第十一章直流传动控制系统

第十一章直流传动控制系统

直流传动控制系统 • 本章要求了解机电传动自动调速系统的组成、生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求以及调连系统的调速性质与生产机械的负载特性合理匹配 • 重点掌握自动调速系统中各个基本环节，各种反馈环节的作用及特点， • 掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点及适用场所，根据生产机械的特点和要求正确选择和使用机电传动控制系统。 • 11．1机电传动控制系统的组成和分类 • 机电传动控制系统主要有直流传动控制系统和交流传动控制系统。直流传动拄制系统是 • m直jji【电动机为动力，室流传动控制系统则以交流电动机为动力。直流电动机虽不如交流电 • 自机结构简单、制造方便、维修容易、价格便宜等，但由于直流电动机具有良好的州速性能， • 日在很宽的旭雕l平柑谰速，所以，截至I|前为止，甫流电动机仍被广泛地应用于自动控制要 • $较高的各种生产部门。 • 堆简单的控制系统是继电器接触器控制系统，它是一种简单的断续控制系统，虽然应Ⅲ • m广，但它还不能满足高度自动化￡I．产的要求。本章介绍的机电传动控制系统主要足自动渊 • m系统(即连续挣制系统)。 • ¨．i1．1机电传动控制系统的组成 • 机电传动控制系统是由电机、电器、电子部什组合而成，通过一定的控制去实现对生产机 • m的驱动任务，如在图11 1所示的直流发电机一直流电动机((；M)系统中，发电机励磁绕组 • 十的励磁电流是输入量，直流电动机的转速是输出量。控制输八量(励磁电流的大小)，就可控 • d输出量的大小(转速的高低)。此系统只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)的单向控 • 眷匝曰1雯搿导 • (励磁)l‘发电机)I U里兰．!!三J(转速’ • 圈】1 1开环控制系统方框囤

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 机电传动控制系统主要有直流传动控制系统和交流传动控制系统。 • 直流传动拄制系统是以直流电动机为动力，交流传动控制系统则以交流电动机为动力。 • 直流电动机虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维修容易、价格便宜等，但由于直流电动机具有良好的调速性能，可在很宽的范围平滑调速，所以，直流电动机仍被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 机电传动控制系统是由电机、电器、电子部件组合而成，通过一定的控制去实现对生产机械的驱动任务，如图11 .1是直流发电机－直流电动机(G-M)系统，

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 发电机励磁绕组中的励磁电流是输入量，直流电动机的转速是输出量。 • 控制输入量(励磁电流的大小)，就可控制输出量的大小(转速的高低)。 • 此系统只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)的单向控制作用，而不存在被控制量对控制量的影响和联系，称为开环控制系统。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 开环控制系统往往不能满足高要求的生产机械的需要，例如，镗床的进给传动，它要求满足镗孔的进给速度，还要求满足钻、铣的进给速度，调速范围要求为100～200，甚至更高，如T615K可达800。对于这样高的要求，调速范围只有10～15的G-M开环系统是无法满足的。 • 在G-M系统中，电动机加额定负载后产生的转速降△nN由下式决定：

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 由式(11.1)可看出△nN与转速的高低无关，即与n0的大小无关。 • 电动机所能达到的调速范围，是电动机在额定负载下所允许的最高转速nmax和在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速nmin之比，以D表示，即 D=nmax/nmin

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 采用电枢电路串接电阻调速和改变电枢电压调速都可使电动机的最低转速下降到近似为零，电动机的调速范围可以趋近于无穷大。 • 但在考虑了生产机械对转速变化率的要求以后，电动机所能允许达到的最低转速就受到了限制，即电动机达到的调速范围受到限制。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 所谓转速变化率亦即调速系统的静差度(或稳定度)，就是电动机由理想空载到额定负载时的转速降△nN与理想空载转速n0的比值。可用下式表示以改变电枢电压调速为例．电动机的调速特性见图11.2

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 图中给出了调速系统高速和低速两条机械特性。由式11.2 和式(11..3)可得

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 上式表示系统调速范围、静差度、最高转速、转速降四者之间的关系。 • 同一个调压调速系统中，ΔnN一定时，在不同的静差度下就有不同的调速范围。 • 在说明调速系统所能达到的调速范围时，必须同时说明其能允许的最小静差度，否则，就无意义。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 在保证一定静差度的前提下，扩大系统调速范围的方法是提高电动机机械特性的硬度以减小ΔnN。 • 为了减小转速降△nN ,得到很平的机械特性，必须设法在负载转矩发生变化时，尽可能使电动机的转速不变。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 为此，在电动机的轴上安装一台测速发电机BR(测量被调量的检测元件)，它的输出电势EBR与电动机的转速n成正比(即EBR=KBRn)，若把EBR与给定电压Ug进行比较，就可得到差值△U=Ug-EBR(△U称为偏差电压)。如图11.3

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 当电动机负载转矩增加引起转速下降时，EBR减小而Ug不变，则△U增大使发电机的励磁电流增加，发电机电势EG增加，从而使电动机的转速上升； • 反之，当负载减小引起转速上升时，EBR增加使△U减小，则Eg减小，从而使电动机的转速下降。这种控制方法叫做反馈控制，

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 图11. 3是具有转速负反馈的G—M调速系统，在这个调速系统中，不管电动机的负载如何变动，EBR可以做到基本不变，也即电动机的转速可以基本不变。 • 在一个自动调速系统中，当系统受到外界的影响或扰动作用(如负载的波动)，致使被调量与给定值发生偏差时，则由测量环节(测速发电机)测量的被调量(电动机的转速)和基准值(给定值)进行比较，得出偏差，

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 再经过放大环节(放大器)将偏差信号加以放大去控制执行环节(发电机)，以改变被调量的值，从而达到抵消扰动作用减少偏差的目的。然后被调量又反过来使测量环节动作，就这样按一定的顺序，一个控制一个，循环不已，自动工作。 • 负反馈控制系统是按偏差控制原理建立的控制系统，其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环，故又称闭环控制系统或反馈控制系统。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 • 带转速负反馈的G-M自动调速系统虽然仅是闭环控制系统的一例，然而，它的组成特点却带有普遍规律，通常自动控制系统的方框图如图11. 4所示

11.1.2 自动控制系统的分类 • 控制系统有不同的分类方法，开环控制系统和闭环控制系统是从组成原理上分的。还有下列分类方法： • (1)按采用不同的反馈方式，可分为转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈及电流正反馈控制系统； • (2)按自动调节系统的复杂程度，可分为单环自动调节系统和多环自动调节系统；

11.1.2 自动控制系统的分类 • (3)按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为有静差调节系统和无静差调节系统； • (4)按给定量变化的规律，可分为定值调节系统、程序控制系统和随动系统； • (5)按调节动作与时间的关系．可分为断续控制系统和连续控制系统， • (6)按系统中所包含的元件特性，可分为线性控制系统和非线性控制系统。

11. 2 机电传动控制系统调速方案的选择 • 在生产的各个部门，有大量的生产机械要求在不同的场合，用不同的速度进行工作，以提高生产率和保证产品的质量。 • 要求具有速度调节(简称调速)功能的生产机械很多，如各种机床、轧钢机、起重运输设备、造纸机、纺织机械等， • 要根据不同生产机械对调速的要求来选择机电传动控制系统的调速方案。

11.2.1 机械与电气调速方法 • 调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。 • 在用纯机械方法调速的设备中，驱动用电动机一般运行在固有机械特性的一个转速上，速度的调节是通过变速齿轮箱或几套变速皮带轮或其他变速机构来实现的。 • 在用纯电气方法调速的设备中，电动机能运行在固有机械特性或人为机械特性上，在一定负载的情况下，电动机可获得多种转速，

11.2.1 机械与电气调速方法 • 这时机械变速机构十分简单，只用一套变速齿轮或皮带轮，把电动机转速变为符合工作需要的转速。 • 有的设备，如磨床的砂轮，则由电动机直接带动。 • 在电气与机械配合调速的设备中，可用电动机来得到多种转速，同时，叉可用机械变速机构的换档来进行变速。

11.2.1 机械与电气调速方法 • 电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无级调速，便于实现远距离控制和自动控制，在生产机械中广泛采用电气方法调速。 • 仅用电气方法调速时，电气系统要复杂些，投资要大些。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提出的调速技术指标来决定的，技术指标有静态指标和动态指标。 • 1. 静态技术指标 • 生产机械对调速系统要求的静态技术指标主要有静差度、调速范围、调速的平滑性等。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 1)静差度 • 当负载变化时，生产机械转速的变化能维持在一定范围之内。常用静差度来表示生产机械运行时转速稳定的程度，即要求静差度S应小于一定数值。 • 不同的生产机械对静差度的要求不同。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 不同的生产机械对静差度的要求不同。例如，一般普通设备S≤50％，普通车床S≤30%，龙门刨床S≤5％，冷轧机S≤2％，热连轧机S为0.2%~0.5％，精度高的造纸机S≤0.1％。 • 电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高。在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 2)调速范围 • 生产机械所要求的转速调节的最大范围称为调速范围，即 • 不同的生产机械要求的调速范围各不相同，

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 如静差度为一定数值时，车床的调速范围D为20～120，龙门刨床为20～40，钻床为2～12，铣床为20～30，轧钢机为3～15，造纸机为10～20，机床的进给机构为5～30000等。 • 采用机械和电气联合调速时，如D是指生产机械的调速范围，若以Dm代表机械调速范围，De代表电气调速范围，则De=D/Dm 。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 3)调速的平滑性调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高，若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调，称为无级调速。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 不同的生产机械对调速的平滑性要求也不同，有的采用有级调速，有的要求无级调速。 2. 动态技术指标 • 生产机械由电动机拖动，在调速过程中，从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转，由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡过程，称动态过程。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 生产机械对自动调速系统动态品质指标的要求除过渡过程时间外，还有最大超调量、振荡次数等，如图11. 5所示，图中的被调量仅以转速n为例，系统从n1改变到n2时的过渡过程。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 1)最大超调量 • 超调量太大，达不到生产工艺上的要求，但太小，则会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等，一般MP为10％～35％。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 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 • 在过渡过程时间内，被调量n在其稳定值上下摆动的次数，图中为1次。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求 • 图11.6表示三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况：系统1的被调量要经过很长时间才能跟上控制量的变化，达到新的稳定值；系统2的被调量虽变化很快，但不能及时停住，要经过几次振荡才能停在新的稳定值上。这两个系统都不能令人满意，系统3的动态性能是较理想的。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 确定机电传动控制系统的方案时，首先应根据生产机械是否要求电气调速、生产机械对调速要求的技术指标如何、生产机械要求恒功率调速还是恒转矩调速、生产机械工作过程复杂程度等来初选几种可能的方案， • 再进行经济指标的比较，然后根据企业当时的财经状况、水平、人员素质等具体情况，从而确定一个可行、经济、实用、可靠、使用与维修方便的机电传动控制系统方案。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 1. 对于不要求电气调速的生产机械 • 当不需电气调速、空载或轻载启动、启制动次数不太频繁时，应采用一般鼠笼式异步电动机拖动。在重载启动时，可选用特殊鼠笼电动机或线绕式异步电动机拖动。 • 当负载很平稳、容量大且启制动次数很少时，可采用同步电动机拖动，它的优点是效率高、功率因数高，还可运行在过励情况下，从而提高电网的功率因数。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 2. 对于要求电气调速的生产机械 • 需要电气调速时，根据生产机械提出的一系列调速技术指标(如静差度、调速范围、调速平滑性或调速级数等)要求来选择拖动力案。如： • 要求调速范围D＝2～3、调速级数＝2～4时，一般采用可变极数的双速或多速鼠笼式异步电动机拖动；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 要求调速范围D<3，调速级数＝2～6、重载启动、短时工作或重复短时工作的负载情况，常采用线绕式异步电动机拖动。如桥式起重机等的拖动电机； • 要求调速范围D＝3～10、无级调速、且功率不大时，若不经常正反转、不经常运行在低速的情况，常采用带滑差离合器的异步电动机拖动(或称电磁转差离合器调速)系统； • 若需经常正反转、经常运行在低速的情况，则可采用晶闸管直流拖动系统；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 要求调速范围D=10～100时，常采用晶闸管直流拖动系统； • 要求调速范围D>100时，多采用宽调速晶闸管直流拖动系统，随着晶闸管交流变频调速系统的逐步推广应用，它也可被采用。对于中、小功率的生产机械也可采用晶体管直流脉宽调速系统。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 3. 根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式 • 在调速过程中，电动机的负载能力(即输出)在不同转速下是不相同的， • 为保证电动机在整个调速范围内始终得到最充分的利用，在选择机电传动控制系统的调速方案时，电动机的负载能力必须与生产机械的负载性质相匹配。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 1)生产机械的负载特性 • 生产机械在调速过程中，从负载特性来看，有恒转矩型和恒功率型两类。 • 一类生产机械在不同的转速下运行时，其负载转矩TL=常数，负载功率PL=TLn随着转速的增加成正比地增加，如图11.7(a)所示。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 起重机起吊一定重量的工作时所产生的负载转矩和负载功率就是这类生产机械的一个典型的例子。机床的进给运动要求恒转矩拖动。 • 另一类生产机械在不同转速下运行时，负载功率PL=常数，而负载转矩TL=PL/n随转速的升高呈双曲线形式下降，如图11 .7(b)所示。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 车床的主轴运动就是这类生产机械的例子，粗加工时采用低速，吃刀量大，因而TL大； • 精加工时采用高转速，吃刀量小，因而TL小， • 即主轴转速和吃刀量选择的相互配合，应保证切削过程中切削功率PL不变。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 2) 电动机调速过程中的负载能力 • 为了充分利用电动机的负载能力，在调速过程中应保持电枢电流Ia为额定值IN ，这时在不同转速下电动机轴上输出的转矩和功率就是电动机所能允许长期输出的最大转矩和最大功率，即电动机调速过程中的负载能力。 • 直流电动机改变电枢电压调速时，其输出转矩不变且等于额定转矩，而输出功率则随转速的增加成正比地增加，电动机的负载能力具有恒转矩性质，即调压调速属恒转矩性质的调速；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 直流电动机改变磁通调速时，其输出功率不变且等于额定功率，输出转矩则随转速的增加呈双曲线规律下降，即调磁调速属恒功率性质的调速。 • 交流电动机变极调速时，若采用双速异步电动机，当定子绕组由Y改成YY时，电动机的输出转矩保持不变，属恒转矩调速； • 当定子绕组由△改成YY时，则属恒功率调速。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 交流电动机变频调速时，若在固有特性以下调速，属恒转矩调速，而在固有特性以上调速时，则属恒功率调速。 • 3)电动机的调速性质与生产机械的负载特悱的配合 • 电动机在调速过程中，在不同的转速下运行时，实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其允许长期输出的最大转矩和最大功率，并不取决于电动机本身，而取决于生产机械在调速过程中负载转矩TL及负载功率PL的大小和变化规律。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 为了使电动机的负载能力得到最充分的利用，在选择调速方案时，电动机的调速性质与生产机械的负载特性要配合恰当。 • 一般讲，负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方式，且电动机的额定转矩TN应等于或略大于负载转矩TL， • 负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方式，且电动机的额定功率PN应等于或略大于生产机械的静负载功率PL。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 这样，电动机在调速范围内的任何转速下运行时，均可保持电流I等于或略小于额定电流IN 。使电动机得到最充分的利用。 • 如果恒转矩型的生产机械选用了恒功率型的他励直流电动机调磁调速方式，电枢电流最小值与调速范围D成反比，如在高速下保证I a=IN，在低速下电动机得不到到充分利用，且调速范围D越大，利用率就越低；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 若保证n=nmin时 Ia=IN ,则 n=nmax时电枢电流的最大值Imax=DIN , 当D较大时，高速下电动机将严重过载。 • 在选择调速方式时，应尽可能使其与负载性质相匹配。 • 4. 从系统的经济指标方面考虑 • 经济指标包括设备的初期投资和运行费用两个方面，后者又包括电能消耗和设备维护费两部分。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 • 对直流拖动而言，若采用电枢电路串接电阻的调速方式时，系统简单，设备费用较低，若采用改变电枢电压的调速方式时，必须为拖动电动机配置专门的可调电源(如晶闸管整流电源等)，设备费较高，运行效率也较高； • 若采用改变磁通的调速方式时，一般必须为励磁线圈配置专门的可调电源，且由于特殊设计的调速电动机价格较普通直流电动机为高，因而设备费用较高，但其运行效率高。

第十一章 直流传动控制系统