直流調速系統(tǒng) 第三章 《自動控制技術（第二版）》

全國高級技工學校電氣自動化設備安裝與維修專業(yè)教材自動控制技術主編：李國偉孫華（第二版）78直流調速系統(tǒng)第三章7980第三章3－１

直流電動機的調速原理3－２

直流調速系統(tǒng)的可控直流電源3－３

晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征3－４

反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析3－5電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分析3－１

直流電動機的調速原理第三章81學習目標１.了解直流電動機的調速原理。２.熟悉直流調速系統(tǒng)三種可控直流電源的原理和特點。３.掌握晶閘管—直流電動機調速系統(tǒng)的特征。４.掌握反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。５.熟悉電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分析。823－１

直流電動機的調速原理83直流電動機具有良好的啟、制動性能，適宜在大范圍內平滑調速，在軋鋼機、礦井卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬切削機床、造紙機、高層電梯等需要高性能可控電力拖動的領域中具有廣泛應用。由直流電動機的速度公式ｎ＝（Ｕ－ＩａＲａ）／（ＫｅΦ）可以看出，直流電動機的調速方法有以下三種：改變電源電壓Ｕ調速（簡稱調壓調速）；改變電樞回路電阻Ｒａ調速（簡稱串電阻調速）；改變勵磁電流以改變主磁通Φ調速（簡稱弱磁調速）。下面分別予以介紹。3－１

直流電動機的調速原理84直流電動機改變電源電壓調速的機械特性，如圖３－１所示。這種調速方法的主要特點是：一、改變電源電壓調速（１）調速范圍廣，可以從低速一直調到額定轉速，速度變化平滑，通常稱為無級調速。（２）調速過程中沒有附加能量損耗。電壓降低后，機械特性硬度不變，故穩(wěn)定性好。（３）因端電壓不能超過額定電壓，故轉速只能在額定轉速以下調節(jié)。（４）所需設備較復雜，耗電大，聲音及干擾也較大，成本較高。圖３－１直流電動機改變電源電壓調速的機械特性3－１

直流電動機的調速原理85一、改變電源電壓調速在晶閘管變流技術被廣泛應用之前，直流電動機的調壓調速一般采用直流他勵發(fā)電機－直流電動機組來實現(xiàn)。目前，在許多大型的龍門刨床、重型機床、軋鋼機中，該系統(tǒng)仍有采用。他勵發(fā)電機－直流電動機調速系統(tǒng)的工作原理如圖３－２所示，三相異步電動機拖動直流他勵發(fā)電機，產生直流電壓供給直流電動機，改變發(fā)電機的勵磁電流，發(fā)電機產生的感應電動勢Ｅ隨之改變，即達到了調壓調速的目的。圖３－２他勵發(fā)電機－直流電動機調速系統(tǒng)工作原理圖３－３并勵直流電動機電路圖圖３－４串勵直流電動機電路圖3－１

直流電動機的調速原理86二、改變電樞回路電阻調速該方法通過在電樞回路中串入調速電阻來實現(xiàn)調速目的，其接線如圖３－３和圖３－４所示。3－１

直流電動機的調速原理87圖３－５并勵直流電動機機械特性曲線圖３－６串勵直流電動機機械特性曲線二、改變電樞回路電阻調速系統(tǒng)的機械特性如圖３－５和圖３－６所示，該調速方法的特點是：3－１

直流電動機的調速原理88二、改變電樞回路電阻調速（１）所需設備較簡單、成本低，因此在小功率直流電動機中用得較多。在２０世紀７０年代以前，由于晶閘管調壓技術尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流電動機中也采用電樞回路串電阻調速，如城市電車、礦用電力機車、蓄電池運輸車等。（２）電動機轉速只能調低，而且為有級調速。特性曲線較軟，即負載變動時，電動機轉速變化較大。（３）在調速電阻上有較大的能量損耗，經濟性能較差。3－１

直流電動機的調速原理89三、改變主磁通調速當直流電動機的電源電壓及負載轉矩不變時，如使主磁通減小，則電動機的轉速就相應增高，故這種調速方法也稱為弱磁調速。對并勵直流電動機而言，可在勵磁回路中串聯(lián)附加電阻ＲＰ１，如圖３－７ａ所示。對串勵直流電動機而言，則可在勵磁回路中并聯(lián)磁場分路電阻ＲＰ１，如圖３－７ｂ所示。圖３－７直流電動機弱磁調速電路ａ）并勵直流電動機中串電阻ｂ）串勵直流電動機中并電阻3－１

直流電動機的調速原理90三、改變主磁通調速這種調速方法的特點是：（１）由于調速是在勵磁回路中進行，功率較小，故能量損耗小、控制方便。（２）可以得到平滑的無級調速，但轉速只能從額定轉速往上調，不能在額定轉速以下進行調速，故往往只作為輔助調速，與前面兩種調速方法組合使用。（３）一般來講，弱磁調速的調速范圍較窄，而且當磁通減小太多時，由于電樞磁場對主磁場的影響加大而使電動機換向困難，容易產生較大火花，從而造成危害。另外，還必須考慮到電樞機械強度的影響。因此，對一般的直流電動機而言，最高轉速通?？刂圃趦杀额~定轉速的范圍內。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源第三章91圖３－８旋轉變流機組供電的直流調速系統(tǒng)（Ｇ－Ｍ系統(tǒng)）原理圖3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源92調壓調速是直流調速系統(tǒng)中使用的主要方法，而調節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源包括旋轉變流機組、靜止可控整流器、直流斬波器和脈寬調制變換器。下面分別介紹各種可控直流電源以及由其供電的直流調速系統(tǒng)。一、旋轉變流機組旋轉變流機組是用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，以獲得可調的直流電壓。圖３－８所示為旋轉變流機組和由它供電的直流調速系統(tǒng)原理圖。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源93一、旋轉變流機組交流電動機Ｍ１（異步電動機或同步電動機）拖動直流發(fā)電機Ｇ，由發(fā)電機給需要調速的直流電動機Ｍ２供電，調節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電流ｉｆ即可改變其輸出電壓Ｕｄ，從而調節(jié)電動機的轉速ｎ。這樣的調速系統(tǒng)簡稱Ｇ－Ｍ系統(tǒng)。為了供電給直流電動機勵磁繞組，通常專門設置一臺直流勵磁發(fā)電機ＧＥ，可裝在變流機組同軸上，也可另外單用一臺交流電動機拖動。當系統(tǒng)調速性能要求不高時，ｉｆ可由勵磁電源供電，要求較高的閉環(huán)調速系統(tǒng)一般都應通過放大裝置進行控制。Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的放大裝置多采用電機型放大器（如交磁放大機）和磁放大器。需要進一步提高放大系數(shù)時還可增設電子放大器作為前級放大。如果改變ｉｆ的方向，則Ｕ的極性和ｎ的轉向都跟著改變，所以Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的可逆運動是很容易實現(xiàn)的。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源94一、旋轉變流機組圖３－９所示為采用旋轉變流機組供電時電動機可逆運行的機械特性。由圖可見，無論正轉減速還是反轉減速時，系統(tǒng)都能夠實現(xiàn)回饋制動，因此Ｇ－Ｍ系統(tǒng)是可以在允許轉矩范圍之內四象限運行的系統(tǒng)。圖３－９Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性旋轉變流機組供電的直流調速系統(tǒng)在２０世紀５０年代曾被廣泛使用。由于該系統(tǒng)需要旋轉變流機組至少包含兩臺與調速電動機容量相當?shù)男D電動機，還要一臺勵磁發(fā)電機，設備多、體積大、費用高、效率低，且安裝時需打地基，運行有噪聲，維護不方便，到了２０世紀６０年代逐漸被更為經濟可靠的晶閘管整流器所代替。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源95二、靜止可控整流器靜止可控整流器是用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，來獲得可調的直流電壓。在靜止可控整流方面，離子拖動系統(tǒng)是最早應用靜止變流裝置供電的直流調速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉變流機組的許多缺點，而且還縮短了響應時間，但汞弧整流器造價較高，維護麻煩，特別是水銀如果泄漏，會污染環(huán)境，危害人體健康。１９５７年晶閘管的問世，２０世紀６０年代成套晶閘管整流裝置的出現(xiàn)，使變流技術產生了根本性變革，自此變流技術進入晶閘管時代。目前，晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)（簡稱Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）已成為直流調速系統(tǒng)的主要形式。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源96二、靜止可控整流器圖３－１０所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的簡單原理圖，圖中Ｖ代表晶閘管可控整流器，它可以是單相、三相，也可以是半波、全波、半控、全控等類型。通過調節(jié)觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ｕｄ，實現(xiàn)平滑調速。圖３－１０晶閘管可控整流器供電的直流調速系統(tǒng)（Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）簡單原理圖3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源97二、靜止可控整流器與旋轉變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經濟性和可靠性上有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖３－１１可見，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在１×１０４以上，其門極電流可以直接用晶體三極管來控制，不再像直流電動機那樣需要較大功率放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，大大提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能。圖３－１１各種變流裝置技術性能的比較3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源98二、靜止可控整流器晶閘管整流器也有它的缺點。首先，由于晶閘管的單向導電性，它不允許電流反向流通，所以造成系統(tǒng)可逆運行困難。由半控整流電路構成的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)只允許單象限運行（圖３－１２ａ）；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制動狀態(tài)，因而能夠獲得二象限運行（圖３－１２ｂ）；需要實現(xiàn)四象限運行時（圖３－１２ｃ），只能用正、反兩組全控整流電路，所用變流設備將增加一倍。圖３－１１各種變流裝置技術性能的比較3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源99二、靜止可控整流器其次，晶閘管的過電壓、過電流能力很小，任何一項指標超過允許值都可能在很短時間內損壞元件，因此必須有可靠的保護裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時還應留有足夠的余量。只有元件質量過關，裝置設計合理，保護設施齊備，晶閘管裝置的運行才能十分可靠。最后，當系統(tǒng)處在深調速狀態(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，并產生較大的高次諧波電流，會引起電網電壓波形畸變，殃及附近的用電設備。如果采用晶閘管調速的設備在電網中容量占比較大，就會造成上述“電力公害”現(xiàn)象。在這種情況下，必須增設無功補償和諧波濾波裝置。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源100三、直流斬波器和脈寬調制變換器直流斬波器和脈寬調制變換器是用恒定直流電源或可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調制變換器產生可變的平均電壓。在干線鐵道、電力機車、工礦電力機車、城市電車和地鐵電力機車等電力牽引設備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電源供電。直流斬波器是將電壓值固定的直流電，轉換為電壓值可變的直流電的裝置。過去多用切換電阻來控制電車的啟動、制動和調速，電能在電阻中損耗很大?，F(xiàn)在多采用晶閘管來控制直流電壓，大大降低了電能損耗。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源101三、直流斬波器和脈寬調制變換器采用晶閘管的直流斬波器其基本原理如圖３－１３ａ所示。在這里，晶閘管ＶＴ不受相位控制，工作在開關狀態(tài)。當ＶＴ被觸發(fā)導通時，電源電壓Ｕｓ加到電動機上；當ＶＴ關斷時，直流電源與電動機斷開，電動機經二極管ＶＤ續(xù)流，如此反復。圖３－１３采用晶閘管的直流斬波器原理圖和電樞端電壓波形ａ）原理圖ｂ）電壓波形3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源102三、直流斬波器和脈寬調制變換器電樞端電壓波形ｕ＝ｆ（ｔ）如圖３－１３ｂ所示，如同是電源電壓Ｕｓ在一段時間（Ｔ－ｔｏｎ）內被斬斷后形成的。這樣，電動機得到的平均電壓為Ｕｄ０＝ｔｏｎＵｓ／Ｔ＝ρＵｓ

（３－１）Ｔ———晶閘管的開關周期；ｔｏｎ———晶閘管的導通時間；ρ———占空比。式中晶閘管一旦導通，就不能再用門極觸發(fā)信號來使它關斷。若要關斷，必須在陽、陰極間施加反向電壓，這就需要一種附加的強迫關斷電路。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源103三、直流斬波器和脈寬調制變換器受晶閘管關斷時間的限制，由普通晶閘管構成的斬波器的開關頻率只能是１００～２００Ｈｚ。為了縮小裝置的體積，可用逆導晶閘管代替普通晶閘管，開關頻率也可適當提高，達到３００Ｈｚ。直流斬波器的平均輸出電壓Ｕｄ０可以通過改變主晶閘管的導通和（或）關斷時間來調節(jié)。圖３－１４所示為幾種常用控制方式的電壓、電流波形。圖３－１４直流斬波器的控制方式ａ）脈沖寬度調制ｂ）脈沖頻率調制ｃ）兩點式控制3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源104三、直流斬波器和脈寬調制變換器脈沖寬度調制（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡稱ＰＷＭ）的脈沖周期Ｔ不變，只改變主晶閘管的導通時間ｔｏｎ，即可改變脈沖的寬度，如圖３－１４ａ所示。脈沖頻率調制（ｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡稱ＰＦＭ）的導通時間不變，只改變開關頻率ｆ或開關周期Ｔ，也就是只改變晶閘管關斷的時間，如圖３－１４ｂ所示。兩點式控制是當負載電流或電壓低于某一最小值時，使ＶＴ觸發(fā)導通；當電流或電壓達到某一最大值時，使ＶＴ關斷。導通和關斷的時間都是不確定的，如圖３－１４ｃ所示。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源105三、直流斬波器和脈寬調制變換器由普通晶閘管或逆導晶閘管構成的斬波開關頻率不高，因而輸出電流脈動較大，調速范圍有限。此外，附加的強迫關斷電路也增加了裝置的體積和復雜性。為了適應大功率開關電路的要求，２０世紀７０年代以來，研究者們研制出了多種既能控制其導通又能控制其關斷的“全控式”電力電子器件，如門極可關斷晶閘管（ＧＴＯ）、電力晶體管（ＧＴＲ）、電力場效應管（Ｐ—ＭＯＳＦＥＴ）等。全控式器件的關斷時間短，因而由它們構成的斬波器的工作頻率可以提高到１～４ｋＨｚ，甚至達到２０ｋＨｚ。用全控式器件實行開關控制時，多用脈沖寬度調制的控制方式，形成近年來應用日益廣泛的直流電機脈沖寬度調制調速系統(tǒng)，即ＰＷＭ調速系統(tǒng)。3－2直流調速系統(tǒng)的可控直流電源106三、直流斬波器和脈寬調制變換器與Ｖ－Ｍ系統(tǒng)相比，ＰＷＭ調速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：（１）ＰＷＭ調速系統(tǒng)的開關頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就足以獲得脈動很小的直流電流，電樞電流容量連續(xù)，系統(tǒng)的低速運行平穩(wěn)，調速范圍較寬，可達１∶１００００左右。電流波形比Ｖ－Ｍ系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉矩下，電動機的損耗和發(fā)熱都較小。（２）開關頻率高，若與快速響應的電動機相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，快速響應性能好。動態(tài)抗干擾能力強。（３）電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。因受到器件容量的限制，故直流ＰＷＭ調速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征第三章1073－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征108一、觸發(fā)脈沖相位控制如圖３－１０所示在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，調節(jié)給定電壓，即移動觸發(fā)裝置ＧＴ輸出脈沖的相位，能夠很方便地改變整流器的輸出電壓Ｕｄ，如果把整流裝置內部的電阻壓降、器件正向壓降和變壓器漏抗引起的換相壓降都移到整流裝置外面，當作負載電路壓降的一部分，那么整流電壓便可用其理想空載瞬時值ｕｄ０或平均值Ｕｄ０來代替，相當于用圖３－１５所示的等效電路代替圖３－１０所示的實際主電路。圖３－１５Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路的等效電路3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征109一、觸發(fā)脈沖相位控制此時瞬時電壓平衡方程式可寫作Ｌ———主電路總電感；Ｒ———主電路總的等效電阻，包括整流裝置內阻、電動機電樞電阻和平波電抗器電阻；Ｅ———電動機反電動勢；ｉｄ———整流電流瞬時值。式中ｕｄ０進行積分即得理想空載整流電壓的平均值Ｕｄ０。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓平均值是晶閘管整流器的主要特點。Ｕｄ０與觸發(fā)脈沖相位α的關系因整流電路的形式而異。3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征110對于一般全控式整流電路，當電流波形連續(xù)時，α———從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；Ｕｍ———α＝０時的整流電壓波形的峰值；ｍ———交流電源一周內的整流電壓脈波數(shù)。式中對于不同的整流電路，它們的數(shù)值見表３－１。3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征111在１０００ｋＷ以上的大功率調速系統(tǒng)中，常采用雙三相橋構成十二相整流電路，兩組橋交流電源分別由整流變壓器的兩套二次繞組提供，一套接成△形，另一套接成Ｙ形，使輸出相電壓相位錯開３０°，共同構成ｍ＝１２的整流電路，如圖３－１６所示，以進一步減小輸出電流的脈動分量。圖３－１６雙三相橋組成的十二相整流電路ａ）雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器Ｌｄｂ）雙橋串聯(lián)由于這種十二相整流電壓結構的特殊性，式（３－３）不再適用。對于圖３－１６ａ所示的雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器電路，對于圖３－１６ｂ所示的雙橋串聯(lián)電路，3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征112二、電流脈動的影響及其抑制措施整流電路的脈波數(shù)ｍ＝２，３，６，１２，…，其數(shù)目總是有限的，比直流電動機每對極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此，除非主電路電感Ｌ＝∞，否則Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流脈動總比Ｇ－Ｍ系統(tǒng)嚴重。這樣一來，會產生兩個方面的問題：一是脈動電流產生脈動的轉矩，對生產機械不利；二是脈動電流造成較大的諧波分量，流入電源后對電網不利，同時也增加電動機發(fā)熱量。3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征113二、電流脈動的影響及其抑制措施因此，在應用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)時，首先要考慮抑制電流脈動的問題，其主要措施有兩個：一是增加整流電壓的相數(shù)；二是設置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常給定最小電流Ｉｄｍｉｎ（以Ａ為單位），再利用它計算所需的總電感量（以ｍＨ為單位）。對于單相橋式全控整流電路有對于三相半波整流電路有對于三相橋式整流電路有式中，Ｉｄｍｉｎ一般可取電動機額定電流的５％～１０％。3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征114二、電流脈動的影響及其抑制措施由于電流波形的脈動，可能存在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這也是Ｖ－Ｍ系統(tǒng)不同于Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的一個特點。當Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路串接的電抗器有足夠大的電感量，而且電動機的負載電流也足夠大時，整流電流的波形便可能是連續(xù)的，如圖３－１７ａ所示。當電感較小而且負載較輕時，一相導通電流上升時電感中的儲能較少，在電流下降而下一相尚未被觸發(fā)之前，電流已衰減到零，便產生波形斷續(xù)的現(xiàn)象，如圖３－１７ｂ所示。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，一般應盡量避免。圖３－１７Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流波形ａ）電流連續(xù)ｂ）電流斷續(xù)3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征115三、Ｖ－Ｍ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———電動機在額定磁通下的電動勢轉速比，Ｃｅ＝ＫｅΦ。式（３－９）中，改變控制角α可得一簇平行直線，如圖３－１８所示。機械特性上平均電流較小時電流波形可能斷續(xù)，式（３－９）不再適用。上述結論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成線性可控電壓源。當電流斷續(xù)時，機械特性方程要復雜得多。圖３－１８Ｖ－Ｍ系統(tǒng)電流連續(xù)時的機械特性3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征116三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性圖３－１９所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機械特性，其中包含了整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。由圖可見，當電流連續(xù)時，Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈非線性，理想空載轉速較高。一般分析調速系統(tǒng)時，只要主電路電感足夠大，就可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延伸的虛線作為系統(tǒng)的特性。圖３－１９Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機械特性3－3晶閘管－直流電動機調速系統(tǒng)的特征117三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機械特性對于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣近似偏離實際較遠，可以改為另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性，如圖３－２０所示，這相當于把總電阻Ｒ換成一個更大的等效電阻Ｒ′，其數(shù)值可以從實測的斷續(xù)段特性上計算出來。嚴重時Ｒ′可達實際電阻Ｒ的幾十倍。圖３－２０斷續(xù)段特性的近似計算3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析第三章1183－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析119一、轉速控制的要求和調速指標任何一臺需要轉速控制的設備，其生產工藝對控制性能都有一定的要求。例如，精密機床要求加工精度達到百分之幾毫米甚至幾微米；重型銑床的進給部分需要在很寬的范圍內調速，快速移動時最高速達到６００ｍｍ／ｍｉｎ，而精加工時最低速只有２ｍｍ／ｍｉｎ，最高速和最低速相差３００倍；點位式數(shù)控機床要求定位精度達到幾微米，速度跟蹤誤差約低于定位精度的１／２。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析120一、轉速控制的要求和調速指標又如，在軋鋼工業(yè)中，年產數(shù)百萬噸鋼錠的大型現(xiàn)代化初軋機，其軋輥電動機容量達到幾千千瓦，在不到１ｓ的時間內需要完成從正轉到反轉的全部過程；軋制薄鋼帶的高速冷軋機最高軋速達到３７ｍ／ｓ以上，而成品厚度誤差不大于１％；在造紙工業(yè)中，日產新聞紙４００ｔ以上的高速造紙機，卷紙速度達到１０００ｍ／ｍｉｎ，要求穩(wěn)速誤差小于±００１％；等等。所有這些要求，都是生產設備量化的技術指標，經過一定折算，可以轉化成電力拖動控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動態(tài)性能指標，作為設計系統(tǒng)的依據(jù)。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析121對于調速系統(tǒng)的轉速控制要求，歸納起來，有以下三個方面：調速———在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分擋（有級）或平滑地（無級）調節(jié)轉速。穩(wěn)速———以一定的精度在所需轉速上穩(wěn)定運行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉速波動，以確保產品質量。加、減速———頻繁啟、制動的設備要求盡量快地加、減速以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求啟、制動盡量平穩(wěn)。以上三個方面有時都需要具備，有時只要求具備其中一項或兩項。特別是調速和穩(wěn)速兩項，常常在各種場合下都會遇到。為了進行定量分析，針對這兩項要求定義兩個調速指標，即調速范圍和靜差率。這兩項指標合在一起稱為調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析122生產機械要求電動機提供的最高轉速ｎｍａｘ和最低轉速ｎｍｉｎ之比稱為調速范圍，用字母Ｄ表示，即：１.調速范圍其中，ｎｍａｘ和ｎｍｉｎ一般是指電動機在額定負載時的轉速要求，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速。２.靜差率當系統(tǒng)在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落Δｎｎｏｍ，與理想空載轉速ｎ０之比，稱為靜差率Ｓ，即：或用百分數(shù)表示為：3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析123顯然，靜差率是用來衡量調速系統(tǒng)在負載變化下轉速的穩(wěn)定度的，它和機械特性的硬度有關。特性越硬，靜差率越小，轉速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調壓調速系統(tǒng)不同轉速下的機械特性是互相平行的，如圖３－２１中的特性ａ和ｂ，兩者的硬度相同，額定速降相等；但它們的靜差率卻不同，因為理想空載轉速不一樣。圖３－２１不同轉速下的靜差率3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析124根據(jù)公式（３－１１），由于ｎ０ａ＞ｎ０ｂ，所以Ｓａ＜Ｓｂ。這就是說，對于同樣硬度的特性，理想空載轉速越低，靜差率越大，轉速的相對穩(wěn)定度也就越差。若理想空載轉速ｎ０為１０００ｒ／ｍｉｎ時降落１０ｒ／ｍｉｎ，只占１％；在ｎ０為１００ｒ／ｍｉｎ時降落１０ｒ／ｍｉｎ，卻占１０％；如果ｎ０只有１０ｒ／ｍｉｎ，降落１０ｒ／ｍｉｎ時，電動機就會停止轉動。由此可見，調速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時考慮才有意義。一個調速系統(tǒng)的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所提靜差率要求的轉速可調范圍。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析125３.調壓調速系統(tǒng)中調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系在直流電動機調壓調速系統(tǒng)中，常以電動機的額定轉速ｎｎｏｍ為最高轉速，若帶額定負載時的轉速降落為Δｎｎｏｍ，則按照以上的分析結果，該系統(tǒng)的靜差率應該是最低速時的靜差率，即：Ｓ＝Δｎｎｏｍ／ｎｎｏｍｉｎ由于ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍｉｎ－Δｎｎｏｍ＝Δｎｎｏｍ／Ｓ－Δｎｎｏｍ＝（１－Ｓ）Δｎｎｏｍ／Ｓ，而調速范圍為：Ｄ＝ｎｍａｘ／ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍ／ｎｍｉｎ將上面的ｎｍｉｎ計算式代入，得：Ｄ＝Ｓｎｎｏｍ／［Δｎｎｏｍ（１－Ｓ）］

（３－１３）3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析126３.調壓調速系統(tǒng)中調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系公式（３－１３）表示調速范圍、靜差率和額定速降之間所應滿足的關系。對于同一個調速系統(tǒng)，它的特性硬度或Δｎｎｏｍ值是一定的。因此，由式（３－１３）可見，如果對靜差率的要求越嚴，也就是說，要求Ｓ越小時，系統(tǒng)能夠允許的調速范圍也越小。例如，某調速系統(tǒng)額定轉速ｎｎｏｍ＝１４３０ｒ／ｍｉｎ，額定速降Δｎｎｏｍ＝１１５ｒ／ｍｉｎ，當要求靜差率Ｓ≤３０％時，允許的調速范圍是：Ｄ≤１４３０×０.３／［１１５×（１－０.３）］≈５.３如果要求Ｓ≤２０％，則調速范圍只有：Ｄ≤１４３０×０.２／［１１５×（１－０.２）］≈３.１3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析127二、開環(huán)調速系統(tǒng)的性能和存在的問題在如圖３－１０所示的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，僅用觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來調節(jié)電動機轉速，是開環(huán)控制的調速系統(tǒng)，如果對靜差率要求不高的話，它也能實現(xiàn)一定范圍內的無級調速。但是，許多無級調速的生產機械常常對靜差率提出一定的要求。例如，龍門刨床，由于毛坯表面不平，加工時負載常有波動，但為了保證加工精度，速度卻不容許有較大的變化，一般要求調速范圍Ｄ為２０～４０，靜差率Ｓ＜５％。又如熱連軋機，各機架軋輥分別由單獨的電動機拖動，鋼材在幾個機架內同時軋制，要求各機架出口線速度保持嚴格的比例關系，以保證被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷。根據(jù)工藝要求，須使調速范圍Ｄ＝１０，保證靜差率Ｓ＜０.５％。128例如，某龍門刨床工作臺拖動采用Ｚ２—９３型直流電動機（額定功率６０ｋＷ、額定電壓２２０Ｖ、額定電流３０５Ａ、額定轉速１０００ｒ／ｍｉｎ），要求Ｄ＝２０，Ｓ≤５％。如果使用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)，已知主回路總電阻Ｒ＝０.１８Ω，電動機Ｃｅ＝０.２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，則當電流連續(xù)時，其在額定負載下的轉速降落為：開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉速時的靜差率為：這已大大超過了５％的要求，更不必談調到最低速時的情況了。如果要滿足Ｄ＝２０，Ｓ≤５％的要求，由公式（３－１３）可知：將額定速降從２７５ｒ／ｍｉｎ降低到２.６３ｒ／ｍｉｎ以下，開環(huán)系統(tǒng)本身是無能為力的，但可通過采用閉環(huán)反饋控制來實現(xiàn)。129三、閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性在電動機軸上安裝一臺測速發(fā)電機ＴＧ，從而引出被調量（與轉速成正比的負反饋電壓Ｕｎ）與對應轉速下的給定電壓Ｕ*ｎ相比較后，得到偏差電壓ΔＵｎ，經過放大器Ｋｐ，產生觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓Ｕｃｔ，用以控制電動機轉速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)調速系統(tǒng)，其原理框圖如圖３－２２所示。根據(jù)自動控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調量的偏差進行控制的系統(tǒng)。只要被調量出現(xiàn)偏差，它就會自動產生糾正偏差的作用。轉速降落正是由負載引起的轉速偏差，顯然，閉環(huán)調速系統(tǒng)能夠大大減少轉速降落。圖３－２２采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)原理框圖3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析130三、閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性下面分析該閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。為了突出主要矛盾，先作如下假定：（１）忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關系都是線性的。（２）假定只工作在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)機械特性的連續(xù)段。（３）忽略直流電源和電位器的內阻。這樣，采用轉速負反饋的閉環(huán)調速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關系如下。電壓比較環(huán)節(jié)：ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－Ｕｎ放大器：Ｕｃｔ＝ＫｐΔＵｎ晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：Ｕｄ０＝ＫｓＵｃｔＶ－Ｍ系統(tǒng)開環(huán)機械特性：ｎ＝（Ｕｄ０－ＩｄＲ）／Ｃｅ測速發(fā)電機：Ｕｎ＝αｎ3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析131三、閉環(huán)調速系統(tǒng)的組成及其靜特性從上述五個關系式中消去中間變量。整理后，即得轉速反饋閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，Ｋ＝ＫｐＫｓα／Ｃｅ為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當于在測速發(fā)電機輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速發(fā)電機輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各個環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。須注意，這里是以１／Ｃｅ＝ｎ／Ｕｄ０作為電動機環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。閉環(huán)調速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉速與負載電流（或轉矩）的穩(wěn)態(tài)關系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質上卻有很大不同。故定名為“靜特性”。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析132四、開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出閉環(huán)反饋控制的優(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：而閉環(huán)時的靜特性可寫成：式中，ｎ０ｏｐ和ｎ０ｃｌ分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速；Δｎｏｐ和Δｎｃｌ分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比較式（３－１５）和式（３－１６）不難得出以下結論。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析133四、開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較（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，兩者的轉速降落分別為：它們的關系是：顯然，當Ｋ值較大時，Δｎｃｌ比Δｎｏｐ小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。（２）ｎ０相同的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，后者的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為：當ｎ０ｏｐ＝ｎ０ｃｌ時，有：3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析134四、開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較（３）當要求的靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調速范圍。如果電動機的最高轉速都是ｎｎｏｍ，對最低速靜差率的要求也相同，那么，由式（３－１３）可得出，開環(huán)時：閉環(huán)時：再考慮式（３－１７），可得：需要指出的是，式（３－１９）的條件是開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的ｎｎｏｍ相同，而式（３－１８）的條件是ｎ０相同，兩式在數(shù)量上略有差別。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析135四、開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較（４）要取得上述三項優(yōu)越性，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。在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉速反饋電壓Ｕｎ后，若要使轉速偏差小，ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－Ｕｎ就必須控制得很低，所以必須設置放大器，才能獲得足夠的控制電壓Ｕｃｔ。但在開環(huán)系統(tǒng)中，由于Ｕ*ｎ和Ｕｃｔ是屬于同一數(shù)量級的電壓，可以把Ｕ*ｎ直接當作Ｕｃｔ來控制，放大器便是多余的了。仍以前面引用的龍門刨床為例進行計算。已知Δｎｏｐ＝２７５ｒ／ｍｉｎ，要滿足Ｄ＝２０，Ｓ≤５％的要求，須有Δｎｃｌ≤２.６３ｒ／ｍｉｎ，由式（３－１７）可知：136四、開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較若已知Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的參數(shù)為Ｃｅ＝０.２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，Ｋｓ＝３０，α＝０.０１５Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，則：即只要放大器的放大系數(shù)大于或等于４６，閉環(huán)系統(tǒng)即能滿足所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標。把以上四個特點概括起來，可得出以下結論：閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)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，提高調速范圍。為此所付出的代價是，需增設檢測和反饋裝置以及電壓放大器。在開環(huán)系統(tǒng)中，當負載電流增大時，電樞壓降也增大，轉速就會下降。閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉速稍有下降，反饋電壓就反映出來，通過比較和放大，提高晶閘管裝置的輸出電壓Ｕｄ，使系統(tǒng)工作在新的機械特性上，使得轉速又有所回升。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析137在圖３－２３中，設原始工作點為Ａ，負載電流為Ｉｄ１，當負載電流增大到Ｉｄ２時，開環(huán)系統(tǒng)的轉速必然降到Ａ′點對應的數(shù)值。而在閉環(huán)系統(tǒng)中，由于反饋調節(jié)作用，電壓可升到Ｕｄ２，使工作點變成Ｂ，穩(wěn)態(tài)速降比開環(huán)系統(tǒng)小得多。這樣在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加或減少一點負載，就相應地提高或降低一點整流電壓，因而就改變一條機械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是這樣在許多開環(huán)機械特性各取一個相應的工作點（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ），再由這些點連接而成，如圖３－２３所示。圖３－２３閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關系由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質在于它的自動調節(jié)作用，它能夠隨負載的變化而相應地改變整流電壓。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析138五、反饋控制規(guī)律轉速閉環(huán)調速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有反饋控制的基本規(guī)律。１.被調量有靜差具有比例放大器的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是有靜差的。從上一節(jié)對靜特性的分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)Ｋ對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大。Ｋ越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調速范圍越廣，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，由于設置的放大器僅僅是一個比例放大器（Ｋｓ＝常數(shù)），所以穩(wěn)態(tài)速差只能減小，不可能消除，原因是閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為：只有Ｋ＝∞才能使Δｎｃｌ＝０，而這是不可能的。因此，這樣的調速系統(tǒng)稱為有靜差調速系統(tǒng)。這種系統(tǒng)正是依靠被調量偏差的變化實現(xiàn)控制作用的。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析139２.抵抗擾動與服從給定閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被負反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動作用都能有效地加以抑制。除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)上一切會引起被調量變化的因素都稱為擾動作用。前面只討論了負載變化引起轉速降落這一種擾動作用，除此之外，交流電源電壓的波動、電動機勵磁的變化、放大器輸出電壓的漂移、溫升引起的主電路電阻增大等因素都和負載變化一樣會引起被調量轉速的變化，因而都是調速系統(tǒng)的擾動作用。作用在前向通道上的任何一種擾動作用的影響都會被測速發(fā)電機檢測出來，通過反饋控制，減小它們對穩(wěn)態(tài)轉速的影響。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析140２.抵抗擾動與服從給定圖３－２４所示的穩(wěn)態(tài)結構圖上畫出了各種擾動作用，其中代表電流Ｉｄ的箭頭表示負載擾動，其他指向各方框的箭頭分別表示會引起該環(huán)節(jié)放大系數(shù)變化的擾動作用。圖３－２４自動調速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用此圖清楚地表明：凡是被反饋包圍的加在控制系統(tǒng)前向通道上的擾動作用對被調量的影響都會受到反饋控制的抑制。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析141２.抵抗擾動與服從給定抗擾性能是反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)最突出的特征。正因為有這一特征，在設計閉環(huán)系統(tǒng)時，一般只考慮一種主要擾動，例如，在調速系統(tǒng)中只考慮負載擾動。按照克服負載擾動的要求進行設計，則其他擾動也就自然都受到抑制。由圖３－２４還可看到，給定作用如果有細微的變化，被調量都會立即隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。因此，反饋控制系統(tǒng)一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定信號，對給定信號的任何變化都將完全響應。3－4反饋控制閉環(huán)調速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析142３.系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)對給定穩(wěn)壓電源和被調量檢測裝置中的擾動無能為力。因此，控制系統(tǒng)精度依賴于給定穩(wěn)壓電源和反饋量檢測元件的精度。如果給定穩(wěn)壓電源發(fā)生了不應有的波動，則被調量也要跟著變化。反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是正常的調節(jié)給定電壓還是給定穩(wěn)壓電源的變化。因此，高精度的調速系統(tǒng)需要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。3－5電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分析第三章1433－5電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分析144被調量的負反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本反饋形式，對調速系統(tǒng)來說就是要用轉速負反饋，再采用前面所述的控制與校正方法，以獲得比較滿意的靜、動態(tài)性能。但是，要實現(xiàn)轉速負反饋必須有轉速檢測裝置，在模擬控制中多采用測速發(fā)電機。安裝測速發(fā)電機時，必須使它的軸和主電動機的軸嚴格同心，使它們能平穩(wěn)地同軸運轉，對于維護工作增添了不少負擔。此外，測速反饋信號中含有各種交流紋波，會給調試和運行帶來麻煩。因此，人們會想到，對于調速指標要求不高的系統(tǒng)，能否考慮省掉測速發(fā)電機取而代之以其他更方便的反饋方式。電壓反饋和電流補償控制正是用來解決這個問題的。3－5電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分析145一、電壓負反饋調速系統(tǒng)如果忽略電樞壓降，直流電動機的轉速與電樞兩端電壓近似成正比，所以電壓負反饋基本上能夠代替轉速負反饋的作用。采用電壓負反饋的調速系統(tǒng)，其原理如圖３－２５ａ所示。在這里作為反饋檢測元件的只是一個起分壓作用的電位器，它比測速發(fā)電機要簡單得多。電壓反饋信號Ｕｎ＝γＵｄ，γ稱作電壓反饋系數(shù)。圖３－２５電壓負反饋調速系統(tǒng)ａ）原理圖ｂ）結構圖ｃ）～ｅ）拆分的結構圖3－5電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分析146圖３－２５ｂ所示為電壓負反饋調速系統(tǒng)的結構圖，它和圖３－２２的轉速負反饋系統(tǒng)結構圖不同的地方僅在于負反饋信號的取出處。電壓負反饋取自電樞端電壓Ｕｄ，為了在結構圖上把Ｕｄ顯示出來，把電阻Ｒ分成兩個部分，即：Ｒ＝Ｒｒｅｃ＋ＲａＲｒｅｃ———晶閘管整流裝置的內阻（含平波電抗器電阻）；Ｒａ———電樞電阻。Ｕｄ０－ＩｄＲｒｅｃ＝ＵｄＵｄ－ＩｄＲａ＝Ｅ式中因而147利用結構圖運算規(guī)則，可將圖３－２５ｂ分解為如圖３－２５ｃ，ｄ，ｅ所示的三個部分，先分別求出每部分的輸入輸出關系，再疊加起來，即得電壓負反饋調速系統(tǒng)的靜特性方程式：從方程式可以看出，電壓負反饋把被反饋包圍的整流裝置的內阻等引起的靜態(tài)速降減小到１／（ｌ＋Ｋ），由電樞電阻引起的速降ＲａＩｄ／Ｃｅ仍和開環(huán)系統(tǒng)一樣。這一點在結構圖上也是很明顯的。因為電壓負反饋系統(tǒng)實際上只是一個自動調壓系統(tǒng)，擾動量ＩｄＲａ不在反饋環(huán)包圍之內，電壓反饋對由它引起的速降當然就無能為力了。同樣，對于電動機勵磁電流變化所造成的擾動，電壓反饋也無法克服。因此，電壓負反饋調速系統(tǒng)的靜態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉速負反饋系統(tǒng)要大一些，穩(wěn)態(tài)性能要差一些。在實際系統(tǒng)中，為了盡可能減小靜態(tài)速降，電壓負反饋的兩根引出線應該盡量靠近電動機電樞兩端。3－5電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分析148二、電流正反饋和補償控制規(guī)律僅采用電壓負反饋的調速系統(tǒng)固然可以省去一臺測速發(fā)電機，但是，由于它不能彌補電樞壓降所造成的轉速降落，調速性能不如轉速負反饋系統(tǒng)。在采用電壓負反饋的基礎上，再增加一些簡單的措施，使系統(tǒng)能夠接近轉速反饋系統(tǒng)的性能是完全可以的，電流正反饋便是這樣的一種措施。圖３－２６所示為附加電流正反饋的電壓負反饋調速系統(tǒng)原理圖。圖３－２６帶電流正反饋的電壓負反饋調速系統(tǒng)原理圖3－5電壓反饋電流補償控制的調速系統(tǒng)分