交直流调速系统 学习目的和要求 1了解调速系统的作用 2熟悉生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求 3了解调速系统与生产机械的负载特性合理匹配的基本概念 4掌握各种常用的调速系统的基本组成环节、调速原理、特 点及适用场所及其选用 交通系统 1、什么是调速及调速系统 l将调节电动机转速，以适应生产要求的过程就称 之为调速；用于完成这一功能的自动控制系统就 被称为是调速系统。 l电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所 以需要根据工艺要求调节其转速。 l比如：在加工毛坯工件时，为了防止工件表面对 生产刀具的磨损，因此加工时要求电机低速运行 ；而在对工件进行精加工时，为了要缩短工加时 间，提高产品的成本效益，因此加工时要求电机 高速运行。 2、调速系统的作用 机床在加工过程中、需要按不同的加工要求，调 整主轴的转速、进给速度。为保证工件表面质量和精 度，要求电动机运行速度平稳。 （1）调速：调速控制系统保证电动机起动、制动、 调速过程迅速改变速度。 （2）稳速：调速控制系统能迅速消除扰动(主要是负 载和电枢电压波动)而引起的转速波动，保证电动机 运行速度平稳。 3、调速系统的性能指标 根据生产机械对调速系统提出的要求，调速技术 指标又静态指标和动态指标。 l 静态指标：静差度,调速范围。 l 动态指标：跟随性能指标,抗扰性能指标。 4、调速系统的分类 目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流 调速系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具 有良好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能 的调速系统几乎都采用了直流调速系统。 直流电动机工作原理 直流电动机原理示意图 磁极 电枢 换向器 电刷 直流电动机的励磁 直流电动机的分类 励磁方式：励磁绕组和电枢绕组之间的连接方 式,指电机的励磁方式，如他励、并励、串励 和复励等。 励磁电压Uf ：对并励电机来说，励磁电压就 等于电机的额定电压；对他励电机来说，励磁 电压要根据使用情况决定。 励磁电流If ：指电机产生主磁通所需要的最 大允许励磁电流。 他励方式 （a）他励直流发电机 （b）他励直流电动机 他励直流电机的励磁方式 励磁绕组和电枢绕组无电路上的联系 Ia=I 第一章 单闭环直流调速系统 l调速控制系统的性能指标 各种自动化生产机械或系统所提出的性能指 标一般都分为稳态指标和动态指标。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速 内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳 定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受 负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态指标：主要是平稳性和抗干扰能力。 直流调速系统基础知识 直流他励电动机的转速公式表示 式中 n转速；单位r/min 。 Ud电枢电压（V）； Id电枢电流（A）； Rd电枢回路电阻（ ）； 励磁磁通（Wb）； Ke由电动机结构决定的电动势系数。 以上公式表明：直流电动机的调速方法有 三种。 （1）调节电枢供电电压Ud 改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电 压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩调速方法 。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说， 这种方法最好。 工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN Ud n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性曲线平行下移。 调压调速特性曲线 （2）改变电动机主磁通 改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁 通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上 调速，属恒功率调速方法。 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a 调节过程： 减小励磁 FN F n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲线变软。 调磁调速特性曲线 （3）改变电枢回路电阻R 在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设 备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平 滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用 ；还会在调速电阻上消耗大量电能。 工作条件： 保持励磁 F = FN ；保持电压 U =UN 调节过程： 增加电阻 Ra R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。 调阻调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较 要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，调 节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调 速；减弱磁通调速范围不大，并且这两种都会使直流 他励电机的机械特性变软。 在实际应用中我们通常采用的是变电压调速，实 现调压调速的关键是要有可调的直流电源。 直流调速系统用的可控直流电源 调节电动机的电枢供电电压需要有专门的可控 直流电源。60年代初，大功率晶闸管投入使用，采 用晶闸管可控整流器向直流电动机供电，随着晶闸 管变流技术的日渐成熟，使直流调速系统更加完善 。目前，用晶闸管变流器控制的他励直流电动机， 是工业应用最广泛的电动机传动系统。 对直流调速系统的要求 各类不同的生产机械，由于其具体的生产工艺过 程不同，对控制系统的性能要求也是不同的。但归纳 起来有以下三个方面。 l调速 在一定的范围内实现有级或无级地调节转速。 调速系统的转向若要求正、反转，则为可逆调速系统 ，若只要求单向运转，则为不可逆调速系统。 l稳速 以一定的精度与要求的转速上稳定运行，尽可 能不受外部或内部扰动的影响，以确保产品质量。 l良好的起、制动性能：对于频繁起、制动的设备要求 尽可能快地加、减速，以提高生产效率。要求起、制 动尽可能地平稳。 l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。利用直流斩波 或脉宽调制的方法产生可调的直流直流电源。 1. 旋转变流机组（G-M系统） 以旋转变流机组作为可调电源的直流电动机调速系统的原 理：由交流电动机拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速 的直流电动机M电枢供电，调节发电机的励磁电流 ，即可改 变其输出电压U，从而调节电动机的转速n的大小。这种调速系 统叫做发电机电动机系统，即G-M系统。 图1-1旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统） 要求较高的闭环直流调速系统一般都通过放大 装置进行控制。如果改变if的方向，则U的极性 和n的转向都跟着改变，因此G-M系统的可逆运 行是很容易的。 这种由机组供电的直流调速系统需要旋转变流机组，设备多 、体积大、效率低、安装需打地基、运行有噪音、维护不方便。为 了克服这些缺点，在20世纪50年代开始采用静止变流装置来代替 旋转变流机组，直流调速系统进入了由静止变流装置供电的时代。 2、静止式可控整流器（V-M系统） 图1-3 晶闸管-直流调速系统（V-M系统） d2 wt u2 ud wt iVT1 wt wt uVT1 d1 uaubuc t1t3t5t6t2t4 一、电阻负载（=00） 开环调速系统 直流电机调速系统的基本结构 控制驱动电机机械 速度控制 速度负反馈闭环调速系统（闭环 ） 控制驱动 电机 机械 测量 速度控制 目前，晶闸管电动机调速系统，简称V-M系统 。已经成为直流调速系统的主要形式。 晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统） 给定电压 Uc 控制触发装置：GT触发脉冲的相位a 从而实现平滑调速。 改变晶闸管可控整流器的整流电压Ud 1、开环V-M系统控制过程分析 在开环调速系统中 ，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。 1）直流电动机：直流电动机有两个独立的电路，一个 是电枢回路，另一个是励磁回路； 2）晶闸管整流电路； 3）晶闸管触发脉冲电路； 2、开环V-M系统组成 当电动机处于稳态运行时，di/dt=0，dn/dt=0， 即可得到系统的输出输入关系 l当出现扰动时：如负载发生变化 问题：输出量不能按照输入量所期望的状态去工作，即 不能得到期望的转速。 2、解决方法 自控原理中学过，采用反馈控制的闭环调速系统， 即按被调量的偏差来进行控制，只要出现偏差系统就会 自动产生纠正偏差的作用，反馈闭环控制有时称为偏差 控制。 V-M系统的特点 晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有 很大提高，晶闸管可控整流器的功率放大倍数 大约在104 ，控制功率小，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 。 第二节 转速负反馈有静差直流调速系统 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速 性能都有一定的要求。例如：最高转速与最低转速之间 的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许 转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔 ，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求 的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统转速控制的 要求有以下三个方面： 1）调速：在一定的最高转速和最低转速范围内，分档 地（有级）或平滑地（无级）调节转速。 2）稳速：在各种干扰下不允许有过大的转速波动 ，以确保产品质量。 3）加、减速：要求加、减速尽量快，以提高生产 率；要求起，制动尽量平稳。 4）有两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率” 。这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。 l调速范围:生产机械在额定负载时要求电 动机提供的最高转速Nmax与最低转速Nmin之 比称为调速范围，用D表示。即： l静差率 调速系统的负载由理想空载增加到规定负载时， 所对应的转速降落n与理想转速n0之比，用s表示。 即： l两者之间的关系是： l静差率S是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳 定度的，与机械特性的硬度有关。 2.1、开环环V-M调调速系统统原理图图 稳态结稳态结 构图图 由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为： 例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18，CeN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn 控制 Uc （ 负载变化） 比 较 器 上一步 负载减小， 上升加快 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc （负载减小，转速加快） 比 较 器 上一步 电机转速加快 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc （负载减小，转速加快，测速发电机转速加快） 上一步 测速发电机转 速加快 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc （负载减小，转速加快，测速发电机转速加快，反馈电压增大） 上一步 反馈电压增大 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc 上一步 比较结果减小 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc 上一步 输出电压减小 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc 上一步 电机转速减慢 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc 上一步 上升速度减慢 比 较 放 大 晶 闸 管 整 流 给定 Un 控制 Uc 二、总 结 把转速反馈与给定比较形成控制信号，组成 闭环控制； 测速环节：直流测速发电机，与直流电机同 轴联结； 设置放大器： 这种系统是以存在偏差为前提的，反馈环 节只是检测偏差，减小偏差，而不能消除 偏差，因此它是有静差调速系统。 三、反馈控制规律 转速反馈闭环调