第九章直流传动控制系统 91自动调速系统主要性能指标 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。 静态技术指标 1.静差度S 速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S表示,即 其中:M--静态速降。 当负载变化时,生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内,即要求静差度S小于 定数值。 不同的生产机械对静差度的要求不同,如下表所示。 普通设备普通车床龙门刨床冷轧机热轧机 S≤50%S≤30%S≤5%S≤2%0.2%0.5% 由S=0=-可知: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 2.调速范围D 在额定负载下允许的最高转速nm和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能 达到的最低转速ncmi之比称为调速范围,用D表示,即 不同的生产机械要求的调速范围各不相同,如下表所示 车床龙门刨床钻床铣床|轧钢机|造纸机进给机械 20~12020~402~1220~303~1510~205~3000 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Dn代表机械调速范 围,D代表电气调速范围,则D。=D/D
第九章 直流传动控制系统 9.1 自动调速系统主要性能指标 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。 一、静态技术指标 1．静差度 S 速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用 S 表示，即： 0 e 0 0 e n n n n n S ∆ = − = 其中： ∆ne − −静态速降 。 当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差度 S 小于 一定数值。 不同的生产机械对静差度的要求不同，如下表所示。 普通设备 普通车床 龙门刨床 冷轧机 热轧机 S≤50% S≤30% S≤5% S≤2% 0.2%~0.5% 由 0 e 0 0 e n n n n n S ∆ = − = 可知：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。 2. 调速范围 D 在额定负载下允许的最高转速 nemax 和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能 达到的最低转速 nemin 之比称为调速范围，用 D 表示，即： e min emax n n D = 不同的生产机械要求的调速范围各不相同，如下表所示。 车床 龙门刨床 钻床 铣床 轧钢机 造纸机 进给机械 20～120 20～40 2～12 20～30 3～15 10～20 5～30000 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
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,称为无极调速。不同的生产机械对调速的平滑性要求也不同,有的采用有极调速 即可,有的则要求无级调速 现以改变直流电动机电枢外加电压调速为例,说明调速范围D与静差度S之间的关系 如图91所示是调速系统在高速和低速时电动机对应的两条机械特性曲线 Ane Henin 图9.1调速系统在高速和低速时电动机对应的两条机械特性曲线 上式表示出最高速度、最低速度、静态速降和静差度四者之间的关系。 通常最高速度由系统中所使用电动机的额定转速决定;静差度S和调速范围D由生产 机械的要求决定。当上述三个参数确定后,则要求静态速降是一个定值。 二、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(启 动、制动过程仅是特例而已),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,或称动态过程。 实际上,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9.2所示是以被调量转速n为例,系统从n改变到n2时的过渡过程
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，称为无极调速。不同的生产机械对调速的平滑性要求也不同，有的采用有极调速 即可，有的则要求无级调速。 现以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围 D 与静差度 S 之间的关系。 如图 9.1 所示是调速系统在高速和低速时电动机对应的两条机械特性曲线。 图 9.1 调速系统在高速和低速时电动机对应的两条机械特性曲线 则： (1 ) 1 e emax 02 e 02 emax 02 e emax emin emax n S n S n n n n n n n n n D ∆ − = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ∆ − = − ∆ = = 上式表示出最高速度、最低速度、静态速降和静差度四者之间的关系。 通常最高速度由系统中所使用电动机的额定转速决定；静差度 S 和调速范围 D 由生产 机械的要求决定。当上述三个参数确定后，则要求静态速降是一个定值。 二、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（启 动、制动过程仅是特例而已），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，或称动态过程。 实际上，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 9.2 所示是以被调量转速 n 为例，系统从 n1改变到 n2 时的过渡过程
(005-0.022 图92速度变化的过渡过程 1.最大超调量 100% 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M,为10%~35% 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 在过渡过程时间内被调量n在其稳定值上下摆动的次数,图中所示为1次 上述三个指标是衡量一个自动调速系统过渡过程品质好坏的主要指标。 如图93所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况。 被调量 图93三种不同调速系统的过渡过程 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的动态性能才是较理想的。不同的生产机械对动态指标的要求不尽相同,如龙门刨床、 轧钢机等可允许有一次振荡,而造纸机则不允许有振荡的过渡过程
图 9.2 速度变化的过渡过程 1. 最大超调量 100% 2 max 2 p × − = n n n M 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 M p 为 10%～35%。 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 在过渡过程时间内,被调量 n 在其稳定值上下摆动的次数，图中所示为 1 次。 上述三个指标是衡量一个自动调速系统过渡过程品质好坏的主要指标。 如图 9.3 所示是三种不同调速系统被调量从 1x 改变为 2 x 时的变化情况。 图 9.3 三种不同调速系统的过渡过程 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 的动态性能才是较理想的。不同的生产机械对动态指标的要求不尽相同，如龙门刨床、 轧钢机等可允许有一次振荡，而造纸机则不允许有振荡的过渡过程
三个系统的动态性能比较如下表所示。 系统超调量过渡过程时间T|振荡次数N性能 0 长 无 不好 2 大 多 不好 3 小 短 92晶闸管一电动机直流传动控制系统 直流调速系统中,目前,用得最多的是晶闸管一电动机调速系统。 晶闸管一电动机直流传动控制系统常用的有单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统 和可逆系统。 、有静差转速负反馈调速系统 单闭环直流调速系统常分为有静差调速系统和无静差调速系统两类 有静差调速系统:单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动 调节系统,简称有静差调速系统: 无静差调速系统:单纯由被调量负反馈组成的而按积分(或比例积分)控制的系统,属 无静差的自动调节系统,简称无静差调速系统: 1.转速负反愤调速系统基本组成 转速付反馈调速系统的基本组成如图94所示
三个系统的动态性能比较如下表所示。 系统 超调量 过渡过程时间 T 振荡次数 N 性能 1 0 长 无 不好 2 大 中 多 不好 3 小 短 中 好 9.2 晶闸管－电动机直流传动控制系统 直流调速系统中，目前，用得最多的是晶闸管－电动机调速系统。 晶闸管－电动机直流传动控制系统常用的有单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统 和可逆系统。 一、有静差转速负反馈调速系统 单闭环直流调速系统常分为有静差调速系统和无静差调速系统两类： 有静差调速系统：单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动 调节系统，简称有静差调速系统； 无静差调速系统：单纯由被调量负反馈组成的而按积分（或比例积分）控制的系统，属 无静差的自动调节系统，简称无静差调速系统； 1．转速负反馈调速系统基本组成 转速付反馈调速系统的基本组成如图 9.4 所示
放大器:将外加触发电路:将放大器输出的电压 整流电路:变交流电压 电压和反馈电压信号变为脉冲信号去控制整流电 为直流电压,输出电压 之差进行放大。路的输出大小 的大小山触发电路输出 冲信号所决定,整流 电路的输出为直流电动 机电枢的外加电压 F严斗本p 流电动机:系统的 控制对象 K 测速发电机:与直流电动 机M同轴相连,即两者的 速度相同,测速发电机用 来测量电动机的速度,称 检测元件 给定电位器:改变Rg的位置可 转换电位器:将测速发电机的转速 改变给定电压Ug的大小,称给 转换成电压信号以便与给定电压进 电位器 行比较,称转换元件 图94有静差调速系统的基本组成 由系统的结构分析可知 (1)系统的调速方法是改变外加电压调速; (2)系统的反馈信号是被控制对象n本身 (3)反馈电压和给定电压的极性相反,即△U=U-Ur 因此,该系统称转速负反馈调速系统。 工作原理 (1)稳态(Ug、Ur不变) 当Ug、Ur不变时 △U=Ug-Ur不变→Uk不变→a不变→U4不变→n不变 即当U、U不变时,电动机的转速不变,这种状态称为稳态。 (2)调速(Ur不变,改变U的大小) U↑→△U↑= Ug→→△U↓=Ug-Ur→Uk4→a↑→U↓n 即:改变U的大小可改变电动机的转速,这种状态称为调速
图 9.4 有静差调速系统的基本组成 由系统的结构分析可知： （1）系统的调速方法是改变外加电压调速； （2）系统的反馈信号是被控制对象 n 本身； （3）反馈电压和给定电压的极性相反，即 ∆U = Ug −Uf 。 因此，该系统称转速负反馈调速系统。 2．工作原理 （1）稳态（Ug 、Uf 不变） 当Ug 、Uf 不变时： ∆U = Ug −Uf不变 →U k不变 →α不变 →Ud不变 → n不变 即当Ug 、Uf 不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。 （2）调速（Uf 不变，改变Ug 的大小） ↓→ ∆ ↓= − → ↓→ ↑→ ↓→ ↓ ↑→ ∆ ↑= − → ↑→ ↓→ ↑→ ↑ U U U U U U n U U U U U U n g g f k d g g f k d α α 即：改变Ug 的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速