電力拖動自動控制系統(tǒng)-運動控制系統(tǒng)：第1章 閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1電力拖動自動控制系統(tǒng)

——運動控制系統(tǒng)2電機功率變換器控制器反饋給定輸出電力拖動自動控制系統(tǒng)典型框圖3教材：陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng).第3版.北京：機械工業(yè)出版社參考書：1.陳伯時主編.電力拖動自動控制系統(tǒng).第2版.北京：機械工業(yè)出版社2.顧繩谷主編.電機及拖動基礎.第3版.北京：機械工業(yè)出版社3.王兆安、黃俊主編.電力電子技術(shù).第4版.北京：機械工業(yè)出版社4.何耀三主編.電氣傳動的微機控制.重慶大學出版社4電力拖動自動控制系統(tǒng)概述一、電力拖動自動控制系統(tǒng)及其分類1.電力拖動自動控制系統(tǒng)是以機械運動的驅(qū)動設備—電動機為被控對象，以控制器為核心，以電力電子功率變換裝置為執(zhí)行機構(gòu)，在自動控制理論指導下組成的自動控制系統(tǒng)。2.控制系統(tǒng)的主要功能：主要控制電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，實現(xiàn)運動機械的運動要求。53.電力拖動自動控制系統(tǒng)的分類按被控物理量分。以轉(zhuǎn)速為被控量的系統(tǒng)叫調(diào)速系統(tǒng)；以角位移或直線位移為被控量的系統(tǒng)叫位置隨動系統(tǒng)或伺服系統(tǒng)。按驅(qū)動電動機的類型分。用直流電動機帶動生產(chǎn)機械的為直流拖動系統(tǒng)；用交流電動機帶動生產(chǎn)機械的為交流拖動系統(tǒng)。按控制器的類型分。以模擬電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)稱為模擬控制系統(tǒng)；以數(shù)字電路構(gòu)成控制器的系統(tǒng)稱為數(shù)字控制系統(tǒng)。6(4)

按控制系統(tǒng)中閉環(huán)的多少分。也可分為單閉環(huán)控制系統(tǒng)、雙閉環(huán)控制系統(tǒng)和多閉環(huán)控制系統(tǒng)。

對于某一具體的運動控制系統(tǒng)可能是多種分類方法的交叉，如用8051單片機實現(xiàn)的雙閉環(huán)數(shù)字直流調(diào)速系統(tǒng)。7二、電力拖動自動控制系統(tǒng)的發(fā)展過程及其應用1.電力拖動自動控制系統(tǒng)的發(fā)展歷程，交、直流兩大電力拖動并存于各個工業(yè)領域。2.隨著生產(chǎn)技術(shù)的發(fā)展，電力拖動對在起動、制動、正反轉(zhuǎn)以及調(diào)速精度、調(diào)速范圍、靜態(tài)特性、動態(tài)響應等方面提出了更高要求，這就要求大量使用閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。3.目前交流調(diào)速系統(tǒng)已逐步占據(jù)主導地位。8三、電力拖動自動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢1.高頻化。在功率驅(qū)動裝置中，低頻的半控器件－晶閘管在中小功率范圍將會被高頻的全控型器件－GTR、IGBT、IPM等代替，這既可提高系統(tǒng)性能，又可改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。2.交流化。由于交流電動機本身的優(yōu)勢，交流調(diào)速系統(tǒng)取代直流電動機調(diào)速已成為一種不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。矢量控制、直接轉(zhuǎn)矩控制、無速度傳感器技術(shù)、各種智能控制策略不斷涌現(xiàn)，展現(xiàn)出廣闊的應用前景，進一步推動交流調(diào)速控制技術(shù)的發(fā)展。93.數(shù)字、網(wǎng)絡化。微處理器的發(fā)展，使數(shù)字控制器簡單而又靈活，同時為聯(lián)網(wǎng)提供了可能。隨著系統(tǒng)規(guī)模的擴大和系統(tǒng)復雜性的提高，單機控制系統(tǒng)越來越少，取而代之是大規(guī)模多機協(xié)同工作的高度自動化系統(tǒng)，這應需要計算機網(wǎng)絡的支持，傳動設備及控制器作為一個節(jié)點連到現(xiàn)場總線或工業(yè)控制網(wǎng)上，實現(xiàn)集中或分散的生產(chǎn)過程實時監(jiān)控。10

目前，我國直流調(diào)速控制的發(fā)展趨勢主要有以下幾個方面：1.提高調(diào)速系統(tǒng)的單機容量。2.提高電力電子器件的生產(chǎn)水平，使變流器結(jié)構(gòu)變得簡單、緊湊。3.提高控制單元水平，使其具有控制、監(jiān)視、保護、診斷和自復位等多種功能。電力拖動＝直流調(diào)速＋交流調(diào)速直流調(diào)速＝電機拖動＋變流技術(shù)（電力電子技術(shù)）＋控制理論11實驗安排（12學時，每實驗3學時）：電氣0901班：電氣0902班：電氣0903班：地點：綜合實驗樓B區(qū)答疑安排：工科樓A座625室，孫遠輝老師，電話科樓A座634室，王平老師，電話mail：wp8393030@126.com12直流拖動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)第1篇13

引言

直流電動機具有良好的起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制的角度來看，它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎。因此，為了保持由淺入深的教學順序，應該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。14一、他勵直流電動機的基本電路1.基本電路他勵直流電動機的基本電路如圖所示。其主要特點是由電樞電路（主電路）和勵磁電路是互相獨立和，都可以單獨進行調(diào)節(jié)。M他勵直流電動機的電路152.直流他勵電動機供電原理Ud0為電樞供電電源空載電壓；Ud為電動機電樞電壓；E為電樞電動勢；R為電樞回路總電阻；Ra為電樞電阻；Rl為線路或外接電阻；Rn為供電電源內(nèi)阻；n為電機為轉(zhuǎn)速，r/min；Φ為勵磁磁通；直流電源MRnIdUdoRaRlUdEΦ16二、他勵直流電動機的機械特性及常用公式

拖動系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的工作情況：

1.穩(wěn)態(tài)運行電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te和負載轉(zhuǎn)矩Tl處于平衡狀態(tài)，故Te＝Tl。

n他勵直流電動機的穩(wěn)態(tài)運行過程TnTe＝TlTL0E=KeΦnn0Te＝KmΦIa172.電磁轉(zhuǎn)矩由主磁通Φ和電樞電流Ia相互作用而產(chǎn)生，并正比于兩者的乘積。

式中Km—轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)系數(shù)，Cm—恒磁通轉(zhuǎn)矩結(jié)構(gòu)系數(shù)。由于主磁通Φ是不變的，因此，Te只和Ia成正比。3.電樞電流

Ia的大小和電源電壓Ud克服反電勢E后的差值（Ud－E）成正比，而和電樞繞組的電阻Ra成反比。

式中，Ud和Ra均和負載無關，只有E和負載有關。18194.電樞繞組的反電勢

E是電樞旋轉(zhuǎn)時，繞組切割主磁通Φ的結(jié)果，故和Φ與轉(zhuǎn)速n的乘積成正比。

式中：Ke—電動勢結(jié)構(gòu)系數(shù)，Ce—恒磁通電動勢結(jié)構(gòu)系數(shù)；

n—電動機轉(zhuǎn)速，在此轉(zhuǎn)速下，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Te正好與負載轉(zhuǎn)矩Tl相平衡，系統(tǒng)處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。20（1）理想空載轉(zhuǎn)速n0當Te=0時，n=n0；可見，n0與Ud成正比，而與Φ成反比。（2）速度降落Δn

可見，當Te增大時，Δn也增大，轉(zhuǎn)速n=n0－Δn則下降，與前面的分析一致。此外，在相同的Te下，Δn的大小與Ra成正比，而與Φ2成反比。5.直流電動機的機械特性方程6.轉(zhuǎn)矩、功率、轉(zhuǎn)速關系Te—電磁轉(zhuǎn)矩P2—電動機輸出的機械功率n—電樞轉(zhuǎn)速2122根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速方程

三、直流調(diào)速方法式中

—轉(zhuǎn)速（r/min）；

—電樞供電電源空載電壓（V）；

—電樞電流（A）；

—電樞回路總電阻（

）；

—勵磁磁通（Wb）；

—由電機結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。nUIR

Ke23

由上式可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U；（2）減弱勵磁磁通

；（3）改變電樞回路電阻R。241.調(diào)壓調(diào)速工作條件：保持勵磁

=N；

保持電阻

R不變調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

U

U

n0

，n

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。nn00TeTLUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線252.調(diào)阻調(diào)速工作條件：保持勵磁

=N

；保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過程：增加電阻R

R

n0不變，n

；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。nn00TeTLRR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線263.調(diào)磁調(diào)速工作條件：保持電壓U=UN

；保持電阻R不變；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁

N

n0

，n

調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。nn00TeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)磁調(diào)速特性曲線27

三種調(diào)速方法的性能與比較

對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。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)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電機額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。

因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主。28第1章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)29本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設計1.5反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析和設計1.6比例積分控制規(guī)律和無靜差調(diào)速系統(tǒng)301.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源

據(jù)前面分析，調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞電壓需要有專門向電動機供電的可控直流電源。本節(jié)介紹幾種主要的可控直流電源。31常用的可控直流電源有以下三種旋轉(zhuǎn)變流機組——用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，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供電，利用電力電子開關器件斬波或進行脈寬調(diào)制，以產(chǎn)生可變的平均電壓。321.1.1旋轉(zhuǎn)變流機組（G-M系統(tǒng)，Ward-Leonard系統(tǒng)）圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）

33

G-M系統(tǒng)特性n第I象限第IV象限0TeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限圖1-2G-M系統(tǒng)機械特性34

1.1.2靜止式可控整流器（V-M系統(tǒng)，靜止Ward-Leonard系統(tǒng)）圖1-3晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）

35

V-M系統(tǒng)的特點與G-M系統(tǒng)相比較：晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率的放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)的動態(tài)性能。3637

V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運行造成困難。

由半控整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)只允許單象限運行(圖1-5a)；全控整流電路可以實現(xiàn)有源逆變，允許電動機工作在反轉(zhuǎn)制動狀態(tài)，因而能夠獲得二象限運行(圖1-5b)。必須實現(xiàn)四象限運行時(圖1-5c)，只好采用正、反兩組全控整流電路，所用變流設備要增多一倍。3839晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件。當系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運行時，晶閘管的導通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備。由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設備，造成“電力公害”。40晶閘管元件的額定電流是用最大通態(tài)平均電流來度量的，電動機的轉(zhuǎn)矩是和整流電流的平均值成正比的。而晶閘管元件和電動機的發(fā)熱，卻和整流電流的平方成正比，亦即與整流電流有效值的平方成正比。因此，當電流斷續(xù)時，導通角小，同樣的平均電流對應的有效值要大的多，發(fā)熱也嚴重得多。這個特點是在選擇晶閘管元件、電機容量、整流電路形式和電抗器時必須要考慮的。41a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton控制電路1.直流斬波器的基本結(jié)構(gòu)及控制原理圖1-6直流斬波器-電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形

1.1.3直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器42這樣，電動機得到的平均電壓為2.輸出電壓計算(1-1)式中T—晶體管的開關周期；

ton

—開通時間；

—占空比，

=ton/T=tonf；其中f為開關頻率。433.斬波電路三種控制方式

根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：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。44

PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；45PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，因而裝置效率較高；（6）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）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較小；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應快，動態(tài)抗擾能力強；（5）功率開關器件工作在開關狀態(tài)，導通損耗小，因而裝置效率較高；（6）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。47

結(jié)論：

三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在上世紀60~70年代得到廣泛應用，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。481.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題

本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：1.觸發(fā)脈沖相位控制；2.電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；3.抑制電流脈動的措施；4.晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性；5.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。49

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輸出瞬時電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制50

等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0來表示，相當于用圖示的等效電路代替實際的整流電路。Ud0IdE圖1-7V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖

51

式中

—電動機反電動勢

—整流電流瞬時值

—主電路總電感

—主電路等效電阻且有R=Rrec+Ra+RLEidLR

瞬時電壓平衡方程(1-2)52

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；

—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)；對于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。

Umm

整流電壓的平均值計算(1-3)53表1-1不同整流電路的整流電壓值*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。54

整流與逆變狀態(tài)當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)；當

/2<

<

max

時，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。為避免逆變顛覆，應設置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖：55

逆變顛覆限制

圖1-8相控整流器的電壓控制曲線

O通過設置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。561.2.2電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

由于電流波形的脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個特點。當V-M系統(tǒng)主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)的脈動波形。當電感量較小或負載較輕時，在某一相導通后電流升高的階段里，電感中的儲能較少，等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)的情況。57V-M系統(tǒng)主電路的輸出圖1-9V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)0uaubucaud0iaibicictEUdt0uaubucaud0iaibicicEUdudttudidid581.2.3抑制電流脈動的措施

在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動的轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：設置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。59

（1）平波電抗器的設置與計算單相橋式全控整流電路

三相半波整流電路

三相橋式整流電路

（1-4）（1-6）（1-5）最小電流Idmin為電動機額定電流的5％～10％60（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路611.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為

式中Ce=Ke

N—電機在額定磁通下的電動勢系數(shù)。（1-7）62（1）電流連續(xù)情況

改變控制角

，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)的特性很相似，如圖1-10所示。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)，公式（1-7）已經(jīng)不適用了。圖1-10電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)的機械特性

△n=Id

R/CenIdIL0

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。63

當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示

(1-9)

(1-10)式中；

—一個電流脈波的導通角。（2）電流斷續(xù)情況64（3）電流斷續(xù)機械特性計算

當阻抗角

值已知時，對于不同的控制角

，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到

=2/3為止，因為

角再大時，電流便連續(xù)了。對應于

=2/3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。65圖1-11完整的V-M系統(tǒng)機械特性（4）V-M系統(tǒng)

機械特性66（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點

圖1-11繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。由圖可見：當電流連續(xù)時，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。671.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)

在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。應用線性控制理論進行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。68

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1-13晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測定

(1-11)69

如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對應的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)估算70

晶閘管觸發(fā)和整流裝置的傳遞函數(shù)

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)，其滯后效應是由晶閘管的失控時間引起的。晶閘管一旦導通后，控制電壓的變化在該器件關斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓的狀況。71u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02Ts（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析圖1-14晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間72

顯然，失控制時間是隨機的，它的大小隨發(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，由下式確定

(1-12)

（2）最大失控時間計算式中

—交流電流頻率；

—一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm73

（3）Ts

值的選取

相對于整個系統(tǒng)的響應時間來說，Ts是不大的，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值Ts

=Tsmax/2，并認為是常數(shù)。也有人主張按最嚴重的情況考慮，取Ts=Tsmax

。表1-2列出了不同整流電路的失控時間。表1-2各種整流電路的失控時間（f=50Hz）74

用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出關系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為

（1-13）（4）傳遞函數(shù)的求取75

由于式（1-13）中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則式（1-13）變成（1-14）

76幅相頻率特性：將晶閘管裝置近似成一階慣性環(huán)節(jié)，近似成立的條件是：從工程的觀點看，只要就可以認為是<<177

進行近似處理，可得

閉環(huán)控制系統(tǒng)的頻帶ωc應小于1／2.24Ts。通常繪出的是閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性，而開環(huán)頻率特性的截止頻率ω0一般略低于閉環(huán)頻率特性的頻帶ωc，作為近似條件，可以粗略地取

晶閘管裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)的工程近似條件。78

（5）近似傳遞函數(shù)

考慮到Ts

很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

（1-15）晶閘管裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)的工程近似條件。79

（6）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)準確的（b）近似的圖1-15晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)圖晶閘管裝置看成一階慣性環(huán)節(jié)的工程近似條件。801.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題PWM變換器的工作狀態(tài)和波形；直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性；PWM控制與變換器的數(shù)學模型；電能回饋與泵升電壓的限制。811.3.1PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形不可逆PWM變換器（1）簡單的不可逆PWM變換器圖1-16簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__E（a）電路原理圖

M?主電路結(jié)構(gòu)2182工作狀態(tài)與波形在一個開關周期內(nèi)，當0≤

t<ton時，Ug為正，VT導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當ton

≤

t<T時，Ug為負，VT關斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0圖1-16b電壓和電流波形83電機兩端得到的平均電壓為

(1-16)式中

=ton

/T為PWM波形的占空比，

輸出電壓方程

改變

（0≤

<1

）即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，若令

=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器

=

(1-17)84圖1-17a有制動電流通路的不可逆PWM變換器

主電路結(jié)構(gòu)M-+VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1（2）有制動的不可逆PWM變換器電路85

工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)

在一般電動狀態(tài)中，id始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設ton為VT1的導通時間，則一個工作周期有兩個工作階段：在0≤

t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導通，Ug2為負，VT2關斷。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。86

一般電動狀態(tài)（續(xù)）在ton

≤

t≤

T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關斷，但VT2卻不能立即導通，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，使它失去導通的可能。因此，實際上是由VT1和VD2交替導通，雖然電路中多了一個功率開關器件，但并沒有被用上。87輸出波形：

一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖1-16b）完全一樣。U,iUdEidUsttonT0b）一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形88工作狀態(tài)與波形（續(xù)）制動狀態(tài)在制動狀態(tài)中，id為負值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。這時，先減小控制電壓，使Ug1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。由于電機慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成E

Ud

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開始導通。89

制動狀態(tài)的一個周期分為兩個工作階段：在0≤

t≤ton

期間，VT2關斷，－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使它不能導通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。因此，在制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導通，而VT1始終是關斷的，此時的電壓和電流波形示于圖1-17c。90U,iUdEidUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUg

輸出波形c）制動狀態(tài)的電壓﹑電流波形91工作狀態(tài)與波形（續(xù)）輕載電動狀態(tài)

有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在關斷后經(jīng)續(xù)流時，還沒有到達周期T，電流已經(jīng)衰減到零，此時，因兩端電壓也降為零，便提前導通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時間的制動作用。92

輸出波形d）輕載電動狀態(tài)的電流波形4123Tton0U,iUdEidUsttonT0412393

輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–id

沿回路4流通；第2階段，VT1導通，電流id沿回路1流通；第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通；第4階段，VT2導通，電流–id沿回路3流通。94

在1、4階段，電動機流過負方向電流，電機工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態(tài)。因此，在輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，其輸出波形見圖1-17d。95小結(jié)表1-3二相限不可逆PWM變換器的不同工作狀態(tài)962.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。

4個電力晶體管的基極驅(qū)動電壓分為兩組。VTl和VT4同時導通和關斷，其驅(qū)動電壓Ug1=Ug4；VT2和VT3同時動作，其驅(qū)動電壓Ug2=Ug3=-Ug1。電動機M兩端電壓的極性隨開關器件柵極驅(qū)動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。97+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18橋式可逆PWM變換器

H形主電路結(jié)構(gòu)2.橋式可逆PWM變換器98

雙極式控制方式（1）正向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1

、VT4導通，Ug2、

Ug3為負，VT2

、VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負，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，電動機M兩端電壓UAB=–Us；99

雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行：第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負，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，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2

、VT3導通，Ug1、

Ug4為負，使VT1

、VT4保持截止，電流–id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；100

輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-Usb)正向電動運行波形U,iUdEid+UsttonT0-Usc)反向電動運行波形101（3）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：

（1-18）

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

（1-19）注意：這里

的計算公式與不可逆變換器中的公式就不一樣了。102

調(diào)速范圍

調(diào)速時，

的可調(diào)范圍為0~1，–1<

<+1（

=2

–1）。當

>0.5時，

為正，電機正轉(zhuǎn)；當

<0.5時，

為負，電機反轉(zhuǎn)；當

=0.5時，

=0，電機停止。103注意

當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機的損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除了正、反向時的靜摩擦死區(qū)，起著所謂“動力潤滑”的作用。104

性能評價

雙極式控制的橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：（1）電流一定連續(xù)；（2）可使電機在四象限運行；（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；（4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)的調(diào)速范圍可達1:20000左右；（5）低速時，每個開關器件的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通。

105

性能評價（續(xù)）

雙極式控制方式的不足之處是：在工作過程中，4個開關器件可能都處于開關狀態(tài)，開關損耗大；而且在切換時可能發(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)動脈沖之間，應設置邏輯延時。106

單極式控制方式

在單極式變換器中，左邊兩個管子的驅(qū)動脈沖Ug1=-Ug2，具有和雙極式一樣的正負交替的脈沖波形，使VTl和VT2交替導通。右邊兩管VT3和VT4的驅(qū)動信號改成根據(jù)電機的轉(zhuǎn)向而施加不同的直流控制信號。當電機正轉(zhuǎn)時，使Ug3恒為負，Ug4恒為正，則VT3截止而VT4常通。希望電機反轉(zhuǎn)時，則Ug3恒為正而Ug4恒為負，使VT3常通而VT4截止。107

雙極式和單極式可逆PWM變換器的比較（當負載較重時）控制方式電機轉(zhuǎn)向0≤t<tonton≤t<T占空比調(diào)節(jié)范圍開關狀況UAB開關狀況UAB雙極式正轉(zhuǎn)VTl、VT4導通VT2、VT3截止+USVTl、VT4截止VD2、VD3續(xù)流-US

≤1反轉(zhuǎn)VDl、VD4續(xù)流VT2、VT3截止+USVTl、VT4截止VT2、VT3導通-US

≤0單極式正轉(zhuǎn)VT1、VT4導通VT2、VT3截止+USVT4導通、VD2續(xù)流；VT1、VT3截止，VT2不通0

≤1反轉(zhuǎn)VT3導通、VDl續(xù)流VT2、VT4截止VTl不通0VT2、VT3導通VTl、VT4截止-US

≤0108

受限單極式控制方式

當電機正轉(zhuǎn)時，在0≤t≤ton期間，VT2是截止的，在ton≤t<T期間，由于經(jīng)過VD2續(xù)流，VT2也不通。既然如此，不如讓Ug2恒為負，使VT2一直截止。同樣，當電動機反轉(zhuǎn)時，讓Ugl恒為負，VT1一直截止。這樣，就不會產(chǎn)生VTl、VT2直通的故障了。這種控制方式稱作受限單極式。109

受限單極式控制方式（續(xù)）當負載較重，電流id在一個方向內(nèi)連續(xù)變化，所有的電壓、電流波形都和一般單極式變換器一樣。但是，當負載較輕時，由于有兩個晶體管一直處于截止狀態(tài)，不可能導通，因而不會出現(xiàn)電流變向的情況，在續(xù)流期間電流衰減到零時（t=td），波形便中斷了，這時電樞兩端電壓跳變到UAB=E，如圖所示。110+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4圖1-18橋式可逆PWM變換器

H形主電路結(jié)構(gòu)2.橋式可逆PWM變換器111112電流斷續(xù)時，電樞電壓的提高把平均電壓也抬高了，成為：

令E≈Ud，則Ud≈（T/td）ρUs=ρ′Us由此求出新的負載電壓系數(shù)由于T≥td，因而ρ′≥ρ，但ρ′之值仍在-1～+1之間變化。這種輕載電流斷續(xù)的現(xiàn)象將使變換器的外特性變軟，和V-M系統(tǒng)中的情況十分相似。它使PWM調(diào)速系統(tǒng)的靜、動態(tài)性能變差，換來的好處則是可靠性的提高。1141.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性

由于采用脈寬調(diào)制，嚴格地說，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)速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）的關系。

采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于帶制動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，因而機械特性關系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。115

對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段

式中R、L—電樞電路的電阻和電感。

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（1-20）（ton

≤t<T）（1-21）116

對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個方程中電源電壓由0改為–Us

，其他均不變。于是，電壓方程為(0≤

t<ton)(1-22)

雙極式可逆電路電壓方程(ton

≤

t<T)(1-23)

于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成：117

(1-25)或用轉(zhuǎn)矩表示，

(1-26)式中Cm=Km

N—電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

n0=

Us

/Ce

—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比。

機械特性方程118n–Id,–Teav0n0s0.75n0s0.5n0s0.25n0sId

,Teav

=1

=0.75

=0.5

=0.25PWM調(diào)速系統(tǒng)機械特性圖1-20脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性曲線（電流連續(xù)）119

說明圖中所示的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。圖中僅繪出了第一、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。對于電機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時，Id

=0，理想空載轉(zhuǎn)速會翹到n0s＝Us

/Ce

。120121

目前，在中、小容量的脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，由于IGBT已經(jīng)得到普遍的應用，其開關頻率一般在10kHz左右，這時，最大電流脈動量在額定電流的5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速的萬分之一，可以忽略不計。1221.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學模型

圖1-21繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由PWM控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。

UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21PWM控制與變換器框圖

123按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應會有延遲，最大的時延是一個開關周期T。124

因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（1-27）其中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；

Ts—PWM裝置的延遲時間，Ts

≤

T

。125

當開關頻率為10kHz時，T=0.1ms

，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，當整個系統(tǒng)開環(huán)頻率特性截止頻率滿足下式

≤因此：（1-28）與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。126+1.3.4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同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。

127

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，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時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”。

128

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)所需的電容量達到數(shù)千微法。在大容量或負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，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb來消耗掉部分動能。分流電路靠開關器件VTb

在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。

泵升電壓限制129

泵升電壓限制電路過電壓信號UsRbVTbC+130

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)。當然，這樣一來，系統(tǒng)就更復雜了。1311.4反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的

穩(wěn)態(tài)分析和設計

132本節(jié)提要轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性開環(huán)系統(tǒng)特性和閉環(huán)系統(tǒng)特性的關系反饋控制規(guī)律限流保護——電流截止負反饋1331.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標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)。1342.調(diào)速指標調(diào)速范圍：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

（1-30）

其中nmin

和nmax

一般都指電機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。135

靜差率：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉(zhuǎn)速降落

nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s，即或用百分數(shù)表示

（1-31）

（1-32）

式中

nN=n0-nN

1360TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

n圖1-23不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3.靜差率與機械特性硬度的區(qū)別

靜差率和機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，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定度也就越差。137例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應以最低速時所能達到的數(shù)值為準。靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）1384.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關系

設：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)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為

139而調(diào)速范圍為

將上面的式代入nmin，得

（1-33）

結(jié)論1：

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。140

例題1-1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，當要求靜差率30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？141解要求30%時，調(diào)速范圍為

若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是若要求20%，則調(diào)速范圍只有1421.4.2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)調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機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。143

例題1-2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：60kW、220V、305A、1000r/min，采用V-M系統(tǒng)，主電路總電阻R=0.18Ω，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？144解當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為

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

這已大大超過了5%的要求，更不必談調(diào)到最低速了。145

如果要求D=20，s

≤

5%，則由式（1-33）可知

由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/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)來解決這個問題。1461.4.3閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性

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)應該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。147

系統(tǒng)組成圖1-24

采用轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?UnU*UcUPE+-Ucn148

調(diào)節(jié)原理

在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓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

，用以控制電動機轉(zhuǎn)速n。149UPE的組成

圖中，UPE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

。Ud0u~ACDCUc150UPE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：對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器；對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關器件，如GTO、IGCT等；對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置。151

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。152轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下：

電壓比較環(huán)節(jié)

放大器電力電子變換器調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性測速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)關系153以上各關系式中

—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)，（V·min/r）；

—UPE的理想空載輸出電壓；

—電樞回路總電阻。

穩(wěn)態(tài)關系（續(xù)）KpKsR

Ud0154

從上述五個關系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式

式中閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K為：其中電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)為：

靜特性方程（1-34）155

閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-圖1-25轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖1561）只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)2）只考慮擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs

1/CeUc?UnnUd0Un+-+KpKs

1/Ce-IdRnUd0+-E157

由于已認為系統(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）1581.4.4開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性

的關系

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(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)機械特性為(1-35)

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

(1-36)

159比較式（1-35）和式（1-36）不難得出以下的論斷：（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。在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關系是

(1-37)

系統(tǒng)特性比較160

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一開環(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n0op=n0cl

時，（1-38）161（3）當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。如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nN；而最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時， 閉環(huán)時， 再考慮式（1-37），得(1-39)

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）162

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即

K要足夠大，因此必須設置放大器。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電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

163

例題1-3

在例題1-2中，龍門刨床要求D=20，s<5%，已知Ks=30，

=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，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

Δnop=275r/min，但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min，由式（1-37）可得164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。165n0Id1Id3Id2Id4ABCA’DId閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性圖1-26閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系Ud4Ud3Ud2Ud1

系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程166

系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng)

Id

n

例如：在圖1-26中工作點從AA’

閉環(huán)系統(tǒng)Id

n

Un

Un

n

Ud0

Uc

例如：在圖1-26中工作點從A

B1671681.4.5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。

1691.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。因為閉環(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)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的。1702.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是從。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”。(1-36)

171

擾動作用與影響圖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Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

172

調(diào)速系統(tǒng)的擾動源負載變化的擾動（使Id變化）；交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）；電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce變化

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

變化）。在圖1-27中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來了，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。173

抗擾能力反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功