晶闸管直流电动机单闭环调速系统.docx

1、晶闸管直流电动机单闭环调速系统1.直流调速系统的动态指标对于一个调速系统，电动机要不断地处于启动、制动、反转、调速以及突然 加减负载的过渡过程，此时，必须研究相关电机运行的动态指标，如稳定性、快 速性、动态误差等。 这对于提高产品质量和劳动生产率， 保证系统安全运行是很 有意义的。（1）跟随指标：系统对给定信号的动态响应性能，称为“跟随”性能，一 般用最大超调量 ，超调时间 ts和震荡次数 N三个指标来衡量， 图2.1是突加给 定作用下的动态响应曲线。 最大超调量反映了系统的动态精度， 超调量越小， 则 说明系统的过渡过程进行得平稳。不同的调速系统对最大超调量的要求也不同。 一般调速系统 可允

2、许 10%35%；轧钢机中的初轧机要求小于 10%，连轧机则 要求小于 2%5%，；而在张力控制的卷曲机系统（造纸机） ，则不允许有超调量。 调整时间 ts 反映了系统的快速性。例如，连轧机 ts为 0.2s0.5s，造纸机为 0.3s。 振荡次数也反映了系统的稳定性。 例如，磨床等普通机床允许震荡 3 次，龙门刨（2）抗扰指标：对扰动量作用时的动态响应性能，称为“抗扰”性能。一 般用最大动态速降 nmax，恢复时间 tf和振荡次数 N 三个指标来衡量。用图 2.2 是突加负载时的动态响应曲线。 最大动态速降反映了系统抗扰动能力和系统的稳 定性。由于最大动态速降与扰动量的大小是有关的， 因此必

3、须同时注明扰动量的 大小。恢复时间反映了系统的抗扰动能力和快速性。振荡次数 N 同样代表系统的稳定性与抗扰动能力2.晶闸管电动机直流调速系统存在的问题图 2.3 V-M 系统的运行范围 晶闸管整流器也有它的缺点。首先，由于晶闸管的单向导电性，它不允许电 流反向，给系统的可逆运行造成困难。由半控整流电路构成的 V-M 系统只允许 单象限运行（图 2.3a ），全控整流电路可以实现有源逆变，允许电动机工作在 反转制动状态，因而能获得二象限运行（图 2.3b ）。必须进行四象限运行时（图 2.3c ），只好采用正、反两组全控整流电路，所用变流设备要增加一倍 。最后，谐波与无功功率造成的 “电力公害

4、”是晶闸管可控整流装置进一步普及 的障碍。当系统处于深调速状态，即在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低， 并产生较大的谐波电流， 引起电网电压波形畸变， 殃及 附近的用电设备，这就是所谓的 “电力公害 ”。在这种情况下，必须添置无功补偿 和谐波滤波装置。3.晶闸管开环直流调速系统与开环机械特性图 2.4 晶闸管直流调速系统电气原理图图 2.5 闸管触发与整流装置动态结构图晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机 -发电机组等组成。在本系统中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控 制电路可直接由给定电压 Ug 作为触发器的移相控制电压 Uct，改

5、变 Ug的大小即 可改变控制角 ，从而获得可调电压， 以实现直流电动机的调速。 系统原理如图2.41，系统的组成及调节原理系统的组成图如 2.5，调节U n* 改变移相角 改变 Udn改变 2，触发脉冲的相位控制调节触发装置 GT 输出脉冲的相位，即可很方便地改变可控整流器 VT 输 出瞬时电压 ud 的波形，以及输出平均电压 Ud 的数值。如果把整流装置内 阻移到装置外边， 看成是其负载电路电阻的一部分， 那么， 整流电压便可以用其 理想空载瞬时值 ud0 和平均值 Ud0 来表示，瞬时电压平衡方程：ud0 E idR Ldid （式 2.2）d0 d dt式中 E为电动机反电动势； id为

6、整流电流瞬时值； L 为主电路总电感； R主 电路等效电阻；第二章 转速负反馈单闭环直流调速系统4.转速负反馈单闭环直流调速系统的问题的提出晶闸管 -电动机开环调速系统，调节控制电压 就可以改变电动机的转速。 如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高， 这样的开环调速系统都能实现 一定范围内的无级调速， 可以找到一些用途。 但是，许多需要调速的生产机械常 常对静差率有一定的要求。 例如龙门刨床， 由于毛坯表面粗糙不平， 加工时负载 大小常有波动， 但是， 为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度， 加工过 程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围 D=2040

7、，静差率 5%。又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动， 钢材在几个机架内连续轧制， 要求各机架出口线速度保持严格的比例关系， 使被 轧金属每秒流量相等， 才不致造成钢材拱起或拉断， 根据工艺要求， 须使调速范 围 D=310 时，保证静差率 0.2%0.5%。在这些情况下， 开环调速系统往往不能 满足要求。为了提高直流调速系统的动静态性能指标， 通常采用闭环控制系统 （包括单 闭环系统和多闭环系统。 对于调速指标要求不高的场合， 采用单闭环系统， 而对 调速指标要求较高的则采用多闭环系统。 按反馈方式不同可分为转速反馈、 电流反馈、电压反馈等。在单闭环系统中，转速反馈单闭环使用较多5

8、.闭环调速的特性1，系统的稳态特性 下面分析闭环调速系统的稳态特性， 以确定它如何能够减少转速降落。 为了 突出主要矛盾， 先作如下的假定： 忽略各种非线性因素： 假定系统中各环节的输 入-输出关系都是线性的，或者只取其线性工作段。忽略控制电源和电位器的内 阻：这样，图 3.2 所示的转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节： Un Un* U n ，放大器： Uc KP Un电力电子变换器： Ud0 K sU c ，调速系统开环机械特性： n Ud0 IdR ，测速 Ce反馈环节： U n an以上各关系式中：Kp为放大器的电压放大系数； Ks 为电力电子变换器的电压放大系

9、数； 为 转速反馈系数( V.min/r )；Ud0为电力电子变换器理想空载输出电压； R 为电枢 回路总电阻 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得转速负反馈闭环 直流调速系统的静特性方程式图 3.2 采用转速负反馈的闭环调速系统式 3.1 )KpKsUn* IdR KpKsUn * RIdn= = -Ce(1 KPKs /Ce) Ce(1 K) Ce(1 K)KK 其中， K= p s ，称作闭环系统的开环放大系数，它相当于在测速反馈电位Ce 器输出端把反馈回路断开后 ，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放 大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。须注意，这里是以 n = 1

10、作为电动E Ce 机环节放大系数的 。闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流 （或转矩）间的稳态关系， 它在形式上与开环机械特性相似， 但本质上却有很大 不同，故定名为“静特性” ，以示区别。根据各环节的稳态关系式可以画出闭环 系统的稳态结构框图，如图 3.3a 所示，图中各方框内的文字符号代表该环节的 放大系数。运用结构图运算法同样可以推出式（ 3.1）所表示的静特性方程式， 方法如下：将给定量 Un*和扰动量 -IdR看成是两个独立的输入量，先按它们分别 作用下的系统（图 3.3b 和 c）求出各自的输出与输入关系式，由于已认为系统是 线性的，可以把二者叠加起来，6.开环系统

11、机械特性和闭环系统静特性的关系比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性 ，就能清楚地看出反馈闭 环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为RidCe =n0op n0op (式3.2)U d0 I d R K pK sU * nn= =Ce Ce而闭环时的静特性可写成n0c1 nc1(式 3.3)K pKsU *n RI dn= -Ce（1 K） Ce其中，n0op 和 n0c1 分别表示开环和闭环系统的理想空载转速；比较式 （ 3.2 ） 和式（ 3.3）不难得出以下的论断。1，闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。 在同样的负载扰动 下，开环系统和闭环系统的转速

12、降落分别为它们的关系是： nC1= op （式 3.4）1k显然，当 K值较大时， nC1 比nop小得多，也就是说，闭环系统的特性要硬得多。2，闭环系统的静差率要比开环系统小得多。 闭环系统和开环系统的静差率 分别为sc1 nc1 和 s0p op 按理想空载转速相同的情况比较，则 n0p nc1时n0c1 n0opsc1= sop （式 3.5）1k3，如果所要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是 nN，而对最低速静差率的要求相同Dc1=（1+K）Dop（式 3.6）4，要取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。上述三项优点若要有 效，都取决于一点，

13、即 K 要足够大，因此必须设置放大器。把以上四点概括起来，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系 统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为 此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。在开环系统中， 当负载电流增大时 ，电枢压降也增大 ，转速只能降下来 ；闭环系统装有反馈装置， 转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装置的输出 电压 Udo，使系统工作在新的机械特性上。图 3.4 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系7.转速负反馈控制的规律转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统 ，它具有以下三个基本特 征，也就是反

14、馈控制的基本控制规律。1，被调量有静差 从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，闭环系统的开环放大 系数 K 值越大，系统的稳态性能越好。然而， Kp = 常数，稳态速差就只能减小， 却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为 nc1 RIdc1 Ce（1 K）只有 K = ，才能使 ncl = 0 ，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫 做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。 2.，抵抗扰动 , 服从给定反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包 围的前向通道上的扰动作用， 但对给定作用的变化则唯命是从。 扰动 除给定 信号外，作用在控制

15、系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做 “扰动 作用”。调速系统的扰动源包括：负载变化的扰动（使 Id 变化）；交流电源电压波 动的扰动（使 Ks 变化）；电动机励磁的变化的扰动（造成 Ce 变化 ）；放大 器输出电压漂移的扰动（使 Kp 变化）；温升引起主电路电阻增大的扰动（使 R 变化）；检测误差的扰动（使 变化）。在图 3.5 中，各种扰动作用都在稳态结构框图上表示出来了，所有这些因素最终都要影响到转速。8.反馈控制闭环直流调速系统的动态分析闭环调速系统的动态结构：图 3.6 反馈控制闭环调速系统的动态结构图 调速系统的开环传递函数 由图可见，反馈控制闭环直流调速系统的开环传递函数是K2(Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)式中 K = KpKs / Ce ，调速系统的闭环传递函数wcl (s)KpKs/Ce KpKs /Ce2 = 2(Ts 1)(TmTl s2 Tms 1) (Ts 1)(TmTls2 Tms 1) K1 K pKsa/Ce12(Tss 1)(TmTl s2 Tms 1)KpKs式 3.8 )Ce(1 K )TmTlTs 3 Tm(Tl Ts ) 2 Tm Tss s s 11 K 1 K 1 K