1、河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 1 页 共 19 页第四章 直流调速控制系统的选择与计算在自动控制系统中经常采用各种反馈环节来实现转速稳定、扩大调速范围，下面以几种典型晶闸管直流系统进行介绍。对其它系统（如调压、调温等） ，也可参照进行设计计算。 一、转速负反恤调速系统系统框图如图 4-1 所示。晶闸管一直流电动机系统的开环机械特性较软，其原因是当控制角 a 不变时， 则固定不变，负载增加， 增大，使转速 n 下降。因此，要使转速dURId稳定，必须采用闭环调速系统。 2 闭环直流调速系统的机械特性为分析方便，常将 与控制电压 Uc 的关系近似的看成线性关系，即dU（
2、4-2）csK放大器的输出电压转速反馈电压河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 2 页 共 19 页上式表明有转速负反馈的闭环系统，其调速范围口比开环系统大（1 + K）倍。放大倍数 K 愈大，静态转速降愈小，调速范围就愈大。在系统最低转速相同的条件下，具有转速负反馈系统的静差率 （开环） 。SK1/因此，只要适当选择放大器的放大倍数及转速反馈系数“，即可满足系统精度及调速范围的要求。不过放大倍数也不宜过大，以防系统不稳定。3 测速发电机的选择 按电流分，有交流和直流两种。交流测速发电机具有结构简单、无电刷接触、工作可靠、维护方便等优点。但用在直流控制系统中还要经过整流变换
3、，故使反馈信号的准确度受到影响。因此，在多数情况下，还是选用直流测速发电机。 按磁场分，有永磁式和他励式两种。永磁式磁极是用铁镍钻合金制成，河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 3 页 共 19 页磁性能较稳定。但体积稍大一些，同时在工作过程中，如果机械振动较大，磁场会受影响，他励式测速发电机体积小，但需要有励磁电源供电，要保持励磁电流不变，最好用恒流源。此外，还应注意测速发电机的负载电流不能过大，否则电枢反应会影响测量精度。使用直流测速发电机在转速很低时，电刷压降及输出电压中因换向器造成的脉动也不能忽视。 测速发电机的转速，一般希望与主电动机转速相适应，否则还要经过齿轮变
4、速，齿轮间隙会在系统调节过程中引入新矛盾。所以一般测速发电机的额定电压只要能满足反馈信号的要求就行。测速发电机在安装时，对同轴度要求比较高，否则，每转一转输出信号会有一个周期变化，这对系统是一个干扰信号，影响系统稳定运行。 光电编码器，在采用数字或微机控制的系统中，应该用光电编码器来代替测速发电机。光电编码器是一种高精度的将转轴的旋转角变为编码电信号的仪器。即将输入机械量 转角，转换成相应的数字量。因此，在数字控制的系统中，用光电编码器可以简化电路，而且具有精度高、结构紧凑，可靠性好等优点，目前应用日趋广泛。 4 转速负反馈调速系统的参数选择一般应根据生产机械工艺提出的静差率和调速范围的要求，
5、来确定系统应具有的开环总放大倍数。再根据放大倍数来确定系统的结构、选择元件和确定元件参数。系统的开环放大倍数 在一般情况下，当触发器和可控整)/(espCK流电路确定以后，放大倍数 Ks 也就确定了。在电动机选定后， 也是已知eC的，余下的就是综合选定放大器的放大倍数 KP 和反馈系数 a 。反馈系数 a ，其中 由测速发电机型式确定。)(212TGeCRTGeC分压比凡 R2( R1 + R2)是可变的，增大这个比值可增大 a 。但分压比增大后反馈电压就增加了，这就要相应提高给定电压，而给定电压通常由系统的公共稳压电源供电，一般为巧 v 左右，因此过大的增加反馈电压也不一定合理。测速发电机的
6、分压电位器的阻值 Rl + R2 不宜选得过大，过大时测速发电机电枢电流过小，炭刷压降影响大。但也不宜过小，过小会引起过强的电枢反河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 4 页 共 19 页应，从而影响测量精度，并增加损耗。所以在选择此电阻时，一般按测速发电机在最高电压时，输出电流为额定电流的 10 % -20 来确定。在实践中，应根据具体情况来确定。如果开环放大倍数与要求相差不多，那就可以用增加反馈强度的方法重新选择一下反馈分压比。如果开环放大倍数与要求相差很多，就应该设法增加放大器的放大倍数 KP 来提高系统的开环放大倍数，以满足生产机械工艺所提出的要求。二、带有电流截止
7、负反位的转速负反馈调速系统 1 小容量低电压调速系统系统框图如图 4-2 所示。当 时，电流截止负反馈不起作用，这里称为比较电压。 codURI当 时，电流截止反馈起作用，此时电压平衡方程式为codI式中 E 电动机的电动势， U 加 电流截止反馈电压。整理得河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 5 页 共 19 页图 4 -3 为带电流截止环节的转速负反馈调速系统的机械特性。图中： n0 一 A 段，电流负反馈被截止，特性较硬；八刀段，电流负反馈起作用时的机械特性它有两个特点： 电流负反馈的作用相当于在主电路中串入一个大电阻局 KsR ，因而静态速降极大，获得下垂特性。
8、比较电压与给定电压的作用是一致的，好像是把理想空载转速提高为图 4 - 3 中用虚线画出的 n 。一 A 段实际上是不存在的。在设计电路时，应使堵转电流几 B 簇（ l . 5 - 2 ) IN ， 即令 n ? O ，则有R 大会增加主电路压降，影响运行段的硬度，同时增加了损耗，一般要求在 R上消耗的功率不得超过负载功率的 3。实际应用电路常在 R 两端并联阻值远大 R 的电位器，通过调节电位器获得要求的电流截止反馈电压。河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 6 页 共 19 页为得到电流截止负反馈，也可不用比较电压，而仅在反馈回路中接一个稳压管 V 来实现，如图 4-4
9、 所示。当反馈信号几 RUvc 时，得到下垂机械特性。在这里稳压管和比较电压 Uco 的作用完全一样，线路却更加简单了。这种系统具有一定的调速范围和稳速精度又能限制起动电流，允许突加给定电压起动、线路简单、调节方便，在小容量调速系统中得到了广泛的应用。2 电流检测装置对于功率较大的调速系统，为使控制电路与主电路在电气上隔离，减小取样电阻造成的附加电压降和损耗，常用交、直流互感器或霍尔元件检测电流，其输出电压信号 Uo 均与主回路电流成正比，下面分别进行介绍。(1）交流电流互感器交流电流检测采用交流电流互感器。在可控直流调速系统中，交流侧电流有效值 与直流侧电流 具有 的关系流（见表 3-l）
10、。因此，检测交流侧2IdIdIK2电流 就可以反映整流电流 的大小。河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 7 页 共 19 页采用交流电流互感器检测三相桥式可控整流电流的电路如图 4-5a 所示，三相分别用三个电流互感器，再经过整流和滤波后输出直流电压 。当三相电流平ifU衡时，用两个互感器按 V 形接法联接，也可获得同样的效果，如图 4-5b 所示。定型生产的仪用交流互感器，其二次额定电流均为 SA ，而控制系统一般要求 为 10V 左右，这样整流元件和负载电阻容量都较大，功耗和发热也较ifU多。为了解决这个问题，可以专门制造二次侧为 0.1A 的电流互感器，或者在标准互
11、感器后面再加一级 5A / 0 . 1A 的变流器，如图 4-6 所示。对于三相零式整流电路，由于在交流侧含有很大的直流分量，将引起互感器的直流磁化，使它无法正常工作。解决的办法是在互感器一次侧采用曲折接河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 8 页 共 19 页法，如图 4-7 所示。负载电阻常取 100，考虑到插件板上不允许有太高的温度，电阻瓦数应选计算值的 4 倍以上为宜。互感器一次侧电流应根据可控整流装置输出最大电流来选择。上述电路虽然比较简单、方便，但并不是对所有的整流电路都能适用。如带续流二极管的整流电路或半控桥式电路都不能使用交流检测，这是因为续流成分在交流侧得
12、不到反映，而续流成分最大可达几的 40。此外，必须指出，为保证测量准确，电流互感器的铁心正常工作时应处于不饱和状态，并且在使用中二次侧不允许开路。( 2 ）直流电流互感器直流电流互感器能把直流电流直接转换成与之成正比的电压信号，又能把控制电路与主电路隔离开来，在装置上也比交流互感器更简单，因为检测直流仅需一个互感器，而检测交流则需要两个或三个。现在国内已有 BLZ 系列直流互感器定型产品可供选用，因此，应用较为广泛。河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 9 页 共 19 页直流电流互感器的基本电路有串联式（图 4-8）和并联式（图 4-9）两种。负载电阻凡和交流辅助电源电压
13、的选择，可根据不同型号由产品目录中查得。对于并联接法中的 Ro ，一般选 Ro ? 10RL 以上。这是因为并联式接法的铁心已在主电流作用下处于饱和状态，助磁电流大了没有用，徒然增加电能损耗，故用大电阻来抑制它，这是并联电路优于串联电路的之处。 ( 3 ）霍尔效应电流变换器霍尔效应电流变换器是由霍尔元件构成的直流电流转换器霍尔元件是由一种迁移率特别高的半导体材料制成，图 4-10 是它的示意图。霍尔元件本身是厚度为 d 的半导体基片，如果沿纵长方向通过引线 1 和 2引入电流 Ic ，并且在垂直于基片的空间存在着磁感应强度 B 的磁场，则在基片的两个长边之间便产生电压，这就是霍尔效应。电流引线
14、 1 和 2 叫做电流极，输出电压引线 3 和 4 叫做霍尔输出极，霍尔电压的大小为其中 是与半导体材料和基片尺寸有关的霍尔常数。当 Ic 的方向是由 1HK河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 10 页 共 19 页到 2 时，霍尔电压 的极性是 : 4 为 , 3 为一。如果 Ic 或磁场反向，则HU也反向。HU由于霍尔电压和磁感应度 B 及电流 Ic 都成正比，故无论把被测的物理量变换成磁通或电流，都可以用霍尔元件检测出来，而且还可当作乘法器，检测两个物理量的乘积。又由于霍尔变换器的线性度较好、无惯性、装置也很简单，因此广泛地被用来测量电压、电流、磁通、功率、转矩、角
15、位移等。霍尔效应电流转换器是由一次侧电路、聚磁环、位于空隙中的霍尔元件的磁路、二次线圈及放大电路等组成，如图 4-11 所示。转换器的工作原理是磁场平衡式的，即主电流回路所产生的磁场，通过一个二次线圈的电流所产生的磁场进行补偿，使霍尔元件始终处于检测零磁通的工作状态，具体工作过程为：当主回路有一大电流 流过时，在导线周围产生1I一个强磁场，这一磁场被聚磁环聚集，并感应霍尔元件，使其有一个信号 输出，这一信号经放大器 A 放大，输入到功率放大器中，这时相应的功率HU管导通，从而获得一个补偿电流 由于这一电流要通过很多匝绕组，多匝导线2I所产生的磁场与主电流所产生的磁场方向相反，因而补偿了原来的磁
16、场，使霍尔元件的输出逐渐减小，最后当 与匝数相乘所产生的磁场与 所产生的磁2I 1I场相等时 不再增加，这时霍尔元件就达到零磁通检测作用。2I上述过程是在非常短的时间内产生的，这一平衡所建立的时间在 1 s 之内，是一个动态平衡过程。即主电路电流 的任何变化都会破坏这一平衡磁场，1I河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 11 页 共 19 页一旦磁场失去平衡，霍尔元件就有信号输出，经放大器放大后，立即有相应的电流流过二次线圈进行补偿，因此从宏观上看二次侧补偿电流的安匝数在任何时间都与主电流的安匝数一样，即 二次电流。2I所以，若已知 N1 、N2 ，测得 ，即可得到 的大小
17、。2I1I霍尔电流转换器的额定电流、参数及测量电阻 的阻值，可参见有关产品样本及产MR品介绍。三、电压负反馈调速系统转速反馈调速系统必须安装一台检测转速的测速发电机，这不仅增加了设备成本、增添了维护上的困难，还会由于附带产生的交流干扰等问题给调试和运行带来麻烦。因此，对于调速指标要求不高的系统来说，可以采用电压负反馈，如图 4 -12 所示。在这里，作为反馈检测元件的只是一个起分压作用的电位器。如果忽略了电枢电阻压降，则电枢两端的电压近似与转速成正比，所以电压负反馈基本上能起转速负反馈的作用。 由电动机电压平衡方程式得河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 12 页 共 19
18、 页由此看出，电压负反馈只把由整流装置内阻引起的静态速降减小到 1 / ( 1 + K ) ，因此，电压负反馈系统实际上只是一个自动调压系统。它对电枢内阻引起的转速降落及电动机励磁电流的波动引起转速的变化均无法克服。故这种系统仅适用于调速范围 D 10 、静差率 S15 的场合。在实际线路中，为了尽可能地减少转速降落，电压负反馈电阻的引线应尽量靠近电动机电枢两端，即引自电抗器的后面。又因晶闸管整流装置的输出电压中含有交流分量，因此，电压反馈信号必须经过滤波。取样电阻（ R1 十 R2 ）的选择原则为，应使通过它的电流 ( 23 ) fuI介，常取 Rl 十 R2 大于或等于儿千欧。河南工业职业
19、技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 13 页 共 19 页该系统通过电阻取样，设备和接线都较简单。缺点是把主电路和控制电路串在一起，没有隔离，容易发生事故。因此，在主电路电压较高、电动机容量较大的系统中，常采用直流电压隔离转换器来引出电压负反馈。直流电压转换器是一种将输出为较高的直流电压转换成一个输出与输入电压大小成比例但电路上相互隔离的较低的直流电压（ 010V ) ，用作电压反馈信号。图 4-13 为一个实用的直流电压转换器电路图。四、电压负反摘加电流正反抽调速系统 1 机械特性电压负反馈系统比转速负反馈系统的转速降落大，这是因为电动机电枢电阻压降引起的转速降落未得到补偿。为此，
20、可在电压负反馈的基础上增加一个电流正反馈环节，如图 4-14 所示，这样就构成了电压负反馈加电流正反馈调速系统。 河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 14 页 共 19 页该系统电动机电压平衡方程式为 式中 UD 电动机电枢端电压。适当选择 R1、R2、R3 ，使之符合由此看出反馈电压与电动势成正比，故称电动势反馈。在磁场恒定的条件下，可构成转速反馈调速系统。根据框图导出电枢两端电压整理得式中将 代入式（4-15）并整理得DU由式（4-17 ）可见，只要参数配合得当，使得表示电流正反馈作用的一项正好补偿另两项，使转速降落为零，从而获得较硬的机械特性。despIKCR)1(
21、但实际上，在系统运行过程中，尺 1 、 RZ 、 R 、 R 。会因发热而变化，因此，要求系统在整个运行过程中，都维持转速不随负载变化是难以办到的。而且，若电流正反馈作用过强，会使机械特性上翘，造成运行不稳定。因此，一般要把电流正反馈调得弱一些，使系统能稳定工作。河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 15 页 共 19 页在实际电路中，为了使电流反馈能得到调节，通常在电流取样电阻 R 两端并联电位器，如图 4-15 所示。使电流正反馈电压 U 。一夕几 R （并联电位器阻值一般远大于 R ) ，取月一 U 。（几 R ) ，称为电流反馈系数。此时式（4-17 ）应写成这种调
22、速系统的指标低于转速负反馈调速系统，适用于调速范围不大于 20 ，静差率大于 10 % 的拖动系统中。尽管如此，由于电路简单，比转速负反馈系统省掉了一个测速发电机，因此在小容量、负载变化较小的系统中仍得到广泛的应用。各种不同反馈方式调速系统机械特性的比较绘于图 4-16 中，供设计时参考。2 调速系统机械特性分析及参数选择由式（4-18 ）看出， K 的大小对机械特性影响很大，为此需要对 K 值的计算加以分析。( 1 ）晶闸管触发与整流装置的放大倍数 Ks 在前面进行框图运算时，把 Ks 看成常数。实际上 Ud 与 Uc 间不是一个线性关系。为此，最好用实验的方法测出这个环节的输入一输出特性（
23、图 4-17) , Ks 可由工作范围内的特性斜率决定。在设计中，如果不能实测特性，则可用两个量的设计最大值初步估算。即河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 16 页 共 19 页( 2 ）放大器的放大倍数 KP 在采用晶体管放大器时，其本身的电压放大倍数也只有在一定的范围内才是常数，因此，也只有通过实验测定或用输入与输出两个量的设计最大值进行估算。 (3)电压反馈系统从反馈作用上看，似乎 越大越好。实际上提高 的可能性是有限的，考虑到 Uf ，而且它们均加在放大器的入口，电压不能太高，最多为（ gdfuU1020V ) ，可是电动机的额定电压 ，一般均在 100V 以上，
24、必须经过衰NU减才能当作反馈信号。因此， 可参照下式选择。( 4 ）给定与反馈电位器的等效电阻图 4-18a 是电位器的分压电路，分压比 a 1 ，滑动端把电位器电阻 R 分成 a ) R 两部分。如果把点划线框内电路当作一个有源二端网络，根据等效电源定理，可得图 4 18b 的等效电路。其中等效电源电压为等效电源内阻为式（4- 22）表明，当滑动点处在最高和最低两个位置时，即 a = 1 和 a=0 两个极端状况，都使 Rx =o ；在中间位置 a=0.5 ，等效内阻最大，其值为 河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 17 页 共 19 页=0.25R。这就是说，每用一个
25、电位器，除了分压作用外，还必需考虑其内maxR阻，内阻大小在。0 0 . 25R 之间，因滑动端的位置而异。 (5)电位器的等效电阻对放大倍数的影响实际放大器的输入回路及等效电路如图 4-19 所示。 RP2 是为了调节电流反馈强度而接的电位器。等效电路中的 、 、 分别为给定、电压负反馈xgRuxi和电流正反馈电位器的等效内阻，都可用式（4-22）计算。 是放大管 V1 iNR，的输入电阻， 和 分别表示 V1 的输入电压和电流。1iNUiI由图可知式（4-23 ）表明，电位器的内阻降低了放大器的放大倍数。因此，在选择河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 18 页 共 1
26、9 页电位器时，相对于其负载 来说，电位器的阻值不能选得太大。但从另一方1iNR面看，受到消耗功率的限制，电位器的阻值又不能选得太小。这样电位器参数就得在这两方面的限制间折中选择。 ( 6）确定整流装置的内阻尺装置内阻 应由实验测定，即系统开环时测出iR可控整流装置的外特性 =f ( ) ，然后找出工作部分特性较差的段计算装置dUI内阻，如图 4 - 20 所示。在设计中，如果无法用实验实测处特性时，可用下式进行估算，即为使 满足调速指标的要求，则前两项要靠第三项来补偿。当 K 值较大n时，K / ( l + K ) 1 ， 很小，可以忽略。从提高调速精度看，希望)(kCReio ，在初步估算
27、时可取 =0。此时，由式 4-25 ）得nn设计时，可先取 =1，然后根据式（4-20）确定出 最大值，即可计算出 R 值。将 、 R 的不同取值代入式（4-25 )中，根据调速精度对转速降的要求（ = ) ，即可计算出所要求的 K 值，并进一步确定 值。然后根据nN spK设计值，调整放大器和触发电路的参数。最后还需实测，检验是否满足系统要求。河南工业职业技术学院电力电子设计指南电力电子精品课程 第 19 页 共 19 页五、给定电源的选择根据电路要求可选用稳压管、晶体管、集成稳压器等组成的稳压电源。其中集成稳压器又分固定输出和可调输出两种，其典型电路如图 4-21 所示。1 固定输出稳压器参数计算输入电压 的数值可参见产品手册。输入交流电压 与稳压器输入电iUACU的关系可参照下式计算，即i负载小时，系数取大值。 2 可调输出稳压器参数计算通常取 5V ，输入交流电压 iUo可参照式( 4-27）选取。 的数值可按下式计算，即ACU2R式中 调整端电流，典型值 = 50 A 。选用的电位器只要大于ADjI ADjI计算出的 即可。2R给定电源确定后，作为给定电位器的阻值一般按几百欧至几千欧选取。在给定电源允许情况下，可适当取小值。
