22稳态调速性能指标及直流调速系统的机械特性

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直流调速系统基本概念

直流调速系统基本概念

2. 比例控制的特点 作用及时、快速、控制作用强,而且Kp值越大,
系统的静特性越好、静差越小。
二、 积分控制与积分调节器
是指系统的输出量与输入量对时间的 积分成正比例的控制,简称I控制。
积分控制
1. 积分( I )调节器
式中 KI——I 调节器的积分常数; ——I调节器的积分时间, =1/KI。
2. 积分控制的特点 可以消除输出量的稳态误差,能实现无静差控制, 这是积分控制的最大优点。

理想空载转速 在给定电压一定时,有: n0 f 转速降
n0 Ce ( 1 K ) 1 K
K GU g
n0 f n0 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样,即, 为了获得同开环相同的 理想空载转速 R n n f Ia 闭环给定电压 U g f U g 1 K Ce ( 1 K ) 1 K
范围: M p 10% ~ 35%
超调量
2. 过渡过程时间T
从输入控制(或扰动)作用于系统 开始直到被调量 n 进入(0.05 ~0.02)n2 稳定值区间时为止(并且以后不再越出 这个范围)的一段时间,叫作过渡过程 时间。
3. 振荡次数 N
过渡过程时间 在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值 上下摆动的次数,
1稳态uguf不变3稳速ug不变负载变化使uf变化???????????????nuuuuuundkfgf????当负载增加使???????????????nuuuuuundkfgf????当负载减小使当负载发生变化使速度发生变化后系统通过反馈能维持速度基本不变这种状态称为稳速
直流调速系统基本概念
直流调速系统主要性能指标 机电传动控制系统选择调速方案的依据: 生产机械对调速系统提出的调速技术指标 静态指标 调速系统的调速技术指标 动态指标 一、静态技术指标

2.2稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性

2.2稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性

2.2稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性22.2.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标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。

归纳起来,对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面:31. 调速系统转速控制要求1)调速——在一定的最高转速和最低转速范围内,有级或无级调节转速;2)稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行,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——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快,以提高生产率;不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。

42. 稳态性能指标调速范围稳态性能指标静差率5(1) 调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速n max和最低转速n min 之比叫做调速范围,用字母D 表示,即(2-25)min maxn n D =其中n max 和n min 一般都指电动机额定负载时的转速,对于少数负载很轻的机械,例如精密磨床,也可用实际负载时的转速。

eNe T T =6(2) 静差率当系统在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落Δn N ,与理想空载转速n 0 之比,称作静差率s ,即N n n s Δ=用百分数表示%1000N×Δ=n n s (2-26)(2-27)式中Δn N = n 0 -n N ,显然,s 用于衡量调速系统在负载变化时转速稳定度。

7T eNT en 0an 0babn Na ?n Nb n 图2-14 不同转速下的静差率(3) 静差率与机械特性硬度的区别一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。

对于同样硬度的特性,理想空载转速越低时,静差率越大,转速的相对稳定度也就越差。

8–例如:在1000r/min 时降落10r/min ,只占1%;在100r/min 时同样降落10r/min ,就占10%;如果在只有10r/min 时,再降落10r/min ,就占100%,这时电动机已经停止转动,转速为0。

第三章 单闭环直流调速系统

第三章 单闭环直流调速系统

2020年9月26日7时45分
23/12
University of Science and Technology Liaoning
博学明德 经世致用 勤奋向上 求实创新
U g1 的正脉冲比 负脉冲窄 ,
E Ud
id 始终为负。
制动状态的电压、电流波形
图3-5 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统
2020年9月26日7时45分
19/12
博学明德 经世致用
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勤奋向上 求实创新
3.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
全控型电力电子器件问世以后,就出现了 采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式, 形 成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统, 简称直流脉宽调速系统,或直流PWM调速 系统。
VT2和VD1交替导通, VT1和VD2始终关断。
2020年9月26日7时45分
25/12
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博学明德 经世致用 勤奋向上 求实创新
轻载电动状态
id
1
0
t4
4
2 ton
VT1、VD2、VT2和VD1
四个管子轮流导通。
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博学明德 经世致用 勤奋向上 求实创新
一般电动状态
在 方一 向般示电于动图状3-5态(a中)中,)id。始终为正值(其正
在 id沿0≤图t<中ton的期回间路,1V流T通1导。通,VT2关断。电流 在 极管ton≤VtD<T2续期流间。,VT1关断,id沿回路2经二 VT1和VD2交替导通, VT2和VD1始终关断。

2.2稳态调速性能指标

2.2稳态调速性能指标
§2.2 稳态调速系统性能指标和机械特性
2.2.1 转速控制的要求和调速指标 调速系统转速控制的要求: 1)调速 2)稳速 3)加、减速 最高、最低转速;有级/无级调速 静态 动态
§2.2 稳态 稳态调速系统性能指标和机械特性 一、转速控制的要求和调速指标 1)调速 (一)调速范围
nmax D= nmin
I dom R 305 × 0.18 Δnnom = = = 275r / min Ce 0.2
二、开环调速系统的性能和存在的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ题
例题:某龙门刨床工作台拖动 直流电机Z2-93型, 60KW,220V,305A,1000r/min, 要求D=20,S<5%.
I R 305 × 0.18 Δnnom = dom = = 275r / min Ce 0.2
答案
nmax 1500 = = 15 D= 100 nmin
nnom S nmax S 1500 × 2% Δn = = = = 2.04 D( 1 − S ) D( 1 − S ) 15 × ( 1 − 2%)
二、开环调速系统的性能和存在的问题
A GT M
调速范围
放大器
静差率 矛盾
uct = k u
u − Id R n = d0 Ce * p s n
Ud0 − Id R k k u RI d = − n= Ce Ce Ce
二、开环调速系统的性能和存在的问题
调速范围
静差率 矛盾
A
GT
M
例题2-2:某龙门刨床工作台拖动直流电机Z2- 93型,60KW,220V,305A,1000r/min,要求 D=20,S<5%.采用V-M系统,已知主回路总电阻R =0.18 Ω ,电动机Ce=0.2Vmin/r,则当电流在 额定负载下的转速降落为

2.2稳态调速性能指标和开环直流调速系统

2.2稳态调速性能指标和开环直流调速系统

(二)开环直流调速系统存在的问题
实际系统往往对调速范围、静差率两 方面都有要求。
龙门刨床: 调速范围:20~40; 静差率:5%。
热连轧机: 调速范围:10; 静差率:0.2%~0.5%。
(二)开环直流调速系统存在的问题
例题:
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 、
电力电子变换器的稳态关系:
U d0 KsUc
直流电动机的稳态关系:
n Ud0 I dR Ce
开环调速系统的机械(转速)特性为:
n Ud0 RI d KsUc RI d
Ce
Ce
Ce
(二)开环直流调速系统存在的问题
(2)机械(转速)特性
n Ud0 RI d KsUc RI d
转速反馈控制直流调速系统。
主要内容
01 调速的稳态性能指标 02 开环直流调速系统存在的问题
稳态调速性能指标和开环直流调速系统
主讲人:张敬南 副教授
∆ nNb ������d02
Te
(一)调速的稳态性能指标
(2)静差率
s nN n0
n n01
n02
nN n0 nN
∆ nNa
a
������d01
∆ nNb
b
������d02
O
TeN
Te
(一)调速的稳态性能指标 (3)指标之间的关系 D nmax nN nmin nmin
稳态调速性能指标和开环直流调速系统
主讲人:张敬南 副教授
主要内容
01 调速的稳态性能指标 02 开环直流调速系统存在的问题
(一)调速的稳态性能指标 (1)调速范围

第2章 转速反馈控制的直流调速系统

第2章 转速反馈控制的直流调速系统

2.1 直流调速系统用的可控直流电源
2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
PWM变换器
电源 电压
电枢 电压
主电路原理图
续流二极管
2.1 直流调速系统用的可控直流电源 2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统(不可逆调速系统)
U d
ton T
Us
U s
电压和电流波形
改变占空比 ,即可改变直流电动机电枢平
275 1000 275
0.216
21.6%
这已大大超过了5%的要求,更不必谈调到最低 速了。
如果要求D = 20,s ≤ 5%,则可知
nN
nN s D(1 s)
1000 0.05 r / min 20 (1 0.05)
2.63r / min
由 上 例 可 以 看 出 , 开 环 调 速 系 统 的 额 定 速 降 是 275 r/min,而生产工艺的要求却只有2.63r/min,相差几乎百 倍!
机械特性
负载机械特性 n f (Tl ) 电动机机械特性 n f (T )
固有机械特性
人为机械特性
转速n 、转矩T都有正、负值 ,要选定参考正方向。
n
正向制动
正向电动
T 0
T 0
n0
n0 T
0
反向电动
反向制动
T 0 n0
T 0 n0
电力拖动系统稳定运行条件
直流电动机的结构及其工作原理
直流电动机的开环稳态转速表达式
2.1 直流调速系统用的可控直流电源
➢发电机-电动机系统 (简称G-M系统)
➢晶闸管整流器-电动机系统 (简称V-M系统)
➢直流PWM变换器-电动机系统
G-M系统

第2章第2讲直流PWM变换器-电动机系统参考文档

第2章第2讲直流PWM变换器-电动机系统参考文档
用百分数表示
s nN 100 % n0
式中 nN = n0 - nN 静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。 调速范围和静差率两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
27
2、静差率s
s nN 100 % n0
机械特性越硬,静差率就
越小,转速的稳定度越高。
➢ 特性a和b的硬度相同, ➢ 特性a和b额定速降相同, ➢ 特性a和b的静差率不相同。
21
4. 电能回馈与泵升电压的限制
泵升电压限制
在大容量或负载有较大惯量的系统中,不可能只靠电容器来
限制泵升电压,这时,可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗 掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在泵升电压达到允许数 值时接通。
+
UUss
+ CC
过电压信号
RRbb VVTTbb
-
泵升电压限制电路
PWM变换器电路有多种形式,总体上可分为不 可逆与可逆两大类。
脉宽调制(PWM-Pulse Width Modulation)
4
(1). 不可逆PWM变换器
①简单的不可逆PWM变换器 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统
主电路原理图如下图所示,功率开关器件VT 可以是任意一种全控型开关器件,这样的电路 又称直流降压斩波器(buck变换器)。
2
2.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
主要研究问题 1 PWM变换器的工作状态和波形; 2 直流PWM调速系统的机械特性; 3 PWM控制与变换器的数学模型; 4 电能回馈与泵升电压的限制。
3
1.PWM变换器的工作状态和电压、电流波形
脉宽调制(PWM)变换器的作用是:用脉冲宽度调 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序列,从而可以改变平 均输出电压的大小,以调节电动机转速。

电气化自动技术 2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标

电气化自动技术 2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标

特性tèìnga和b 的硬度yìngdù相 同,
特性a和b额定 速降相同,
特性a和b的静 差率不相同。
图2-14 不同转速huàn sùhuàn sù下的静差率 第第四四页页,,共共八九页页。。
3 调速范围fànwéi、静差率和额定édìng速降之间的关系
D nN s
Байду номын сангаас
nN (1 s)
〔2-30〕
当要求静差率chà lǜs≤30%时,允许多大的调速范 围?
如果要求静差率s≤ 20%,那么调速范围是多少 duōshǎo?
如果希望调速范围到达10,所能满足的静差率是 多少?
第六第页六页,,共共八九页。页。
解 在要求s≤ 30%时,允许的调速范围为
D nN s 1430 0.3 5.3 nN (1 s) 115 (1 0.3)
22 稳态调速性能指标和 直流调速系统ìtǒng的机械特性。nma和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速,。对于少数shǎoshù负载很轻的机械 ,也可用实际负载时的最高和最低转速。图2-14 不同转速下的静差率。一个调速系统ìtǒng的调速范围,是指在最低速时还能 满足所需静差率的转速可调范围。某直流调速系统ìtǒng电动机额定转速为nN=1430r/min,额定速降ΔnN=115r/min,
假设要求s≤ 20%,那么允许的调速范围只有
D 1430 0.2 3.1 115 (1 0.2)
假设调速范围到达dádào10,那么静差率chà lǜ 只能是
s DnN 10 115 0.446 44.6% nN DnN 1430 10 115
第第七七页页,,共共八九页页。。
内容nèiróngnèiróng总结
第第二二页页,,共共八九页页。。
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开环系统的静差率为 sop 当 n0op n0cl 时,
nop n0op

scl
sop 1 K
(2-49)
(3)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,最低速静 差率都是s,可得 nN s 开环时, Dop nop (1 s)


假定主电路电流连续,动态电压方程为 dI U d 0 RI d L d E (2-34) dt 忽略粘性摩擦及弹性转矩,电动机轴上的动力学方程为
GD 2 dn Te TL 375 dt
(2-35)

额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为
E Ce n
Te Cm I d
1 I d (s) R U d 0 ( s ) E ( s ) T1 s 1
(2-40)

电流与电动势间的传递函数
E ( s) R I d ( s) I dL ( s) Tm s
(2-41)
图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c)直流电动机的动态结构 框图
(2-46)
式中,n0op 表示开环系统的理想空载转速, nop 表示开环系统的稳态速降。

比例控制闭环系统的静特性为
n
* K p K sU n
Ce (1 K )

RI d n0cl ncl Ce (1 K )
(2-47)
式中, n0cl 表示闭环系统的理想空载转速, ncl 表示闭环系统的稳态速降。
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
电压比较环节
比例调节器 测速反馈环节
U n U U n
* n
U c K p U n
U n n
U d 0 I dR n Ce
电力电子变换器 U d 0 K sU c 直流电动机
Kp——比例调节器的比例系数 α——转速反馈系数(V· min/r)
解:
当电流连续时,V-M系统的额定速降为
I dN R 305 0.18 nN =275r/min Ce 0.2
开环系统在额定转速时的静差率为
nN 275 sN 0.216 21.6% nN nN 1000 275
如要求 D 20 ,s 5% ,即要求
例题2-1

某直流调速系统电动机额定转速为 nN=1430r/min,额定速降ΔnN=115r/min, 当要求静差率s≤30%时,允许多大的调速 范围? 如果要求静差率s≤ 20%,则调速范围是多 少? 如果希望调速范围达到10,所能满足的静 差率是多少?
解 在要求s≤ 30%时,允许的调速范围为
图2-23 转速反馈控制直流调速系统的动态结构框图
转速反馈控制的直流调速系统的开环传递函数
U n ( s) K W ( s) 2 U n ( s) (Ts s 1)(TmTl s Tm s 1)
(2-44) 式中
K K p K s / Ce
转速反馈控制直流调速系统的闭环传递函数
(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, 开环系统的转速降落
闭环系统的转速降落
RI d nop Ce
RI d ncl Ce (1 K )

它们的关系是
ncl
nop 1 K
(2-48)
(2)闭环系统的静差率要比开环系统 小得多
ncl 闭环系统的静差率为 s cl n0cl
2、静差率s 当系统在某一转速下运行时,负载由理想 空载增加到额定值所对应的转速降落ΔnN与 理想空载转速n0之比: n N s (2-28) n0 用百分数表示 n N (2-29) s 100% n0
特性a和b的硬 度相同, 特性a和b额定 速降相同, 特性a和b的静 差率不相同。

比例放大器的传递函数
U c ( s) Wa ( s) Kp U n ( s)
(2-42)

电力电子变换器的传递函数
Ks Ws ( s) Ts s 1
(2-33)

测速反馈的传递函数
U n ( s) W fn (s) n( s)
(2-43)
图2-20 他励直流电动机在额定励磁下的等效电路

2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标
1、调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低 转速nmin之比称为调速范围,用字母D表示,即 nmax (2-27) D
nmin

nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转 速, 对于少数负载很轻的机械,(1 K ) TmTl Ts 3 Tm (Tl Ts ) 2 Tm Ts s s s 1 1 K 1 K 1 K
(2-45)
2.3.2 比例控制的直流调速系统
1.开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系

开环机械特性为
* U d 0 I d R K p K sU n RI d n n0op nop Ce Ce Ce
Ce
开环调速系统的机械特性为
U d 0 RId K sU c RId n Ce Ce Ce
(2-31)
图2-16 开环调速系统稳态结构图
图2-17 开环直流调速系统的机械特性
例题2-2
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=0.18Ω,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ΔnN最多能有多少?
(2-36)
(2-37) TL ——包括电动机空载转矩在内的负载转矩,(N· m) GD 2 ——电力拖动装置折算到电动机轴上的飞轮惯量,(N· 2) m 30 Cm C e ——电动机额定励磁下的转矩系数,(N· m/A) 再定义下列时间常数: L ——电枢回路电磁时间常数(s) Tl
nN s 1430 0.3 D 5.3 n N (1 s) 115 (1 0.3)
若要求s≤ 20%,则允许的调速范围只有
1430 0.2 D 3.1 115 (1 0.2)
若调速范围达到10,则静差率只能是
Dn N 10 115 s 0.446 44.6% n N Dn N 1430 10 115
K p K s / Ce K p K s / Ce (Ts s 1)(TmTl s 2 Tm s 1) n( s ) Wcl ( s) * K p K s / Ce U n ( s) (Ts s 1)(TmTl s 2 Tm s 1) K 1 (Ts s 1)(TmTl s 2 Tm s 1)
直流电动机有两个输入量, 一个是施加在电枢上的理想空载电压Ud0, 是控制输入量, 另一个是负载电流IdL。扰动输入量。 如果不需要在结构图中显现出电流,可将 扰动量的综合点移前,再进行等效变换, 得图2-22。

图2-22
直流电动机动态结构框图的变换

额定励磁下的直流电动机是一个二阶线性环节, 时间常数Tm表示机电惯性 时间常数Tl表示电磁惯性。
nN s 1000 0.05 nN 2.63r / min D(1 s) 20 (1 0.05)
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
根据自动控制原理,将系统的被调节
量作为反馈量引入系统,与给定量进 行比较,用比较后的偏差值对系统进 行控制,可以有效地抑制甚至消除扰 动造成的影响,而维持被调节量很少 变化或不变,这就是反馈控制的基本 作用。
解:
开环系统额定速降为 nop =275 r/min, 闭环系统额定速降须为 ncl 2.63 r/min, 由式(2-48)可得 nop 275
2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的 数学模型
在负反馈基础上的“检测误差,用以纠正 误差”这一原理组成的系统,其输出量反 馈的传递途径构成一个闭合的环路,因此 被称作闭环控制系统。 在直流调速系统中,被调节量是转速,所 构成的是转速反馈控制的直流调速系统。

1.转速反馈控制直流调速系统的静特性
(b)只考虑给定作用时的闭环系统
图2-19
转速负反馈闭环直流调速系统 稳态结构框图
(c)只考虑扰动作用时的闭环系统
图2-19
转速负反馈闭环直流调速系统 稳态结构框图
(a)闭环调速系统
图2-19
转速负反馈闭环直流调速系统 稳态结构框图
2.转速反馈控制直流调速系统的动态数学模型


一个带有储能环节的线性物理系统的动态过程可 以用线性微分方程描述, 微分方程的解即系统的动态过程,它包括两部分: 动态响应和稳态解。 在动态过程中,从施加给定输入值的时刻开始, 到输出达到稳态值以前,是系统的动态响应; 系统达到稳态后,可用稳态解来描述系统的稳态 特性。
2.2 稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性
对于调速系统转速控制的要求: (1)调速——在一定的最高转速和最低转速 范围内调节转速; (2)稳速——以一定的精度在所需转速上稳 定运行,在各种干扰下不允许有过大的转 速波动; (3)加、减速——频繁起、制动的设备要求 加、减速尽量快;不宜经受剧烈速度变化 的机械则要求起、制动尽量平稳。
闭环时,
nN s Dcl ncl (1 s)

得到
Dcl (1 K )Dop
(2-50)
图2-24 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系
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