直流電機(jī)原理與調(diào)速

1、二一一年二月二一一年二月電子電氣系：曾樹華電子電氣系：曾樹華直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)2aeEc B L VCnNST2TemT0nEaIaUFB L I1122eeDTc FDcB L ICIU=Ea+IaRa一、電壓方程一、電壓方程U、I正方向如圖，正方向如圖，Ea為反電勢為反電勢電樞總等效內(nèi)阻電樞總等效內(nèi)阻電樞感應(yīng)電樞感應(yīng)電勢電勢Ea=Ce nNST2TemT0nEaIaUeU=Ea+IaRa=KnIR eeoUIRRnnIKKq 直流調(diào)速方法直流調(diào)速方法式中 n 轉(zhuǎn)速（r/min）； U 電樞電壓（V）； I 電樞電流（A）； R 電樞回路總電阻（）； 勵磁磁通（Wb）； Ke 由電

2、機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。eUEIRKnIR 根據(jù)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速方程調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的三種方調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的三種方法法1.調(diào)節(jié)電樞供電電壓 U2.改變電樞回路電阻 R3.減弱勵磁磁通 調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速 工作條件：工作條件： 保持保持勵磁勵磁 = N ； 保持電阻保持電阻 R = Ra 調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 改變電壓改變電壓 UN U U n ， n0 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線nn0OI（T)ILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線調(diào)阻調(diào)速調(diào)阻調(diào)速 工作

3、條件：工作條件： 保持保持勵磁勵磁 = N ； 保持電壓保持電壓 U =UN ； 調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 增加電阻增加電阻 Ra R R n ，n0不變不變； 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線調(diào)磁調(diào)速調(diào)磁調(diào)速 工作條件：工作條件： 保持電壓保持電壓 U =UU =UN N ； 保持電阻保持電阻 R = R R = R a a ； 調(diào)節(jié)過程：調(diào)節(jié)過程： 減小勵磁減小勵磁 N N n n ， n n0 0 調(diào)速特性：調(diào)速特性： 轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。軟。n

4、n0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線 三種調(diào)速方法的性能與比較三種調(diào)速方法的性能與比較 改變電阻只能有級調(diào)速；改變電阻只能有級調(diào)速； 減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。不大，在基速以上作小范圍的弱磁升速。 調(diào)壓調(diào)速調(diào)壓調(diào)速能能在較大的范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。在較大的范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速。常用的可控直流電源有以下三種： 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。 靜止式可控整流器用靜止式的可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。 直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不控整流電源

5、供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進(jìn)行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。調(diào)壓調(diào)速用的可控直流電源 可控直流電源可控直流電源（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 圖1-1 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖（G-M系統(tǒng)） 可控直流電源可控直流電源(1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-M系統(tǒng)）工作原理 由交流電動機(jī)（異步機(jī)或同步機(jī)）拖動直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動機(jī)M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。 這樣的系統(tǒng)簡稱GM系統(tǒng)，國際上通稱WardLeonard系統(tǒng)。 可控直流電源可控直流電源(1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組（G-M系統(tǒng)）機(jī)械特性圖1-2 G-M系統(tǒng)的機(jī)械特性 優(yōu)點(diǎn)：可逆運(yùn)行容易

6、實(shí)現(xiàn)，方便實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。 不足：設(shè)備多，體積大，費(fèi)用高，效率低，安裝須打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便。 可控直流電源可控直流電源（2）靜止式可控整流器 圖1-3 靜止式可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)） 直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源(2）V-M系統(tǒng)工作原理 晶閘管-電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)），圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置 GT 的控制電壓 Uc 來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud ，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)晶閘管晶閘管觸發(fā)觸發(fā)脈沖相位，可改變脈沖相位，可改變可控整流器輸出電可

7、控整流器輸出電壓的波形。壓的波形。 整流器輸出電瞬整流器輸出電瞬時值時值u ud d 的呈周期性的呈周期性變化。變化。觸發(fā)脈沖相位控制a)u1TVTRLu2uVTudidu20t12tttttug0ud0id0uVT0b)c)d)e)f)+ + +OOOOOud0IdE 等效電路分析等效電路分析 把整流裝置內(nèi)阻把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看移到裝置外邊，看成是其負(fù)載電路電成是其負(fù)載電路電阻的一部分阻的一部分。 ud0為整流電壓理為整流電壓理想空載瞬時值想空載瞬時值 。圖1-7 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖 式中 電動機(jī)反電動勢（V）； 整流電流瞬時值（A）； 主電路總電感（H）； 主電路等效電

8、阻（）， R = Rrec + Ra + RL。EidLR 瞬時電壓平衡方程瞬時電壓平衡方程dd0dddiuEi RLt(1- 4)整流電壓的平均值計(jì)算整流電壓的平均值計(jì)算 ud0在一個周期內(nèi)的平均值為理想空載整流在一個周期內(nèi)的平均值為理想空載整流電壓平均值電壓平均值Ud0 。 觸發(fā)脈沖控制角；觸發(fā)脈沖控制角； Um 交流電源線電交流電源線電壓峰值（壓峰值（V）；）；m交流電源一周內(nèi)整流電壓交流電源一周內(nèi)整流電壓脈波數(shù)。脈波數(shù)。 d0msincosmUUm(1-5)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)OuaubucudOiaibicictEUdtOuaubucudOiaibicicEUdudttudi

9、did沒加平波電抗器的波形UE時截止抑制電流脈動的措施 電流脈動產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，為了避免或電流脈動產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩脈動，為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：施，主要是：設(shè)置平波電抗器；設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。采用多重化技術(shù)。圖1-11 完整的V-M系統(tǒng)機(jī)械特性（3 3）V-MV-M系統(tǒng)系統(tǒng) 機(jī)械特性機(jī)械特性（4 4）V-MV-M系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn)系統(tǒng)機(jī)械特性的特點(diǎn) 圖圖1-111-11繪出了完整的繪出了完整的V-MV-M系統(tǒng)機(jī)械特性，分系統(tǒng)機(jī)械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：為電流連續(xù)區(qū)和電

10、流斷續(xù)區(qū)。由圖可見： 當(dāng)電流連續(xù)時，特性硬；當(dāng)電流連續(xù)時，特性硬； 電流斷續(xù)時，特性很軟，呈顯著的非線性，電流斷續(xù)時，特性很軟，呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。 直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源(2）V-M系統(tǒng)的特點(diǎn) 與G-M系統(tǒng)相比較，優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在： 經(jīng)濟(jì)性和可靠性都有很大提高，技術(shù)性能優(yōu)越； 快速響應(yīng)性能好。 系統(tǒng)缺點(diǎn)： 不易實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行； 承受過載能力差，易損壞； 諧波與無功功率造成“電力公害”。 直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 圖1-4 直流斬波器電動機(jī)系統(tǒng)的原理

11、圖和電壓波形 原理圖 電壓波形圖 直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器 為了節(jié)能，并實(shí)行無觸點(diǎn)控制，現(xiàn)在多改用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。 采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖脈寬調(diào)制開關(guān)電路，統(tǒng)稱脈寬調(diào)制變換器(Pulse Width Modulation(Pulse Width Modulation，簡稱簡稱PWMPWM變換器變換器) )。 1.1.1 直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源(3）斬波器的基本控制原理 在原理圖中，VT 表示電力電子開關(guān)器

12、件，VD 表示續(xù)流二極管。當(dāng)VT 導(dǎo)通時，直流電源電壓 Us 加到電動機(jī)上；當(dāng)VT 關(guān)斷時，直流電源與電機(jī)脫開，電動機(jī)電樞經(jīng) VD 續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，電樞端電壓波形如圖1-4b ，好像是電源電壓Us在ton 時間內(nèi)被接上，又在 T ton 時間內(nèi)被斬?cái)?，故稱“斬波”。 直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源(3）PWM變換器優(yōu)點(diǎn)： 主電路線路簡單，需用的功率器件少； 開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗及發(fā)熱都較??； 低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右； 若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強(qiáng)；

13、直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源直流調(diào)速方式及調(diào)速用可控直流電源(3）PWM變換器優(yōu)點(diǎn)： 功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開關(guān)頻率適當(dāng)時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高； 直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。1.開環(huán)控制系統(tǒng) 這種控制系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：1）電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n只受控制量Usn的控制，轉(zhuǎn)速n對控制量Usn沒有反控制作用。2）系統(tǒng)對干擾產(chǎn)生的誤差不能自動修正。3）系統(tǒng)為了保證一定的控制精度，系統(tǒng)必須采用高精度元器件。4）系統(tǒng)不存在穩(wěn)定問題。 圖3-12.閉環(huán)控制系統(tǒng) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有以下特點(diǎn)：1）具有較強(qiáng)的抗干擾能力，控制精度高。2）閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)有反饋網(wǎng)絡(luò)，結(jié)構(gòu)復(fù)

14、雜，成本較高。3）系統(tǒng)存在穩(wěn)定問題。圖3-2n 調(diào)節(jié)原理調(diào)節(jié)原理 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī)電動機(jī)同軸安裝一臺測速發(fā)電機(jī) TG ，從而，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ufn ，與給定電壓與給定電壓 Usn 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓壓 Un ，經(jīng)過放大器，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變，產(chǎn)生電力電子變換器換器UPE的控制電壓的控制電壓Uc ，用以控制電動機(jī)，用以控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 n。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)

15、的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下： 電壓比較環(huán)節(jié) nsnfnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 d0scUK U調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié) fnUnn 穩(wěn)態(tài)分析穩(wěn)態(tài)分析n 穩(wěn)態(tài)分析（續(xù)）穩(wěn)態(tài)分析（續(xù)）以上各關(guān)系式中以上各關(guān)系式中 放大器的電壓放大系數(shù)；放大器的電壓放大系數(shù)； 電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；電力電子變換器的電壓放大系數(shù)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）；）； UPE的理想空載輸出電壓（的理想空載輸出電壓（V） ； 電樞回路總電阻。電樞回路總電阻。KpKsRUd0n靜特性方程靜特性方程 從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得從上述五個關(guān)系式中消去中間

16、變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式pssndpssndepseee(1/)(1)(1)K K UI RK K URInCK KCCKCKd0de(UI RnC開環(huán)）n 靜特性方程（續(xù)）靜特性方程（續(xù)） 開環(huán)放大系數(shù)開環(huán)放大系數(shù)K為為電動機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為電動機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為 靜特性方程式靜特性方程式 espCKKKnEC epssndee(1)(1)K K URInCKCKU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E圖1-25b 只考慮給定作用 時的閉環(huán)系統(tǒng)圖1-25c 只考慮擾動

17、作用-IdR時的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRIn*nU1.4.4 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 的關(guān)系開環(huán)機(jī)械特性為開環(huán)機(jī)械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36) 而閉環(huán)時的靜特性可寫成 clcl0ede*nsp)1 ()1 (nnKCRIKCUKKn(1-37) 比較式（比較式（1-36）和式（）和式（1-37）不難得出以下的論斷：）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特 性硬得多。 在同樣的負(fù)載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和它們的關(guān)系是 Knn1opcl(1-38) edopCRIn)1 (edcK

18、CRInln 系統(tǒng)特性比較n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。 閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和和 當(dāng)當(dāng) n0op =n0cl 時，時，（1-39）cl0clclnnsop0opopnnsKss1opcl（3）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以）當(dāng)要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以 大大提高調(diào)速范圍。大大提高調(diào)速范圍。 如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對最低速而對最低速靜差率的要求相同，那么：靜差率的要求

19、相同，那么： 開環(huán)時，開環(huán)時， 閉環(huán)時，閉環(huán)時， 再考慮式（再考慮式（1-38），得），得 opclDKD)1 ( (1-40) )1 (opNopsnsnD)1 (clNclsnsnDn 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）n 系統(tǒng)特性比較（續(xù)）系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須 設(shè)置放大器。設(shè)置放大器。 上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。 但但2()mLssLsT TTTKT T結(jié)論2 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保

20、證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。 例題1-3 在例題在例題1-2中，龍門刨床要求中，龍門刨床要求 D = 20，s 5%， 已知已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vmin/r， 如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？ 解 在上例中已經(jīng)求得在上例中已經(jīng)求得 nop = 275 r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有但為了滿足調(diào)速要求，須有 ncl = 2.63 r/min由式（由式（1-38）可得）可得1clopnnK6 .103163. 2275代入已知參數(shù)，則得代入已知參數(shù)，則

21、得 即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程n0 OIdId1Id3Id2Id4ABCAD閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性圖1-26 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程 開環(huán)系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從中工作點(diǎn)從A A 閉環(huán)系統(tǒng)閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un n Ud0 Uc 例如：在圖例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從中工作點(diǎn)從A B系統(tǒng)

22、調(diào)節(jié)系統(tǒng)調(diào)節(jié)作用作用 閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補(bǔ)償電樞回路電阻壓降的變化。償電樞回路電阻壓降的變化。 1.4.5 反饋控制規(guī)律 1. 被調(diào)量偏差控制被調(diào)量偏差控制 2. 抵抗擾動抵抗擾動, 服從給定服從給定 3.系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測的精度 1. 被調(diào)量有靜差被調(diào)量有靜差閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有只有 K = ，才能使，才能使 ncl = 0，而這是不，而這是

23、不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的。量的偏差進(jìn)行控制的。)(edclKICRIn2. 抵抗擾動抵抗擾動, 服從給定服從給定 反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道效地抑制一切被負(fù)反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。是從。 擾動擾動除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變

24、化的因素都叫做節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用擾動作用”。 n給定和擾動作用給定和擾動作用圖1-27 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用 勵磁變化勵磁變化Id變化變化電源波動電源波動Kp變化變化電阻變化電阻變化檢測誤差檢測誤差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R n 結(jié)論結(jié)論3 反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是： 一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。3. 系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度測精度 給定精度給定精度由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度由于給定決

25、定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。自然取決于給定精度。 檢測精度檢測精度反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)檢測精度決定了系統(tǒng)輸出輸出精度。精度。1.6.1 積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律 1. 積分調(diào)節(jié)器 如圖，由運(yùn)算放大如圖，由運(yùn)算放大器可構(gòu)成一個積分電器可構(gòu)成一個積分電路。根據(jù)電路分析，路。根據(jù)電路分析，其電路方程其電路方程+CUexRbalUinR0+A圖1-43 積分調(diào)節(jié)器a) 原理圖in0ex1ddUCRtUii方程兩邊取積分，得方程兩邊取積分，得 tUtUCRtiCUd1d1d1inin0ex(1-

26、64) 式中 積分時間常數(shù)。 當(dāng)初始值為零時，在階躍輸入作用下，對式（1-64）進(jìn)行積分運(yùn)算，得積分調(diào)節(jié)器的輸出CR0tUUinex(1-65) UexUinUexmtUinUexOb) 階躍輸入時的輸出特性圖1-43 積分調(diào)節(jié)器3. 積分調(diào)節(jié)器的特性4. 轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律 如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓如果采用積分調(diào)節(jié)器，則控制電壓Uc是轉(zhuǎn)速是轉(zhuǎn)速偏差電壓偏差電壓 Un的積分，按照式（的積分，按照式（1-64），應(yīng)有），應(yīng)有 如果是如果是 Un 階躍函數(shù)，則階躍函數(shù)，則 Uc 按線性規(guī)律增按線性規(guī)律增長，每一時刻長，每一時刻 Uc 的大小和的大小和 Un 與橫軸所包圍與橫

27、軸所包圍的面積成正比，的面積成正比，如下圖如下圖 a 所示。所示。t0ncd1tUU圖1-45 積分調(diào)節(jié)器的輸入和輸出動態(tài)過程a) 階躍輸入 b)負(fù)載變化時n 輸入和輸出動態(tài)過程 圖b 繪出的 Un 是負(fù)載變化時的偏差電壓波形，按照Un與橫軸所包圍面積的正比關(guān)系，可得相應(yīng)的Uc 曲線，圖中Un 的最大值對應(yīng)于Uc 的拐點(diǎn)。 若初值不是零，還應(yīng)加上初始電壓Uc0 ，則積分式變成 0c0ncd1UtUUt負(fù)載變化時積分曲線負(fù)載變化時積分曲線分析結(jié)果 只有達(dá)到只有達(dá)到 Un* = Ufn ， Un = 0時，時，Uc 才停止積分；當(dāng)才停止積分；當(dāng) Un = 0時，時，Uc并不并不是零，而是一個終值是

28、零，而是一個終值 Ucf ；如果；如果 Un 不不再變化，此終值便保持恒定不變，這是再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn)。積分控制的特點(diǎn)。 采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無靜差調(diào)速。比例與積分控制的比較比例與積分控制的比較 有靜差調(diào)速系統(tǒng)有靜差調(diào)速系統(tǒng) 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由TL1突增到TL2時，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速n、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過程示于下圖。 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩由 TL1 突增到 TL2 時，有靜差調(diào)速系統(tǒng)的

29、轉(zhuǎn)速 n 、偏差電壓 Un 和控制電壓 Uc 的變化過程示于右圖。 圖1-44 有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載過程有靜差調(diào)速系統(tǒng)突有靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程加負(fù)載時的動態(tài)過程圖1-46 積分控制無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程 雖然現(xiàn)在Un = 0，只要?dú)v史上有過 Un ，其積分就有一定數(shù)值，足以產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)運(yùn)行所需要的控制電壓 Uc。積分控制規(guī)律和比例控制規(guī)律的根本區(qū)別就在于此。 無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加無靜差調(diào)速系統(tǒng)突加負(fù)載時的動態(tài)過程負(fù)載時的動態(tài)過程 將以上的分析歸納起來，可得下述論斷： 比例調(diào)節(jié)器的輸出只取決于輸入偏差量的現(xiàn)狀；而積分調(diào)節(jié)器的輸出則包含了輸入偏差量的全部歷史。 比例積分控制規(guī)律

30、 上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明上一小節(jié)從無靜差的角度突出地表明了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是了積分控制優(yōu)于比例控制的地方，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。制卻又不如比例控制。 如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之如圖所示，在同樣的階躍輸入作用之下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，下，比例調(diào)節(jié)器的輸出可以立即響應(yīng)，而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。而積分調(diào)節(jié)器的輸出卻只能逐漸地變。1. PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器 在模擬電子控在模擬電子控制技術(shù)中，可用制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來實(shí)運(yùn)算放大器來實(shí)現(xiàn)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，其調(diào)節(jié)器，其線路如圖所示。線路如圖所

31、示。Uex+C1RbalUinR0+AR1圖1-38 比例積分（PI）調(diào)節(jié)器 i0i12. PI輸入輸出關(guān)系輸入輸出關(guān)系 按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得按照運(yùn)算放大器的輸入輸出關(guān)系，可得tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex(1-60)01piRRK10CR式中式中 PI調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)；調(diào)節(jié)器比例部分的放大系數(shù)； PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)。 由此可見，由此可見，PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分相加而成兩部分相加而成。n 分析結(jié)果分析結(jié)果 由此可見，比例積分控制綜合了比例控制和積分控制兩種規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，

32、又克服了各自的缺點(diǎn)，揚(yáng)長避短，互相補(bǔ)充。比例部分能迅速響應(yīng)控制作用，積分部分則最終消除穩(wěn)態(tài)偏差。 無靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖無靜差調(diào)速系統(tǒng)原理圖1.6.3 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成 工作原理工作原理 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性 參數(shù)計(jì)算參數(shù)計(jì)算1. 系統(tǒng)組成系統(tǒng)組成+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVBT VSUiTAIdR1C1UnUd圖1-48 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)示例 -+MTG+-UPE2. 工作原理工作原理 圖圖1-48所示是一個無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的所示是一個無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的實(shí)例，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采實(shí)例，采用比例

33、積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無靜差，采用電流截止負(fù)反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。用電流截止負(fù)反饋來限制動態(tài)過程的沖擊電流。TA為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到為檢測電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號。當(dāng)電流超過截止電流時，高于電流反饋信號。當(dāng)電流超過截止電流時，高于穩(wěn)壓管穩(wěn)壓管VS的擊穿電壓，使晶體三極管的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)導(dǎo)通，則通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。電流的目的。3. 穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性 當(dāng)電動機(jī)電流低于其截止值時，上述系統(tǒng)的

34、穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖示于下圖，其中代表PI調(diào)節(jié)器的方框中無法用放大系數(shù)表示，一般畫出它的輸出特性，以表明是比例積分作用。 圖1-49 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖（Id Idcr ） Ks 1/CeU*nUcUnIdREnUd0Un+-4. 穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)時 Un = 0，因而 Un = Un* ，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) max*maxnnU（1-67） 電動機(jī)調(diào)壓時的最高轉(zhuǎn)速(r/min)； 相應(yīng)的最高給定電壓(V)。 nmaxU*nmax電流截止環(huán)節(jié)的參數(shù)很容易根據(jù)其電路和截止電流值 Idcr計(jì)算出。1.3.1 1.3.1 引入電流截止負(fù)反饋的原因引入電流截止負(fù)反饋的原因1.3.2 1.3.2

35、 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)1.3.3 1.3.3 帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性構(gòu)圖和靜特性1.3 電流截止負(fù)反饋1.3.1 引入電流截止負(fù)反饋的原因 全壓起動時的沖擊電流 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動時的沖擊電流 堵轉(zhuǎn)電流 為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個物理量的負(fù)反饋。那么，引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。1.3.1 1.3.1 引入電流截止負(fù)反饋的原因引入電流截止負(fù)反饋的原因 電流

36、截止負(fù)反饋 限流作用只需在起動和堵轉(zhuǎn)時起作用，正常運(yùn)行時應(yīng)讓電流自由地隨著負(fù)載增減。 如果采用某種方法，當(dāng)電流大到一定程度時才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時僅有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起作用控制轉(zhuǎn)速。這種方法叫做電流截止負(fù)反饋，簡稱截流反饋。 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電路電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電路1.3.2 1.3.2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)用獨(dú)立電源作比較電壓利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓 圖1-13電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 圖1-13 a）中用獨(dú)立的直流電源作為比較電壓，截止電流連續(xù)可調(diào)，截止電流為： Idcr =U com / R s 圖1-13 b）中利用穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓Ubr作為比較電壓，線路

37、要簡單得多，但不能平滑調(diào)節(jié)截止電流值。1.3.2 1.3.2 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)帶限幅電路的PI調(diào)節(jié)器比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)o 采用比例（P）放大器控制的直流調(diào)速系統(tǒng)是有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，還存在穩(wěn)定性與穩(wěn)態(tài)精度的矛盾。采用積分（I）調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器代替比例放大器，可構(gòu)成無靜差調(diào)速系統(tǒng)。KZD-型直流調(diào)速系統(tǒng)分析 此為小容量晶閘管直流調(diào)此為小容量晶閘管直流調(diào)速裝置，適用于速裝置，適用于4kW4kW以下以下直流電動機(jī)無級調(diào)速。系直流電動機(jī)無級調(diào)速。系統(tǒng)的主回路采用單相橋式統(tǒng)的主回路采用單相橋式半控整流線路。具有電流半控整流線路。具有電流截止負(fù)反饋、電壓負(fù)反饋

38、截止負(fù)反饋、電壓負(fù)反饋和電流正反饋（電動勢負(fù)和電流正反饋（電動勢負(fù)反饋）。具體數(shù)據(jù)如下：反饋）。具體數(shù)據(jù)如下：交流電源電壓交流電源電壓 單相單相220V220V整流輸出電壓整流輸出電壓 直流直流180V180V最大輸出電流最大輸出電流 直流直流30A30A勵磁電壓勵磁電壓 單相單相180V180V勵磁電流勵磁電流 直流直流1A1A調(diào)速范圍調(diào)速范圍 直流直流180V180V靜差率靜差率 s10%s10%主電路及勵磁回路平波電抗器平波電抗器LdLdR9R9為能耗制動電阻為能耗制動電阻 Ud（S）N（S）電動機(jī)整流濾波給定、觸發(fā)及反饋電路KZD-型直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖及調(diào)節(jié)過程o7.2.1 系統(tǒng)結(jié)

39、構(gòu)特點(diǎn)和技術(shù)數(shù)據(jù)此為小容量晶閘管直流調(diào)速裝置，適用于4kW以下直流電動機(jī)無級調(diào)速(調(diào)速范圍D10 1，靜差率s10%)。裝置的電源電壓為220V單相交流，輸出電壓為直流160V，輸出最大電流30A；勵磁電壓為直流180V，勵磁電流為1A。系統(tǒng)主要配置Z3系列(電樞電壓160V，勵磁電壓180V)的小型直流他勵電動機(jī)。裝置的主回路采用單相橋式半控整流線路。具有電壓負(fù)反饋、電流正反饋和電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。 圖7-11 KZD-型直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖o 圖7-12 具有電壓負(fù)反饋和電流正反饋環(huán)節(jié)的調(diào)速系統(tǒng)原理圖o 7.2.2 定性分析對實(shí)際系統(tǒng)分析，一般是先定性分析，后定量分析。即先分析各環(huán)節(jié)和各

40、元件的作用，搞清系統(tǒng)的工作原理。然后再建立系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，進(jìn)一步作定量分析。分析晶閘管調(diào)速系統(tǒng)線路的一般順序是：主電路-觸發(fā)電路-控制電路-輔助電路(包括保護(hù)、指示、報(bào)警等)?，F(xiàn)依次分析如下：1.主電路中，橋臂上的兩個二極管串聯(lián)排在一側(cè)，這樣它們可以兼起續(xù)流二極管(FreeWheeling diode)的作用，但這樣兩個晶閘管陰極(Cathode)間將沒有公共端，脈沖變壓器(Pulse Transformer)的兩個二次繞組間將會有 220V的峰值電壓(Peak Voltage)。因此對兩個二次繞組間的絕緣(Insulation)要求也要提高。o在要求較高、或容量稍大(2.2kW以上)的場合，

41、應(yīng)接入平波電抗器Ld，以限制電流脈動(Pulsation)，改善換向條件，減少電樞損耗，并使電流連續(xù)。但接入電抗器后，會延遲晶閘管掣住電流(Latching Current)的建立，而單結(jié)晶體管張弛振蕩器脈沖的寬度是比較窄的，為了保證觸發(fā)后可靠導(dǎo)通，在電抗器Ld兩端并聯(lián)一電阻(1k)，以減少主電路電流到達(dá)晶閘管所需要的掣住電流的時間。另一方面，在主電路突然斷路時，這電阻為電抗器提供放電回路，減少了電抗器產(chǎn)生的過電壓。為了加快制動和停車，采用了能耗制動。R9為能耗制動電阻(因電阻規(guī)格與散熱等原因，如今采用兩只25W、51的線繞電阻器并聯(lián)使用)。主電路中RS為電流表外配的分流器。主電路的交、直流兩側(cè)，均設(shè)有阻容吸收電路(由50電阻與2F電容串聯(lián)構(gòu)成的電路)，以吸收浪涌電壓(Surge Voltage)。o 主電路中的S為手動開關(guān)，KM為主電路接觸器，主電路短路保護(hù)的熔斷器容量為50A(與整流元件容量相同)。電動機(jī)勵磁由單獨(dú)的整流電路供電，為了防止失磁而引起“飛車”事故，在勵磁電路中，串入欠電流繼電器KA，只有當(dāng)勵磁電流大于某數(shù)值時，KA才動作。在主電路的接觸器KM的控制回路中，串接KA常開觸點(diǎn)。只有當(dāng)KA動作，KA常開觸點(diǎn)閉合，主接觸器KM才能吸合，從而保證了勵磁回路有足夠大的電流。KA以通用小型繼電器(JTX-6.3V)代用，它的動作