王若威
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8.1.3 调速系统性能指标 | ||||||
任何一台需要转速控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如，精密机床要求加工精度达到几十微米至几微米；重型机床的进给机构需要在很宽的范围内调速，最高和最低相差近300倍；容量几千kW的初轧机轧辊电动机在不到1秒的时间内就得完成从正转到反转的过程；高速造纸机的抄纸速度达到1000m/min，要求稳速误差小于0.01%。所有这些要求，都可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。 | ||||||
转速控制要求 | ||||||
各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面： （1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。 （2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生过大的转速波动，以确保产品质量。 （3）加、减速控制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈速度变化的生产机械，则要求起、制动尽量平稳。 以上三个方面有时都须具备，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互矛盾的。为了定量地分析问题，一般规定几种性能指标，以便衡量一个调速系统的性能。 | ||||||
稳态指标 | ||||||
运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标。 （1）调速范围D 蠕墨铸铁 生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即 （8.2） 其中nmax和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。在设计调速系统时，通常视nmax为电动机的额定转速nnom。 （2）静差率S 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落与理想空载转速no之比，称为静差率S，即 （8.3） 显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。 | ||||||
图8.3 不同转速下的静差率 | ||||||
（3）调压调速系统中D，S和之间的关系 在直流电动机调压调速系统中，就是电动机的额定速度nnom，若额定负载时的转速降落为，则系统的静差率应该是最低转速时的静差率，即 （8.4） 而额定负载时的最低转速为 （8.5） 考虑到式（8.4），式（8.5）可以写成 （8.6） 而调速范围为 （8.7） 将式（8.6）代入式（8.7），得 边坡滑模施工 （8.8） 式（8.8）表达了调速范围D、静差率S和额定速降之间应满足的关系。对于同一个调速系统，其特性硬度或值是一定的，如果对静差率的要求越严（即S值越小），系统允许的调速范围D就越小。例如，某调速系统电动机的额定转速为nnom=1430r/min，额定速降为，当要求静差率S≤30%时，允许的调速范围为 如果要求静差率S≤10%，则调速范围只有 | ||||||
动态指标 | ||||||
运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。 （1）跟随性能指标 在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。对于不同变化方式的给定信号，其输出响应不一样。通常，跟随性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，如图8.4所示。具体的跟随性指标有下述几项： | ||||||
图8.4 表示跟随性能指标的单位阶跃响应曲线 | ||||||
①上升时间tr 单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。 ②超调量 动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即 （8.9） 超调量用来说明系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统的相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 ③调节时间ts 调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出量完全稳定下来为止的时间，对于线性控制系统，理论上要到才真正稳定。实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常取稳态值的±5%或±2%）所需的最小时间定义为调节时间。 | ||||||
8.2.1 晶闸管（SCR） | ||||||
晶闸管的结构 | ||||||
闸管晶是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅。其外形、结构及图形符号如图8.5所示，它有三个电极，即阳极A，阴极K，控制极（又称门极）G。根据功率的大小，具有TO92、TO220、螺栓形和平板形等多种封装形式，如图8.5（a）所示。螺栓形带有螺栓的那一端是阳极A，它可与散热器固定，另一端的粗引线是阴极K，细线是控制极G ，这种结构更换方便，用于100A以下元件。平板形中间的金属环是控制极G ，离控制极远的一面是阳极A，近的一面是阴极K，这种结构散热效果比较好，用于200A以上的元件。 晶闸管是由四层半导体构成的，如图8.5（b）所示。它由单晶硅薄片P1、N1、P2、N2四层半导体材料叠成，形成三个PN结。晶闸管的图形符号如图8.5（c）所示。 | ||||||
图8.5 晶闸管外形、结构及图形符号 （a）外形封装 （b）内部结构 （c）图形符号 | ||||||
晶闸管的工作原理 | ||||||
实验证明，当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，若在控制极与阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。下面来分析晶闸管的工作机理。 根据晶闸管的内部结构，可以把它等效地看成是两只晶体管的组合，其中，一只为PNP型晶体管VT1，另一只为NPN型晶体管VT2，中间的PN结为两管共用，如图8.6所示。 | ||||||
图8.6 晶闸管的等效电路 （a）结构分解图 （b）三极管等效电路 |
当晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压时，这时VT1和VT2都承受正向电压，如果在控制极上加上一个对阴极为正的电压，就有控制电流Ig流过，它就是VT2的基极电流Ib2 ,经过VT2的放大，在VT2的集电极就产生电流Ic2=β2 Ib2=β2 Ig（β2为VT2的电流放大系数），而这个IC2又恰恰是VT1的基极电流Ib1，这个电流再经过VT1的放大作用，便得到VT1的集电极电流IC2=β1 Ib1=β1β2Ig(β1为VT1的电流放大系数)，由于VT1的集电极和VT2的基极是接在一起的，所以这个电流又流入VT2的基极，再次放大。如此循环下去，形成强烈的正反馈，直至元件全部导通为止，这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为“触发导通过程”。在晶闸管导通后，VT2的基极始终有比控制电流Ig大得多的电流流过，因此，当晶闸管一经导通，控制极即使去掉控制电压，晶闸管仍然可保持导通。 当在晶闸管阳极与阴极间加反向电压时，VT1和VT2便都处于反向电压的作用下，它们都没有放大作用，这时即使加入控制电压 ，导通过程也不可能产生。由于晶闸管导通时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左右。弧面凸轮 综上所述 ，可以得到下述结论： （1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压晶闸管都不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断的能力。 （2）晶闸管的阳极和控制极相对于阴极同时加正向电压时晶闸管才导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。 （3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定的数值以下。 |
伏安特性 |
晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图8.7所示。晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时，在晶闸管控制极开路(Ig＝0)情况下，开始元件中有很小的电流(称为正向漏电流)流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态(称为正向阻断状态)，简称断态。 当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态，简称通态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值电压(UDSM)，或称正向转折电压(UBO)。 |
图8.7 晶闸管的伏安特性曲线 |
导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻(使用时由负载)决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时，阳极电流随之减小，当阳极电流小于维持电流IH时，晶闸管便从导通状态转化为阻断状态。由图8.7可看出，当晶闸管控制极流过正向电流Ig时，晶闸管的正向转折电压降低， Ig越大，转折电压越小，当Ig足够大时，晶闸管正向转折电压很小，一加上正向阳极电压，晶闸管就导通。实际规定，当晶闸管元件阳极与阴极之间加上6V直流电压时，能使元件导通的控制极最小电流(电压)称为触发电流(电压)。 在晶闸管阳极与阴极间加上反向电压时，开始晶闸管处于反向阻断状态，只有很小的反向漏电流流过。当反向电压增大到某一数值时，反向漏电流急剧增大，这时，所对应的电压称为反向不重复峰值电压(URSM)，或称反向转折(击穿)电压(UBR)。可见，晶闸管的反向伏安特性与二极管反向特性类似。 |
晶闸管的主要参数 |
为了正确选用晶闸管元件，必须要了解它的主要参数，一般在产品的目录上都给出了参数的平均值或极限值，产品合格证上标有元件的实测数据。 （1）断态重复峰值电压UDRM 在控制极断路和晶闸管正向阻断的条件下，可以重复加在晶闸管两端的正向峰值电压称为断态重复峰值电压UDRM，其数值比正向转折电压小10%左右。 （2）反向重复峰值电压URRM 在控制极断路时，可以重复加在晶闸管元件上的反向峰值电压称为反向重复峰值电压URRM，此电压数值规定比反向击穿电压小10%左右。 通常把UDRM与URRM中较小的一个数值标作器件型号上的额定电压。由于瞬时过电压也会使晶闸管遭到破坏，因而在选用元件的时候，额定电压一般应该为正常工作峰值电压的2～3倍作为安全系数。 （3）额定通态平均电流（额定正向平均电流）IT 在环境温度不大于40oC和规定的冷却条件下，晶闸管元件在电阻性负载的单相工频半波电路中导通角不小于170°，即全导通的条件下，可以连续通过的电流（在一个周期内）的平均值，称为额定通态平均电流IT，简称额定电流。即 （8.10） 这里需要特别说明的是，晶闸管允许流过的电流的大小主要取决于元件的结温，而在规定的环境温度和冷却条件下，结温的高低仅与发热有关，晶闸管管芯的发热又由流过其电流的有效值决定。因此，在使用时应按照工作中晶闸管实际流过的电流的有效值与通态平均电流所对应的电流有效值相等的原则来选取晶闸管的额定电流。 （4）维持电流IH 在规定的环境温度和控制极断路的条件下，维持元件继续导通的最小电流称为维持电流IH 。一般为几十毫安～一百多毫安，其数值与元件的温度成反比，在120℃时维持电流约为25℃时的一半。当晶闸管的正向电流小于这个电流时，晶闸管将自动关断。 |
8.2.6 三相桥式全控整流电路 |
三相桥式全控整流电路相当于一组共阴极的三相半波和一组共阳极的三相半波可控整流电路串联起来构成的。习惯上将晶闸管按照其导通顺序编号，共阴极的一组为VT1、VT3和VT5，共阳极的一组为VT2、VT4和VT6。其电路如图8.22所示 |
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