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直流调速系统

乌鲁木齐职业大学

毕业论文

论文题目：

直流调速系统

姓名：

学号：

2010080120

专业：

机械制造与自动化

学院：

应用工程学院

指导教师：

完成时间：

2013年1月1日

论文课题：

直流调速系统

引言

直流电动机和交流电动机相比,其制造工艺复杂,生产成本高,维修困难,需备有直流电源才能使用。

但因直流电动机具有宽广的调速范围,平滑的调速特性，较高的过载能力和较大的起动、制动转矩,因此被广泛地应用于调速性能要求较高的场合。

在工业生产中,需要高性能速度控制的电力拖动场合,直流调速系统发挥着极为重要的作用,高精度金属切削机床,大型起重设备、轧钢机、矿井卷扬、城市电车等领域都广泛采用直流电动机拖动。

特别是晶闸管—直流电动机拖动系统,具有自动化程度高、控制性能好、起动转矩大,易于实现无级调速等优点而被广泛应用。

而且，直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统的基础。

因此加强对直流调速系统的发展有利于更进一步发展交流调速系统，促进调速系统的进一步完善。

直流电动机的调速方法有三种,即电枢回路串电阻调速、弱磁调速和调压调速。

其中弱磁调速和调压调速均可实现无级平滑调速,调压调速的调速范围大,调速性能最好,是应用最为广泛的自动调速方法。

采用调压调速的直流调速系统,需要一可控直流电源为直流电动机电枢供电。

常见的可控直流电源有三种:

旋转变流机组、静止可控整流器和直流斩波器。

相应的直流调速系统也有三种:

即发电机-电动机调速系统,晶闸管相位控制直流调速系统和直流斩波器调速系统。

晶闸管相位控制直流调速系统和发电机-电动机调速系统相比,具有放大倍数大、快速好、效率高、经济性好、体积小、控制方便、运行噪声小等优点;而直流斩波器调速系统和晶闸管相位控制直流调速系统相比,又具有功率器件少、线路简单、调速范围宽、快速响应好、效率和功率因数高等优点,但因受器件容量等因素的限制,目前主要用于中小功率的调速系统。

在工业生产上,早期应用的是发电机-电动机调速系统,随着电子技术的发展,晶闸管相位控制直流调速系统获得越来越广泛的应用。

1、直流调速概念

1．1调速概念……………………………………………………4

1.2直流调速类型……………………………………………4

1.3直流调速性能指标………………………………………6

2、自动控制系统概念

2.1开环控制系统……………………………………………9

2.2闭环控制系统……………………………………………9

3、晶闸管-电动机直流调速控制系统

3.1开环直流调速系统存在的问题………………………..10

3.2速度负反馈单闭环调速系统的组成及静特性………...11

3.3单闭环调速系统的动态分析…………………………12

 3.4单闭环无静差直流调速系统…………………………12

3.5单闭环调速系统的限流保护——电流截止负反馈…14

3.6转速、电流双闭环直流调速系统组成及静特性……15

4、总结…………………………………………………………16

5、参考文献……………………………………………………17

1、调速概念及直流调速类型

1.1调速概念

被控对象：

电动机被调量：

速度

调速：

为了满足生产机械的要求，人为的改变电机的转速。

稳速：

把负载变化、电网波动等因素对电机转速的影响，通过调节作用降到最低限度，甚至消除。

调速系统要求调速和稳速相结合。

速度要求可调，但调至到某一速度运行时，要求速度要稳定。

1对于要求在一定范围内平滑调速的系统来说，调压方式最好改变电阻只能有级调速；并且功耗大；特性软。

弱磁虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只与调压方案配合，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速，以扩大调速系统的调速范围。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。

改变电枢电压调速是直流调速系统采用的主要方法，调节电枢供电电压或者改变励磁磁通，都需要有专门的可控直流电源，常用的可控直流电源有以下三种：

（1）旋转变流机组。

用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。

（2）静止可控整流器。

用静止的可控整流器，如汞弧整流器和晶闸管整流装置，产生可调的直流电压。

    （3）直流斩波器或脉宽调制变换器。

用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。

晶闸管可控整流器的功率放大倍数大约在

，控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。

但是，晶闸管整流器也有它的缺点，主要表现在以下方面：

（1）晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。

必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。

（2）晶闸管元件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内元件损坏，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。

（3）晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此，晶闸管可控制整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因素低，特别是在深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备。

如果采用晶闸管整流装置的调速系统在电网中所占容量比重较大，将造成所谓的“电力公害”。

为此，应采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。

（4）晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。

如果主电路电感不是非常大，则输出电流总存在连续和断续两种情况，因而机械特性也有连续和断续两段，连续段特性比较硬，基本上还是直线；断续段特性则很软，而且呈现出显著的非线性。

1.3调速性能指标

转速控制要求

各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面：

（1）调速。

在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。

（2）稳速。

以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。

    （3）加、减速控制。

对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速度变化的生产机械，则要求起、制动尽量平稳。

运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。

例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。

下面我们具体分析调速系统的稳态指标。

稳态指标

（1）调速范围D

    生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即

                            （1.1）

    其中nmax和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。

在设计调速系统时，通常视nmax为电动机的额定转速nnom。

（2）静差率S

    当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落

与理想空载转速no之比，称为静差率S，即

                        （1.2）

    显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。

（3）调压调速系统中D，S和

之间的关系

    在直流电动机调压调速系统中，

就是电动机的额定速度nnom，若额定负载时的转速降落为

，则系统的静差率应该是最低转速时的静差率，即

                          （1.3）

    而额定负载时的最低转速为

                  （1.4）

    考虑到式（1.3），式（1.4）可以写成

                  （1.5）

    而调速范围为

                                   （1.6）

    将式（1.5）代入式（1.6），得

                                  （1.7）

式（1.7）表达了调速范围D、静差率S和额定速降

之间应满足的关系。

对于同一个调速系统，其特性硬度或

值是一定的，如果对静差率的要求越严（即S值越小），系统允许的调速范围D就越小。

例如，某调速系统电动机的额定转速为nnom=1430r/min，额定速降为

，当要求静差率S≤30%时，允许的调速范围为

（1.8）

    如果要求静差率S≤10%，则调速范围只有

（1.9）

动态指标

运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。

（1）跟随性能指标

    在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。

对于不同变化方式的给定信号，其输出响应不一样。

通常，跟随性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，如图8.4所示。

具体的跟随性指标有下述几项：

①上升时间tr

    单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值

所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。

    ②超调量

    动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即

                            （1.10）

    超调量用来说明系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统的相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。

    ③调节时间ts

    调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。

原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性控制系统，理论上要到

才真正稳定。

实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常取稳态值的±5%或±2%）所需的最小时间定义为调节时间。

2、自动控制系统概念

2.1开环控制系统

若系统的输出量不被引回来对系统的控制部分产生影响，这样的系统称为开环控制系统。

如图2-1，为数控加工机床开环控制框图。

此系统的输入量为加工程序指令，输出量为机床工作台的位移，系统的控制对象为加工台，执行机构为步进电动机和传动机构。

由图可见，此系统无反馈环节，输出量并不返回影响控制部分，因此是开环系统。

2.2闭环控制系统

若系统输出量通过反馈环节返回来作用于控制部分，形成闭合回路，这样的系统称为闭环控制系统，又称反馈控制系统。

图2-2为电炉箱恒温自动控制系统，由于炉壁散热和增、减工件，将使炉温产生变化，而这种变化通常是无法预先确定的。

因此，若工艺要求保持炉温恒定，则开环控制将无法自动补偿，必须采用闭环控制。

由于需要温度保持恒定，所以最常用的方法是采用温度负反馈。

统

。

图3-5

 静特性如图3-6

图3-6

显然，在Id≤Idcr时，系统的转速是无静差的，静特性是平直的（图中的no-A）段；当Id>Idcr时A，A-B段的静特性则很陡，静态速降很大。

这种两段式的特性常被称为下垂特性或挖土机特性，因为挖土机在运行中如果遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，这时的电流称为堵转电流Idbl。

电机堵转时，n=o，得

    Idbl应小于电动机的允许最大电流（1.5～2.5）Inom，另一方面，从正常运行特性n0-A这一段看，希望有足够的运行范围，截止电流Idcr应大于电动机的额定电流，例如取

。

这些就是设计电流截止负反馈环节参数的依据。

3.6转速、电流双闭环直流调速系统组成及静特性

图3-7双闭环调速系统

双闭环调速系统在稳态工作点上，转速n是由给定电压

和转速反馈系数

决定的，转速调节器的输出电压即电流环给定电压

是由负载电流

和电流反馈系数

决定的，而控制电压即电流调节器的输出电压

则同时取决于转速n和电流

，或者说同时取决于

和

。

这些关系反映了PI调节器不同于P调节器的特点：

比例调节器的输出量总是正比于输入量，而PI调节器的稳态输出量与输入量无关，而是由其后面环节的需要所决定，后面需要PI调节提供多大的输出量，它就能提供多少，但这要在调节器不饱和的情况下。

    采用转速、电流双闭环调速系统后，由于增加了电流内环，而电网电压扰动被包围在电流环里，当电网电压发生波动时，可以通过电流反馈得到及时调节，不必等到它影响到转速后，再由转速调节器作出反应。

因此，在双闭环调速系统中，由电网电压扰动所引起的动态速度变化要比在单态环调速系统中小得多。

综上所述，在双闭环调速系统中，转速调节器和电流调节器的作用可以归纳如下：

    转速调节器的作用

      ①使电动机转速n跟随给定电压

变化，保证稳态转速无静差。

      ②对负载扰动起抗扰作用。

      ③其输出限幅值决定允许的最大电流，在起动时给出最大电流给定信号

。

    电流调节器的作用

      ①对电网电压扰动起及时抗扰作用。

      ②起动时保证获得恒定的最大允许电流。

      ③当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起到快速的安全保护作用。

      ④在转速调节过程中，使电流

跟随其给定电压

变化。

4、总结：

 调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。

电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采用电气方法调速。

由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是长期以来，直流调速系统一直占据垄断地位。

当然，近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。

但是就目前来看，直流调速系统仍然是自动调速系统的主要形式。

在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动的场合，仍然广泛采用直流调速系统。

而且，直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。

5、参考文献

【1】王兆安，刘进军.电力电子技术【M】.北京：

机械工业出版社

【2】许晓峰.电机与拖动【M】.北京：

高等教育出版社

【3】孔凡才.自动控制原理与系统【M】.北京：

机械工业出版社

致谢

三年寒窗，所收获的不仅仅是愈加丰厚的知识，更重要的是在阅读、实践中所培养的思维方式、表达能力和广阔视野。

很庆幸这些年来我遇到了许多恩师益友，无论在学习上、生活上还是工作上都给予了我无私的帮助和热心的照顾，让我在诸多方面都有所成长。

感恩之情难以用语言量度，谨以最朴实的话语致以最崇高的敬意。

还有许多人，也许他们只是我生命中匆匆的过客，但他们对我的支持和帮助依然在我记忆中留底了深刻的印象。

在此无法一一罗列，但对他们，我始终心怀感激。

最后，我要向在百忙之中抽时间对本文进行审阅、评议和参加本人论文答辩的各位师长表示感谢！