交直流調(diào)速課件

緒論1交直流調(diào)速控制系統(tǒng)組成及其相關(guān)學(xué)科控制對(duì)象為電動(dòng)機(jī)，從電動(dòng)機(jī)類型上看可分為直流電動(dòng)機(jī)、交流異步電動(dòng)機(jī)和交流同步電動(dòng)機(jī)，從用途上看可分為用于調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和用于伺服系統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)。電動(dòng)機(jī)是調(diào)速控制系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)

功率放大與變換裝置弱電控制強(qiáng)電的媒介，在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中作為電動(dòng)機(jī)的可控電源功率放大與變換裝置有電機(jī)型、電磁型、電力電子型等，現(xiàn)在多用電力電子型的。電力電子器件經(jīng)歷了由半控型向全控型、由低頻開(kāi)關(guān)向高頻開(kāi)關(guān)、由分立的器件向具有復(fù)合功能的功率模塊發(fā)展的過(guò)程?？刂破骺刂破鞣帜M控制器和數(shù)字控制器兩類，也有模數(shù)混合的控制器，現(xiàn)在已越來(lái)越多地采用全數(shù)字控制器。信號(hào)檢測(cè)與處理運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中常用的反饋信號(hào)是電壓、電流、轉(zhuǎn)速和位置，為了真實(shí)可靠地得到這些信號(hào)，需要相應(yīng)的傳感器。轉(zhuǎn)換為反饋信號(hào)反饋給控制器控制理論

控制理論是運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)，是指導(dǎo)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的依據(jù)。相關(guān)學(xué)科電機(jī)學(xué)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，控制理論，信號(hào)檢測(cè)與處理等多門學(xué)科相互交叉的綜合性學(xué)科技術(shù)進(jìn)步與發(fā)展的四個(gè)特征（1）全控型電力電子器件取代半控型器件，變換技術(shù)由相位控制轉(zhuǎn)變成脈寬調(diào)制；（2）模擬電子控制讓位于計(jì)算機(jī)數(shù)字控制；（3）交流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)取代直流運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)；（4）計(jì)算機(jī)仿真與輔助設(shè)計(jì)逐步溶入運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的性能分析與設(shè)計(jì)中。1電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)

1.1電力拖動(dòng)的動(dòng)力學(xué)電力拖動(dòng)是由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，并通過(guò)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的一個(gè)動(dòng)力學(xué)整體。從動(dòng)力學(xué)角度來(lái)看，都服從統(tǒng)一的動(dòng)力學(xué)規(guī)律

1.1.1電力拖動(dòng)系統(tǒng)組成1.1.2電力拖動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程式一、運(yùn)動(dòng)方程式根據(jù)牛頓動(dòng)力學(xué)定律可知，

電力拖動(dòng)系統(tǒng)中常用飛輪慣量GD2來(lái)代替J，其中：

J與GD2的關(guān)系為由于n與

的關(guān)系為：

=2πn/60

J與GD2的關(guān)系為可得電力拖動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程式的實(shí)用形式

375=4g×60/2π，是具有加速度量綱的系數(shù)。GD2是表示整個(gè)旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)慣性的物理量，是一個(gè)符號(hào)，切不可以把它割裂開(kāi)而理解為系統(tǒng)的G與D2的乘積。運(yùn)動(dòng)方程的物理意義

電力拖動(dòng)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速變化dn/dt（即加速度）由電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL的關(guān)系決定。（1）當(dāng)Te=TL時(shí)，dn/dt=0，表示電動(dòng)機(jī)以恒定轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)或靜止不動(dòng)，電力拖動(dòng)系統(tǒng)的這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)被稱為穩(wěn)態(tài)或靜態(tài)；（2）若Te＞TL時(shí)，dn/dt＞0，系統(tǒng)加速；（3）若Te＜TL時(shí)，dn/dt＜0，系統(tǒng)減速。一旦Te≠TL，則轉(zhuǎn)速將發(fā)生變化，我們把這種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)稱為動(dòng)態(tài)或過(guò)渡狀態(tài)。1.2多軸拖動(dòng)系統(tǒng)的折算1.2.1系統(tǒng)等效的原則保持兩個(gè)系統(tǒng)傳遞的功率及儲(chǔ)存的動(dòng)能相同。若以電動(dòng)機(jī)軸為研究對(duì)象，需要折算的量有工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩、系統(tǒng)中各軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J1、J2、…JL。對(duì)于某些直線運(yùn)動(dòng)的機(jī)構(gòu)，則必須進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)的質(zhì)量mL及運(yùn)動(dòng)所需克服的阻力FL折算到電動(dòng)機(jī)軸上。1.2.2多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的等效方法一、靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的折算先考慮簡(jiǎn)單的兩軸系統(tǒng)，假如要把工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩TL'算到電動(dòng)機(jī)軸上，其靜態(tài)轉(zhuǎn)矩的等效原則是：系統(tǒng)的傳送功率不變。TL'ωL=TLω

系統(tǒng)的等效負(fù)載若考慮傳動(dòng)效率由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)，功率由電動(dòng)機(jī)各工作機(jī)構(gòu)傳送，傳動(dòng)損耗由運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)承擔(dān)，即電動(dòng)機(jī)發(fā)出的功率比生產(chǎn)機(jī)械消耗的功率大。根據(jù)功率不變?cè)瓌t，應(yīng)有

TL'ωL=TLωηc對(duì)于系統(tǒng)有多級(jí)齒輪或皮帶輪變速情況，各級(jí)速比為j1，j2，…，jn，則總的速比為各級(jí)速比之積，即如果各級(jí)的傳遞效率為：

c1，c2，…，cn，則總效率c應(yīng)為各級(jí)效率之積，即

二、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和飛輪矩的折算等效原則是：折算前后系統(tǒng)的動(dòng)能不變，即相應(yīng)地得到折算到電動(dòng)機(jī)軸上的等效飛輪轉(zhuǎn)矩或多軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)有n根中間傳動(dòng)軸三、直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等效為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)按功率平衡原則PL‘=PL/ηc，即

直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)質(zhì)量的折算將直線運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的質(zhì)量mL折算到電動(dòng)機(jī)軸上，用等效的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量J來(lái)表示，折算的原則是兩者儲(chǔ)存的動(dòng)能相等，即1.3生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速n的關(guān)系TL=f(n)稱為為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，簡(jiǎn)稱負(fù)載性質(zhì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性凡是按離心力原理而工作的機(jī)械，如離心式鼓風(fēng)機(jī)、水泵、液壓泵等，其負(fù)載轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大。通風(fēng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速大小有關(guān)，基本上與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即：TL=kn2。通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性

恒功率負(fù)載特性有些生產(chǎn)機(jī)械，比如車床，在粗加工時(shí)，切削量比較大，切削阻力比較大，此時(shí)開(kāi)低速；在精加工時(shí)，切削量比較小，切削阻力比較小，往往開(kāi)高速。因此，在不同轉(zhuǎn)速下，負(fù)載轉(zhuǎn)矩的數(shù)值基本上與轉(zhuǎn)速成反比，即：TL=k/n。實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性可能是以上幾種典型特性的綜合。例如，實(shí)際通風(fēng)機(jī)除了主要是通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性外，由于其軸承上還有一定的摩擦轉(zhuǎn)矩Tf，因而實(shí)際通風(fēng)機(jī)負(fù)載特性應(yīng)為：TL=Tf+kn2。2直流電機(jī)的電力拖動(dòng)基礎(chǔ)2.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性定義：電動(dòng)機(jī)在電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞總電阻為恒值的條件下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T的關(guān)系曲線n=f(T)或電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流I的關(guān)系曲線n=f(I)，后者也就是轉(zhuǎn)速調(diào)整特性。2.1.1直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程

電樞回路的電壓平衡方程式：U=E+IR電樞回路反電動(dòng)勢(shì)E為：E=KeФn

直流電動(dòng)機(jī)用一等效電路表示

U—電源電壓（V）；E—電樞反電勢(shì)（V）；I—電樞電流（A）；if—?jiǎng)?lì)磁電流（A）R—電樞回路總電阻（Ω）。

轉(zhuǎn)速表達(dá)式額定勵(lì)磁下電動(dòng)機(jī)輸出的電磁轉(zhuǎn)矩是：

Te=KTФI

用電磁轉(zhuǎn)矩Te表示的機(jī)械特性方程式KT是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，其中n=n0

-Δn

機(jī)械特性方程式又可表示為n0=U/(KeФ)，當(dāng)U和Ф恒定時(shí)，是一個(gè)常數(shù)，只有電動(dòng)機(jī)的電樞電流I=0時(shí)n=n0，稱為理想空載轉(zhuǎn)速。

Δn=RI/(KeΦ)稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降。它是當(dāng)電機(jī)有輸出轉(zhuǎn)矩T時(shí)所引起的轉(zhuǎn)速。2.1.2直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線一、固有機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)械特性，即電動(dòng)機(jī)在額定電壓UN和額定勵(lì)磁ФN且電樞回路不串接任何電阻時(shí)的機(jī)械特性其方程式為

或二、人為特性曲線

定義：人為的改變直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)參數(shù)或電樞電壓而得到的機(jī)械特性方程。

(1)電樞回路串接電阻的人為機(jī)械特性保持電動(dòng)機(jī)的外加電壓U=UN和磁通Φ=ΦN為額定值，而在電樞回路串入附加電阻(2)改變電動(dòng)機(jī)供電電壓時(shí)的人為機(jī)械特性保持勵(lì)磁

=

N，電樞回路不串電阻，改變電樞外加電壓U時(shí)，機(jī)械特性方程（3）減弱電動(dòng)機(jī)主磁通Φ時(shí)的人為特性保持勵(lì)磁U=UN，電樞回路不串電阻，減弱電動(dòng)機(jī)主磁通Φ時(shí)，特性方程為2.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)起動(dòng)定義：直流電動(dòng)機(jī)從接入電源開(kāi)始，一直達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行速度的整個(gè)過(guò)程。2.2.1對(duì)起動(dòng)的要求對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)，①要有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst。②起動(dòng)電流Ist不能超過(guò)允許值。③起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單可靠。2.2.2電樞回路串電阻起動(dòng)電樞回路串電阻可以有效降低起動(dòng)電流2.2.3降壓起動(dòng)降壓起動(dòng)只能在電動(dòng)機(jī)有專用電源時(shí)才能采用。起動(dòng)時(shí)，降低電源電壓，起動(dòng)電流便隨電壓的降低而成正比的減小，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，在逐步提高電壓電壓，使電磁轉(zhuǎn)矩維持一定數(shù)值，保證電動(dòng)機(jī)按需要的加速度升速。2.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)機(jī)械制動(dòng)，可使用電磁制動(dòng)器，俗稱“抱閘”。電氣制動(dòng)方法主要有三種：能耗制動(dòng)，反接制動(dòng)，回饋制動(dòng)能耗制動(dòng)2.3.2反接制動(dòng)2.3.3回饋制動(dòng)

電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行的狀態(tài)中，由于某種因素，如用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的機(jī)車下坡，使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速，則電動(dòng)機(jī)處于回饋制動(dòng)狀態(tài)。

2.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式在電流Ia不變時(shí)，即在一定負(fù)載下，只要在電樞電壓U、串入電樞回路的電阻R、主磁通Φ三個(gè)量中，任一個(gè)發(fā)生變化，都會(huì)引起轉(zhuǎn)速的變化，因此，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法。2.4.1調(diào)速指標(biāo)1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，即其中nmin

和nmax

都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速2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(duì)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3調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系最低轉(zhuǎn)速：調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系4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(duì)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(duì)穩(wěn)定度也就越差。0TNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法nUIR

Ke

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓

U；（2）減弱勵(lì)磁磁通

；（3）改變電樞回路電阻R。（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N；

保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：改變電壓UN

U

U

n

，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N

；

保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻Ra

R

R

n

，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。n2nn0OIILRaR1R2R3nNn1n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線nn0OTeTL

N

1

2

3（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；

保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁

N

n

，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線

三種調(diào)速方法的性能與比較調(diào)壓調(diào)速：一定范圍無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)；調(diào)阻調(diào)速：改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；調(diào)磁調(diào)速：減弱磁通能平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往配合調(diào)壓方案，在基速（電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。靜差率與機(jī)械特性硬度的區(qū)別例如：在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/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)。根據(jù)直流電機(jī)轉(zhuǎn)速方程

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法nUIR

Ke

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

—由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓

U；（2）減弱勵(lì)磁磁通

；（3）改變電樞回路電阻R。（1）調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N；

保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過(guò)程：改變電壓UN

U

U

n

，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線平行下移。nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線（2）調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵(lì)磁

=N

；

保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過(guò)程：增加電阻Ra

R

R

n

，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機(jī)械特性曲線變軟。n2nn0OIILRaR1R2R3nNn1n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線nn0OTeTL

N

1

2

3（3）調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；

保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過(guò)程：減小勵(lì)磁

N

n

，n0

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性曲線變軟。nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線

三種調(diào)速方法的性能與比較調(diào)壓調(diào)速：一定范圍無(wú)級(jí)平滑調(diào)速的系統(tǒng)；調(diào)阻調(diào)速：改變電阻只能有級(jí)調(diào)速；調(diào)磁調(diào)速：減弱磁通能平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往配合調(diào)壓方案，在基速（電機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。因此，直流調(diào)速系統(tǒng)以調(diào)壓調(diào)速為主。3直流可控電源-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)3.1直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法及特點(diǎn)直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流Ia和主磁通Ф相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩中的兩個(gè)可控參量Ф和Ia是互相獨(dú)立的，可以非常方便地分別調(diào)節(jié)，這種機(jī)理使直流電動(dòng)機(jī)具有良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，從而有優(yōu)良的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)性能。不管是調(diào)壓調(diào)速，還是調(diào)磁調(diào)速，都需要可調(diào)的直流電源。3.2可控直流電源

3.2.1可控硅整流電源晶閘管(SiliconControlledRectifier，簡(jiǎn)稱SCR)是一種新型的大功率半導(dǎo)體器件，是一種可控制的硅整流元件，亦稱可控硅。二、晶閘管的工作原理導(dǎo)通條件：①陽(yáng)極A陰極K之間加正向電壓；②控制極G加一正向脈沖，晶閘管即導(dǎo)通，脈沖消失后一直保持導(dǎo)通。截止條件：AK之間回路切斷或電壓反向。OOOOO（1）單相半波可控整流電路

ud

Ud在如圖可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時(shí)電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。（2）單相橋式全控整流電路輸出平均電壓Ud為二、三相可控整流電路

三相半波可控整流電路三相橋式全控整流電路

3.3相控整流-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（V-M系統(tǒng)）

3.3.1V-M系統(tǒng)的組成Ud0IdE3.3.2等效電路分析V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

瞬時(shí)電壓平衡方程R=Rrec+Ra+RL整流電壓的平均值計(jì)算全控整流電路，電流波形連續(xù)時(shí)*U2是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值電流脈動(dòng)及其波形的連續(xù)與斷續(xù)V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdud

t

tudididV-M系統(tǒng)主電路的輸出3.3.3晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性

電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性

△n=Id

R/Cen

IdILO

只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。V-M系統(tǒng)機(jī)械特性電流斷續(xù)時(shí)，由于非線性因素，機(jī)械特性方程復(fù)雜得多.當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。3.3.4V-M系統(tǒng)的問(wèn)題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。晶閘管對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流和過(guò)高的dV/dt與di/dt

都十分敏感，若超過(guò)允許值會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)損壞器件。由諧波與無(wú)功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”。u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析3.3.5晶閘管觸發(fā)器和整流裝置的傳遞函數(shù)

（3）Ts

值的選取

Ts可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax

/2，并認(rèn)為是常數(shù)?；虬醋顕?yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。表1-2各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）（2）最大失控時(shí)間計(jì)算傳遞函數(shù)（4）傳遞函數(shù)的求取

（5）近似傳遞函數(shù)Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，得

（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的近似的晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.4

直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器PWM（PulseWidthModulation）變換器的作用是：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(jī)轉(zhuǎn)速。a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路M3.4.1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)直流斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

2.斬波器的基本控制原理

3.輸出電壓計(jì)算電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓電力電子開(kāi)關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等.采用簡(jiǎn)單的單管控制時(shí)，稱作直流斬波器，后來(lái)逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開(kāi)關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM---PulseWidthModulation）。

4.斬波電路三種控制方式根據(jù)對(duì)輸出電壓平均值的調(diào)制方式，分三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型

PWM系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)（1）主電路線路簡(jiǎn)單，需用的功率器件少；（2）開(kāi)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?。唬?）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達(dá)1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機(jī)配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)；（5）功率開(kāi)關(guān)器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率適當(dāng)時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）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。3.4.2不可逆PWM變換器電路原理圖

UsVD+UgCVTidM+__EM21電壓和電流波形U,iUdEidUsttonTO

=ton

/T占空比

=Ud/Us電壓系數(shù)機(jī)械特性方程：調(diào)速系統(tǒng)的空載轉(zhuǎn)速：與占空比成正比負(fù)載電流造成的轉(zhuǎn)速降：M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1U,iUdEidUsttonT0O有制動(dòng)電流通路的不可逆PWM變換器-+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4可逆PWM變換器U,iUdEid+UsttonT-UsO正向電動(dòng)運(yùn)行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO反向電動(dòng)運(yùn)行波形輸出平均電壓(=2

–

1)

調(diào)速范圍

的可調(diào)范圍為0~1，–1<

<+1。當(dāng)

>0.5時(shí)，

為正，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)

<0.5時(shí)，

為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)；當(dāng)

=0.5時(shí)，

=0，電機(jī)停止。性能評(píng)價(jià)

雙極式控制的橋式可逆PWM變換器優(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)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍可達(dá)1:20000左右；（5）低速時(shí)，每個(gè)開(kāi)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。雙極式控制方式的不足：在工作過(guò)程中，4個(gè)開(kāi)關(guān)器件可能都處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)，開(kāi)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)。PWM伺服系統(tǒng)的機(jī)械特性

由于采用脈寬調(diào)制，嚴(yán)格地說(shuō)，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。電壓平均值方程機(jī)械特性方程n–Id,–TeavOn0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Teav

=1

=0.75

=0.5

=0.25

PWM調(diào)速系統(tǒng)機(jī)械特性脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性曲線（電流連續(xù)），n0s＝Us

/CeIGBT開(kāi)關(guān)頻率在10kHz左右，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(wàn)分之一，可忽略PWM控制與變換器的數(shù)學(xué)模型UcUgUdPWM控制器PWM變換器PWM裝置可看成滯后環(huán)節(jié)，最大時(shí)延一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T，其傳遞函數(shù)近似成CC+電能回饋與泵升電壓的限制泵升電壓濾波儲(chǔ)能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(duì)濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”過(guò)電壓信號(hào)UsRbVTbC+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，幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需電容量達(dá)數(shù)千微法。

限制方法:（1）開(kāi)關(guān)器件VTb

在泵升電壓達(dá)到允許數(shù)值時(shí)接通，分流電阻Rb

來(lái)消耗掉部分動(dòng)能。（2）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)。泵升電壓限制小結(jié)可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀(jì)60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。3.5調(diào)速系統(tǒng)的要求及開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的問(wèn)題

3.5.1調(diào)速系統(tǒng)的控制要求調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個(gè)方面：（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(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）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(guò)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)。例3-1

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

nN

=115r/min，要求靜差率s≤0.3時(shí)，求允許的調(diào)速范圍；當(dāng)要求靜差率s≤0.2，求最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速。解：當(dāng)s≤0.3時(shí)，調(diào)速范圍為若要求s=0.2，最低空載轉(zhuǎn)速為：n0min=

nN/s=575r/min

最低運(yùn)行轉(zhuǎn)速為：nmin=n0min-

nN=460r/min則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達(dá)到10，則靜差率只能是例3-2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=0.18Ω，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率5%，采用開(kāi)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？解：當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的額定速降為開(kāi)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(guò)了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。如果要求D=20，s≤5%，4直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)

4.1轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)4.1.1單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性一、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成根據(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。+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcntg單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)

UPE的組成UcUd0u~ACDCUd0Uc中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開(kāi)關(guān)器件，GTO、IGCT等；對(duì)于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。二、穩(wěn)態(tài)方程式和穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖假定:

（1）各典型環(huán)節(jié)的輸入輸出呈線性關(guān)系；

（2）系統(tǒng)在電流連續(xù)段工作；

（3）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。穩(wěn)態(tài)關(guān)系電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：電力電子變換器：測(cè)速反饋環(huán)節(jié)：開(kāi)環(huán)機(jī)械特性：閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖穩(wěn)態(tài)方程式單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)電路圖++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcLIdR1UnUd-+MTG+-2.開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系斷開(kāi)反饋回路，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性閉環(huán)時(shí)的靜特性

特性比較（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜硬得多（2）閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多（3）閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍大（4）閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器n0OIdId1Id3Id2Id4ABCA’D閉環(huán)靜特性開(kāi)環(huán)機(jī)械特性閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1三、閉環(huán)系統(tǒng)靜特性

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，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。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)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)電壓放大器以及檢測(cè)與反饋裝置。3.單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基本性質(zhì)轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具三個(gè)基本特征（1）被調(diào)量有靜差；不能完全消除（2）對(duì)于給定輸入絕對(duì)服從；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(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)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測(cè)精度自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的給定和擾動(dòng)作用勵(lì)磁變化Id變化電源波動(dòng)Kp變化電阻變化檢測(cè)誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

負(fù)載變化的擾動(dòng)（使Id變化）；交流電源電壓波動(dòng)的擾動(dòng)（使Ks變化）；電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化的擾動(dòng)（造成Ce

變化

）；放大器輸出電壓漂移的擾動(dòng)（使Kp變化）；溫升引起主電路電阻增大的擾動(dòng)（使R變化）；檢測(cè)誤差的擾動(dòng)（使

變化）。抗擾能力反饋控制系統(tǒng)對(duì)被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制功能例如：Us

Ud0

n

Un

Un

n

Ud0

Uc

但是，在反饋通道上的測(cè)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(huì)增大被調(diào)量的誤差。

例如

Un

Un

Uc

Ud0

n

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(dòng)。

給定作用在反饋環(huán)外的給定作用，如轉(zhuǎn)速給定信號(hào)，它的些微變化都會(huì)使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种啤Ｏ到y(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測(cè)精度給定精度—由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動(dòng)，反饋控制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是對(duì)給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動(dòng)。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測(cè)精度——反饋檢測(cè)裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的，因此檢測(cè)精度決定了系統(tǒng)輸出精度。結(jié)論3反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：抵抗擾動(dòng)，服從給定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(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都是唯命是從的。4.1.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性建立系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型的基本步驟如下：（1）根據(jù)系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的物理規(guī)律，列出描述該環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)過(guò)程的微分方程；（2）求出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；（3）組成系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖并求出系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。TL+-MUd0+-ERLneidM1.直流電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)電路方程E(s)Ud0+-1/RTls+1Id

(s)額定勵(lì)磁下直流電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖假定主電路電流連續(xù)，則動(dòng)態(tài)電壓方程為在零初始條件下，取等式兩側(cè)的拉氏變換，得電壓與電流間的傳遞函數(shù)如果，忽略粘性磨擦及彈性轉(zhuǎn)矩，電機(jī)軸上的動(dòng)力學(xué)方程為額定勵(lì)磁下的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩分別為式中TL—包括電機(jī)空載轉(zhuǎn)矩在內(nèi)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，N-m；GD2—系統(tǒng)折算到電機(jī)軸上的飛輪慣量，N-m2；

—電機(jī)額定勵(lì)磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，N-m/A；—電樞回路電磁時(shí)間常數(shù)，s；—電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)，s。定義下列時(shí)間常數(shù)所以微分方程可以變?yōu)椋菏街蠭dL=TL/Cm

為負(fù)載電流。兩邊取拉氏變換整理得傳遞函數(shù)電動(dòng)機(jī)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖為：

1/CeUd0IdL

(s)

EId(s)Un++--

1/R

Tl

s+1R

Tmsn(s)Ud0

(s)+-1/Ce

TmTl

s2+Tms+1IdL

(s)

R(Tl

s+1)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖的變換和簡(jiǎn)化u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TsOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時(shí)間分析晶閘管觸發(fā)器和整流裝置的傳遞函數(shù)

（3）Ts

值的選取

Ts可取其統(tǒng)計(jì)平均值Ts

=Tsmax

/2，并認(rèn)為是常數(shù)。或按最嚴(yán)重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。表1-2各種整流電路的失控時(shí)間（f=50Hz）（2）最大失控時(shí)間計(jì)算傳遞函數(shù)（4）傳遞函數(shù)的求取

（5）近似傳遞函數(shù)Ts

很小，可忽略高次項(xiàng)，得

（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)準(zhǔn)確的近似的晶閘管觸發(fā)與整流裝置動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖放大器測(cè)速反饋

（7）控制與檢測(cè)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖n(s)U*n(s)IdL

(s)

Uct

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

TmTl

s2+Tms+1

+-R(Tl

s+1)Ud0(s)調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)其中K=Kp

Ks

/Ce調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)

設(shè)Idl=0，從給定輸入作用上看，閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)是

反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定條件反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的特征方程為

穩(wěn)定條件或整理后得

當(dāng)K

≥

Kcr

時(shí)，系統(tǒng)將不穩(wěn)定。穩(wěn)定性是它能否正常工作的首要條件，是必須保證的。

例題1-5

在例題1-4中，已知R=1.0

，Ks=44，

Ce=0.1925V·min/r，系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)部分的飛輪慣量GD2=10N·m2。根據(jù)穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)D=10，s≤0.5計(jì)算，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)有K

≥53.3，試判別這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

系統(tǒng)穩(wěn)定性分析解首先應(yīng)確定主電路的電感值，用以計(jì)算電磁時(shí)間常數(shù)。對(duì)于V-M系統(tǒng)，為了使主電路電流連續(xù)，應(yīng)設(shè)置平波電抗器。例題1-4給出的是三相橋式可控整流電路，為了保證最小電流時(shí)電流仍能連續(xù)，應(yīng)采用式,計(jì)算電樞回路總電感量，即取=17mH=0.017H為保證系統(tǒng)穩(wěn)定，開(kāi)環(huán)放大系數(shù)應(yīng)滿足穩(wěn)定條件按穩(wěn)態(tài)調(diào)速性能指標(biāo)要求K

≥53.3，因此，閉環(huán)系統(tǒng)是不穩(wěn)定。計(jì)算系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)：電磁時(shí)間常數(shù)機(jī)電時(shí)間常數(shù)

對(duì)于三相橋式整流電路，晶閘管裝置的滯后時(shí)間常數(shù)為

Ts=0.00167s4.2無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)和積分控制規(guī)律采用P放大器控制的有靜差的調(diào)速系統(tǒng)，Kp

越大，系統(tǒng)精度越高；但Kp

過(guò)大，將降低系統(tǒng)穩(wěn)定性，使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)不穩(wěn)定。進(jìn)一步分析靜差產(chǎn)生的原因，由于采用比例調(diào)節(jié)器，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出為Uc=Kp

UnUc

0，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，即Un

0；Uc

=0，電動(dòng)機(jī)停止。因此，在采用比例調(diào)節(jié)器控制的自動(dòng)系統(tǒng)中，輸入偏差是維系系統(tǒng)運(yùn)行的基礎(chǔ)，必然要產(chǎn)生靜差，因此是有靜差系統(tǒng)如果要消除系統(tǒng)誤差，必須尋找其他控制方法，比如：采用積分調(diào)節(jié)器或比例積分（PI）調(diào)節(jié)器來(lái)代替比例放大器。一，積分調(diào)節(jié)器和積分控制規(guī)律

1.積分調(diào)節(jié)器電路方程++CUexRbalUinR0+A當(dāng)初始值為零，階躍輸入作用下，輸出b)階躍輸入時(shí)的輸出特性

UexUinUexmtUinUexO2.積分調(diào)節(jié)器的特性3.積分調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)Φ(ω)ωL/dB0L(ω)-20dB1/

ωΦO-π/2c)Bode圖4.轉(zhuǎn)速的積分控制規(guī)律階躍輸入

一般輸入輸入和輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程若初值不是零，

由上圖b可見(jiàn)，在動(dòng)態(tài)過(guò)程中，當(dāng)

Un

變化時(shí)，只要其極性不變，即只要仍是Un*Un

，積分調(diào)節(jié)器的輸出Uc

便一直增長(zhǎng)；只有達(dá)到Un*=Un

，

Un

=0時(shí)，Uc

才停止上升；不到

Un

變負(fù)，Uc

不會(huì)下降。在這里，值得特別強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)

Un

=0時(shí)，Uc并不是零，而是一個(gè)終值Ucf

；如果

Un

不再變化，此終值便保持恒定不變，這是積分控制的特點(diǎn)。分析結(jié)果：

采用積分調(diào)節(jié)器，當(dāng)轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時(shí)達(dá)到與給定轉(zhuǎn)速一致，系統(tǒng)仍有控制信號(hào)，保持系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差調(diào)速。5.比例與積分控制的比較靜差調(diào)速系統(tǒng)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)

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。二、比例積分控制規(guī)律

從無(wú)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，但是另一方面，在控制的快速性上，積分控制卻又不如比例控制。兩種調(diào)節(jié)器特性比較τ

UexUinUexmtUinUexOb)I調(diào)節(jié)器a)P調(diào)節(jié)器UexUintUinUexO既要穩(wěn)態(tài)精度高，又要?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)快，該怎么辦呢？把比例和積分兩種控制結(jié)合起來(lái)，這便是比例積分控制。1.PI調(diào)節(jié)器在模擬電子控制技術(shù)中，可用運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器。Uex++C1RbalUinR0+AR12.PI輸入輸出關(guān)系3.傳遞函數(shù)令，則傳遞函數(shù)也可以寫成如下

4.PI調(diào)節(jié)器輸出時(shí)間特性

UexUinUexmtUinUexOKpUina)PI調(diào)節(jié)器輸出特性曲線OtOt

UcUc?Un121+2b)PI調(diào)節(jié)器輸出動(dòng)態(tài)過(guò)程

階躍輸入情況一般輸入情況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。

3.限幅電路二極管鉗位的外限幅電路C1R1R0RlimVD1VD2限幅電路（續(xù)）

穩(wěn)壓管鉗位的外限幅電路R1C1VS1VS2R0Rlim++-+-MTG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVTVSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG1.6.4無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)及其穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

1.系統(tǒng)組成2.工作原理無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)，采用比例積分調(diào)節(jié)器以實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差，采用電流截止負(fù)反饋來(lái)限制動(dòng)態(tài)過(guò)程的沖擊電流。TA為檢測(cè)電流的交流互感器，經(jīng)整流后得到電流反饋信號(hào)。當(dāng)電流超過(guò)截止電流時(shí)，高于穩(wěn)壓管VST的擊穿電壓，使晶體三極管VBT導(dǎo)通，則PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓接近于零，電力電子變換器UPE的輸出電壓急劇下降，達(dá)到限制電流的目的。3.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與靜特性無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖（Id

<

Idcr

）

Ks

1/CeU*nUc?UnIdREnUd0Un++--OIdIdcrn1n2nmaxn帶電流截止的無(wú)靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

當(dāng)Id<

Idcr

時(shí)，系統(tǒng)無(wú)靜差，靜特性是不同轉(zhuǎn)速時(shí)的一族水平線。當(dāng)Id>

Idcr

時(shí)，電流截止負(fù)反饋起作用，靜特性急劇下垂，基本上是一條垂直線。整個(gè)靜特性近似呈矩形。必須指出嚴(yán)格地說(shuō)，“無(wú)靜差”只是理論上的，實(shí)際系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)時(shí)，PI調(diào)節(jié)器積分電容兩端電壓不變，相當(dāng)于運(yùn)算放大器的反饋回路開(kāi)路，其放大系數(shù)等于運(yùn)算放大器本身的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，數(shù)值最大，但并不是無(wú)窮大。因此其輸入端仍存在很小的電壓，而不是零。這就是說(shuō)，實(shí)際上仍有很小的靜差，只是在一般精度要求下可以忽略不計(jì)而已。4.穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算

無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算很簡(jiǎn)單，在理想情況下，穩(wěn)態(tài)時(shí)

Un=0，因而Un=Un*

，可以直接計(jì)算轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

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。PI調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kpi和τ可按動(dòng)態(tài)校正的要求計(jì)算。

++-UinR0RbalR1C1R’1AUex5.準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器在實(shí)際系統(tǒng)中，為了避免運(yùn)算放大器長(zhǎng)期工作時(shí)的零點(diǎn)漂移，常常在R1C1兩端再并接一個(gè)電阻R’1

，其值為若干M

，以便把放大系數(shù)壓低一些。這樣就成為一個(gè)近似的PI調(diào)節(jié)器，或稱“準(zhǔn)PI調(diào)節(jié)器”，系統(tǒng)也只是一個(gè)近似的無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)。準(zhǔn)比例積分調(diào)節(jié)器

4.3單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的限流保護(hù)起動(dòng)的沖擊電流——直流電動(dòng)機(jī)全電壓起動(dòng)時(shí)，如果沒(méi)有限流措施，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對(duì)電機(jī)換向不利，對(duì)過(guò)載能力低的電力電子器件來(lái)說(shuō)，更是不能允許的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突加給定起動(dòng)的沖擊電流——采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時(shí)，由于慣性，轉(zhuǎn)速不可能立即建立起來(lái)，反饋電壓仍為零，相當(dāng)于偏差電壓，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的1+K倍。這時(shí)，由于放大器和變換器的慣性都很小，電樞電壓一下子就達(dá)到它的最高值，對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，相當(dāng)于全壓起動(dòng)，當(dāng)然是不允許的。堵轉(zhuǎn)電流——有些生產(chǎn)機(jī)械的電動(dòng)機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況。例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住，或挖土機(jī)運(yùn)行時(shí)碰到堅(jiān)硬的石塊等等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無(wú)限流環(huán)節(jié)，硬干下去，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)允許值。如果只依靠過(guò)流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過(guò)載就跳閘，也會(huì)給正常工作帶來(lái)不便。電流負(fù)反饋?zhàn)饔脵C(jī)理

根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個(gè)物理量基本不變，就應(yīng)該引入那個(gè)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(guò)允許值。解決辦法：引入電流截止負(fù)反饋M+-UdIdRsUi接放大器M同時(shí)采用轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋1.電流檢測(cè)與反饋（1）電樞回路串檢測(cè)電阻；（2）電樞回路接直流互感器；（3）交流電路接交流互感器；（4）采用霍爾傳感器。

電流檢測(cè)與反饋電路2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖3.靜特性方程

轉(zhuǎn)速和電流負(fù)反饋系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)

KpKs

1/CeU*nUc?UnIdEnUd0Un++--

R

-

Rs

Ui4.穩(wěn)態(tài)特性

電流截止負(fù)反饋

限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)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(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)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(jiǎn)稱截流反饋。

Idbln0IdOn'0A—轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性B—電流負(fù)反饋特性

調(diào)速系統(tǒng)靜特性4.穩(wěn)態(tài)特性

僅采用電流負(fù)反饋，不要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋特性很陡，顯然僅對(duì)起動(dòng)有利，對(duì)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行不利。電流截止負(fù)反饋

限流作用只需在起動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)起作用，正常運(yùn)行時(shí)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(shí)才接入電流負(fù)反饋以限制電流，而電流正常時(shí)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(jiǎn)稱截流反饋。1.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)

電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)a）利用獨(dú)立直流電源作比較電壓M++--

UdId

RsVDUi

Ucom接放大器Mb)利用穩(wěn)壓管產(chǎn)生比較電壓

UbrM+-

UdId

RsVSTUi接放大器M2.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)0UiId

Rs

-

Ucom電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的I/O特性

帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)直流調(diào)速穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖nKpKs

1/CeU*nUc?UnIdEUd0Un++--RRs-UcomId

Rs

-

Ucom-3.靜特性方程與特性曲線

由結(jié)構(gòu)圖寫出該系統(tǒng)兩段靜特性的方程式。當(dāng)Id

≤

Idcr

時(shí)，電流負(fù)反饋被截止，靜特性和只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性式相同，現(xiàn)重寫于下

當(dāng)Id

Idcr時(shí)，引入了電流負(fù)反饋，靜特性變成

IdblIdcrn0IdOn'0AB帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性

靜特性兩個(gè)特點(diǎn)

（1）電流負(fù)反饋的作用相當(dāng)于在主電路中串入一個(gè)大電阻KpKsRs

，因而穩(wěn)態(tài)速降極大，機(jī)械特性曲線急劇下垂。（2）比較電壓Ucom

與給定電壓Un*的作用一致，好象把理想空載轉(zhuǎn)速提高到

這樣的兩段式靜特性常稱作下垂特性或挖土機(jī)特性。當(dāng)挖土機(jī)遇到堅(jiān)硬的石塊而過(guò)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)停下，電流也不過(guò)是堵轉(zhuǎn)電流，令n=0，得

一般Kp

KsRs>>R，因此4.電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)參數(shù)設(shè)計(jì)Idbl應(yīng)小于電機(jī)允許的最大電流，一般取Idbl=（1.5~2）IN從調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能上看，希望穩(wěn)態(tài)運(yùn)行范圍足夠大，截止電流應(yīng)大于電機(jī)的額定電流，一般取Idcr

≥（1.1~1.2）IN內(nèi)容提要4.4轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和動(dòng)態(tài)性能分析調(diào)節(jié)器的工程設(shè)計(jì)方法按工程設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器3.1轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其靜特性問(wèn)題的提出

采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速無(wú)靜差。但是，如果對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，例如：要求快速起制動(dòng)，突加負(fù)載動(dòng)態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足需要。1.主要原因

單閉環(huán)系統(tǒng)中不能控制電流和轉(zhuǎn)矩的動(dòng)態(tài)過(guò)程。

在單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)是專門用來(lái)控制電流的，但它只能在超過(guò)臨界電流值Idcr

以后，靠強(qiáng)烈的負(fù)反饋?zhàn)饔孟拗齐娏鞯臎_擊，并不能很理想地控制電流的動(dòng)態(tài)波形。2.理想的起動(dòng)過(guò)程b)理想的快速起動(dòng)過(guò)程IdLntIdOIdma)帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)過(guò)程的電流和轉(zhuǎn)速波形IdLntIdOIdmIdcr3.解決思路為了實(shí)現(xiàn)在允許條件下的最快起動(dòng)，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值Idm的恒流過(guò)程。實(shí)現(xiàn)控制：穩(wěn)態(tài)時(shí)，只有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，沒(méi)有電流負(fù)反饋。起動(dòng)過(guò)程，只有電流負(fù)反饋，沒(méi)有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋；怎樣才能做到這種既存在轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋，又使它們只能分別在不同的階段里起作用呢？TGnASRACRU*n+-UnUiU*i+-UcTAVM+-UdIdUPEL-MTG+轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.系統(tǒng)的組成ASR—轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ACR—電流調(diào)節(jié)器TG—測(cè)速發(fā)電機(jī)TA—電流互感器UPE—電力電子變換器內(nèi)環(huán)外環(huán)4.4.1雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及靜特性

系統(tǒng)原理圖2.系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電路原理圖

++-+-MTG+-+-RP2nU*nR0R0UcUiTALIdRiCiUd++-R0R0RnCnASRACRLMGTVRP1UnU*iLMMTGUPE+-兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都是帶限幅作用的。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓U*im決定了電流給定電壓的最大值；電流調(diào)節(jié)器ACR的輸出限幅電壓Ucm限制了電力電子變換器的最大輸出電壓Udm。1.系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù);

—電流反饋系數(shù)Ks

1/CeU*nUcIdEnUd0Un++-ASR+U*i-R

ACR-UiUPE穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性

2.限幅作用飽和——輸出達(dá)到限幅值當(dāng)調(diào)節(jié)器飽和時(shí)，輸出為恒值，輸入量的變化不再影響輸出，除非有反向的輸入信號(hào)使調(diào)節(jié)器退出飽和；換句話說(shuō)，飽和的調(diào)節(jié)器暫時(shí)隔斷了輸入和輸出間的聯(lián)系，相當(dāng)于使該調(diào)節(jié)環(huán)開(kāi)環(huán)。不飽和——輸出未達(dá)到限幅值當(dāng)調(diào)節(jié)器不飽和時(shí)，PI作用使輸入偏差電壓在穩(wěn)態(tài)時(shí)總是零。3.系統(tǒng)靜特性n0IdIdmIdnomOnABC在正常運(yùn)行時(shí)，電流調(diào)節(jié)器是不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)的。因此，對(duì)于靜特性來(lái)說(shuō)，只有轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和與不飽和兩種情況。（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器不飽和靜特性的CA段

靜特性的水平特性ASR不飽和，U*i<U*im，從第二個(gè)關(guān)系式可知:Id<Idm。即CA段靜特性從理想空載狀態(tài)的Id=0一直延續(xù)到Id=Idm

，而Idm一般都是大于額定電流IdN

的。這就是靜特性的運(yùn)行段，它是水平的特性。（2）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和ASR輸出達(dá)到限幅值U*im

，轉(zhuǎn)速外環(huán)呈開(kāi)環(huán)狀態(tài)，轉(zhuǎn)速的變化對(duì)系統(tǒng)不再產(chǎn)生影響。雙閉環(huán)系統(tǒng)變成一個(gè)電流無(wú)靜差的單電流閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。穩(wěn)態(tài)時(shí)

AB段它是垂直的特性只適于n<n0

的情況，如果n>n0，則Un>U*n，ASR將退出飽和狀態(tài)。4.兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性在負(fù)載電流小于Idm時(shí)表現(xiàn)為轉(zhuǎn)速無(wú)靜差，這時(shí)，轉(zhuǎn)速負(fù)反饋起主要調(diào)節(jié)作用。當(dāng)負(fù)載電流達(dá)到Idm

后，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流調(diào)節(jié)器起主要調(diào)節(jié)作用，系統(tǒng)表現(xiàn)為電流無(wú)靜差，得到過(guò)電流的自動(dòng)保護(hù)。

n0IdIdmIdnomOnABC轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理

雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在穩(wěn)態(tài)工作中，當(dāng)兩個(gè)調(diào)節(jié)器都不飽和時(shí)，各變量之間有下列關(guān)系

上述關(guān)系表明，在穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)上，

轉(zhuǎn)速n是由給定電壓U*n決定的；

ASR的輸出量U*i是由負(fù)載電流IdL

決定的；控制電壓Uc

的大小則同時(shí)取決于n和Id，或者說(shuō)，同時(shí)取決于U*n

和IdL。比例環(huán)節(jié)的輸出量總是正比于其輸入量，而PI調(diào)節(jié)器不然，其輸出量的穩(wěn)態(tài)值與輸入無(wú)關(guān)，而是由它后面環(huán)節(jié)的需要決定。后面需要PI調(diào)節(jié)器提供多么大的輸出值，它就能提供多少，直到飽和為止。

反饋系數(shù)計(jì)算雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算與無(wú)靜差系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)計(jì)算相似，即根據(jù)各調(diào)節(jié)器的給定與反饋值計(jì)算有關(guān)的反饋系數(shù)：

轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

電流反饋系數(shù)

兩個(gè)給定電壓的最大值U*nm和U*im由設(shè)計(jì)者選定，設(shè)計(jì)原則：U*nm受運(yùn)算放大器允許輸入電壓和穩(wěn)壓電源的限制；U*im

為ASR的輸出限幅值。1.系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

U*n

Uc-IdLnUd0Un+--

+-UiWASR(s)WACR(s)KsTss+11/RTls+1RTmsU*iId1/Ce+E4.4.2雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型2.數(shù)學(xué)模型WASR(s)和WACR(s)分別表示轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)。如果采用PI調(diào)節(jié)器，則有4.4.3雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)過(guò)程設(shè)置雙閉環(huán)控制的一個(gè)重要目的就是要獲得接近理想起動(dòng)過(guò)程，因此在分析雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能時(shí)，首先探討它的起動(dòng)過(guò)程。閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)突加給定電壓U*n,由靜止?fàn)顟B(tài)起動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速和電流的動(dòng)態(tài)過(guò)程:雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)速和電流波形

n

OOttIdm

IdL

Id

n*

IIIIIIt4

t3

t2

t1

1.起動(dòng)過(guò)程由于在起動(dòng)過(guò)程中轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR經(jīng)歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程就分成圖中標(biāo)明的I、II、III三個(gè)段。第I階段:電流上升的階段（0~t1）

IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3t2

t1tt直到，Id=Idm

，

Ui

=U*im

電流調(diào)節(jié)器很快就壓制Id

了的增長(zhǎng)，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。

在這一階段中，ASR很快進(jìn)入并保持飽和狀態(tài)，而ACR一般不飽和。突加給定電壓U*n后，Id上升，當(dāng)Id

小于負(fù)載電流IdL

時(shí)，電機(jī)還不能轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)Id≥IdL

后，電機(jī)開(kāi)始起動(dòng)，由于機(jī)電慣性作用，轉(zhuǎn)速不會(huì)很快增長(zhǎng)，因而轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓的數(shù)值仍較大，其輸出電壓保持限幅值U*im，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。n

IdL

Id

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第II階段恒流升速階段（t1~t2）

第II階段恒流升速階段（t1~t2）

在這個(gè)階段中，ASR始終是飽和的，轉(zhuǎn)速環(huán)相當(dāng)于開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)成為在恒值電流U*im

給定下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)，基本上保持電流Id

恒定，因而系統(tǒng)的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長(zhǎng)。與此同時(shí)，電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)E也按線性增長(zhǎng)，對(duì)電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，E是一個(gè)線性漸增的擾動(dòng)量，為了克服它的擾動(dòng)，Ud0和Uc

也必須基本上按線性增長(zhǎng)，才能保持Id

恒定。當(dāng)ACR采用PI調(diào)節(jié)器時(shí)，要使其輸出量按線性增長(zhǎng)，其輸入偏差電壓必須維持一定的恒值，也就是說(shuō)，

Id

應(yīng)略低于Idm。恒流升速階段是起動(dòng)過(guò)程中的主要階段。為了保證電流環(huán)的主要調(diào)節(jié)作用，在起動(dòng)過(guò)程中ACR是不應(yīng)飽和的，電力電子裝置UPE的最大輸出電壓也須留有余地，這些都是設(shè)計(jì)時(shí)必須注意的。IdL

Id

n

n*

Idm

OOIIIIIIt4

t3

t2

t1

tt第Ⅲ階段:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）

第Ⅲ階段:轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段（t2以后）

當(dāng)轉(zhuǎn)速上升到給定值時(shí)，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差減少到零，但其輸出卻由于積分作用還維持在限幅值U*im

，所以電機(jī)仍在加速，使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)后，ASR輸入偏差電壓變負(fù)，使它開(kāi)始退出飽和狀態(tài)，U*i

和Id

很快下降。但是，只要Id

仍大于負(fù)載電流IdL

，轉(zhuǎn)速就繼續(xù)上升。直到Id

=IdL時(shí)，轉(zhuǎn)矩Te=TL

，則dn/dt

=0，轉(zhuǎn)速n才到達(dá)峰值（t=t3時(shí)）。此后，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始在負(fù)載的阻力下減速，與此相應(yīng)，在一小段時(shí)間內(nèi)（t3~t4

），Id<

IdL

，直到穩(wěn)定，如果調(diào)節(jié)器參數(shù)整定得不夠好，也會(huì)有一些振蕩過(guò)程。在這最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導(dǎo)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)作用，而ACR則力圖使Id

盡快地跟隨其給定值U*i

，或者說(shuō)，電流內(nèi)環(huán)是一個(gè)電流隨動(dòng)子系統(tǒng)。2.分析結(jié)果（1）

飽和非線性控制根據(jù)ASR的飽和與不飽和，整個(gè)系統(tǒng)處于完全不同的兩種狀態(tài)：當(dāng)ASR飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)開(kāi)環(huán)，系統(tǒng)表現(xiàn)為恒值電流調(diào)節(jié)的單環(huán)系統(tǒng)；當(dāng)ASR不飽和時(shí)，轉(zhuǎn)速環(huán)閉環(huán)，整個(gè)系統(tǒng)是一個(gè)無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，而電流內(nèi)環(huán)表現(xiàn)為電流隨動(dòng)系統(tǒng)。（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)由于ASR采用了飽和非線性控制，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束進(jìn)入轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段后，必須使轉(zhuǎn)速超調(diào)，ASR的輸入偏差電壓△Un

為負(fù)值，才能使ASR退出飽和。這樣，采用PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速響應(yīng)必然有超調(diào)。（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制起動(dòng)過(guò)程中的主要階段是第II階段的恒流升速，它的特征是電流保持恒定。一般選擇為電動(dòng)機(jī)允許的最大電流，以便充分發(fā)揮電動(dòng)機(jī)的過(guò)載能力，使起動(dòng)過(guò)程盡可能最快。這階段屬于有限制條件的最短時(shí)間控制。因此，整個(gè)起動(dòng)過(guò)程可看作為是一個(gè)準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制。起動(dòng)過(guò)程有三個(gè)特點(diǎn)：

（1）飽和非線性控制；（2）轉(zhuǎn)速超調(diào)；（3）準(zhǔn)時(shí)間最優(yōu)控制

最后，應(yīng)該指出，對(duì)于不可逆的電力電子變換器，雙閉環(huán)控制只能保證良好的起動(dòng)性能，卻不能產(chǎn)生回饋制動(dòng)，在制動(dòng)時(shí)，當(dāng)電流下降到零以后，只好自由停車。必須加快制動(dòng)時(shí)，只能采用電阻能耗制動(dòng)或電磁抱閘。4.4.4雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)抗擾性能

一般來(lái)說(shuō)，雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)具有比較滿意的動(dòng)態(tài)性能。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)，最重要的動(dòng)態(tài)性能是抗擾性能。主要是抗負(fù)載擾動(dòng)和抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的性能。

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsKsTss+1ACR

U*iUi--EId1.抗負(fù)載擾動(dòng)±?IdL負(fù)載擾動(dòng)作用在電流環(huán)之后，因此只能靠轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR來(lái)產(chǎn)生抗負(fù)載擾動(dòng)的作用。在設(shè)計(jì)ASR時(shí)，應(yīng)要求有較好的抗擾性能指標(biāo)。2.抗電網(wǎng)電壓擾動(dòng)±?UdU*n-IdLUn+-ASR

1/CenUd01/R

Tl

s+1R

TmsIdKsTss+1-E-IdL±?Ud

1/CeU*nnUd0Un+-ASR1/R

Tl

s+1R

TmsIdKsTss+1ACR

U*iUi--E3.對(duì)比分析在單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的作用點(diǎn)離被調(diào)量較遠(yuǎn)，調(diào)節(jié)作用受到多個(gè)環(huán)節(jié)的延滯，因此單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)抵抗電壓擾動(dòng)的性能要差一些。雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由于增設(shè)了電流內(nèi)環(huán)，電壓波動(dòng)可以通過(guò)電流反饋得到比較及時(shí)的調(diào)節(jié)，不必等它影響到轉(zhuǎn)速以后才能反饋回來(lái)，抗擾性能大有改善。4.分析結(jié)果雙閉環(huán)系統(tǒng)中，由電網(wǎng)電壓波動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速動(dòng)態(tài)變化會(huì)比單閉環(huán)系統(tǒng)小得多。1.轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用

（1）轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器是調(diào)速系統(tǒng)的主導(dǎo)調(diào)節(jié)器，它使轉(zhuǎn)速n很快地跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)時(shí)可減小轉(zhuǎn)速誤差，如果采用PI調(diào)節(jié)器，則可實(shí)現(xiàn)無(wú)靜差。（2）對(duì)負(fù)載變化起抗擾作用。（3）其輸出限幅值決定電機(jī)允許的最大電流。轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用

2.電流調(diào)節(jié)器的作用（1）作為內(nèi)環(huán)的調(diào)節(jié)器，在外環(huán)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)過(guò)程中，它的作用是使電流緊緊