1、第2章 单闭环直流调速系统第2章 单闭环直流调速系统2.1概述2.2有静差转速负反馈单闭环直流调速系统2.3无静差转速负反馈单闭环直流调速系统2.4单闭环直流调速系统的MATLAB仿真本章小结习题与思考题第2章 单闭环直流调速系统2.1概述2.1.1调速的定义直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反转的电力拖动领域得到了广泛的应用。而且，直流调速控制系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制的角度来看，它也是交流调速控制系统的基础。第2章 单闭环直流调速系统所谓调速，是指在某一具体负载情况下，通过改变电动机或供电电源参数的方法，使电动机机械特性曲线
2、得以改变，从而使电动机转速发生变化或保持不变。也就是说，调速包含两个方面：其一，在一定范围内“变速”，如图2-1所示，当电动机负载不变时，转速可以由na变到nb或nc；其二，保持“稳速”。在某一速度下运行的生产机械受到外界干扰，例如负载增加时，为了保证电动机工作速度不受干扰的影响而下降，需要进行调速，使速度接近或等于原来的转速，如图2-1中转速nd就是负载由T1增加到T2后的速度，它基本上与转速na保持一致。第2章 单闭环直流调速系统图2-1调速与n=f(t)的关系第2章 单闭环直流调速系统2.1.2直流电动机的调速方法本节只讨论他励直流电动机的调速方法及其特点。根据电动机拖动理论知道，他励直
3、流电动机的机械特性方程为 (2-1)式中：n为转速(r/min)；U为电枢电压(V)；I为电枢电流(A)；R为电枢回路总电阻()；为励磁磁通(Wb)；Ke为由电机结构决定的电动势常数。eUIRnK第2章 单闭环直流调速系统根据式(2-1)可知他励直流电动机的调速方法有三种：(1)调节电枢供电电压U。(2)减弱励磁磁通。(3)改变电枢回路总电阻R。三种调速方法的机械特性分别如图2-2所示，其中nN为额定转速，UN为额定电压，Ra为电枢回路电阻。在每一种调速方法中，只调整一个参数，其他参数维持其在固有特性额定点的数值不变。第2章 单闭环直流调速系统图2-2直流电动机在调压调速、调阻调速和弱磁调速三
4、种调速方法下的机械特性曲线第2章 单闭环直流调速系统改变电枢电压U所得的机械特性是一组平行变化的曲线(即机械特性曲线的斜率为常数)，如图2-2(a)所示。电动机电枢电压越小，电动机转速越低，转速降落n不变，如图2-2(a)中，电压之间的关系为U3U2U1UN，则对应的转速n3n2n1nN。通常，采用调压调速方案时，一般在额定转速以下调速，最低转速取决于电动机低速时的稳定性。这种调速方法具有调速范围宽、机械特性硬、动态性能好的特点，在连续改变电枢电压时能实现无级平滑调速，是目前主要采用的调速方法。第2章 单闭环直流调速系统改变电枢电阻即在电枢回路中串接不同的附加电阻，以调节转速。观察图2-2(b
5、)可以发现，电阻RaR1R2R3，对应转速n3n2n1nN，即外接电阻越大，电阻功耗越大，转速降落越大，电动机转速越低，机械特性曲线越向右下方倾斜，机械特性越软，稳定性越差。这种调速方案不能满足一般生产机械的要求，调速范围较小，是有级调速，平滑性不高；其优点是设计、安装、调整方便，设备简单，投资小，适用于一些对调速要求不高的中、小电机。第2章 单闭环直流调速系统直流电动机在额定磁通下运行时，磁路已接近饱和，若降低励磁回路供电电压(或电流)，可减弱磁通实现升速，特性曲线如图2-2(c)所示。由图2-2(c)可知，磁通321n2n1nN，即磁通越弱，转速越大。采用此种调速方法，一般以额定转速为最低
6、转速，最高转速受电动机换向条件和电枢机械强度的限制，所以调速范围不大。该方法往往和调压调速相配合，在额定转速以上作小范围的弱磁升速，以利于扩大调速范围。第2章 单闭环直流调速系统总之，上述三种调速方法中，对于要求在一定范围内平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速，调速范围小，平滑性不高，稳定性差；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围小，需要与调压调速方法结合。因此，自动控制的直流调速系统以变压调速为主。第2章 单闭环直流调速系统2.1.3可控直流电源在直流调速系统中，主要采用变压调速，而调节电枢供电电压需要有专用的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：
7、旋转变流机组、静止式可控整流器和直流斩波器或脉宽调制变换器。下面分别对各种可控直流电源以及由其供电的直流调速系统作简要的介绍。第2章 单闭环直流调速系统1.旋转变流机组旋转变流机组利用交流电动机(异步机或同步机)和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。图2-3是旋转变流机组供电的直流调速系统原理图。这种系统的工作原理简述如下：由异步电动机作为原动机拖动直流发电机G实现变流，发出的直流电供直流电动机M作电源。通过调节发电机励磁电流if，从而改变发电机G的输出电压，即改变直流电动机电枢电压，达到调速的目的。这样的调速系统简称G-M系统，国际上统称Ward-Leonard系统。调节发电机励磁电流，
8、可以用晶闸管调节装置，或者专门设置一台直流励磁发电机GE。GE既可与变流机组同轴安装，也可另外用一台异步电动机拖动。第2章 单闭环直流调速系统该系统的机械特性具有平滑、调速范围大、特性硬等优点。但是，这种系统也有一些明显的缺点，例如，它需要的设备多，投资大，至少需要两台与调速电机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，能量经过交流电动机、直流发电机G以及直流电动机M三个环节，系统总的效率不高；此外，该系统体积大，占地面积大，费用高，安装时必须打地基，运行噪音大，难于管理和维护。这类调速系统在20世纪50年代曾广泛使用，为了克服上述缺点，在20世纪60年代以后开始采用各种静止式的变压或变流装置来
9、替代旋转变流机组。第2章 单闭环直流调速系统图2-3旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统)原理图第2章 单闭环直流调速系统2.静止式可控整流器晶闸管-电动机系统又称为V-M系统，其原理图如图2-4所示。图中VT是晶闸管可控整流器，它可以为单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型。通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，从而提供可调的直流电压Ud给直流电动机M，实现平滑调速的目的。第2章 单闭环直流调速系统图2-4晶闸管可控整流器供电的直流调速系统(V-M系统)原理图第2章 单闭环直流调速系统晶闸管整流装置与旋转变流机组相比，不仅在经济上和可靠性上都有很大提高，而
10、且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上，其门极电流直接用电子控制，不再需要较大功率的放大装置，体积小，占地少。在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸可控管整流器是毫秒级，大大提高了V-M系统的动态性能。第2章 单闭环直流调速系统晶闸管装置也有缺点。首先，由于晶闸管的单向导电性使它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难；其次，晶闸管对过电压、过电流和过高的dU/dt与di/dt都十分敏感，若超过允许值会在很短的时间内损坏器件；最后，系统处于深调速状态时，转速较低，晶闸管导通角很小，系统功率因数低，产生较大的谐波电流，由谐波与无功功率引起电网电压波形
11、畸变，殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。第2章 单闭环直流调速系统对于上述问题，必须采取相应的措施，例如采取可靠的保护装置，选择元件时留有足够的裕量。只要元件质量过关，装置设计合理，保护措施齐备，晶闸管的运行就十分可靠。对于电力公害，必须增设无功补偿和谐波滤波装置。目前，晶闸管-电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式，日益广泛地应用于电力拖动自动控制领域中。第2章 单闭环直流调速系统3.直流斩波器或脉宽调制变换器这种直流可控电源利用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。直流斩波器-电动机系统的原理图如图2-5(a)所示。图中V
12、T是用开关符号表示的任何一种电力电子器件；VD表示续流二极管。斩波器的基本控制原理为：当VT导通时，直流电源电压Us加到电动机上；当VT 关断时，直流电源与电动机脱开，电动机电枢经 VD 续流，两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波形图如图2-5(b)所示，好像是电源电压Us在ton时间内被接上，又在T-ton时间内被斩断，故称“斩波”。第2章 单闭环直流调速系统图2-5直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形图第2章 单闭环直流调速系统根据图2-5(b)，可以得到电动机的平均电压为 (2-2)式中:T为晶闸管的开关周期；ton为晶闸管的开通时间；为占空比，=ton/T=tonf，其中f为开
13、关频率。ondsstUUUT第2章 单闭环直流调速系统根据公式(2-2)可知，对输出电压平均值进行调制的方式有以下三种：(1)脉冲宽度调制(PWM)方式：保持周期T不变，改变导通时间ton。(2)脉冲频率调制(PFM)方式：保持导通时间ton不变，改变周期T。(3)混合调制方式：导通时间ton和周期T都可调，从而改变占空比。直流PWM调速系统作为一种新技术，发展迅速，应用日益广泛，特别在中、小容量的系统中，已取代V-M系统成为主要的直流调速方式。与V-M系统相比，直流PWM调速的主要优点如下：第2章 单闭环直流调速系统(1)主电路线路简单，需用的功率器件少。(2)开关频率高，电流容易连续，谐波
14、少，电机损耗及发热都较小。(3)低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达1 10 000左右。(4)若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强。(5)功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而调速装置的效率较高。(6)直流电源采用不可控整流时，电网功率因数比相控整流高。第2章 单闭环直流调速系统2.1.4调速指标不同的生产机械，其电气控制系统具有不同的调速性能指标，分为静态和动态调速指标。静态指标用来衡量调速的上、下限以及在不同转速下运行时转速的稳定性；动态指标要求拖动系统起动、制动快而平稳，稳定在某一转速下运行时，应尽量使转速受各种干
15、扰(如负载变化、电源电压波动、励磁电流变化、环境温度变化等)的影响较小。第2章 单闭环直流调速系统1)调速范围电动机在额定负载下，生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比叫做调速范围，用字母D表示，即 (2-3)不同的生产机械要求的调速范围是不同的，一般总希望D越大越好。根据式(2-3)，要想使D值较大，则必须提高nmax、降低nmin。对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，一般用实际负载时的最高和最低转速。对非弱磁的调速系统，电动机的最高转速nmax即为额定转速nN。maxminnDn第2章 单闭环直流调速系统2)静差率电动机的nmax受机械强度及换向等条件的限制，基本
16、上比额定转速高不了多少。而降低nmin也受到低速运行时的相对稳定性(即静差率)的影响。所谓静差率，是指电动机稳定运行过程中，当负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落nN与理想空载转速n0之比，即 (2-4)N0nsn第2章 单闭环直流调速系统或用百分数表示为 (2-5)式中:nN=n0-nN。N0100%nsn第2章 单闭环直流调速系统静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性有关。在理想空载转速一定时，电动机的机械特性越硬(即转速降落nN越小)，静差率越小，转速的稳定性就越好；或者说，在机械特性硬度一定时，理想空载转速越低，静差率越大，转速的相对稳定性越差。例如，假设转速
17、降落为nN=10 r/min，当电动机理想空载转速n0=1000 r/min时，静差率s=1%；当n0=100 r/min时，静差率s=10%；当n0=10 r/min时，静差率s=100%，这时电动机已经停止转动，转速降至零。第2章 单闭环直流调速系统为扩大调速范围D而降低nmin，会降低机械特性的硬度或降低理想空载转速，这就使得静差率变大，相对稳定性变差，这时如果负载或系统受到扰动，则电动机的转速会降得非常低，甚至停转，如图2-6所示。因此，系统可能达到的最低转速受低速特性的静差率制约，即调速范围受低速特性的静差率制约。第2章 单闭环直流调速系统图2-6不同机械特性下的静差率第2章 单闭环
18、直流调速系统由此可见，调速范围和静差率这两个指标并不是彼此孤立的，必须同时考虑才有意义。在调速过程中，如果额定转速降落相同，则转速越低，静差率越大。如果低速时的静差率满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。常用的生产机械对调速范围D和静差率s的要求如表2-1所示。第2章 单闭环直流调速系统第2章 单闭环直流调速系统3)调速范围D与静差率s的关系在直流电动机调压调速系统中，一般以电动机的额定转速nN作为最高转速，若额定负载下的转速降落为nN，静差率为最低转速时的静差率，则最低转速为 (2-6)min0min1NNNNsnnnnnnss第2章 单闭环直流调速系统调速范围D为 (2-7)代入n
19、min，则 (2-8)由式(2-8)可见，对于同一个调速系统，nN值一定，如果对静差率要求越严，即要求s值越小，则系统能够允许的调速范围也越小。maxNminminnnDnnNN(1)n sDns第2章 单闭环直流调速系统例2-1某台他励直流电动机有关数据为PN=60 kW,UN=220 V,IN=305 A,nN=1000 r/min,电枢回路电阻Ra=0.04，求下列各种情况下电动机的调速范围D。(1)静差率s30%，电枢串电阻调速时；(2)静差率s20%，电枢串电阻调速时；(3)静差率s20%，降低电源电压调速时。第2章 单闭环直流调速系统解(1)静差率s30%，电枢串电阻调速时的调速范
20、围计算。由电动机机械特性方程(即公式(2-1)，求电动机的电动势系数Ce=Ke：理想空载转速n0为220 305 0.04V/r min 0.2078V/r min1000NaeeNUI RCKn0220r/min1058.7r/min0.2078NeUnC第2章 单闭环直流调速系统则静差率s=30%时，最低转速nmin1为调速范围D1为0min10nnsnmin1001058.70.3 1058.7=741.1r/minnnsnmax1min1min110001.35741.1NnnDnn第2章 单闭环直流调速系统(2)静差率s20%，电枢串电阻调速时的调速范围计算。利用步骤(1)中求得的理
21、想空载转速n0=1058.7 r/min，计算静差率s=20%时，最低转速nmin2为调速范围D2为min 2001058.70.2 1058.7=847r/minnnsnmax2min2min210001.18847NnnDnn第2章 单闭环直流调速系统(3)静差率s20%，降低电源电压调速时的调速范围计算。额定转矩时的转速降落nN为最低转速点所在机械特性的理想空载转速为0N1058.71000=58.7r/minNnnn0158.7r/min=293.5r/min0.2Nnns第2章 单闭环直流调速系统则最低转速调速范围D3为min01293.558.7=234.8r/minNnnn ma
22、x3min10004.26234.8nDn第2章 单闭环直流调速系统例2-2一个直流电动机调速系统中，电动机的有关数据：额定转速nN=1430 r/min，额定速降nN=115 r/min。求：(1)当静差率s30%时，调速范围是多少？(2)如果要求静差率s20%，则调速范围是多少？(3)如果希望调速范围达到D=10，所能满足的静差率s是多少？解(1)要求s=30%时，调速范围为NN14300.35.3(1)115(10.3)n sDns第2章 单闭环直流调速系统(2)若要求s=20%，则调速范围只有(3)若调速范围达到10，则静差率s只能是14300.23.1115(10.2)DNNN10
23、1150.44644.6%143010 115D nsnD n第2章 单闭环直流调速系统4)平滑性在调速范围内，相邻的两级转速相差越小，则调速越平滑。平滑的程度用平滑系数来表征。(2-9)上式中，ni，ni-1，vi，vi-1分别是相邻的两级转速或线速度。越接近于1，则平滑性越好。=1时称为无级调速，此时，转速连续可调，级数为无穷多，调速的平滑性最好。iii-1i-1nvnv第2章 单闭环直流调速系统2.1.5直流电动机开环调速系统及其特性1.V-M直流开环控制系统改变电枢电压调速是直流调速的主要方法，而采用晶闸管变流器组成的V-M直流调速系统又是目前广泛应用的方式，其主要包括电力主电路和控制
24、电路两部分。由晶闸管供电的直流开环控制系统如图2-7所示。可以看出，V-M直流开环调速系统的主电路由晶闸管变流器VT、电抗器L以及直流电动机M组成，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可以改变变流器输出电压Ud，从而实现平滑调速。其开环控制系统的原理方框图如图2-8所示。图2-7中，Ug为输入电压信号，为一给定值。第2章 单闭环直流调速系统图2-7晶闸管供电的直流开环控制系统第2章 单闭环直流调速系统图2-8开环控制系统原理方框图第2章 单闭环直流调速系统开环控制系统结构简单，成本低。在对静差率要求不高的场合，它也能实现一定范围内的无级调速。但是，许多生产机械常对静差率有
25、一定的要求，以满足工艺需要。在这些情况下，开环控制系统便不能满足要求。第2章 单闭环直流调速系统*2.V-M系统主电路的等效电路在图2-7中，假设电动机电枢电阻是Ra，电抗器电阻为RL，如果把整流装置内阻Rrec移到装置外边，看做是负载电路电阻的一部分，则主电路的总等效电阻R为R=Ra+RL+Rrec (2-10)整流电压可以用其理想空载瞬时值ud0和平均值Ud0来表示，则V-M系统主电路的等效电路图如图2-9所示。第2章 单闭环直流调速系统图2-9V-M系统主电路的等效电路图第2章 单闭环直流调速系统瞬时电压平衡方程可以写为 (2-11)式中:ud0为整流电压瞬时值；id为整流电流瞬时值；E
26、为电动机反电动势；L为主电路总电感；R为主电路等效电阻。对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。dd0dddiuEi RLt第2章 单闭环直流调速系统用触发脉冲的相位角控制Ud0是晶闸管整流器的特点。Ud0与 的关系因整流电路的形式而异。对于一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0=f()可用下式表示：(2-12)式中:为从自然换相点算起的触发脉冲控制角；Um为=0时的整流电压波峰值；m为交流电源一周内的整流电压脉波数。对于不同的整流电路，Um、m和Ud0的数值如表2-2所示。d0msincosmUUm第2章 单闭环直流调速系统第2章 单闭环直流调速系统3.V-M系统的开环机械
27、特性由于晶闸管整流装置相位控制的特点，当V-M系统主回路串接足够大电感量的电抗器L，而且电动机的负载电流也足够大时，整流电流Id波形是连续的，如图2-10(a)所示。当电感较小而且负载较轻时，一相晶闸管导通时的电感储能较少，在下一相未被触发前，电流已经衰减到零，电流出现断续情况，如图2-10(b)所示。图2-10中，Ud表示整流电压的平均值；ua、ub、uc为三相整流电压瞬时分量；ia、ib、ic为三相整流电流瞬时分量。第2章 单闭环直流调速系统图2-10V-M系统电流波形第2章 单闭环直流调速系统1)电流连续时V-M系统的机械特性当电流连续时，V-M系统的机械特性方程为 (2-13)00dd
28、ddeeRRUUIInKC第2章 单闭环直流调速系统考虑主电路采用全控整流电路形式，则电枢两端平均整流电压Ud0用式(2-12)可以计算出来，把Ud0代入V-M系统机械特性方程(即式(2-13)，可以推导出电动机转速n与平均整流电流Id的关系式：(2-14)式中:Ce=KeN，为电机在额定磁通下的电动势系数。d0dmdee11()(sincos)mnUI RUI RCCm第2章 单闭环直流调速系统改变控制角，得到一组平行直线，如图2-11所示,这和G-M系统的特性很相似。图中电流较小的部分画成虚线，表明这时电流波形可能断续，公式(2-14)已经不适用了。上述分析说明：只要电流连续，晶闸管可控整
29、流器就可以看成是一个线性的可控电压源。第2章 单闭环直流调速系统图2-11电流连续时V-M系统的机械特性第2章 单闭环直流调速系统例2-3某龙门刨床工作台采用直流电动机拖动，其额定数据如下：PW=60 kW，UN=220 V,IN=305 A，n=1000 r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电动势系数Ce=0.2 Vmin/r。如果要求调速范围D=20，静差率为5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定转速降最多能有多少？第2章 单闭环直流调速系统解当电流连续时，V-M系统的额定转速降为开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为这已大大超过了5%的要求
30、，更不必谈调到最低速了。dNNe3050.18/min275/min0.2IRnrrCNNNN2750.21621.6%1000275nsnn 第2章 单闭环直流调速系统如果要求D=20，s5%，则有：由上例可以看出，开环调速系统的额定转速降是275 r/min，而生产工艺要求的却只有2.63 r/min，相差百倍！开环系统的机械特性为一组平行直线，特性较软，静差率较大，此时无论怎样调节输入电压信号Ug，都不能改变机械特性的斜率，达到降低静差率的目的。因此，开环调速已不能满足要求，需采用反馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。NN10000.05/min2.63/min(1)20(10.05)n
31、 snrrDs第2章 单闭环直流调速系统*2)电流断续时V-M系统的机械特性当电流不连续时，变流电路不存在换相，由于非线性因素，V-M系统的机械特性方程要比电流连续时复杂得多。以三相半波整流电路构成的V-M系统为例，电流断续时机械特性必须用下列方程组表示：第2章 单闭环直流调速系统 (2-15)(2-16)式中:，是阻抗角；是一个电流脉波的导通角。cot2cote2cos sin()sin()e66(1e)UnC2ed23 2cos()cos()2662UCInRUarctanLR第2章 单闭环直流调速系统当阻抗角值已知时，对于不同的控制角，可用数值解法求出一组电流断续时的机械特性。而且，对于
32、每一条特性，求解过程都计算到=2/3为止，因为角再大电流便连续了，也就是说，=2/3是电流连续的最小导通角，对应于=2/3的曲线是电流断续区与连续区的分界线。图2-12绘出了完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区。(1)当电流连续时，系统的机械特性还比较硬。(2)断续区的机械特性很软，而且呈显著的非线性，理想空载转速值很大。第2章 单闭环直流调速系统图2-12完整的V-M系统机械特性第2章 单闭环直流调速系统综上所述，V-M系统的机械特性可分为线性和非线性两段。为改善电动机运行特性，常在主电路中串联较大的平波电抗器或避免其在轻载下运行，以保证晶闸管电流连续，使V-M系统工作在线性
33、机械特性段。第2章 单闭环直流调速系统2.2有静差转速负反馈单闭环 直流调速系统在直流电动机转速开环调速系统中，输入电压信号(也称转速给定信号)记做U*n。直流电动机是被控对象，直流电动机转速n是被调量。如果被控量n与输入电压信号U*n之间通过反馈环节(如测速发电机)联系在一起形成闭合回路，则构成闭环调速系统。如果只有一个反馈环节，称为单闭环调速系统；如果有两个或两个以上的反馈环节，则称为多闭环调速系统。第2章 单闭环直流调速系统2.2.1单闭环调速系统的组成及其工作原理根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系
34、统的转速降落正是由负载引起的转速偏差，显然，引入转速闭环将使调速系统大大减少转速降落，从而大大降低系统的静差率，提高直流电动机调速控制系统的稳定性。第2章 单闭环直流调速系统1.系统组成带转速负反馈的单闭环直流调速系统的原理图如图2-13所示。图2-13中，A是调节器，当其选用比例放大器时，就是一个有静差的单闭环调速系统；GT是触发器装置；UPE是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三相(或单相)交流电，输出为可控的直流电压Ud；TG是测速发电机，它与电动机同轴安装；给定电位器Rp1通常由一个稳压电源供电，以保证转速给定信号U*n的精度；Rp2是为获得调速负反馈系数而设置的一个电位器。第2章
35、单闭环直流调速系统图2-13带转速负反馈的单闭环直流调速系统的原理图第2章 单闭环直流调速系统已知测速发电机输出电压Utg与电动机M的转速n成正比，即有Utg=Cnn (2-17)式中:Cn为直流永磁式发电机的电动势常数。假设电位器Rp2的分压系数为Kf，则反馈电压Un为Un=KfUtg=KfCnn=n (2-18)式中:=KfCn，称为转速负反馈系数。注意，反馈信号Un与给定信号U*n极性相反，以满足负反馈关系。第2章 单闭环直流调速系统对于电力电子变换器UPE的选择，应注意以下几点：(1)对于中、小容量系统，多采用由IGBT或P-MOSFET组成的PWM变换器；(2)对于较大容量的系统，可
36、采用其他电力电子开关器件，如GTO、IGCT等；(3)对于特大容量的系统，则常用晶闸管触发与整流装置。第2章 单闭环直流调速系统2.调节原理在图2-13中，通过测速发电机TG引出与被调量转速n成正比的负反馈电压Un，与给定电压U*n相减后，得到转速偏差电压Un=U*n-Un，经过放大器A，产生UPE所需要的控制电压Uc，UPE的输出则为可控的直流电压Ud，该电压即是直流电动机等效电路的主回路电压，用以控制直流电动机的转速n，从而构成转速负反馈控制的闭环直流调速系统。第2章 单闭环直流调速系统根据自动控制原理中按偏差调节的闭环控制规律，如果负载RL增加，则转速n降低，反馈电压Un的值将减小，偏差
37、Un=U*n-Un将增大，控制电压Uc增大，UPE输出直流电压Ud增大，则电动机的转速将上升，最终又回到原来运行的转速上，维持转速稳定。为了便于理解，上述负载RL增加时转速调节的过程可以简单表示如下：LnncdnnUUUUR 第2章 单闭环直流调速系统2.2.2单闭环调速系统的稳态特性1.稳态方程式和稳态结构图本小节主要分析转速负反馈单闭环调速系统的稳态特性以及系统开环机械特性和闭环静特性之间的关系。为了分析系统的静特性，突出主要矛盾，首先作以下的假设：(1)忽略各种非线性因素，假定系统中各典型环节的输入输出呈线性关系。(2)系统工作在电流连续段，即只取线性工作段。(3)忽略控制电源和电位器的
38、内阻。第2章 单闭环直流调速系统这样，图2-13中所示的转速负反馈直流调速系统中各个环节的稳态关系如下：电压比较环节Un=U*n-Un比例放大器 Uc=KpUn触发装置和电力电子变换器 Ud0=KsUc测速反馈环节 Un=n调速系统开环机械特性d0deUI RnC第2章 单闭环直流调速系统以上各关系式中，Kp为放大器的电压放大系数；Ks为电力电子变换器的电压放大系数；为转速反馈系数(Vmin/r)；Ud0为UPE的理想空载输出电压；R=Ra+Rrec+RL为电枢回路总电阻，Ra为电动机电枢电阻，RL为电动机回路中电抗器电阻，Rrec为整流器装置内阻。根据上述关系式，推导出系统的稳态结构图如图2
39、-14所示。第2章 单闭环直流调速系统图2-14有静差转速负反馈单闭环直流调速系统的稳态结构框图第2章 单闭环直流调速系统对上述各环节的稳态关系进行数学化简，消去中间变量并整理后，得到转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式：(2-19)*psndpsndepseee(1/)(1)(1)K K UI RK K URInCK KCCKCK第2章 单闭环直流调速系统式中，K=KpKs/Ce称为闭环系统的开环放大系数。它相当于在测速反馈电位器输出端把反馈回路断开后，从放大器输入起直到测速反馈输出为止总的电压放大系数，是各环节单独的放大系数的乘积。注意，这里电动机环节的放大系数Ce=E/n。闭环调速系
40、统的静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流(或转矩)间的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大不同，故定名为“静特性”，以示区别。第2章 单闭环直流调速系统2.开环系统机械特性与闭环系统静特性的关系图2-14中，断开测速反馈回路，可得到系统的开环机械特性方程式：(2-20)式中:n0op为开环理想空载转速；nop为开环系统的静态速降。*psnd0dd0opopeeeK K UUI RRInnnCCC第2章 单闭环直流调速系统闭环静特性方程式可以写成 (2-21)式中:n0cl称为闭环理想空载转速；ncl称为闭环稳态速降。*psnd0ee(1)(1)clclK K URInnn
41、CKCK第2章 单闭环直流调速系统式(2-20)和(2-21)形式上非常相似，但二者本质上却有很大不同。将二者进行比较，不难得出下述结论：(1)在同样的负载扰动下，闭环系统的机械特性比开环系统的机械特性硬。开环系统和闭环系统的转速降落分别为dopeRInCde(1)clRInCK第2章 单闭环直流调速系统二者的关系为 (2-22)显然，当比例放大倍数K较大时，ncl比nop小得多，即闭环系统的特性要硬得多。opc1lnnK第2章 单闭环直流调速系统(2)在同样的理想空载转速n0下，闭环系统的静差率较小。开环系统和闭环系统的静差率分别为在n0cl=n0op时，(2-23)cc0clllnsnop
42、op0opnsnopc1lssK第2章 单闭环直流调速系统(3)当两者的静差率要求一定时，闭环系统的调速范围大大高于开环系统。如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速静差率的要求相同，则由调速范围的计算式(2-8)得开环时：Nopop(1)n sDns第2章 单闭环直流调速系统闭环时:再考虑ncl和nop的关系式(2-22)，则得到开环系统和闭环系统的调速范围的关系为Dcl=(1+K)Dop (2-24)Ncc(1)lln sDns第2章 单闭环直流调速系统(4)闭环系统必须设置放大器，以确保放大倍数K足够大，实现上述三项优点。因为图2-13是按偏差调节的负反馈控制系统，如果没有放大装置或放大
43、倍数K不够大，当电压偏差Un=U*n-Un很小时，触发装置和UPE的控制电压Uc=KUn就非常小，电动机两端的电枢电压就非常低，使电动机不能工作，所以必须设置K足够大的放大器。把以上四点概括起来，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是须增设电压放大器以及检测与反馈装置。第2章 单闭环直流调速系统例2-4在例2-3中，龙门刨床要求D=20，s5%。已知Ks=30，=0.015 Vmin/r，Ce=0.2 Vmin/r，如何采用闭环系统满足此要求？解在上例中已经求得 nop=275 r/min但为了满足
44、调速要求，须有ncl=2.63 r/min第2章 单闭环直流调速系统由式(2-22)可得代入已知参数，则得即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭环系统就能满足所要求的稳态性能指标。opc27511103.62.63lnKn pse103.646/300.015/0.2KKKC第2章 单闭环直流调速系统闭环系统中，当转速n稍微有降落时，反馈电压Un就会降低，电压偏差Un=U*n-Un会增大，通过比较和放大装置，整流装置的输出电压Ud增大，使系统工作在新的机械特性上，使得转速回升直至接近原来的转速值。因此，闭环系统能降低稳态转速降(或静差率)的实质在于它的自动调节作用，即随着负载的变化相应地改变
45、电枢电压，以补偿电枢回路的电阻压降。第2章 单闭环直流调速系统3.单闭环调速系统的基本特征转速负反馈闭环系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本的特征，也称为基本的反馈控制规律，表述如下：(1)被调量有静差。从静特性分析中可以看出，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。但是，只要调节器仅仅选用比例放大器，稳态转速降就只能减小，不能消除。因为闭环系统的稳态转速降为de(1)clRInCK第2章 单闭环直流调速系统只有当K时，稳态转速降ncl=0才成立，而事实上K值是一个有限值，稳态转速降不可能为零。同时，具有比例调节器的闭环系统主要依靠偏差电压U来调节输出电压Ud0。如果U=0
46、，根据闭环系统各环节的稳态关系，则知控制电压Uct=0，从而Ud0=0，电动机停转。因此，偏差电压U0是有静差系统的一大特点。第2章 单闭环直流调速系统(2)抵抗扰动，服从给定。闭环控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命是从，即服从给定。除了给定信号作用以外，作用在闭环控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”。上面仅提到负载变化这一扰动，实际上除了负载之外还有许多因素会引起转速的变化，这些因素统称为“扰动源”。常见的扰动源有以下几种：第2章 单闭环直流调速系统 负载变化的扰动(使Id变化)；交流电源电
47、压波动的扰动(使Ks变化)；电动机励磁变化的扰动(造成 Ce变化)；放大器输出电压漂移的扰动(使Kp变化)；温升引起主电路电阻增大的扰动(使R变化)；检测误差的扰动(使变化)。第2章 单闭环直流调速系统所有这些扰动对转速的影响都会被测速装置检测出来，再通过反馈控制作用减小它们对稳态转速的影响。扰动输入的作用点不同，它对系统的影响程度也不同。必须注意的是，转速负反馈能抑制或减小被包围在反馈环内作用在系统前向通道上的扰动，而对检测环节(即反馈通道)和给定环节的扰动则无能为力。换句话说，闭环控制系统所能抑制的只是被反馈环包围的前向通道上的扰动。现以交流电源电压U2波动为例，定性说明闭环调速系统对扰动
48、作用的抑制过程：U2Ud0nUnUctUd0n，整个调节过程使得转速回落到接近原来值，但是由于是有静差调速系统，转速不可能恢复到原来的稳态转速。第2章 单闭环直流调速系统(3)系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度。如果产生给定电压的电源发生波动，则闭环控制系统无法鉴别这是对给定电压的正常调节还是不应有的电压波动。因此，高精度的调速系统必须有更高精度的给定稳压电源。又因为闭环控制系统对测速发电机本身误差引起的转速变化无抑制能力，所以对测速发电机的选择以及安装必须特别注意，要确保反馈检测元件的精度，这对闭环系统的稳速精度起决定性的作用。第2章 单闭环直流调速系统4.单闭环调速系统的稳态参数计算稳态
49、参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定了控制系统本身的基本构成环节。本章通过一个具体实例来说明转速闭环负反馈控制有静差直流调速系统的稳态参数设计。第2章 单闭环直流调速系统例2-5主电路采用晶闸管可控整流器供电的V-M系统。电动机的额定数据为10 kW、220 V、55 A和1000 r/min，电枢电阻Ra=0.5；晶闸管触发整流装置采用三相桥式可控整流电路，整流变压器为Y/Y连接，二次线电压U21=230 V,电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻R=1.0；测速发电机为永磁式，额定数据为23.1 W、110 V、0.21 A和1900 r/min；直流稳压电源电压为15 V
50、。若生产机械要求调速范围D=10，静差率s5%，试计算系统的稳态参数(不考虑电动机的起动问题)。第2章 单闭环直流调速系统解(1)为满足调速系统的稳态性能指标，计算额定负载的稳态转速降ncl。(2)计算闭环系统的开环放大倍数K。电动势系数10000.05/min5.26/min11010.05NclsnrrnDs220550.50.1925V.min/1000NaNeUI RrCn第2章 单闭环直流调速系统开环系统的额定速降nop为则闭环系统的开环放大倍数K为55 1.0285.7r/min0.1925NopeRInC285.71153.35.26opclnKn 第2章 单闭环直流调速系统(3
