直流电机的调速.ppt
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1、第一节 概述,第四章 直流电动机调速系统,优点:直流电动机具有良好的起动、制动和调速特性,宽范围内无级调速应用场合:对电动机的调速性能要求较高的生产设备中,一、基本结构:定子:定子磁场由定子磁极产生。由产生磁场方式分为永磁式和他励式。永磁式磁极由永磁材料制成,他励式由冲压硅钢片叠压而成,外绕线圈,通直流电产生磁场转子:又称电枢,硅钢片叠压而成,通直流电时在磁场作用下产生电磁转矩带动负载旋转电刷与换向片:保持电磁转矩恒定方向,转子旋转方向不变。电刷与外加电源连接,换向片与电枢导体相连,(a)转子主体,(b)电枢钢片,C)直流电机的定子,二、永磁直流电机的工作原理,永磁直流电动机结构图,通有直流电
2、的电枢(转子)在恒定磁场的作用下,受到电磁转矩的驱使,带动负载旋转。1、转矩平衡方程式:,永磁电机中、是常数,又写为 电磁转矩、负载转矩与转速变化的关系:,动转矩0,加速;动转矩0,减速;动转矩=0,恒转速运行,动转矩,2、直流伺服电动机的电压平衡方程式,转子在磁场中以转速n切割磁力线时,电枢反电动势E与转速n之间存在如下关系,外加电压为,直流电动机的电压平衡方程式为,3、机械特性,表示的是转速和转矩的关系,第二节 单闭环调速系统,一、调速定义 某一负载下,改变电机或电源参数来改变机械特性曲线,从而使电机转速发生变化或保持不变1、一定范围内“变速”,即电动机负载不变,转速在一定范围内变化2、保
3、持“稳速”。即保证电机的工作速度不受外界干扰的影响而下降,使速度接近或等于原来的转速。,注意:调速与转速自然变化的区别。“转速的自然变化”是指生产机械的负载转矩发生变化时,电动机的电磁转矩T 要相应发生变化,电动机的转速也将随着发生变化。调速是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变化。,由机械特性可以看出,两种方法可以调节电动机的转速:(1)调节电枢供电电压 Ud;,降压调速:降低电枢外加电压的数值,使理想空载转速n0下降,导致转速下降。得到的是一组平行变化的曲线。具有调速范围宽,机械特性硬,动态性能好的优点。连续改变Ud能够实现无级调速,是目前主要的调速方法之一,(2)改变电枢附加电阻 Ra
4、。,2.电枢回路串电阻调速 电枢回路串入不同数值附加电阻,调节转速。外接电阻越大,电阻功耗越大,使机械特性斜率变大,负载转速降变大,导致转速下降。机械特性越软,稳定性越差,是有级调速,三、调速指标(一)静态调速指标1、调速范围额定负载下,最高转速 与最低转速 之比称为调速范围,用D表示。D=/指额定负载时,电力拖动系统可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制,nmin受低转速时相对稳定性的限制。,不同的生产机械对调速范围要求也不相同。例如:车床:D=20 120,龙门刨床:D=10 40,机床进给机构:D=5 200;轨钢机:D
5、=3 120;造纸机:D=3 20 等。对于一些经常轻载运行的生产机械,例如精密机床等,可用实际负载时的最高转速和最低转速之比计算调速范围D。,2、调速的稳定性 转差率 nom-额定负载的转矩no-空载理想空载转速,电动机的机械特性愈硬,则转差率愈小,相对稳定性愈高。生产机械调速时,为保持一定的稳定程度,要求静差率S%小于某一允许值,不同的生产机械,其允许的静差率是不同的。如:普通机床S30%;起重类机械 S50%;;精密机床 S1%;精度高的造纸机S0.1%转差率和机械特性的硬度有关系,但又有不同之处,两条平行的机械特性,硬度一样,但转差率不同。,二、动态调速指标,控制系统的时间响应,从时间
6、顺序上,可以划分为过渡过程和稳态过程。过渡过程是指系统从初始状态到接近最终状态的响应过程;稳态过程是指时间趋于无穷时系统的输出状态。研究系统的时间响应,必须对过渡过程和稳态过程的特点和性能以及有关描述这两个过程的指标进行探讨。通常以阶跃响应来衡量系统控制性能的优劣和定义时域性能指标。系统的阶跃响应性能指标如下所述,,1、跟随性能指标:在给定信号的作用下,系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。通常以输出量的初始值为零,给定阶跃信号变化下的过渡过程作为典型的跟随过程,这种情况下的动态响应也称阶跃响应。,2、上升时间:指单位阶跃响应曲线c(t),从稳态值的10上升到90所需要的时间(也有指从零
7、上升到稳态值所需要的时间);3、延迟时间td:指单位阶跃响应曲线c(t)上升到其稳态值的50所需要的时间。,4、超调量;指在响应过程中,超出稳态值的最大偏离量 与稳态值之比即 反映系统的相对稳定性,超调量越小,则相对稳定性越好。,5、峰值时间tp:指单位阶跃响应曲线c(t)超过其稳态值而达到第一个峰值所需要的时间。,6、调节时间ts:衡量整个调节过程的快慢。在单位阶跃响应曲线的稳态值附近,取 5(有时也取 2)作为误差带,响应曲线达到并不再超出该误差带的最小时间,称为调节时间(或过渡过程时间)。调节时间标志着过渡过程结束,系统的响应进入稳态过程。,7、稳态误差:当时间t趋于无穷时,系 统单位阶
8、跃响应的实际值(即稳态值)与期望值之差,一般定义为稳态误差。即,上述性能指标中,延迟时间、上升时间和峰值时间均表示系统响应初始段的快慢;调节时间表示系统过渡过程持续的时间,是系统快速性的一个指标;超调量反映系统响应过程的平稳性;稳态误差则反映系统复现输入信号的最终(稳态)精度。,2 抗扰性能指标,一般是系统稳定运行中,突加负载的阶跃扰动F后的动态过程作为典型的抗扰过程,并定义抗扰指标:,1、动态降落Cmax%系统稳定运行时,突加一定数值的扰动后引起转速的最大降落Cmax%叫做动态降落,用输出量的原稳态值C1的百分数表示。系统达到新的稳态降落C2,(C2-C1)为稳态降落。一般动态降落大于稳态降
9、落。,2、恢复时间tf 从阶跃扰动开始,到进入稳态值的5%或2%的区域内为止的时间,3、振荡次数 k 在恢复时间内输出量在稳态值上下摆动的次数,代表系统的稳定性和抗扰能力强弱,根据前面分析,调压调速是直流调速系统的主要方法,而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。,三、直流调速用可控直流电源的种类:,(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
10、平均电压。,第二节 反馈控制闭环直流调速系统的稳态分析,本节提要,开环调速系统及其存在的问题闭环调速系统的组成及其静特性开环系统特性和闭环系统特性的关系反馈控制规律限流保护电流截止负反馈,0、开环控制系统,工作原理:采用调压调速的直流调速开环控制系统框图。改变参考电压的大小,改变控制角,从而改变晶闸管的整流输出电压,即电枢电压,从而达到调速的目的。,调压调速开环控制系统框图,应用场合:开环系统只适用用于对调速精度要求不 高的场合,开环系统的 缺点:控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系,即控制是单方向进行的,输出转速并不影响控制电压,控制电压直接由给定电压产生。,龙门刨床:刀具切入工件
11、和退出工件时为避免刀具和工件碰坏,有调节速度的要求;由于毛坯表面不平,加工时负载常有波动,为了保证加工精度和表面光洁度,不允许有较大的速率变化。,某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机,其额定数据如下:60kW,220V,305A,1000r/min,采用V-M系统,主电路总电阻R=0.18,电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围 D=20,静差率s 5%,采用开环调速能否满足?若要满足这个要求,系统的额定速降 最多能有多少?,实例:,解题思路:,先求出速度降落,再根据,求在最高转速时的静差率s,解 当电流连续时,V-M系统的额定速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率
12、为 这已大大超过了5%的要求,更不必谈调到最低速。如果要求D=20,s 5%,开环调速已不能满足要求,原因所在:,二、开环系统存在的问题,开环系统只适用用于对调速精度要求不高的场合,但许多需要无级调速的生产机械为了保证加工精度,常常对调速精度提出一定的要求,这时,开环调速已不能满足要求。解决思路:引入反馈控制思想(提出闭环的必要性)反馈的手段,为了克服开环系统的缺点,必须采用带有负反馈的闭环系统。在闭环系统中,把系统的输出量通过检测装置(传感器)引向系统的输入端,与系统的输入量进行比较,从而得到偏差信号。利用此偏差信号通过控制器(调节器)产生控制作用,自动纠正偏差。因此,闭环控制系统具有提高系
13、统抗扰性,改善控制精度的性能,广泛用于各类自动调节系统中。,开环调速系统存在的问题闭环调速系统提出的必要性闭环调速系统的组成及其静特性反馈控制规律,本次课主要解决的问题,闭环系统的设计思路,开环系统结构框图,闭环系统结构框图,(一)系统组成,三、闭环调速系统的组成及其静特性,(二)闭环系统的静特性方程,假定:1)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。2)忽略控制电源和电位器的内阻,开环机械特性:,闭环静特性方程:,转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下:,比较环节,放大器,触发和整流装置,电机端电压方程,测速反馈环节,电动机环节,从上述六
14、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,静特性方程,式中K为闭环系统的开环放大系数(增益),闭环系统的稳态结构框图,只考虑给定作用 时的闭环系统,只考虑扰动作用-IdR时的闭环系统,利用叠加原理得,注意 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。,Id,闭环静特性,n,开环机械特性,四、开环系统机械特性和闭环系统静特性的关系,系统的开环机械特性为,而闭环时的静特性可写成,(1)闭环系统速降小,静特性硬,它们的关系是,在同样的负载扰动下,两者的
15、转速降落分别为,(2)系统的静差率小,稳速精度高,开环和闭环系统的静差率分别为,(3)当要求的静差率一定时,闭环系统可以大大提高调速范围。,则得,(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,即 K 要足够大,因此必须设置放大器。,如果电动机的最高转速都是,而对最低速静差率的要求相同,那么:,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。,降低速降的实质是什么?,转速单闭环调速系统结构图,系统调节过程,0,开环机械特性,n,闭环系统能够减
16、少稳态速降的实质在于它的自动调节作用,在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压,以补偿电枢回路电阻压降。,闭环系统减小速降的物理意义,在上例中,龙门刨床要求,D=20,s 5%,已知 Ks=30,=0.015Vmin/r,Ce=0.2Vmin/r,采用闭环系统,如何设计放大器以满足此要求?,例题,思路:根据,解 在上例中已经求得 nop=275 r/min但为了满足调速要求,须有ncl=2.63 r/min根据可得,即只要放大器的放大系数等于或大于46,闭环系统就能满足所需的稳态性指标。,又根据,(1)具有比例调节器的闭环系统是有静差,有静差与无静差的概念因为闭环系统的稳态速降为,五、单闭环
17、调速系统基本性质,(2)抵抗扰动,服从给定,扰动除给定信号外,作用在控制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”。,只有 K=,才能使 ncl=0,无静差。而K,有静差调速系统。,扰动作用与影响,闭环调速系统的给定作用和扰动作用,Us Ud0 n Un Un Uc Ud0 n,给定作用,与众不同的是,在反馈环外的给定作用,图中的转速给定信号,它的细微变化都会使被调量随之变化,丝毫不受反馈作用的抑制。,因此,反馈控制系统对前向通道上的所有扰动都能起抑制作用。,(3)系统的精度依赖于给定和反馈检测精度,给定精度由于给定决定系统输出,输出精度自然取决于给定精度。因此,高精度的调速系
18、统必须有更高精度的给定稳压电源。检测精度反馈检测装置的误差也是反馈控制系统无法克服的,因此检测精度决定了系统输出精度。检测装置好似我们的眼睛,测量的尺子,结论,反馈控制系统的规律是:一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用;另一方面,则紧紧地跟随着给定作用,对给定信号的任何变化都是唯命是从的。,开环调速系统存在的问题闭环调速系统提出的必要性闭环调速系统的组成及其静特性反馈控制规律,本节课主要解决的问题你是否掌握,五 单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈,问题的提出起动的冲击电流直流电动机全电压起动时,如果没有限流措施,会产生很大的冲击电流,这不仅对电机换向不利,对过载能力
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