單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

word第十七單元晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)第二節(jié)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一、轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理如圖l7-40所示。轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定、轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR、觸發(fā)器CF、晶閘管變流器U、測(cè)速發(fā)電機(jī)TG等組成。直流測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出電壓與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速成正比。經(jīng)分壓器分壓取出與轉(zhuǎn)速n成正比的轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓Ufn。轉(zhuǎn)速給定電壓Ugn與Ufn比擬，其偏差電壓ΔU=Ugn-Ufn送轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR輸入端。ASR輸出電壓作為觸發(fā)器移相控制電壓Uc，從而控制晶閘管變流器輸出電壓Ud。本閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)只有一個(gè)轉(zhuǎn)速反應(yīng)環(huán)，故稱為單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)工作原理與其靜特性設(shè)系統(tǒng)在負(fù)載T時(shí)，電動(dòng)機(jī)以給定轉(zhuǎn)速n1穩(wěn)定運(yùn)行，此時(shí)電樞電流為Id1，對(duì)應(yīng)L轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓為Ufn1，晶閘管變流器輸出電壓為Udl。dnUd

I(Rd

R) Ud

R Rd

nnC C C d 0e e e當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載T增加時(shí)，電樞電流Id也增加，電樞回路壓降增加，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速下L降，如此Ufn也相應(yīng)下降，而轉(zhuǎn)速給定電壓Ugn不變，ΔU=Ugn-Ufn增加。ASRUc角α增加，于是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速便相應(yīng)自動(dòng)上升，其調(diào)節(jié)過程可簡(jiǎn)述為：T↑→Id↑→Id(R+Rd)↑→n↓→Ufn↓→△U↑→Uc↑→α↓→Ud↑→n↑。L圖17-41所示為閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系。1/9word圖中①②③④曲線是不同Ud之下的開環(huán)機(jī)械特性。假設(shè)當(dāng)負(fù)載電流為Id1時(shí)，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在曲線①機(jī)械特性的A點(diǎn)上。Id2UgnIdA線①機(jī)械特性下降至B’點(diǎn)，轉(zhuǎn)速只能相應(yīng)下降。但在閉環(huán)系統(tǒng)中有轉(zhuǎn)速反應(yīng)裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓UfnASRUd0Ud01變?yōu)閁d02曲線②機(jī)械特性的B同理隨著負(fù)載電流增加為Id3，Id4，經(jīng)過轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)閉環(huán)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，相應(yīng)工作在曲線③④機(jī)械特性上，穩(wěn)定在曲線③④機(jī)械特性的C，D點(diǎn)上。將A，B，C，D點(diǎn)連接起來的ABCD直線就是閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性。由圖可見，靜特性的硬度比開環(huán)機(jī)械特性硬，轉(zhuǎn)速降Δn要小。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性雖然都表示電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速-電流(或轉(zhuǎn)矩)關(guān)系，但兩者是不同的，態(tài)過程。Idl突增到Id2n先從A械特性下降，然后隨著Ud01升高為Ud02，轉(zhuǎn)速n再上升到B整個(gè)動(dòng)態(tài)過程不AB轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)有靜差調(diào)速系統(tǒng)與其靜特性分析轉(zhuǎn)速給定電壓Ugn的波動(dòng)和測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁變化引起的轉(zhuǎn)速反應(yīng)電壓Ufn為了使系統(tǒng)有較高的調(diào)速精度，必須提高轉(zhuǎn)速給定電源和轉(zhuǎn)速檢測(cè)裝置的精度。2/917-40ASRUgn。這種調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，反應(yīng)量與給=Ugn-Ufn。因?yàn)檫@種調(diào)速系統(tǒng)是依靠偏差△U≠0△U的輸出電壓Uc=Kp△U=0，晶閘管變流器輸出電壓Ud0=0系統(tǒng)無(wú)常運(yùn)行。電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的電動(dòng)機(jī)全部工作在電流連續(xù)段，即它的開環(huán)機(jī)械特性全是連續(xù)段。對(duì)于圖17-40所示的轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來說，各環(huán)節(jié)的靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))方程式如下：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器采用比例放大器：式中Kp——觸發(fā)器和晶閘管變流器：式中Ud0——晶閘管變流器的空載輸出電壓；ucKu——晶閘管變流器的電壓放大倍數(shù)。晶閘管一電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)：測(cè)速發(fā)電機(jī)：式中 Kfn——測(cè)速發(fā)電機(jī)的反應(yīng)系數(shù)。從上述四個(gè)關(guān)系式中消去中間變量并整理后特性方程為：式中 K——閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)n0b——閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；Δnb——閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降。開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)的比擬17-40環(huán)系統(tǒng)，其機(jī)械特性為：式中 n0k——開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速； 、Δnk——開環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降。由以上分析可知，開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)相比擬有以下幾方面的特點(diǎn)：Ugnn0Kn0b(1+KUfnUgn，使加在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)放大器ASR(U=Ugn-Ufn)很小的緣故。閉環(huán)系統(tǒng)靜特性比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬，在一樣負(fù)載電流條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的3/9靜態(tài)轉(zhuǎn)速降Δnb僅為開環(huán)系統(tǒng)靜態(tài)轉(zhuǎn)速降Δnk的1／(1+K)倍。nObnOkb閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率Sb〔Snbb n

Sk(Snkk nk

)的1／(1+K)0b 0k倍，系統(tǒng)閉環(huán)后靜差率可顯著減小。當(dāng)系統(tǒng)靜差率S。當(dāng)開環(huán)系統(tǒng)和閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都為ne，而最低靜差率的要求一樣時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速圍可達(dá)開環(huán)系統(tǒng)調(diào)速圍的(1+K)倍。轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)△U△U速調(diào)節(jié)器采用積分調(diào)節(jié)器或比例積分器的調(diào)速系統(tǒng)是無(wú)靜差系統(tǒng)。響應(yīng)速度很慢。當(dāng)實(shí)際轉(zhuǎn)速nASRASR(積分調(diào)節(jié)器)的輸出電壓UcASR圖17-42為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。由前面分析可知，比例積分調(diào)節(jié)器的輸出由比例和積分兩局部組成。比例局部能迅速反與動(dòng)態(tài)過程中是不同的。當(dāng)突加輸入電壓Ui的瞬間，電容CRf調(diào)節(jié)器相當(dāng)于開4/9word放大倍數(shù)(104～l08)，可以使系統(tǒng)做到根本無(wú)靜差。由于系統(tǒng)是無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，系統(tǒng)的靜特性很硬，靜態(tài)轉(zhuǎn)速降Δn≈O，因而沒有必要進(jìn)展靜特性計(jì)算。下面詳細(xì)分析負(fù)載變化時(shí)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程。穩(wěn)態(tài)時(shí)，對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)速給定電壓Ugn與負(fù)載轉(zhuǎn)矩T，L1電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為n1，電動(dòng)機(jī)的電流為Id1。此時(shí)轉(zhuǎn)速UfnlASRU=Ugn1-Ufnl=Ugnl=UfnlASR的輸出電壓Uc器輸出電壓為Ud1n1TL1TL2，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩而造成電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速開始下降，于是轉(zhuǎn)速偏離給定值n1ASR△U=Ugn1-Ufnl＞0，于是通過轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR差。為了分析方便起見，先分別考慮轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRASR當(dāng)△U＞0Kp△U，相應(yīng)使晶閘管l7-43cn也越大，調(diào)節(jié)作用也越強(qiáng)，使轉(zhuǎn)速緩慢下降直到上升，l7-43bnnUd1也逐漸減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速上升至n1n=0，Ufn1=Ugn1，△U=0，△Ud1=0，比例局部的調(diào)節(jié)作用完畢。ASR調(diào)節(jié)器的積分調(diào)節(jié)作用主要是在調(diào)節(jié)過程的后一階段，積分局部的輸出電壓等于偏差電壓△U△U17-43c，△UUd2△n△n，△Ud2Ud2l7-43cUdUd1△Ud217-43dUdUdlUd2Ud2Udl=△Ud2，正好補(bǔ)償由于負(fù)載增加而引起的主回路的電阻壓降增加局部，即△ud2=△IdR∑

，從而使轉(zhuǎn)速回到原來的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速n1上，使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)節(jié)。ASR△Ud它首先快速阻止轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降，并使轉(zhuǎn)速迅速上升。隨著轉(zhuǎn)速的上升且接近原轉(zhuǎn)速n，時(shí)，l7-43dUdUdl△Ud，△Ud△Ud1Ud2Ud由Udl增加到Ud2Ud2=Udl-△Ud，增加局部電壓△Ud部△IdRASRU=0，∑5/9word而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出電壓UcUc2(Uc2＞Uc1器輸出電壓Udl穩(wěn)定在Ud2ASRUcUd由圖l7-43b可見，無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)只是在靜態(tài)(穩(wěn)態(tài))下是無(wú)差，而在動(dòng)態(tài)過程中是有差的，圖中△nmax

為最大動(dòng)態(tài)速降，它是突加階躍擾動(dòng)下動(dòng)態(tài)過程中的最大轉(zhuǎn)速降；ts為恢態(tài)性能指標(biāo)。

max

和ts是調(diào)速系統(tǒng)兩個(gè)主要?jiǎng)由鲜龅臒o(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)在理論上講是無(wú)靜差速系統(tǒng)仍然有少量的靜差。二、帶電流截止負(fù)反應(yīng)的轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)以上所表示的轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)存在起動(dòng)電流過大等問題Ugnn=0反應(yīng)電壓Ufn=0，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRU=Ugn，使ASRUc器輸出電壓Ud亦很大。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)電樞電流I

UEU

(起動(dòng)瞬間n=0，E=Ceddd R Rdd Φn=0)，由于電樞電阻R閘管和直流電動(dòng)機(jī)Σ運(yùn)行產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，甚至使晶閘管和直流電動(dòng)機(jī)燒毀。此外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電流措施，電動(dòng)機(jī)的電樞電流將大大超過額定值，使晶閘管和直流電動(dòng)機(jī)燒毀。影響調(diào)速精度，為了使電流負(fù)反應(yīng)在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不起作用，而在電流過大(超過某帶電流截止負(fù)反應(yīng)的轉(zhuǎn)速負(fù)反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖l7-44所示。17-44RRId的大小。這個(gè)電流反應(yīng)電壓與比擬電壓Ubj反向串聯(lián)，比擬電壓Ubj大小可調(diào)。當(dāng)Ubj大時(shí)，相應(yīng)的截止電流Idj也大；當(dāng)Ubj小時(shí)，相應(yīng)的截止電流Idj6/9wordRUbj之間串有一個(gè)二極管VDIdR＞Ubj時(shí)，二極管VDUfi加到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASRUfiUc迅速下降，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud也隨之迅速下降，這樣就限制了電樞電流的進(jìn)一步增加。假設(shè)負(fù)載繼續(xù)增加，電動(dòng)R，其中I為電動(dòng)du∑ du晶閘管整流裝置和電動(dòng)機(jī)。IdR＜Ubj時(shí)，二極管VD17—45Idj為截止電流，Idu為堵轉(zhuǎn)電流，該系統(tǒng)具有“控土機(jī)特性〞。實(shí)際應(yīng)用的小功率直流調(diào)速系統(tǒng)中，常采用如圖l7—46所示電流截止負(fù)反應(yīng)線路。圖中R、電位器RP、穩(wěn)壓管VS2和三極管V5從并聯(lián)在串入電動(dòng)機(jī)電樞電路的電阻RRPId流過電阻RIdRId的大小，比擬電壓就是穩(wěn)壓管VS2Id超RPVS2VS2V5C7/9下降，從而限制電流繼續(xù)增大。截止電流大小可通過電位器RP調(diào)整。三、電壓負(fù)反應(yīng)和電流正反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)用。電壓負(fù)反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)圖l7-47所示為電壓負(fù)反應(yīng)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理圖。由并接在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電阻R3，R4、電位器RP組成的分壓器取出電壓反應(yīng)信號(hào)U，

RR 。Ufu U fu R

3R

5 U fuR d3 4 5 6與轉(zhuǎn)速給定電壓相減，偏差電壓△U=U-U送電壓調(diào)節(jié)器輸入端。調(diào)節(jié)器輸出電壓作為觸發(fā)gn fu設(shè)Ud0為晶閘管變流器的理想空載電壓，Ud為電動(dòng)機(jī)電樞電壓，它們之間的關(guān)系為：式中 Rn——晶閘管變流器包括平波電抗器電)；Rd——電動(dòng)機(jī)電樞電阻。由上式可知，當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載電流增加時(shí)，由于主回路中Rn電樞電壓Ud下降，轉(zhuǎn)速nUfu-UUcgm fu出電壓Ud0增加，以補(bǔ)償主回路中Rn的電阻壓降，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n自動(dòng)上升一些。上述調(diào)節(jié)過程可以表示為Id↑→IdRn↑→Ud↓→Ufu↓→△U↑→Uc↑→Ud0↑→Ud↑→n↑。Id能夠維持電動(dòng)機(jī)電樞電壓UdRnRd帶電流正反應(yīng)的電壓負(fù)反應(yīng)調(diào)速系統(tǒng)如上所