流負(fù)反饋開始起作用，減小電動機(jī)電樞外加電壓，使轉(zhuǎn)速下降；,當(dāng)負(fù)載繼續(xù)增加使電樞電流超過一定值（大于額定電流的,23,倍）時，電流負(fù)反饋足夠強(qiáng)，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機(jī)速度降到零，電動機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn)，從而起到保護(hù)作用。,因為只有當(dāng)電流大到一定程度反饋才起作用，故稱電流截止負(fù)反饋。這種特性因它常被用于挖土機(jī)上，故又稱“,挖土機(jī)特性,”。,（,3,）工作原理,當(dāng)電流小于轉(zhuǎn)折點的電流時，反饋電壓,U,I,<,U,b,二極管,V,截止，電流反饋不起作用；,當(dāng)電流大于轉(zhuǎn)折點的電流時，反饋電壓,U,I,>,U,b,二極管,V,導(dǎo)通，電流反饋,U,I,與,U,b,比較后反饋,到輸入端一起控制電動機(jī)，使其轉(zhuǎn)速下降；,當(dāng)電流等于堵轉(zhuǎn)點的電流時，電流反饋,U,I,與,U,b,比較后反饋,到輸入端的電壓能夠抵消，給定電壓的大小，時電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為零，電流不再增加；,如果電流下降到小于堵轉(zhuǎn)點的電流，轉(zhuǎn)速則上升；,11.2.2,雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng),一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的特點,采用,PI,調(diào)節(jié)器組成速度調(diào)節(jié)器,ST,的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，既能得到轉(zhuǎn)速的無靜差調(diào)節(jié)，又能獲得較快的動態(tài)響應(yīng)。,啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用越來越大，使啟動轉(zhuǎn)矩越來越小，啟動過程變慢，因此轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)不能滿足快速啟動、停止和反向的要求。,采取一種方法，使電動機(jī)在啟動過程中，動態(tài)轉(zhuǎn)矩保持不變，即電動機(jī)電樞電流不變，且為電動機(jī)電樞允許的最大電流，當(dāng)啟動結(jié)束后，使電流回到額定值。,二、雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),電流環(huán),內(nèi)環(huán)，啟動時起作用。,啟動時速度小，反饋電壓,U,fn,小，當(dāng),U,gn,一定時，,U,n,比較大，使,ST,飽和，輸出,U,gi,一定。,速度環(huán),外環(huán)，運(yùn)行時起作用 。,當(dāng)速度上升到一定值后，反饋,U,fn,增加，當(dāng),U,gn,一定時,，,U,n,減小,，使,ST,退出飽和而起作用。,11.2.3,可逆直流調(diào)速系統(tǒng),一、用接觸器切換的可逆線路,二、用晶閘管切換的可逆線路,三、用兩組整流電路的可逆系統(tǒng),四、脈寬可逆直流調(diào)速系統(tǒng),電動機(jī)上得到的電壓波形如下：,U,S,外加電壓,U,av,直流電動機(jī)上的電壓平均值,T,兩組管子導(dǎo)通的總時間，稱為矩形波周期,t,1,正向?qū)〞r間,由于機(jī)械慣性的作用，決定電動機(jī)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的僅為此電壓的平均值。,設(shè)：,并稱之為占空比,人為地改變正脈沖的寬度以改變占空比，,1.,即可改變的大小，達(dá)到調(diào)速的目的。連續(xù)地改變脈沖寬度，即可實現(xiàn)直流電動機(jī)的無級調(diào)速。,2.,可實現(xiàn)可逆控制。,由上式可知，在 時,·,當(dāng) 時,，正向轉(zhuǎn)速最高；,·,當(dāng) 時,為正，電動機(jī)正轉(zhuǎn)；,·,當(dāng) 時， ，電動機(jī)轉(zhuǎn)速為零；,·,當(dāng) 時， 為負(fù)，電動機(jī)反轉(zhuǎn)；,·,當(dāng) 時， ，反向轉(zhuǎn)速最高。,