机电传动控制7直流电动机调速系统②.ppt

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1、目录 第7章,第7章 直流电动机调速系统 7-1 电力半导体器件7-2 可控整流电路7-3 逆变与脉宽调制7-4 电力半导体器件和装置的保护7-5 单闭环直流调速系统 7-6 双闭环直流调速系统 7-7 晶闸管-电动机可逆调速系统7-8 晶体管直流脉宽调速系统,第一部分,第二部分,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,第二部分直流电动机调速系统 7-5 单闭环直流调速系统 7-6 双闭环直流调速系统 7-7 晶闸管-电动机可逆调速系统 7-8 晶体管直流脉宽调速系统,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,掌握自动调速系统中各个基本环节、各种反馈环节的作用与特点；掌握各种常用的自动调速系统的 调

2、速原理、特点及适用场所；能根据生产机械的特点和要求来 正确选择机电传动控制系统，能处理控制系统运行时所出现的一般问题。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,几种常用反馈(转速负反馈、电压负反馈与电流正反馈、电流截止负反馈)系统的工作原理，特点与作用；晶体管脉宽调速系统 的组成基本工作原理与主要特点。,比例积分调节器(PI调节器)的调节作用；晶体管脉宽调速系统中主电路(功率开关放大器)工作时的电压、电流波形分析。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,系统中采用比例调节器。系统具有以下性质：,一、单闭环有静差调速系统,在相同的负载电流下，闭环系统的静态转速降 仅为开

3、环系统转速降的1(1K)倍(K 是闭环系统的开环放大倍数)。从而大大提高了机械特性的硬度，使系统的静差度大为减小。,在给定电压一定时，闭环系统的理想空载转速 仅为开环时的1(1K)倍。为了使闭环系统获得与开环系统相同的理想空载转速，闭环时的给定电压须比开环时的提高(1K)倍。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,在相同的最高转速和相同的低速 最大允许静差度的条件下，闭环系统的调速范围为开环系统的(1+K)倍。,所以：提高开环放大倍数K是减小闭环系统静差度、扩大调速范围的有效措施。但K太大，对系统的动态稳定性不利。,第7章 直流电动机调速系

4、统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,（1）系统组成,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,（2）调节原理,在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机 TG，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Uf，与给定电压 Ug 相比较后，得到转速偏差电压 U，,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,经过放大器，产生控制电压Uk，通过触发器，

5、改变控制角，使整流器的输出电压Ud改变，从而控制电动机的转速n。,（2）调节原理,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,7-5 单闭环直流调速系统,（3）闭环系统的 稳态结构框图,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,7-5 单闭环直流调速系统,各种扰动作用最终都要影响到转速,（4）扰动作用与影响,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,一、单闭环有静差调速系统,1.转速负反馈单闭环有静差调速系统,7-5 单闭环直流调速系统,系统对被反馈环包围的前向通道上的扰动都有抑制功能

6、。例如：UkUd n UfUUkUd n Id n UfUUkUd n,（5）抗扰能力,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,一、单闭环有静差调速系统,7-5 单闭环直流调速系统,2.电压负反馈单闭环有静差调速系统（见教材P282图7-38）它只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落，故它主要不是用来稳速，而是用它来防止过电压，改善动态特性、加快过渡过程。,3.电压负反馈与电流正反馈组成的 转速负反馈单闭环有静差调速系统（见教材P278图7-39）电流正反馈可以补偿电动机电枢电阻压降IaRa，因而扩大了调速范围，提高了转速的稳定性。只要二者比例配合适当，可以起到速度负反馈的作用。,第7章

7、 直流电动机调速系统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,系统组成见教材P281图7-43。单闭环无静差调速系统中采用比例积分（PI）调节器，比例部分迅速反映调节作用，动态响应快，积分部分最终消除静态偏差。因此较好地解决了系统静态与动态的矛盾，获得广泛应用。对于反馈检测元件和给定电源误差的消除，闭环系统是无能为力的，故高精度的自动调速系统必须 有高精度的检测元件和给定电源作保证。单闭环调速系统解决不了系统工作时冲击电流大的问题，所以，还要加电流截止负反馈环节来限制过大的电流。,二、单闭环无静差调速系统,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,二、单闭环无静差调速系统

8、,电流截止负反馈单闭环无静差调速系统(见：教材P281图7-43、P282图7-45)有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬 的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若没有限流 环节，硬运行下去，电流将远远超过允许值。,如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。采取电流截止负反馈调速系统，可以获得“堵转”特性(常称“挖土机”特性)，防止电流过大而烧坏电机。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-5 单闭环直流调速系统,二、单闭环无静差调速系统,电流截止负反馈单闭环无静差调速系统(见：教材P281图7-43、

9、P282图7-45),调速系统静特性,当挖土机遇到坚硬的石块而过载时，电动机停下，电流也只是 堵转电流Ia0。,这样的两段式静特性常称作下垂特性或挖土机特性。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-6 双闭环直流调速系统,系统组成见教材P283图7-48。转速、电流双闭环调速系统 是一个具有电流调节器为内环 和转速调节器为外环的串级调速系统。两个调节器都采用比例积分调节器，它具有良好的静态、动态特性。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-6 双闭环直流调速系统,就静态特性而言，电流负反馈内环对于转速环来说只相当于一个扰动作用。当转速调节器不饱和时，电流负反馈的扰动作用完全被转速调节器

10、的积分作用 所抵消，所以，双闭环系统仍是一个无静差调速系统。且在转速调节器饱和、转速环失去作用、仅剩下电流环起作用时，系统相当于恒流调节系统，静特性呈现出很陡的下垂段保护特性。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-6 双闭环直流调速系统,就动态特性而言，在给定信号大范围增加的启动过程中，转速调节器饱和，系统相当于恒值电流调节系统，可基本实现理想启动过程。如果扰动作用在电流环以内，如电网电压的波动，则电流内环能及时加以调节；如果扰动作用在电流环之外，如负载波动，则靠转速环进行调节，此时电流环相当于电流的随动系统，电流反馈加快了跟随作用。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-7 晶闸管

11、电动机可逆调速系统,采用逻辑控制无环流可逆电路，两组变流器反并联连接。实现电动机正反转时，两组变流器交替工作。,两组变流器的反并联可逆线路,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-7 晶闸管电动机可逆调速系统,对应电动机四象限运行时两组变流器工作情况,电动机正转时，正组整流,由正转到反转的制动过程中，反组逆变,电动机反转时，反组整流,由反转到正转的制动过程中，正组逆变,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式，形成的脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流

12、PWM调速系统。,PWM变换器的作用是：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压，调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。,概述,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类。,概述,一.不可逆PWM变换器 1.简单的不可逆PWM变换器（直流降压斩波器）2.有制动的不可逆PWM变换器,二.桥式可逆PWM变换器 可逆PWM变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称H形）电路。,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,为全控型器件 若为晶闸

13、管，须有辅助关断电路。,续流二极管,负载出现的反电动势,降压斩波电路,1.简单的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,降压斩波电路的原理图及波形,t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io 按指数曲线上升。,t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流 呈指数曲线下降。,串大电感L使负载 电流连续且脉动小。,1.简单的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,降压斩波电路的原理图及波形,1.简单的

14、不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,负载电流平均值,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,降压斩波电路的原理图及波形,1.简单的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,斩波电路三种控制方式（改变占空比的方式）T不变，变ton 脉冲宽度调制(PWM)ton不变，变T 频率调制 ton和T都可调混合型,负载电压平均值,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,2.有制动的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,4,1,2,3,制动状态“3”VT2导通“4”VT2关断 VD1续流,电动状态“1”VT1导通“2”VT1关断 V

15、D2续流,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,2.有制动的不可逆PWM变换器,一.不可逆PWM变换器,制动状态的电压和电流波形,电动状态的电压和电流波形,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,二.桥式可逆PWM变换器,H形主电路结构,1,3,2,4,正向电动状态“1”VT1、VT4 导通“2”VD2、VD3 续流,反向电动状态“3”VT2、VT3 导通“4”VD1、VD4 续流,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,二.桥式可逆PWM变换器,反向电动状态的电压和电流波形,正向电动状态的电压和电流波形,H形主电路波形,第7章 直流电动机调速系统 第二部分,7-8 晶体管直流脉宽调速系统,系统组成见教材P291图7-59。直流脉宽调速系统，通过改变施加在电动机 电枢两端的脉冲电压的宽度，以改变电枢电压平均值的大小，从而实现对电动机调速。,三.晶体管脉宽调速系统,晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统相比，晶体管直流脉宽调速系统具有许多优点。如：主电路所需功率元件少、控制线路简单、低速性能好、调速范围宽、动态响应快等。所以，近年来在中、小容量的调速系统中，它正在逐步取代晶闸管直流调速系统。,