電力拖動 第2章

直流調(diào)速系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第1篇直流電動機N、S為定子磁極，abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。直流電動機的物理模型引言直流電動機按勵磁方式可分為：1、并勵：勵磁繞組、電樞繞組并聯(lián)；2、他勵：勵磁繞組由獨立的直流電源供電；3、串勵：勵磁繞組、電樞繞組串聯(lián)；4、復(fù)勵：勵磁繞組、電樞繞組并勵和串勵；2、他勵：勵磁繞組由獨立的直流電源供電；1）良好的起、制動性能、調(diào)速性能、控制性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速。直流電動機優(yōu)點：2）數(shù)學(xué)模型簡單、準(zhǔn)確：電樞電壓、電樞電流、電樞回路總電阻、電動機輸出轉(zhuǎn)矩、電機轉(zhuǎn)速等各參數(shù)、變量之間的關(guān)系幾乎都是簡單明了的線性函數(shù)關(guān)系。挖掘機海洋鉆井機高層電梯直流電動機帶有機械換向裝置（換向器和電刷），運行時會產(chǎn)生火花和電磁干擾，電刷易磨損，需維護、更換。直流電動機缺點：一、直流（他勵）電動機的機械特性直流電動機的機械特性：指電磁轉(zhuǎn)矩Te和轉(zhuǎn)速n之間的關(guān)系，即n=f(Te)。MIdREUd直流電動機電路

—電動機反電動勢（V）；—電動機電樞電流（A）；—主電路等效電阻（），IdRUd－電動機端電壓（電樞電壓）EMIdREUd直流電動機電路

穩(wěn)定運行狀態(tài)下直流電動機的機械特性由下列三個基本方程式求得：1）轉(zhuǎn)矩方程式：2）感應(yīng)電動勢方程式：3）電樞電路電壓方程式：E=Ken=CenTe=CmIdUd=IdR+En=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-

直流電動機機械特性基本方程式n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-額定勵磁下電動機轉(zhuǎn)矩系數(shù)由電機結(jié)構(gòu)決定的電勢常數(shù)電動機在額定磁通下電勢系數(shù)勵磁磁通n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-n0β

=n0－βTe=n0－Δnn0：理想空載轉(zhuǎn)速（Id＝0或Te=0）。其物理意義是電動機理想空載的條件下，不需電動機產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩就能維持轉(zhuǎn)動外，這時電動機的電流Id及轉(zhuǎn)矩Te為0，轉(zhuǎn)速為n0，電樞中感應(yīng)電動勢E等于外加電壓Ud。β：為機械特性的斜率，其值大小可表示特性軟硬程度。β越大，特性越硬，機械特性越好。Δn：轉(zhuǎn)速降落。Δn越小Ten直流電動機的機械特性曲線n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-（Id）n0ΔnΔn=n0－βTe=n0－Δnβ越大,Δn越小,特性越硬,機械特性越好。二、直流他勵電動機的起動

指電動機通電或加壓后，從靜止?fàn)顟B(tài)加速到一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程。電動機的起動

在起動過程中，Te與TL的差距越大，dn/dt就越大，轉(zhuǎn)速增加越快。（1）起動轉(zhuǎn)矩越大、起動越快越好？（2）起動電流越大越好？三、直流他勵電動機的制動制動電氣制動機械制動電氣制動電氣制動：指電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te與轉(zhuǎn)速n的方向相反，Te起反抗運動的作用。1）使系統(tǒng)迅速減速停車；2）限制位能負(fù)載的下降速度。制動的目的

這時的制動就是指電動機的某一轉(zhuǎn)速下降到0的過程，在制動過程中電動機的電磁轉(zhuǎn)矩起制動或剎車的作用，從而縮短停車時間，提高生產(chǎn)效率。

這時的制動是指電動機處于的某一穩(wěn)定的制動運行狀態(tài)，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩起到與負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡的作用。地鐵制動系統(tǒng)四、直流他勵電動機的調(diào)速電力拖動自動控制系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)位置隨動系統(tǒng)張力控制系統(tǒng)多電動機同步控制系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng)造紙機金屬切割機n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-由上式可以看出，調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速有三種方法：（3）改變電樞回路電阻R（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud（2）減弱勵磁磁通（3）改變電樞回路電阻R（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud（2）減弱勵磁磁通三種調(diào)速方法的性能比較（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud1、在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速；2、非常容易地實現(xiàn)連續(xù)可調(diào)；3、變壓調(diào)速范圍大，控制性能好。因此，作為的直流調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)速方法是變壓調(diào)速。（2）減弱勵磁磁通1、調(diào)速地范圍不大；2、只能在基速以上作小范圍地升速。這種調(diào)速方法不能作為主導(dǎo)調(diào)速方法，只能作為輔助調(diào)速方法，配合變壓調(diào)速方法拓寬系統(tǒng)的調(diào)速范圍。（3）改變電樞回路電阻R1、一般只能是有級調(diào)速，也不易構(gòu)成自動控制系統(tǒng)；2、在電機低速運行時電阻消耗大，系統(tǒng)運行效率低，故對于能夠構(gòu)成自動控制系統(tǒng)的直流調(diào)速系統(tǒng)來說一般不予采用。n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。直流電動機的調(diào)速Tenn=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-（Id）n0U1n0NabTL1TL2cUNnancnb在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL不變的條件下：調(diào)速由負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化第2章轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)2.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源直流電動機轉(zhuǎn)速方程:調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ud。（2）減弱勵磁磁通。（3）改變電樞回路電阻R。n=

Ud-IdRKe

Ud-IdRCe==RCeCmTeUdCe-自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。改變電源電壓調(diào)速，需要有電壓可調(diào)的直流電動機供電。常用的可控直流電源有以下三種:旋轉(zhuǎn)變流機組(G-M)——用直流發(fā)電機和交流電動機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。

晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)(V-M)——用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。

直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)(PWM)——用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。2.1.1晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)(V-M）

晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）：

由晶閘管整流器為直流電動機提供可變的直流電壓，從而調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速，組成晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)）。圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

觸發(fā)裝置GT晶閘管可控整流器VT電抗器L:起濾波作用，保持電流連續(xù)系統(tǒng)組成?V-M系統(tǒng)工作原理：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，即可改變輸出電壓Ud（整流電壓），從而實現(xiàn)直流電動機平滑調(diào)速。

V-M系統(tǒng)的特點(優(yōu)越性):1、功率放大倍數(shù)大；2、控制作用的快速性好。3、效率高、損耗小1觸發(fā)脈沖相位控制工作原理

調(diào)節(jié)控制電壓Uc，從而移動觸發(fā)裝置GT輸出脈沖相位，即改變可控整流器VT輸出瞬時電壓的波形，以及輸出平均電壓Ud的數(shù)值。圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

ud0Ud0V-M系統(tǒng)主電路Ud0IdEMRrec整流裝置內(nèi)部的電阻Rrec等效電路Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

瞬時電壓平衡方程式中：

E—電動機反電動勢（V）；

id—整流電流瞬時值（A）；L—主電路總電感（H）；R—主電路等效電阻（），

R=Rrec+Ra+RL。整流裝置內(nèi)阻電動機電樞內(nèi)阻平波電抗器內(nèi)阻M圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。ud0Ud0

式中—從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；—

=

0時的整流電壓波形峰值（V）；—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。Umm整流電壓的平均值計算Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時，Ud0=f()可用下式表示:表2-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓整流電路

單相全波

三相半波

三相全波

六相半波

Um

22U

22U

26U

22U

m

2

3

6

6

Ud0

acos9.02U

acos17.12U

acos34.22U

acos35.12U

U2是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。三相全波26U6acos34.22U整流與逆變狀態(tài)

1）當(dāng)0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；逆變顛覆限制

Ud0/22）當(dāng)/2<<max

時，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。整流max有源逆變通過設(shè)置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。逆變顛覆圖觸發(fā)脈沖相位角控制下整流電壓平均值曲線圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

V-M系統(tǒng)調(diào)速：觸發(fā)裝置GT的作用就是把控制電壓Uc轉(zhuǎn)換成觸發(fā)脈沖的相位角，控制整流電壓的平均值Ud0。ud0Ud0Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

2.電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)輸出的電流總是脈動的。M由于電流波形的脈動，可能存在電流的連續(xù)與斷續(xù)兩種情況。圖2-4V-M系統(tǒng)的電流波形1、整流電流波形為連續(xù)

V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的一個特點Ud0IdE圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

∞

Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

小2、整流電流波形為斷續(xù)2、整流電流波形為斷續(xù)1、整流電流波形為連續(xù)電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)方程帶來一種非線性的因素，造成機械特性的非線性，以及系統(tǒng)運行中的一些問題。因此在實際應(yīng)用中盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)現(xiàn)象。脈動電流危害及抑制電流脈動的措施1、脈動電流危害脈動電流產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩脈動電流造成較大的諧波分量2、抑制電流脈動的措施設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。設(shè)置電感量足夠大平波電抗器；脈動電流危害及抑制電流脈動的措施Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

選擇平波電感量原則和計算電抗器總的電感量的步驟:選擇平波電感量原則:

一般按低速輕載時，保證電流連續(xù)的條件選擇。

1）選定最小電流Idmin：Idmin=(5%~10%)IN

3）計算平波電抗器電感量L平：L平＝L總－La計算平波電抗器電感量的步驟：2）由Idmin計算所需的總的電感量L總：單相橋式全控整流電路:總?cè)喟氩ㄕ麟娐?總?cè)鄻蚴秸麟娐?總電樞電感量3.晶閘管整流器-電動機系統(tǒng)的機械特性

Ud0IdE圖2-2V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

大穩(wěn)態(tài)運行＝0

當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式＝式中Ce—電機在額定磁通下的電動勢系數(shù),Ce=KeN。1)全控式整流電路2)電流連續(xù)方程式成立條件（1）電流連續(xù)情況圖2-5電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

△n=Id

R/CeILnIdO＝n0-n上述分析說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。n0大圖2-5電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

△n=Id

R/CenIdILO（2）電流斷續(xù)情況圖中電流較小的部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)，機械特性方程不再適用。理想空載轉(zhuǎn)速圖2-6完整的V-M系統(tǒng)機械特性1、V-M系統(tǒng)機械特性2、V-M系統(tǒng)機械特性的特點電流連續(xù)時特性比較硬

電流斷續(xù)時特性很軟；呈現(xiàn)非線性；理想空載轉(zhuǎn)速翹的很高。0<</2,n>0>/2,n<0

一般分析調(diào)速系統(tǒng)時，只要主電路電感足夠大，可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延長線作為系統(tǒng)的特性。4.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

觸發(fā)電路控制電壓整流電壓4晶閘管觸發(fā)和整流裝置的

放大系數(shù)和傳遞函數(shù)放大系數(shù)傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)分析動態(tài)分析1）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置

的放大系數(shù)的計算圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

實際的觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。最好的方法：實驗方法測出輸入－輸出特性曲線，即Ud=f(Uc)UcUd1）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置

的放大系數(shù)的計算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定，計算方法是： 圖2-7晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

（1）特性曲線斜率例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V相對應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V(2)放大系數(shù)估算=(220-0)/(10-0)=22如不能實測特性，則根據(jù)裝置的參數(shù)估計。1）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置

的放大系數(shù)的計算KsUc(s)Ud0(s)晶閘管觸發(fā)與整流裝置穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖2）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

Ud0圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

由晶閘管特性可知：晶閘管一旦導(dǎo)通后，控制電壓的變化對它不再起作用。除非下一相觸發(fā)脈沖到來時才能輸出整流電壓的變化，因此造成整流電壓Ud0滯后于控制電壓Uc。Ud0Ud0在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管的失控時間Ts引起的。t1t2t3t4UcUdUc111Ud01Uc22Ud02Ts圖2-8晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間最大失控時間計算式中

—交流電流頻率（Hz）；—一周內(nèi)整流電壓的脈波數(shù)。fm

顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨Uc發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定:失控時間Ts值的選取

平均值：

Ts

=Tsmax/2表2-2各種整流電路的失控時間晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)的求取若用單位階躍函數(shù)表示滯后時間，則晶閘管和整流裝置地輸入輸出關(guān)系為：近似傳遞函數(shù)工程近似條件ωc≤3Ts1晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準(zhǔn)確的b）近似的圖2-9晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖返回目錄可逆運行困難；易損壞元件；產(chǎn)生諧波電流（電力公害）。5.晶閘管整流器運行中存在的問題（缺陷）

圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

2.1.2直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的高頻電力電子開關(guān)控制方式，形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)。晶閘管－電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）與直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)（直流PWM系統(tǒng)）相比，區(qū)別在于：V-M調(diào)速系統(tǒng)：采用的電力電子元件是晶閘管可控整流裝置，通過控制觸發(fā)相位角，可以改變平均輸出電壓的大小。直流PWM變換器-電動機系統(tǒng)：采用的電力電子元件是脈寬調(diào)制變換器（PWM變換器），產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。PWM變換器：脈寬調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，簡稱PWM變換器。PWM變換器的作用：用PWM調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

1.PWM變換器工作狀態(tài)

和電壓、電流波形PWM變換器形式：可逆不可逆雙極式單極式受限單極式無制動有制動Ud(n)不可逆PWM變換器圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg（1）簡單的不可逆PWM變換器（無制動作用的PWM變換器）直流降壓斬波器：主電路功率開關(guān)器件是任意一種全控型開關(guān)器件(IGBT)絕緣柵雙極晶體管?主電路結(jié)構(gòu)圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg直流電源電壓：由不可控整流電源提供濾波電容器：采用大電容濾波直流電動機續(xù)流二極管:在晶體管VT關(guān)斷時，為電樞電路提供釋放電感能量通路。功率開關(guān)器件:IGBTVT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓序列Ug驅(qū)動。?工作原理圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

M21UdOtUgUd=0ton≤t≤T+Us0≤t≤

ton當(dāng)0≤

t<ton時，Ug為正，VT導(dǎo)通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當(dāng)ton

≤

t<T時，Ug為負(fù)，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,itUstonT0圖2-10b電壓和電流波形O電機兩端得到的平均電壓為: 式中=ton

/T為PWM波形的占空比。Ud=0ton≤t≤T+Us0≤t≤

tonUd電壓Ud波形圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+CVTidM+__Ea）主電路原理圖

M21UdUg電流id波形U,itUstonT0圖2-10b電壓和電流波形OUdEid電動機反電動勢E的波形

電流波形是脈動的。由于電磁慣性，電樞電流變化的幅值比電壓幅值要小。Ud=E+RId圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg

在簡單的不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行。需要制動時，必須為反向電流提供通路。

因此應(yīng)該設(shè)置控制反相通路的第二個電力晶體管，形成2個晶體管VT1和VT2交替開關(guān)的電路。主電路結(jié)構(gòu)圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄid（2）有制動的不可逆PWM變換器電路1.雙管交替開關(guān)電路：當(dāng)VT1導(dǎo)通時，流過正向電流+id，VT2導(dǎo)通時，流過–id。2.電路不可逆：只能工作在第一、二象限，因為平均電壓Ud并沒有改變極性。-idVT1是主管，起控制作用VT2是輔助管，用以構(gòu)成電動機的制動電路。U,iO電動過程分析及輸出波形M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E12CUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器UdEidUsttonT圖1-17b一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形Ud=0ton≤t≤T+Us0≤t≤

ton在0≤t≤ton期間，Ug1為正，VT1導(dǎo)通，Ug2為負(fù)，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。ton為VT1的導(dǎo)通時間在ton

≤

t≤T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導(dǎo)通，因為id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導(dǎo)通的可能。電動：實際上是由VT1和VD2交替導(dǎo)通，雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件，但并沒有被用上.id圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ制動過程分析

在制動狀態(tài)中，id為負(fù)值，VT2就發(fā)揮作用了。-id制動過程分析圖2-11a有制動電流通路的不可逆PWM變換器M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ－id43在0≤

t≤

ton

期間，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導(dǎo)通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導(dǎo)通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。

制動：VT2和VD1輪流導(dǎo)通，而VT1始終是關(guān)斷的.對于帶制動的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（ton

≤t<T）U,iUdEidUsttonT0O2.直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性Ud0IdE機械特性方程==

Us按電壓方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導(dǎo)出直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性：帶制動的不可逆電路電壓平均值：＝Ud/Us:PWM電壓系數(shù)Ud

=

Us0式中Cm—電機在額定磁通下的轉(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

。機械特性方程PWM調(diào)速系統(tǒng)機械特性n–Id,–TeOn0s0.5n0s0.25n0sId

,Te圖2-12脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性曲線（電流連續(xù)），n0s＝Us

/Ce

=1

=0.75

=0.5

=0.25機械曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。第一、二象限的機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路雙極式控制可逆電路的機械特性與此相仿，只是更擴展到第三、四象限了。VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

MUdOtUg圖2-10簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)3.PWM控制器與變換器的數(shù)學(xué)模型驅(qū)動電壓M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1ECUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ圖2-11有制動電流通路的不可逆PWM變換器驅(qū)動電壓驅(qū)動電壓UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖2-13PWM控制與變換器的框圖

PWM控制器的控制電壓PWM控制器輸出到主電路開關(guān)器件的驅(qū)動電壓PWM變換器輸出的直流平均電壓

無論那一種PWM變換器，其驅(qū)動電壓Ug都是PWM控制器發(fā)出的。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21PWM控制與變換器的框圖

根據(jù)其工作原理，當(dāng)控制電壓Uc改變時，PWM變換器的輸出電壓Ud要到下一個周期才能改變。因此PWM變換器和控制器合起來可以看成一個滯后環(huán)節(jié)，它的滯后時間最大不超過一個開關(guān)周期。PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）：是一個滯后環(huán)節(jié)。PWM裝置其傳遞函數(shù)可以寫成：式中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；Ts—PWM裝置的延遲時間，Ts

≤

T。

在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此:與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖2-13PWM控制與變換器的框圖

PWM控制裝置PWM裝置與晶閘管一致：數(shù)學(xué)模型；控制作用。2.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)和直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性

1.對調(diào)速系統(tǒng)的控制要求2.2.1轉(zhuǎn)速控制的要求和穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)2）穩(wěn)速——以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速——頻繁起、制動的設(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械則要求起、制動盡量平穩(wěn)。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；反映了調(diào)速系統(tǒng)性能的好壞，可以用調(diào)速性能指標(biāo)來定量衡量:動態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)2.調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)（1）調(diào)速范圍（D）

電動機在額定負(fù)載下，生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即：nTeTeNnmaxnmin在沒有特殊指定時，一般地nmax和nmin都是指額定負(fù)載下的最高和最低轉(zhuǎn)速；對于少數(shù)負(fù)載很輕的機械，也可用實際負(fù)載時的轉(zhuǎn)速來定義調(diào)速范圍；通常nmax即為電動機的額定轉(zhuǎn)速nN,nmax=nN；調(diào)速范圍D越大，說明系統(tǒng)的調(diào)速范圍越寬。使用說明：nNnTenmaxnminTeNnN

||根據(jù)D大小交、直流調(diào)速系統(tǒng)的分類:D<3：調(diào)速范圍小的系統(tǒng)；3<D<50：調(diào)速范圍中等的調(diào)速系統(tǒng)；D≥50：寬調(diào)速范圍的系統(tǒng)；D≥1000：現(xiàn)代交直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。所以，擴大調(diào)速范圍一直是調(diào)速系統(tǒng)的重要課題。（2）靜差率（S）式中:nN=n0-nN

當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負(fù)載由理想空載增加到額定值時所對應(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，nTe(Id)nNn0TeN2.調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)指標(biāo)nN靜差率S概念說明：靜差率表征負(fù)載變化引起調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速偏離原定轉(zhuǎn)速的程度。所以，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度。靜差率S越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越好，系統(tǒng)的穩(wěn)定性越好。nTe(Id)nNn0TeNnNA.機械特性硬度不同靜差率與機械特性硬度的關(guān)系若機械特性不同，機械特性越硬，nN越小，靜差率S越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度越高，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性能越好。

nNTeNnTen0

nNS小S大0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO圖1-23不同轉(zhuǎn)速下的靜差率靜差率與機械特性硬度的關(guān)系B.機械特性硬度相同對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。S大S小

一般所提的靜差率要求是指系統(tǒng)在最低速時的靜差率指標(biāo)。0TeNTen0maxn0minSminSmax?

nN?

nNnO圖2-14不同轉(zhuǎn)速下的靜差率nminnN（3）靜差率S與調(diào)速范圍D的關(guān)系

調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標(biāo)應(yīng)以最低速時所能達(dá)到的數(shù)值為準(zhǔn)。調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指在最低速時滿足靜差率要求下系統(tǒng)所達(dá)到的最大調(diào)節(jié)范圍。在一定的靜差率S條件下系統(tǒng)能達(dá)到多大的調(diào)速范圍D。

設(shè)：電機額定轉(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)該是最低速時的靜差率，即最低轉(zhuǎn)速為：調(diào)速范圍為：nmin=nND（4）調(diào)速范圍D、靜差率S和額定速降nN之間的關(guān)系

對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或是值是一定的，對于靜差率S的要求越小，則系統(tǒng)能夠達(dá)到的調(diào)速范圍越小。調(diào)速范圍D、靜差率S和額定速降nN之間的關(guān)系

一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。結(jié)論1

例題2-1

某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN=1430r/min，額定速降nN

=115r/min，(1)當(dāng)要求靜差率s≤30%時,允許多大的調(diào)速范圍D？(2)如果要求靜差率s≤20%,則調(diào)速范圍D是多少？(3)如果希望調(diào)速范圍達(dá)到D=10，所能滿足的靜差率S是多少？解:(1)

要求s≤30%時，調(diào)速范圍為:(2)若要求s≤20%，則調(diào)速范圍只有(3)若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是nN=1430r/min，nN

=115r/min≤≤2.2.2直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

開環(huán)系統(tǒng)UPE(晶閘管整流器、PWM變換器)圖2-15開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理圖1)電力電子變換器2)直流電動機電力電子變換器1)電力電子變換器2)直流電動機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性：開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖：整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)UcUd0Ks電動機n1/CeIdRE-圖2-17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性：n0n01n02n03⊿nNUc1Uc2Uc3Uc0Uc0>Uc1>Uc2>Uc3圖2-17開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的機械特性例題2-2某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：PN=60kW,UN=220V,IN=305A，nN=1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18,電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/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？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？0TeNTen0maxn0minSminSmax?

nN?

nNnO圖2-14不同轉(zhuǎn)速下的靜差率nminnNSN＝解:當(dāng)電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為≥5％

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)來解決這個問題。轉(zhuǎn)速波動大調(diào)速范圍小開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為如要求D=20，S≤5%,Smin=2.3轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(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。

2.3.1轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型圖2-18

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+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～1、系統(tǒng)原理框圖給定比較速度調(diào)節(jié)器電力電子器件組成的變換器負(fù)載直流電動機測速UcUd0u~ACDC

UPE組成：其輸入接三相（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc。1、中、小容量系統(tǒng)：由IGBT組成的PWM變換器；2、較大容量的系統(tǒng)：采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO等；3、特大容量的系統(tǒng)：晶閘管觸發(fā)與整流裝置。在自動控制系統(tǒng)中，對信號經(jīng)比較環(huán)節(jié)得到的誤差信號進行計算、調(diào)節(jié)的單元叫調(diào)節(jié)器。直流測速發(fā)電機在電動機同軸上安裝一臺測速發(fā)電機TG，它的輸出電壓Un與轉(zhuǎn)速n成正比，這就構(gòu)成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～對給定信號的調(diào)節(jié)改變Un*,則n改變,即n隨著Un*改變而改變。(調(diào)速過程)2、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)原理對擾動信號的調(diào)節(jié)

負(fù)載波動時,n基本不受擾動輸入的影響,速降很小。+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～TL(穩(wěn)速過程)

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。2、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)原理閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)原理

同一系統(tǒng)的閉環(huán)速降將小于開環(huán)速降。3、轉(zhuǎn)速反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)（靜）特性下面分析閉環(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，或者只取其線性工作段。2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。3）假定只工作在V-M系統(tǒng)開環(huán)機械特性的連續(xù)段。比較+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～給定速度調(diào)節(jié)器電力電子器件組成的變換器直流電動機測速比較負(fù)載Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUnUcUd0nUn-圖2-18帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖1、對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT組成的PWM變換器；2、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等；3、對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖：Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-

穩(wěn)態(tài)關(guān)系1)電壓比較環(huán)節(jié)

2)放大器3)電力電子變換器

(整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)）

4)直流電動機5)測速反饋環(huán)節(jié)

KpKs1/Ceα放大器電壓放大系數(shù)晶閘管整流裝置電壓放大系數(shù)轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)IdRE-靜特性方程(1)由各環(huán)節(jié)輸入輸出關(guān)系式推導(dǎo)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：IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E1)電壓比較環(huán)節(jié)

2)放大器3)電力電子變換器

(整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)）

4)直流電動機

5)測速反饋環(huán)節(jié)

:閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E是各個環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)乘積。它相當(dāng)于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開，從放大器輸入起到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)。

注意

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(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。

若上圖只考慮給定作用Un*時的閉環(huán)系統(tǒng)：

若上圖

只考慮擾動作用-IdR

時的閉環(huán)系統(tǒng)：U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-EIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E（2）用靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖推導(dǎo)靜特性方程式建立系統(tǒng)動態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）列出描述該環(huán)節(jié)動態(tài)過程的微分方程；（2）進行拉氏變換；（3）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（4）根據(jù)各個環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖畫出系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖；（5）求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。4.轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

動態(tài)數(shù)學(xué)模型一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1）、額定勵磁下的直流電動機的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器2）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3）、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4）、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。直流電動機的勵磁為額定勵磁，且保持不變。

直流電動機本身的運動阻力都?xì)w并到負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL中去。主電路電流連續(xù)。1）.額定勵磁下的直流電動機的傳遞函數(shù)假定：E=CenTe=CmId

TL=CmIdLTL+-MUd0+-ERLTeidM圖1-33他勵直流電動機等效電路

1）動態(tài)電壓方程式中，R=Rrec+RL+RaRrec:整流裝置內(nèi)阻RL：平波電抗器電阻Ra：電動機電樞電阻2）電動機軸上的動力學(xué)方程式中TL—包括電機空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩(N·m)；

GD2

—電力拖動系統(tǒng)折算到電機軸上的飛輪慣量(N·m2)；3）額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩

Cm

—電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m/A)，

電樞回路總電阻Tl—電樞回路電磁時間常數(shù)(s)，a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖1/RTls+1E(s)Ud0(s)+-Id1）動態(tài)電壓方程電流與電動勢間的傳遞函數(shù)

Tm—電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù)(s)TL=CmIdLCmId-CmIdLn=E/Ceb)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖2）電動機軸上的動力學(xué)方程3）額定勵磁下的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩Id

(s)IdL(s)+-RTmsE

(s)電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

Id

(s)IdL(s)+-E

(s)RTmsb)電流電動勢間的結(jié)構(gòu)框圖E(s)Ud0(s)+-1/RTls+1Id

(s)a)電壓電流間的結(jié)構(gòu)框圖+圖2-21額定勵磁下直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1/Cen額定勵磁下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器圖2-21c整個直流電動機的動態(tài)的結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)E++--1/RTls+1RTmsIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化圖2-21c整個直流電動機的動態(tài)的結(jié)構(gòu)框圖n(s)1/CeUd0(s)IdL

(s)

EId(s)Un++--1/RTls+1RTmsn(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)a.IdL≠0動態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡化（續(xù)）n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)a.IdL≠0b.IdL=0(空載)一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1）、額定勵磁下的直流電動機的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)2）、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3）、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4）、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。2）.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

構(gòu)成系統(tǒng)的主要環(huán)節(jié)是電力電子變換器和直流電動機。不同電力電子變換器的傳遞函數(shù)，它們的表達(dá)式是相同的，都是只是在不同場合下，參數(shù)Ks和Ts的數(shù)值不同而已。

Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E2）.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1)、額定勵磁下的直流電動機的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)2)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3)、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4)、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。放大器直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中的其他環(huán)節(jié)還有比例放大器和測速反饋環(huán)節(jié)，它們的響應(yīng)都可以認(rèn)為是瞬時的，因此它們的傳遞函數(shù)就是它們的放大系數(shù)，即

數(shù)學(xué)模型3).控制（比例放大器）環(huán)節(jié)的

數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)Uc=KpΔUn傳遞函數(shù)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖KpΔUnUcUn*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器KpΔUnUc一、環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)1)、額定勵磁下的直流電動機的傳遞函數(shù)；Un*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)2)、晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)；3)、比例放大器的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)；4)、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)。放大器測速檢測4)、測速反饋環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型傳遞函數(shù)Un=αn動態(tài)結(jié)構(gòu)圖αUnnUn*放大器整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)電動機測速檢測ΔUn*UcUd0nUn-電動機整流器及觸發(fā)環(huán)節(jié)測速檢測放大器KpΔUnUcαUnn二、單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)數(shù)學(xué)模型和傳遞函數(shù)1、動態(tài)數(shù)學(xué)模型（動態(tài)結(jié)構(gòu)圖）n(s)Ud0

(s)+-1/CeTmTls2+Tms+1IdL

(s)R(Tls+1)Uc(s)Ud0(s)αUnnKpΔUnUcΔUnUn*Un-反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖2-23轉(zhuǎn)速反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)nIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E圖2-23反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)2.調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)是:1/CeTmTls2+Tms+1KpKsTss+1K=KpKs/CeW(S)=3.調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)U*n(s)IdL

(s)

Uc

(s)Un(s)+-KsTss+1KP1/CeTmTl

s2+Tms+1+-R(Tls+1)Ud0(s)△Un(s)=0閉環(huán)特征多項式2.3.2比例控制的直流調(diào)速系統(tǒng)1.開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系系統(tǒng)的開環(huán)機械特性(K=0)為：

閉環(huán)時的靜特性可寫成：IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E＝0

開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速

開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降

閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速

閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)特性比較當(dāng)K較大時，Δncl<<Δnop。在同樣的負(fù)載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別:（1）（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。在相同負(fù)載下閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性和開環(huán)系統(tǒng)機械特性nn0閉開ΔnclΔnop注：這是閉環(huán)系統(tǒng)的一個突出特點。閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，則靜特性的硬度越大。但K的最大值受到閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性條件所限制不能太大。210閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為:

當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K較大時，Scl可以比Sop小得多。（2）當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同n0op=n0cl

，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多,即Scl<Sop。當(dāng)n0op=n0cl時，（2）閉開n0op=n0clSclSop

如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對最低速靜差率的要求相同，那么：閉環(huán)時， 開環(huán)時,（3）當(dāng)要求的靜差率一定，且最高轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速nN)相同時閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。當(dāng)閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K較大時，Dcl可比Dop大得多。（3）（2）當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同n0op=n0cl

，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多,即Scl<Sop。（3）當(dāng)要求的靜差率一定，且最高轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速nN)相同時閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍，即Dcl>Dop。（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。

綜合上述三點可見：提高閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K是擴大系統(tǒng)的調(diào)速范圍D、減小靜差率S、降低轉(zhuǎn)速降落Δn的有效措施。（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。（4）

上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。圖2-1晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

Un*開環(huán)系統(tǒng)中不用設(shè)置放大器IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E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，且閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)越大，穩(wěn)態(tài)（靜）特性就越硬。在保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。

結(jié)論2在例題2-2中，龍門刨床要求：D=20，s≤5%。已知Ks=30，=0.015V·min/r，Ce=0.2V·min/r，如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

例題2-3解：Δnop=275r/min；Δncl

≤2.63r/min≥

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)。

開環(huán)系統(tǒng)：

閉環(huán)系統(tǒng)：

Id

RId

nId

nUnUn

nUd0Uc閉環(huán)系統(tǒng)能夠減小穩(wěn)態(tài)速降，但不是減少電阻。系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程及

閉環(huán)系統(tǒng)降低穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)IdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-En0OIdId1Id3Id2Id4ABCA′D閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性圖2-24閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關(guān)系Ud04Ud03Ud02Ud01閉環(huán)靜特性曲線ΔnopΔnclIdRKpKs1/CeαΔUn*UcUd0nUn-Un*-E閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)：

在于它的自動調(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（整流電壓），以補償電樞回路電阻壓降的變化。2.反饋控制規(guī)律1).被調(diào)量有靜差2).抵抗擾動,服從給定3).系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度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。閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降：=常數(shù)

穩(wěn)態(tài)速降只能減小，不可能消除。

因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的。（采用比例放大器）比較+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUctg～給定速度調(diào)節(jié)器電力電子器件組成的變換器直流電動機測速比較負(fù)載IdRKpKs1/CeαΔUnUcUd0nUn-Un*-EΔncl＝0

這種系統(tǒng)是以偏差存在為前提的。

閉環(huán)系統(tǒng)能夠減小靜態(tài)速降，但不能消除靜態(tài)速降，這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱為有靜差的調(diào)速系統(tǒng)。有靜差調(diào)速系統(tǒng)（采用比例放大器）2).抵抗擾動,服從給定

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)所包圍的前向通道上的擾動作用，但完全服從給定作用。擾動作用與影響圖2-25閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化（負(fù)載）電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

UcUd0u~ACDCUd0Uc擾動：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化的因素都叫做“擾動作用”。抗擾能力（1）反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。圖2-25閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

抗擾能力（續(xù)）（2）但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

抗擾能力（續(xù)）勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。給定作用（3）在反饋環(huán)外的給定作用Un*，它的些微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

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，聽從于給定信號的任何變化。結(jié)論3抗擾性能是負(fù)反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)最突出的特征。根據(jù)這一特征，在設(shè)計系統(tǒng)時，一般只考慮其中最主要的擾動，如在調(diào)速系統(tǒng)中只考慮負(fù)載擾動，按照抑制負(fù)載擾動的要求進行設(shè)計，則其它擾動的影響就必然受到抑制。勵磁變化Id變化（負(fù)載）電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

3).系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

系統(tǒng)的精度依賴于給定穩(wěn)壓電源和反饋檢測元件精度3.比例控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的動態(tài)穩(wěn)定性閉環(huán)特征方程由勞斯穩(wěn)定判據(jù)可知：S3S2S1S01>0>0>0>01

Kcr稱作系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，當(dāng)K

≥Kcr時，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。

=Kcr反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件系統(tǒng)穩(wěn)定性分析在例題2-3中，系統(tǒng)采用的是三相橋式可控整流電路，已知R=0.18，L=3mH，系統(tǒng)運動部分的飛輪慣量GD2=60N·m2，試判別這個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

例題2-42)機電時間常數(shù)Tm1)失控時間Ts

對于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時間常數(shù)為3)電磁時間常數(shù)TlTs=0.00167s反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件：為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足的穩(wěn)定條件：返回目錄按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求K

≥103.6，因此，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。例題2-5在上題的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若改用全控型器件PWM調(diào)速系統(tǒng)，電動機不變，電樞回路參數(shù)為：已知R=0.1，L=1mH，Ks=44，PWM開關(guān)頻率為8kHz。按同樣的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)：D=20，s≤5％，該系統(tǒng)能否穩(wěn)定？如果對靜差率的要求不變，在保證穩(wěn)定時，系統(tǒng)能夠達(dá)到的最大調(diào)速范圍有多少？

1、首先求出使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍。解：2)機電時間常數(shù)Tm

1)失控時間Ts

3)電磁時間常數(shù)Tl

R=0.1，L=1mH，Ks=44，PWM開關(guān)頻率為8kHz。D=20，s≤5％。

K<339.4所以，使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍2、按照性能指標(biāo)的要求，選取滿足K的取值范圍305X0.10.2=152.5r/min≥152.42.63-1=57K≥57綜合1、2，系統(tǒng)完全在滿足穩(wěn)態(tài)性能的條件下穩(wěn)定運行。1、首先求出使系統(tǒng)穩(wěn)定的K的取值范圍K<339.4D=20，s≤5％。上題的閉環(huán)脈寬調(diào)速系統(tǒng)在臨界穩(wěn)定的條件下，最多能達(dá)到多大的調(diào)速范圍？