直流调速系统

2
e =C Φ e n
1 T T N(s)s +T N(s)s + N(s) = Ua(s) m e m C e 即他励直流电机的传递函数是： 即他励直流电机的传递函数是：
N(s) 1C e G s) = ( = Ua(s) T T s2 +T s +1 m e m
第7章 直流调速系统
晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier)
第7章 直流调速系统
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n 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n 之比称为调速范围， 表示。 与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：
nm D= ax nm in
静差率 调速系统在某一转速下稳定运行时， 调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增 加到规定负载时，所对应的转速降落Δ 与理想转速n 加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0 之比， 表示。 之比，用s表示。即：
INR 3 5×0 1 0 . 8 ∆ = n = =2 4.5 / mn 7 r i CΦ 02 . e N
第7章 直流调速系统
而静差率为： 而静差率为：
∆ n 2 5 7 s= = = 2 .5 1 % n +∆ n 1 0 +2 5 0 0 7 0
由此例不难发现，象这样的电源 由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的 电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5 274.5降低到满 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈， 2.63就必须采用负反馈 足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。 转速负反馈直流调速。 所谓的闭环直流调速系统 转速负反馈直流调速
第7章 直流调速系统
二、调速控制系统的性能指标
在前几章中我们学过， 在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外， 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统， 个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 定义。 稳态指标： 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， 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， 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 负载变化及电源电压波动的影响。 就是调速系统的调速范围和静差率。 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。
ud Ud0 Ud1 α1 t1 t2 τ0 t3 Ud2
Uc
第7章 直流调速系统
综上所述，晶闸管触发可控整流装置的传递函数可 综上所述， 以看成是由两个环节串联组成的。 以看成是由两个环节串联组成的。即：可以把它的 触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数 触发电压Uc与整流输出电压Ud之间的放大系数K视 为常数， 为常数，而把晶闸管电路和整流装置可以看成是一 个具有纯滞后环节放大环节。这样就有： 个具有纯滞后环节放大环节。这样就有：
G (s) = Kse k
− 0s τ
式中，τ0是晶闸管触发装置和整流装置的失控 式中， 时间，单位为秒。 时间，单位为秒。 若再考虑到τ 的延迟时间一般很小(三相桥式τ 若再考虑到τ0的延迟时间一般很小(三相桥式τ0＝ 1.7ms，单相全波τ =5ms)。 1.7ms，单相全波τ0=5ms)。这样晶闸管整流装置的 传递函数为： 传递函数为： Ud (s) K − 0s τ G (s) = = Kse ≈ ≈ Ks k Uc (s) τ0s +1
第7章 直流调速系统
这就是所谓的电 源—电动机调速 电动机调速 系统（ 系统（V—M） ） 系统， 系统，它属于开 环系统。 环系统。
用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢 电压可调， 电压可调，从而达 到改变电机转速的 目的。 目的。
第7章 直流调速系统
某电源—电动机直流调速系统 电动机直流调速系统， 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I =305A， n=1000r/min， 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18Ω CeΦ =0.2，若要求电动机调速范围D=20 D=20， R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， <5%，则该调速系统是否能满足要求？ sn<5%，则该调速系统是否能满足要求？ 如果要满足D=20 Sn<5%的要求 D=20， 的要求， 解：如果要满足D=20，Sn<5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为： 下的转速降为： ns 1 0 ×0 0 00 . 5 e ∆ = n = =2 6 % . 3 D1−s) 2 ( −0 0 ) ( 01 . 5 而由已知条件并设系统电流连续， 而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： 的转速降为：
第7章 直流调速系统
7.1 转速负反馈晶闸管直流调速系统
比较放大 给定 晶闸管触 发整流
他励直流电动机 反馈电位器 测速发电机
第7章 直流调速系统
7.1.1 系统的组成
由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M 由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被控 量是电动机的转速n 量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功率 放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器 放大和执行环节， 为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1 RP1为给 为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为给 定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。 TG与电位器RP2为转速检测元件 定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测元件。 该调速系统的组成框图如下: 该调速系统的组成框图如下:
第7章 直流调速系统
直流电动机(Direct Current Motor)
由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电 压方程：
did ua =iaR + L +e a a dt
第7章 直流调速系统
代入他励直流电动机的机电参数： 代入他励直流电动机的机电参数： d ω T =C Φa T −T = J e T i e L dt d2n dn 1 可得： m e 可得： T T +T +n = ua m dt dt CΦ e 两边取Laplace变换： 两边取Laplace变换： Laplace变换
第7章 直流调速系统
E U −IR n= = CEΦ CEΦ
由直流他励电机有调速方式有三种调速方 电枢回路串电阻的变电阻调速， 式：电枢回路串电阻的变电阻调速，改变 电枢电压的变电压调速以及减小气隙磁通 量的弱磁调速。 量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他 励电机的机械特性变软， 励电机的机械特性变软，所以在实际应用 中我们通常采用的是变电压调速。 中我们通常采用的是变电压调速。
优点：晶闸管整流装置不但经济、 √优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功 率放大倍数在10 以上， 率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路 控制，响应速度为毫秒级。 控制，响应速度为毫秒级。 缺点：由于晶闸管的单向导电性， 缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流 反向，给系统的可逆运行造成困难。 反向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是 当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低， 当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低， 并产生较大的谐波电流， 并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动 殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。 殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害”
第7章 直流调速系统
线性放大区
晶闸管整流电路的调节特性 为输出的平均电压 Uc 与触发 电路的控制电压 Ud之间的关 系，即 Ud = f (Uc ) 。图7-4为 晶闸管整流装置的调节特性。 晶闸管整流装置的调节特性。 由图可见，它既有死区， 由图可见，它既有死区，又 会饱和。 会饱和。 如果在一定范围内将非线性 特性线性化， 特性线性化，可以把它们之 间的关系视为由死区和线性 放大区两个部分级成。 放大区两个部分级成。其中 线性放大区有： 线性放大区有：
n0 −n ∆ n s = ×100%= ×100% n0 n0
n×s 两者之间的关系是： 两者之间的关系是： = D ∆ ( −s) n1
第7章 直流调速系统
他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式： 他励直流电动机的转速公式： E U −IR n= = CEΦ CEΦ 式中：U为他励电动的电枢电压 式中： I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
死区
Ud (s) ≈ Ks Uc(s)
第7章 直流调速系统
死区： 死区：晶闸管触发装置和整流装置之间之是存在滞后作用 这主要是由于整流装置的失控时间造成的。 的，这主要是由于整流装置的失控时间造成的。由电力电 子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件， 子学可知，晶闸管是一个半控型电子器件，在阳极正向电 压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通， 压下，供给门极触发脉冲才能使其导通，晶闸管一旦导通， 门极便失去了作用。改变控制电压Uc，虽然可以使触发脉 门极便失去了作用。改变控制电压Uc Uc， 冲的相位产生移动， 冲的相位产生移动，但是也必须等正处于导通的元件完成 其导通周期并自然关断后，整流电压Ud Ud才能与新的脉冲相 其导通周期并自然关断后，整流电压Ud才能与新的脉冲相 位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc Ud滞后于控制电压Uc的 位相适应。因此这就造成整流电压Ud滞后于控制电压Uc的 情况。 情况。