机电产品设计实例与分析第十一章解析

发布时间:2020-05-09 07:24 文章来源:未知

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  第十一章 直散布动掌管编制 ? 清晰机电传动自愿调速编制的构成; ? 独揽出产呆板对换速编制提出的调速本领目标恳求; ? 独揽自愿调速编制中各个基础症结,百般反应症结的作 用与特质; ? 独揽百般常用的自愿调速编制的调速道理,特质及实用 地方; ? 能正在出产实质中解决掌管编制的通常题目. 11.1 机电传动编制的构成和分类 机电传动编制的构成 11.1 机电传动编制的构成和分类 机电传动编制的分类 (1)从构成道理上分类 开环掌管编制:唯有掌管量(输入量)对被掌管量(输出量)的单向控修制 用,而不存正在被掌管量对掌管量的影响和闭系 输入量 掌管器 掌管对象 输出量 (励磁电流) (发电机) (电动机) (转速) 闭环掌管编制:其特质是输入量与输出量之间既有正向的掌管效用,又 有反向的反应掌管效用,造成一个闭环。故又称闭环掌管编制或反应控 制编制。 11.1 机电传动编制的构成和分类 机电传动编制的分类 (2)按反应格式的分别,可分为转速负反应、电压负反应及电流 正反应掌管编制; (3)按编制的丰富水平,可分为单环自愿调理编制和众环自愿调 节编制; (4)按编制稳态时被调量与给定量有无不同,可分为有静差调理 编制和无静差调理编制。 (5)按给定量改观的秩序,可分为定值调理编制、步调掌管编制 和随动编制。 (6)按调理行动与时代的联系,可分为断续掌管编制和接续掌管 编制; (7)按编制中所包括的元件性子,可分为线 机电传动编制的构成和分类 机电传动编制的分类 对比 Ug + ?U 扰动 放大 实施 症结 被调 被调量 n 对象 给定 症结 — EBR 调理症结 衡量 症结 通常自愿掌管编制构成 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 呆板与电气调速手腕 ?纯呆板手腕调速: 通过变速齿轮箱或几套变速皮带轮或其他变速机 构来完毕; ?纯电气手腕调速 : 通过调换电动机的呆板持性完毕,这机会械变速 机构轻易、只一套变速齿轮或皮带轮; ?电气与呆板配合调速 : 用电动机来取得众种转速,同时,又用呆板 变速机构的换档来举办变速。 电气调速利益: 简化呆板变速机构,提升传动恶果.操作轻易。易于得到无级调 速,便于完毕远间隔掌管和自愿掌管,于是,正在出产呆板中普遍使用。 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 出产呆板对自愿调速编制本领目标的恳求 ? 静态目标 1)调速畛域:D= nmax / nmin 车床 20~120 龙门刨床 20~40 钻床 2~12 铣床 20~30 轧钢机 3~15 制纸机 10~20 进给呆板 5~30000 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 出产呆板对自愿调速编制本领目标的恳求 ? 静态目标 2)静差度 ?n N S? n0 D? nmaxS 2 ?nN (1 ? S 2 ) 龙门刨床 S≤5% 冷轧机 S≤2% 热轧机 0.2%~0.5% 制纸机 S≤0.1% 广泛修筑 S≤50% 广泛车床 S≤30% 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 出产呆板对自愿调速编制本领目标的恳求 ? 静态目标 2)静差度 ?电动机的呆板性子愈硬,则静差度愈小,转速的相对不乱性就愈高 ; ?正在一个调速编制中,假使正在最低转速运转时能满意静差度的恳求,则 正在其他转速时必能满意恳求。 ? 最高速率由编制中所运用电动机的额定转速决议; ? 静差度S和调速畛域D由出产呆板的恳求决议; ? 当上述三个参数确定后,则恳求静态速降是一个定值。 3)调速光滑性 调速 无级调速 有级调速 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 出产呆板对自愿调速编制本领目标的恳求 ? 动态目标 1) 最大超调量 Mp ? nmax ? n2 ?100% n2 超调量 ?超调量太大,达不到出产工艺上的恳求; ?超调量太小,会使过渡经过过于迂缓,不 利于出产率的提升等 畛域: M p ? 10% ~ 35% 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 出产呆板对自愿调速编制本领目标的恳求 ? 动态目标 2)过渡经过时代T 3)振荡次数 N 系 统 1 超调 量 0 过渡经过 时代T 长 振荡次 数 无 职能 欠好 2 3 大 小 长 短 众 中 欠好 好 被调量从x1调换为x2时的改观环境 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?出产呆板是否恳求电气调速 ?出产呆板对换速恳求的本领目标 ?出产呆板的本质:恒转矩&恒功率 ?出产呆板经过的丰富水平 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?关于不恳求电气调速的呆板 (1)空载,轻载起动的,选鼠笼式异步电动机; (2)重载起动的,选线)大容量的选同步电动机; 此中,轻易的采用继电器-接触器 掌管;丰富的采 用PLC掌管. 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?关于恳求电气调速的呆板 (1)D=2-3、调速级数2-4。双速或众速鼠笼式异步电机; (2)D3、调速级数2-6、重载启动、短时作事。线绕式异 步电机,如桥式起重机; …… 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?依据出产呆板的本质抉择调速格式 (1)出产呆板的负载性子 恒转矩型和恒功率型 (2)电机的负载才华 直流电机:调压为恒转矩;调磁为恒功率 调换电机:Y-YY时为恒转矩;△-YY为恒功率;变频调速, 正在固有性子以下为恒转矩,以上为恒功率。 (3)电机和负载性子的成婚 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?依据出产呆板的本质抉择调速格式 (3)电机和负载性子的成婚 1、恒转矩负载配恒转矩调速 n TL T T P ? PL T ? TL Ia ? IN 电机既满意了负载恳求,又取得了充 分欺骗。理念配合 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?依据出产呆板的本质抉择调速格式 (3)电机和负载性子的成婚 2、恒功率负载配恒功率调速 n T P ? PL T ? TL Ia ? IN TL 电机既满意了负载恳求,又取得了充 分欺骗。理念配合 T 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?依据出产呆板的本质抉择调速格式 (3)电机和负载性子的成婚 3、恒转矩负载配恒功率调速 nmax nmin T n 唯有正在最高转速时才有: P ? PL T ? TL Ia ? I N 电机取得了敷裕欺骗。 正在低于最高转速时: TL T PL ? P TL ? T Ia ? IN nN ? nmin 电机未被敷裕欺骗。 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?依据出产呆板的本质抉择调速格式 (3)电机和负载性子的成婚 n nmax nmin 4、恒功率负载配恒转矩调速 唯有正在最低转速时才有: P ? PL T ? TL Ia ? IN TL T T 电机取得了敷裕欺骗。 正在高于最低转速时: PL ? P TL ? T Ia ? IN n N ? nmax TN ? TL max 电机未被敷裕欺骗。 11.2 机电传动掌管编制调速计划抉择 机电传动掌管计划切实定准则 ?从职能的经济目标探求 经济目标分为初期投资和运转用度。后者要紧指电能破费 和修筑保护。 直流电机:晶闸管调压以及调磁调速,初期投资大,但运转用度低; 调换电机: 11.3 晶闸管-电动机直散布动掌管编制 分类:SCR; PWM ? ?有静差调速 ?单闭环? ?无静差调速 ? ? 直散布动掌管 ?双闭环 ?可逆调速编制 ? ? ? 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(转速负反应) Ud ? KS KP (U g ? K f n) 纯真由被调量负反应构成的按比例掌管的单闭环编制属有静差的自愿调理 编制,简称有静差调速编制; ?构成 ? 编制的调速手腕是调换外加电压调速; ? 编制的反应信号是被掌管对象n自身; ? 反应电压和给定电压的极性相反,即: ?U ? U g ? U f 该编制又称转速负反应调速编制。 光电元件 圆盘透光 狭缝 光电盘 光欄板 透镜 z b a 信号解决装配 m+τ /4 节距τ 光源 Z Z B BA A 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(转速负反应) ?作事道理(开环、闭环) ?稳态( Ug、Uf 褂讪) ?调速(Uf褂讪,调换Ug的巨细) ?稳速(Ug褂讪、负载改观使Uf改观 ) ?静性子解析 1)各症结输入与输出的联系 ?电机电道: Ud ? K e?n ? I a R? ? Ce n ? I a R? ?晶闸管和触发电道: U d ? K sU k ?放大器电道: Uk ? K P ?U ? K p (U g ? U f ) ?反应电道: U f ? K f n 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(转速负反应) ?静性子解析 2)静性子 ?闭环时 ?U d ? ?U d ? ?U k ?U ? f ? Ce n ? I a R? ? KsU k ? K p (U g ? U f ) ? Kfn n? K s K pUg ? I a R? K s K p K f ? Ce 令:K0 ? K s K p , K ? n? K 0U g Ce (1 ? K ) ? I a R? Ks K p K f Ce 则: Ce (1 ? K ) ? nof ? ?n f ? ?闭环编制的静性子 ?开环时 Ud ? K p KsU g ? K0U g ? Ce n ? I a R? n? K 0U g Ce ? R? I a ? n0 ? ?n Ce ? ?开环编制的静性子 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(转速负反应) ?静性子解析 3)解析 ?理念空载转速 n0 f ? ?n f ? K0U g Ce (1 ? K ) ? n0 1? K ?转速降 R? ?n Ia ? Ce ( 1 ? K ) 1? K ?调速畛域与静差度 开环: D? nmaxS 2 ?nN (1 ? S 2 ) 闭环 : D f ? nmaxS2 nmaxS2 ? ? (1 ? K ) D ? n ?nNf (1 ? S2 ) N (1 ? S2 ) 1? K ?动态性子解析 ?稳态 ?调速 ?负载改观 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(转速负反应) ?静性子解析 3)解析与结论 ?提升编制的开环放大倍数K是减小静态转速着陆、扩展调速畛域的有用程序。 编制的放大倍数越大,确切度就越高,静差度就越小,调速畛域就越大。不过放 大倍数也不行过分增大,不然编制容易出现不不乱局面。 ?因为放大倍数不行够为无限大,即静态速降不行够为 0,于是,上述编制只可 支柱速率基础褂讪。这种支柱被调量(转速)近于恒值褂讪,但又具有差错的反 馈掌管编制寻常称为有差调理编制(即有差调速编制)。 ?采用转速负反应调速编制能制服扰动效用(如负载的改观、电动机励磁的改观、 晶闸管调换电源电压的改观等)对电动机转速的影响。 ?欲使闭环编制得到和开环编制同样的理念空载转速,需求使给定电压变为开环 编制的K+1倍,于是,关于仅有转速负反应的编制假使Uf忽地遗失,会酿成事项。 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电压负反应) ?构成 ?电压负反应与转速负反应调速编制的区别 ?反应信号分别,前者为被掌管量的间接量电压,后者为被掌管量自身; ?检测元件分别,前者为电位器,后者为测速发电机。 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电压负反应) ?作事道理 ?电压负反应的特质 ?线道简; ?稳速效率不睬念:不行补充内阻压降 ?通常仅用于晶闸管整流编制的监控,预防过压 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电流正反应+电压负反应) ?构成 ?编制特质 ? RP上的电压巨细直接反应电动机电枢两头电压的巨细,故称电压反应; ? R串接正在电动机电枢回道中,其上电压巨细反应电动机电枢电流的巨细,故称电流反应。 ?编制的总反应电压 U f ? UV ? U I ?U ? U g ? U f ? U g ? UV ? U I 反应电压UV的极性与给定电压的极性相反,故称电压负反应, 反应电压UI的极性与给定电压的极性相像,故称电流正反应。 ?要使编制不乱运转,编制总的反应性子必需显现出负反应的本质。 U f ? UV ? U I ? 0 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电流正反应+电压负反应) ?作事道理 ?n ?? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? I a ?? ?UV ?? ? ? ? ?U ???U g ? UV ? U I ? U K ?? ? ?? U ?? U d ? ? ? ?U I ? ? 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电流正反应+电压负反应) ?静性子 实质上是一种转速负反应 U f ? Uab ? Uao ? Uob ? Uao ? Ubo 令? ? R2 R1 ? R2 U ao ? ?U U bo ? I a R3 U ab ? U ao ? Ubo ? ?U ? I a R3 又 因 为 : U ? E ? I a ( Ra ? R3 ) U ab ? ? I a ? (U ? E) /( R3 ? Ra ) UR2 U?E ? R3 R1 ? R2 R3 ? Ra UR3 ER3 UR2 ? ? R1 ? R2 R3 ? Ra R3 ? Ra 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电流正反应+电压负反应) ?静性子 为担保负反应本质,需: 此时: U ab ? UR3 UR2 ? ?0 R1 ? R2 R3 ? Ra 则 R2 ? R3 R1 Ra R3 R3 E? Ce n R3 ? Ra R3 ? Ra 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电流截止负反应) ?电流截止负反应效用及基础思念 IO=1.35IaN 当电枢电流领先必然数值 电流负反应先河起效用, 减小电动机电枢外加电压, 使转速低落; 当负载寻常,电枢电流正在必然 畛域内,电流截止负反应不起 效用; Iao=(2~3)Ian 当电枢电流领先必然值(大于额定电流的 2~3倍),电流负反应足够强,将给定信 号的绝大个别抵消掉,使电动机速率降到 零,电动机罢手运转,从而起到掩护效用。 由于唯有当电流大到必然水平反应才起效用,故称电流截止负反应。称“挖土机性子”。 11.3.1单闭环直流调速编制 有静差调速编制(电流截止负反应) ?构成和作事道理 ? 当电流小于挫折点的电流时,反应电压UIUb ,二极管V截止,电流反应不起效用; ? 当电流大于挫折点的电流时,反应电压UIUb ,二极管V导通,电流 反应UI与Ub 对比后反应到输入端一同掌管电动机,使其转速低落; 此中:U1=IaR ? 当电流等于堵转点的电流时,电流反应UI与Ub 对比后反应到输入端的电压能 够抵消给定电压,电动机的转速为零,电流不再增众; ? 假使电流低落到小于堵转点的电流,转速则上升; 11.3.1单闭环直流调速编制 无静差调速编制(采用PI调理器) ?PI调理器 比例调理器 积分调理器 Uo ? ? Rf R0 Ui Uo ? ? 1 1 i d t ? ? U i dt 1 C? RoC ? 11.3.1单闭环直流调速编制 无静差调速编制(采用PI调理器) ?PI调理器 比例积分调理器 U o ? ? I1R1 ? 1 I1dt ? C1 ? I1 ? I 0 ? Ui / R0 ? Uo ? ? Rf R0 Ui ? 1 U i dt ? R0C1 PI调理器的输出由两个别构成,第一个别是比例个别,第二个别是积 分个别。正在零初始形态和阶跃输入下,输出电压的时代性子如图所示。 11.3.1单闭环直流调速编制 无静差调速编制(采用PI调理器) ?构成与解析 ? 稳态时:U=Ug-Uf ,调理效用罢手,因为积分效用,调理器的输出电压 Uk 连结正在某一数值上,即Ud 固定,以支柱电动机正在给定转速下运转。由 于静态时显现出无限大的放大倍数,编制能够袪除静态差错,故称无静差 调速编制。 11.3.1单闭环直流调速编制 无静差调速编制(采用PI调理器) ?构成与解析 11.3.1单闭环直流调速编制 无静差调速编制(采用PI调理器) ?特质 ?无静差调速编制正在调理经过已毕从此,转速差错Δn = 0(PI 调理 器的输入电压ΔU 也等于零),这只是正在静态(不乱作事形态)上无 差,而动态(如当负载改观时,编制从一个稳态变到另一个稳态的过 渡经过)上却是有差的。 ?这个调速编制正在外面上讲是无静差调速编制,不过因为调理放大器 不是理念的,且放大倍数也不是无穷大,测速发电机也还存正在差错, 于是实质上如许的编制还是是有一点静差的。 ?这个编制中的PI 调理器是用来调理电动机转速的,于是,常把它称 为速率调理器(ASR)。 11.3.2双闭环直流调速编制 转速电流双闭环调速编制的构成 ?提出道理 ?为了提升出产恶果,使启动时代和过渡经过越短越好。 ?电机和整流编制有最大电流恳求。 ?要念连结某量褂讪,则引入该量的负反应。 11.3.2双闭环直流调速编制 转速电流双闭环调速编制的构成 ?构成 内环(ACR):电流环(PI); 外环(ASR):速率环(PI)。 11.3.2双闭环直流调速编制 转速电流双闭环调速编制解析 ?静态解析 ? 从静性子上看,支柱电动机转速褂讪是由速率调理器ASR来完毕的。 ? 关于ACR,运用的是电流负反应,它有使静性子变软的趋向,但内环相关于外 环来说相当于一个扰动,只消ASR的放大倍数足够大,且没有饱和,则电流负 反应的扰动效用就受到克制。 ? 全体编制的素质由外环速率调理器来决议,仍是一个无静差的调速编制。也就 是说,当ASR不饱和时,ACR出现的速降完整被ASR积分效用抵消。 ? 一朝ASR饱和,当负载电流过大,编制完毕掩护效用使转速低落很大时,转速 环即落空效用,只剩下电流环起效用,这时编制发扬为恒流调理编制,静性子 便会显现出很陡的下垂段性子。 11.3.2双闭环直流调速编制 转速电流双闭环调速编制解析 ?动态解析 第Ⅰ阶段:电流上升阶段 第Ⅱ阶段是恒流升速阶段 11.3.2双闭环直流调速编制 转速电流双闭环调速编制解析 ?动态解析 第Ⅲ阶段是转速调理阶段 11.3.2双闭环直流调速编制 转速电流双闭环调速编制解析 ?特质 ?双闭环调速编制,正在启动经过的大个别时代内,ASR处于饱和形态,编制发扬为 恒电流调理,完毕理念启动经过弧线。 ?编制唯有正在超调后,转速调理器材干退出饱和,正在不乱运转时ASR阐扬调理作 用,从而使正在稳态和挨近稳态运转中发扬为无静差调速。故双闭环调速编制具 有优秀的静态和动态品德。 ?编制的调解职能好,有很硬的静性子,基础上无静差;动态相应速,启动时代 短;编制的抗作对才华强;两个调理器可区别计划,调解简单(先调电流环, 再调速率环)。于是,它正在自愿调速编制中取得了普遍的使用。 ?为了进一步改进调速编制的职能和提升编制的牢靠性,还能够采用三闭环(正在 双闭环根柢上再加一个电流改观率调理器或电压调理器)调速编制。 11.3.3可逆直流调速编制 可逆直流编制— —向直流电动机供给双相电流,使电动机正、反转 不行逆直流编制— —向直流电动机供给单相电流,使电动机单向运转 完毕可逆格式:电枢反接和励磁反接 可逆线道的类型 ?欺骗接触器举办切换的可逆线道 ?线道轻易、经济,但接触器的寿命短, ?一个宗旨的接触器断开到另一个宗旨的接触器闭合,大约需0.2s~0.5s 的时代,切换经过延缓。 ?实用于不屡次急迅正、反转的局势。 11.3.3可逆直流调速编制 可逆线道的类型 ?欺骗晶闸管切换的可逆线道 ?线道轻易,调解简单 ?对晶闸管的耐压及电道容量恳求高 ?只实用于几十kW 以下的可逆调速编制。 11.3.3可逆直流调速编制 可逆线道的类型 ?两套晶闸管变流器的可逆线道 采用两套晶闸管变流器区别供给正、反两个宗旨的电枢电流,完毕电动机 的可逆运转,这种编制目前使用对比普遍。 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM电道的基础道理 对角线上的一对大功率晶体管(IGBT) 的栅极,担当统一掌管信号同时导 通或截止.电动机的转向和转速 取决于电压均匀值Uav. 设矩形波的周期为T,正向脉宽为 t1,界说占空比 ?? t1 T 则: U av ? (2? ? 1)U s 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM电道的特质 ? 主电道所需的功率元件少。完毕同样的效用,通常晶体管的数目比晶闸管 少。 ? 掌管线道轻易。晶体管的掌管比晶闸管的容易,不存正在相序题目,不需 要麻烦的同步移相触发掌管电道。 ? 晶体管脉宽调制(PWM)放大器的开闭频率高,动态相应速率和稳速精度等性 能目标都比晶闸管电道好。电动机的附加损耗都小。 ? PWM的低速职能要优于晶闸管放大器,它可使电动机正在很低的速率下不乱 运转,其调速畛域很宽. ? 直流脉宽调速编制最大功率唯有几百千瓦,而晶闸管调速编制能够抵达几 千千瓦。 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM调速编制 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM调速编制 ?主电道 电枢电压均匀值: t1 U av ? (2 ? 1)U s T 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM调速编制 ?掌管电道 (1)速率调理器和电流调理器:ASR和ACR都采用比例积分调理器. (2)三角波产生器:能够得到一个对称的三角波电压. (3)电压-脉冲变换器:出现正,负脉宽的矩形波电压. (4)脉冲分拨器及轴功率放大. (5)其他掌管电道 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM调速编制 ?掌管电道 (1)脉宽调制电道 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM调速编制 ?掌管电道 (1)脉宽分拨与功率放大电道 11.4直流脉宽调制(PWM)调速编制 PWM调速编制 ?解析 1)静态 2)起动 : 3)稳态运转 4)负载改观使得自愿调理 5)制动 功课 11-2 11-5 11-12 11-15 11-17 11-23

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