直流調(diào)速(第5講)

1、2. 橋式可逆PWM變換器 可逆PWM變換器主電路有多種形式，最常用的是橋式（亦稱H形）電路，如圖1-18所示。 這時(shí)，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓的極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動(dòng)電壓極性的變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只著重分析最常用的雙極式控制的可逆PWM變換器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18 橋式可逆PWM變換器n H形主電路結(jié)構(gòu)n 雙極式控制方式（1）正向運(yùn)行n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug1 、 Ug4為正， VT1 、 VT4導(dǎo)通，

2、Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止，電流 id 沿回路1流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；n第2階段，在ton t T期間， Ug1 、 Ug4為負(fù)， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、 VT3保持截止，電流 id 沿回路2流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；n 雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運(yùn)行n第1階段，在 0 t ton 期間， Ug2 、 Ug3為負(fù)，VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、 VT4截止，電流 id 沿回路4流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = +Us ；n第2階段，在ton t

3、 T 期間， Ug2 、 Ug3 為正， VT2 、 VT3導(dǎo)通， Ug1 、 Ug4為負(fù)，使VT1 、 VT4保持截止，電流 id 沿回路3流通，電動(dòng)機(jī)M兩端電壓UAB = Us ；n 輸出波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(1) 正向電動(dòng)運(yùn)行波形U, iUdEid+UsttonT0-UsO(2) 反向電動(dòng)運(yùn)行波形n 輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為（1-19） 如果占空比和電壓系數(shù)的定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 = 2 1 （1-20）注意：這里 的計(jì)算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。sonsonsond) 12(UTtU

4、TtTUTtUn 調(diào)速范圍 調(diào)速時(shí)， 的可調(diào)范圍為01， 1 0.5時(shí)， 為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)n當(dāng) 0.5時(shí)， 為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)n當(dāng) = 0.5時(shí)， = 0 ，電機(jī)停止注注 意意 當(dāng)電機(jī)停止時(shí)電樞電壓并不等于零，而是正負(fù)脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個(gè)交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機(jī)的損耗，這是雙極式控制的缺點(diǎn)。但它也有好處，在電機(jī)停止時(shí)仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動(dòng)力潤滑”的作用。n 性能評價(jià) 雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點(diǎn)： 1）電流一定連續(xù)。 2）可使電機(jī)在四象限運(yùn)行。 3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)。

5、4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達(dá)1:20000 左右。 5）低速時(shí)，每個(gè)開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬， 有利于保證器件的可靠導(dǎo)通。 n 性能評價(jià)（續(xù)） 雙極式控制方式的不足之處是： 在工作過程中，4個(gè)開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時(shí)可能發(fā)生上、下橋臂直通的事故，為了防止直通，在上、下橋臂的驅(qū)動(dòng)脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時(shí)。1.3.2 直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性 由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動(dòng)的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機(jī)的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機(jī)械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關(guān)系。 采用不同

6、形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機(jī)械特性也不一樣。對于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機(jī)械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。 對于帶制動(dòng)電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個(gè)階段 式中的R、L 分別為電樞電路的電阻和電感。 n 帶制動(dòng)的不可逆電路電壓方程EtiLRiUdddd s（0 t ton） （1-21）EtiLRidd0dd（ton t T） （1-22） 對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個(gè)方程中電源電壓由 0 改為 Us ，其他均不變。于是，電壓方程為EtiLRiUdddds( 0 t ton )

7、 (1-23) n 雙極式可逆電路電壓方程EtiLRiUdddds(ton t T ) (1-24) n 機(jī)械特性方程 按電壓方程求一個(gè)周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出機(jī)械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個(gè)周期內(nèi)的平均電壓都是 Ud = Us，只是 與占空比 的關(guān)系不同，分別為式（1-18）和式（1-20）。 平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用 Id 和 Te 表示，平均轉(zhuǎn)速 n = E/Ce，而電樞電感壓降的平均值 Ldid / dt 在穩(wěn)態(tài)時(shí)應(yīng)為零。 于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成 (1-25)nCRIERIUedds (1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示 (1-27)式中 Cm 電機(jī)在

8、額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，Cm = KmN ； n0理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比，n0 = Us / Ce 。de0deesICRnICRCUnn 機(jī)械特性方程eme0emeesTCCRnTCCRCUnnId , TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId , Te =1 = 0.75 = 0.5 = 0.25n PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性圖1-20 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0sUs /Cen 說 明n圖中所示的機(jī)械曲線是電流連續(xù)時(shí)脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。n圖中僅繪出了第一、二象限的機(jī)械特性，它適用于帶制動(dòng)作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機(jī)械特性與此相仿，只是更擴(kuò)展到第三、

9、四象限了。n對于電機(jī)在同一方向旋轉(zhuǎn)時(shí)電流不能反向的電路，輕載時(shí)會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時(shí)，Id = 0 ，理想空載轉(zhuǎn)速會(huì)翹到 n0sUs / Ce 。 目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應(yīng)用，其開關(guān)頻率一般在10kHz左右，這時(shí)，最大電流脈動(dòng)量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動(dòng)量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計(jì)。1.3.3 PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型控制與變換器的數(shù)學(xué)模型 圖1-21繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動(dòng)電壓都由 PWM 控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。 按照上述對PWM變換器

10、工作原理和波形的分析，不難看出，當(dāng)控制電壓改變時(shí)，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會(huì)有延遲，最大的時(shí)延是一個(gè)開關(guān)周期 T 。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21 PWM控制與變換器的框圖 因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個(gè)滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（1-28）sTKsUsUsWse)()()(scds式中 Ks PWM裝置的放大系數(shù)； Ts PWM裝置的延遲時(shí)間， Ts T0 。 當(dāng)開關(guān)頻率為10kHz時(shí)，T = 0.1ms ，在一般的電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)中，時(shí)間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個(gè)一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（1-29）1)(sss

11、sTKsW與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。 C C+1.3.4 電能回饋與泵升電壓的限制電能回饋與泵升電壓的限制 PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時(shí)對感性負(fù)載的無功功率起儲(chǔ)能緩沖作用。 n 泵升電壓產(chǎn)生的原因 對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當(dāng)電機(jī)制動(dòng)時(shí)吸收運(yùn)行系統(tǒng)動(dòng)能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機(jī)制動(dòng)時(shí)只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。 電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達(dá)到數(shù)千

12、微法。 在大容量或負(fù)載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時(shí)，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻 Rb 來消耗掉部分動(dòng)能。分流電路靠開關(guān)器件 VTb 在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通。 n 泵升電壓限制n 泵升電壓限制電路過電壓信號(hào)UsRbVTbC+n 泵升電壓限制（續(xù)） 對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。當(dāng)然，這樣一來，系統(tǒng)就更復(fù)雜了。PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性n主電路線路簡單，需用的功率器件少；n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??；n低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；n系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；

13、n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(shí)，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；n直流電源采用不控整流時(shí)，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。返回目錄返回目錄1.4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的 穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì) 本節(jié)提要本節(jié)提要n轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)n開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題n閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性n開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關(guān)系n反饋控制規(guī)律n限流保護(hù)電流截止負(fù)反饋1.4.1 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo) 任何一臺(tái)需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。 歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三

14、個(gè)方面：1. 控制要求1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范 圍內(nèi)，分擋地（有級）或 平滑地（無級） 調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2）穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定 運(yùn)行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速 波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、 減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇 烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。2. 調(diào)速指標(biāo)n調(diào)速范圍調(diào)速范圍 生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D 表示，即（1-31）minmaxnnD 其中nmin 和nmax 一般都指電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。 n靜差

15、率靜差率 當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 nN ，與理想空載轉(zhuǎn)速 n0 之比，稱作靜差率 s ，即0Nnns或用百分?jǐn)?shù)表示 %1000Nnns（1-32） （1-33） 式中 nN = n0 - nN 0TeNTen0an0bab nNa nNb nO圖1-23 不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3. 靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別 然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的 。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。n例如例如：在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r

16、/min時(shí)同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時(shí)，再降落10r/min，就占100%，這時(shí)電動(dòng)機(jī)已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。 因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時(shí)所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）4. 調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系 設(shè)：電機(jī)額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低轉(zhuǎn)速為 snsnsnnNNNmin)1 (而調(diào)速范圍為 minNminmaxnnnnD將上面的式

17、代入 nmin，得 )1 (NNsnsnD（1-34） 式（1-34）表示調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)， nN 值一定，由式（1-34）可見，如果對靜差率要求越嚴(yán)，即要求 s 值越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。 n結(jié)論1 一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。速時(shí)還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。n例題例題1-1 某直流調(diào)速系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速為，額定速降 nN = 115r/min，當(dāng)要求靜差率s30%時(shí)，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率s 20%，則調(diào)速范圍是多少？如

18、果希望調(diào)速范圍達(dá)到10，所能滿足的靜差率是多少？解解 要求s 30%時(shí)，調(diào)速范圍為 若要求s 20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是3 . 5)3 . 01 (1153 . 01430)1 (NNsnsnD1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D%6 .44446. 011510143011510NNNnDnnDs1.4.2 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題 若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如果負(fù)載的生產(chǎn)工藝對運(yùn)行時(shí)的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。

19、但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。 n例題例題1-2 某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18 ，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢系數(shù)Ce=0.2Vmin/r。如果要求調(diào)速范圍 D = 20，靜差率s 5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個(gè)要求，系統(tǒng)的額定速降 最多能有多少？Nn解解 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為 這已大大超過了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。min/ r275min/ r2 .

20、 018. 0305edNNCRIn%6 .21216. 02751000275NNNNnnns 如果要求D = 20，s 5%，則由式（1-29）可知 由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275 r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！ 由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。min/ r63. 2min/ r)05. 01 (2005. 01000)1 (NNsDsnn1.4.3 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性 根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏

21、差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。 調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。 n 系統(tǒng)組成圖1-24 帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctgn 調(diào)節(jié)原理 在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動(dòng)機(jī)同軸安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī) TG ，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Un ，與給定電壓 U*n 相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓 Un ，經(jīng)過放大器 A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n。n UPE的組成 圖中，UP

22、E是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc 。UcUd0uACDCUd0Ucn UPE的組成（續(xù)） 目前，組成UPE的電力電子器件有如下幾種選擇方案：n對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器n對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等n對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置n 穩(wěn)態(tài)分析條件 下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定： 1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán) 節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只 取其線性

23、工作段。 2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。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： 電壓比較環(huán)節(jié) n*nnUUU放大器 npcUKU電力電子變換器 cs0dUKU調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性 ed0dCRIUn測速反饋環(huán)節(jié) nUnn 穩(wěn)態(tài)關(guān)系n 穩(wěn)態(tài)關(guān)系（續(xù)）以上各關(guān)系式中 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)； 轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（Vmin/r）； UPE的理想空載輸出電壓（V） ； 電樞回路總電阻。KpKsRUd0 從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，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（1-35） )1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKC

24、UKKCKKCRIUKKn n 靜特性方程n 靜特性方程（續(xù)） 式中，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為 它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。 電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)放大系數(shù)為espCKKKnEC en注意注意 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- IdR-UnKsn 閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-25a 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-25

25、b 只考慮給定作用 時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖1-25c 只考慮擾動(dòng)作用-IdR時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng))1(e*nspKCUKKn)1(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E*nU*nU 圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法同樣可以推出式（1-35）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動(dòng)量看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式， 由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35）)1()1(ede*nspKCRIKCUKKn1.4.4 開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉

26、環(huán)系統(tǒng)靜特性開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性 的關(guān)系的關(guān)系 比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn(1-36) 而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成 clcl0ede*nsp)1 ()1 (nnKCRIKCUKKn(1-37) 比較式（1-36）和式（1-37）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(dòng)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 (edcKCRInl

27、n 系統(tǒng)特性比較n 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 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 和 當(dāng) n0op =n0cl 時(shí)，（1-39）cl0clclnnsop0opopnnsKss1opcl（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以 大大提高調(diào)速范圍。 如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對最低速靜差率的要求相同，那么： 開環(huán)時(shí)， 閉環(huán)時(shí)， 再考慮式（1-38），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)）（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須 設(shè)

28、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 K 要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。 把以上四點(diǎn)概括起來，可得下述結(jié)論：結(jié)論結(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)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，從而在保證一定靜差硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及需付出的代價(jià)是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。檢測與反饋裝置。 n例題例題1-3 在例題1-2中，龍門刨床要求 D = 20，s 5%， 已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r， Ce = 0.2Vm

29、in/r， 如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？ 解解 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 ncl = 2.63 r/min由式（1-38）可得1clopnnK6 .103163. 2275代入已知參數(shù)，則得 即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(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/espCKKKn 系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程n開環(huán)系統(tǒng) Id n 例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從A A n閉環(huán)系統(tǒng) Id n Un Un n Ud0 Uc例如：在圖1-26中工作點(diǎn)從A Bn0 OIdId1Id3Id2Id4ABCAD閉環(huán)靜特性開環(huán)機(jī)械特性

30、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 由此看來，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(dòng)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)償電樞回路電阻壓降。1.4.5 反饋控制規(guī)律反饋控制規(guī)律 轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。 1. 被調(diào)量有靜差 從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp =常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為 只有 K = ，才能使 ncl = 0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)