第04章电气调速系统.ppt

第四章 电气调速系统4.1 调速系统概述调速系统概述4.2 直流电机的调速控制直流电机的调速控制4.3 交流电机调速控制交流电机调速控制目录调速是机床对电力拖动系统要求的主要性能之一调速方法：1、机械有级或无级调速2、机械与电气结合的机械有级或无级调速3、电气无级调速 调速范围宽、稳定性好、控制灵活、远距离操纵调速方法 调速即速度调节，是指在电力拖动系统中人为地改变电动机的转速，以满足生产机械的不同转速要求（由于负载或电源扰动而引起的电动机转速变化，则不叫调速）。调速是通过改变电动机的参数或电源一、调速与稳速一、调速与稳速4.1 电气调速概述电气调速概述图41 电动机的调速 电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变它与负载机械特性的交点，使得电动机的稳定转速改变。4.1电气调速概述 从调速控制原理上可将调速系统分为开环调速系统和闭环调速系统。1、开环调速系统，如图 4一2所示，调速是通过改变给定信号，经过控制环节而实现的。开环控制由于不能克服外界扰动带来的转速变化，故不能进行精确的速度控制。图 4一2 开环调速系统结构1、开环系统稳速稳速使电动机转速不随外界扰动而变化，始终能精确地保持在给的的数值上。2、闭环系统图43闭环调速系统结构 2、闭环调速系统，如图4一3所示。由于增加了速度等反馈环节，使系统能很快消除各种干扰，电动机转速不随外界扰动的变化而变化，始终能精确地保持在给定的数值上。稳速1、按电源种类可分为直流和交流1）直流调速系统（1）直流发电机直流电动机（GM）系统（2）交磁放大机直流电动机（SKKM）系统（3）晶闸管直流电动机（SCR-M）系统（4）脉宽调制-直流电动机（PWM）系统 二、电动机无级调速的类型二、电动机无级调速的类型二、无级调速类型2）交流调速系统（1）变极对数（2）变转差率（3）变电源频率 2、按电动机特性分为恒功率和恒转矩交流 P=KmTn1）恒功率调速 在调速过程中，电动机始终输出额定功率，而输出转矩与转速成反比。其变化特性曲线如图44。适用于工作在计算转速以上的图44 恒功率变速特性机床主运动及龙门刨床工作台等恒功率类机械负载。当调到低速时，电动机转矩不得高于额定值。直流调速系统中，该种调速特性由变激磁的方法获得。1）恒功率调速2）恒转矩调速 在调速过程中，电动机输出的转矩为额定功率，而输出功率随转速线性变化。其变化特性曲线如图45。大部分机床的进给运动及工作在计算转速以下的主运动，均属于恒转矩类负载。这类运动主要克服摩擦力，而摩擦力的大小与速度关系不大，故转矩基本保持恒定。直流调速系统中，该种调速特性由调压调速的方法获得。图45 恒转矩变速特性2）恒转矩调速三、调速的性能指标类型三、调速的性能指标类型 调速系统的性能指标，可衡量调速系统的优劣。常用的性能指标有如下几项：1、调速范围(D)工作机械要求的调速范围，以字母D表示。它等于在额定负载下，电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比，即 对于采用机械电气配合调速的生产机械，生产机械的调速范围等于电气调速范围与机械调速范围的乘积。现代机械制造的趋势是尽量简化机械传动部分的结构，因此，扩大电动机的调速范围具有非常重要的意义。三、调速性能指标表41 机床传动调速范围机床类型D主传动D进给运动中型和重型车床型4010050150立式车床40604080摇臂钻床20100540卧式和立式铣床20602560中型卧式镗床256030150中小型龙门刨床4101050大型龙门刨床10301050表4-12、调速的平滑性()调速的平滑性亦称公比。它是用某一个转速与能够调到的最邻近的转速之比来评价的，以字母表示。即：从某一转速调节到另一转速，改变量越小调速的平滑性越好。1称为无级调速，可以实现连续平滑调速。2、调速平滑性3、静差度(S)静差度即速度的稳定度。是衡量转速随负载变动程度的静态指标。它表示电动机在某一转速下运行时，机械负载由理想空载变到额定负载所产生的转速降落ne，与理想空载转速n0之比，即 式中 ne 额定负载下的实际转速。3、静差度 理想空载转速越低，同一转速降所占的比例越大，静差度愈大，转速下降的影响程度愈大，转速的相对稳定性就愈差。因此，对一个系统静差度的要求就是对最低速的静差度的要求，调速范围受到静差度的限制。对一个系统静差度的要求，就是对最低转速静差度的要求。静差度与调速范围两项指标是相互制约的。图46 转速与S的关系4、调速的经济性 调速的经济指标，一般是根据设备费用、能源损耗、运行及维护费用多少来综合评价的。4、经济性使电动机与被拖动的机械有类似的调速特性。如匹配不好，则电动机的容量就不能得到正常发挥，使系统调速范围受到影响。根据负载的特性正确选择恒功率或恒转矩调速。宽调速范围D受到静差度S的影响，亦受S的限制。四、扩大调速范围的途径四、扩大调速范围的途径四、扩大调速范围途径 直流调速系统中机械特性很硬，则有下列关系：要得到宽调速范围，且静差度又要尽可能小，只有减小静态速度降 ne，实际的方法是提高调速系统的机械特性硬度，引入负反馈环节，如图47。enlSnnnDmax0min0max0lnSDnemax0max0nDSenlmin0nSenllnSnemin0图47 速度负反馈控制系统。图4-74.2 直流电动机的调速控制直流电动机的调速控制 一、直流电动机的基本调速方式及其调速特性一、直流电动机的基本调速方式及其调速特性 从电工学可知，图48所示他激直流电动机有以下方程：4.2直流电机调速控制式中：Ud电动机的电枢电压；Ed电动机的反电势；T电动机的电磁转矩；Rd电枢绕组电阻。Ce电动机的电势常数；Ct电动机的转矩常数；电动机的主磁极的磁通；Id电枢电流；Rd电枢绕组电阻。直流电动机的机械特性方程式也就是它的调速公式，即 直流电动机的转速由Rd、Ud和 所决定。调速即调 Ud和 nnTKnTCCRCUntteded002edCUn02tedtCCRK2tedCCTRn理想空载转速机械特性斜率转速降落 1、改变电枢电压的调速方式（调压调速）、改变电枢电压的调速方式（调压调速）改变电枢电压Ud进行调速的方式。保持磁通和电枢电阻Rd不便，将电枢电压Ud减小，则其机械特性的斜率不变，而空载转速会减小，于是得到一簇以Ud为参数的平行直线。在允许的静差度内，可获得低于额定转速的稳定速度。1、调压调速调压调速过程：0nEUTKRddtd不变不变不变调压调速调压调速在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。图49 调压调速的机械特性A1固有特性A2、A3人为特性图49 调压调速的特点：(1)调节细，可实现无级调速，平滑性好。(2)物性硬度不变，相对稳定性好。(3)调速过程能耗低，可节省减压起动设备，经济性好。(4)调速范围宽（1012）。2、改变励磁磁通的调速方式（调磁调速）、改变励磁磁通的调速方式（调磁调速）改变励磁磁通进行调速的调速方式。当电枢电流不变时，随着磁通的减小，电动机的转速升高，其输出转矩会相应地降低减小。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。图410 调磁调速的机械特性2、调磁调速公式20tedtedllCCRKCUnURddtdzRUCTn0eddedtededCIRCUTCCRCUn2调磁调速过程：堵转转矩：转速n与电枢电流之间的关系：公式dddzRUIn 0nnCRIUededd1nICTedt1堵转电流为常数：为使电机容量得到充分利用，应使电枢电流Id=电机额定电流Ied。此时磁通与转速成反比：故转矩与转速成反比：即转矩与转速成倒数关系 调磁调速的特点：(1)调节容量小，平滑性好。(2)投资少，能耗低，经济性好。(3)调速范围不宽（24）。3总结总结 (1)调压调速为恒转矩调速。(2)调磁调速为恒功率调速。(3)恒转矩和恒功率调速是指：在电机不超过发热条件限制下，按可调的不同转速长期工作时，都能输出额定转矩或额定功率的调速。3、总结 (4)调速方式必须根据负载的特性来选择如：恒功率负载（低速转矩大）选择恒转矩调速方式，则：*按低速转矩选择，则高速时电机容量不能充分利用；*按高速转矩选择，则低速时电机将超载。elhlhelhhlelTTTPPPPKTnPKTnPP则由于高速低速ehllhelllhehTTTPPPPKTnPKTnPP则由于低速高速 二、直流电动机的功率驱动二、直流电动机的功率驱动 改变直流电动机的电枢电压和励磁磁通，用的较多的方法有两种：(1)晶闸管功率驱动 (2)晶体管功率驱动1、晶闸管直流电动机无级调速系统 晶闸管是一种快速无触点电子开关器件，通过它的截止和导通可以实现多种多样的电流变化。由它构成的变换电路主要有以下三种类型：二、直流电机的功率驱动(1)整流电路即将交流变换为直流，交直变换。(2)逆变电路即将直流变换为交流，直交变换。(3)开关电路又分为直流开关电路和交流开关电路，分别称为：交交变换，直直变换。晶闸管直流电动机无级调速系统多用晶闸管可控整流电路：单相与多相 半波与全波 零式与桥式式中：Uda 变压器次级绕组相电压的有效值 通过调整控制角改变输出电压从而改变直流电动机的转速。cos17.1cos26322UUUda图411 三相零式晶闸管整流电路驱动直流电动机原理图。图4-112、晶体管直流电动机无级调速系统晶体管的两种工作方式：线性放大原理，工作在放大状态；脉冲调制原理，工作在开关状态工作在线性区域的特点：具有线性控制特性和很小的时间常数；电流大，管子两端电压高，因此功耗大、效率低，必须加装散热器；没有控制角触发装置，故体积小，线路要简单。1、晶体管调速图412为由单个晶体管组成的带速度负反馈的最简单调速系统。fgbeUUUnIUUndbef图4-12三、有静差及无静差调速控制三、有静差及无静差调速控制自动调速系统按被调量（转速）与给定量之间有无偏差可分为：有静差调速系统是靠被调量与给定量之偏差进行调节的，无论采用的放大器放大倍数多大，也不能维持被调量完全不变。主要原因是电枢压降的补偿。图413 P70 无静差调速系统具有良好的静特性，在转速波动的允许范围内，能最终消除偏差使系统回到给定值上。采用PI调节图423 P79三、有静差及无静差调速控制1、有静差调速控制、有静差调速控制1、有静差调速控制ddddtRIITICT如cdafgfcfgdaUUUUnUUUUKU则无静差时而)(是定值而由于gdaddddeddddaUURIRInCRIEU1）有差调节；根据给定量与反馈量之差来改变整流输出电压，以维持转速近似不变，没有误差就不可能调节。2）系统的总的放大倍数越大，调节的准确度（静态精度）越高。2、无静差调速控制、无静差调速控制2、无静差调速控制的变化达到无静差来补偿由ddtfgRIUdUUU1nUUdUUKUftcda而1tcdafgUdUUUU1则无静差时四、直流电动机的四、直流电动机的PWM调速原理调速原理 晶体管工作在开关状态的特点：在饱和时管压降很小，在截止时漏电流很小，过渡状态电流大但时间短，平均功率小。因而可提高输出功率和效率。直流电动机的PWM控制属于调压调速方式，即通过脉宽调制来改变电枢电压Ud实现调速。其基本原理是采用硅整流器将交流电整流成直流电，再由PWM斩波器进行斩波调压。斩波调压比晶闸管相控调压(SCRM)性能更好。如所需要的滤波装置很小，甚至只利用电枢电感已经足够，不需要外加滤波装置；电动机的损耗和发热较小；动态响应快等。四、直流电动机的PWM调速原理 a）线路图 b）波形图图425 PWM斩波器原理电路及输出电压波形 图2-25 一个周期T中，晶体管K导通时间的比率，称为负载率或占空比。调速方式有：(1)脉冲宽度调制（PWM）调速（定频调宽法）：T保持一定，使在0T范围内变化。(2)脉冲频率调调速制（定宽调频法）：保持定