整流电路和直流调速系统论文23377.doc

i 摘要 本文以电力电子技术的核心变流技术中的整流电路和直流调速系统为研究对象，以 el-ds-型电气控制系统综合实验台为实验工具，详细地介绍了整流电路中应用最广泛 的三相桥式全控整流电路的工作原理和直流调速系统的基础单闭环直流调速系统的基本 特性，并在此基础上进行了深入的实验验证和进一步的开发设计。 本文首先详细地介绍了三相桥式全控整流电路带电阻负载、阻感负载以及反电动势 阻感负载时的工作特性，然后深入地分析了开环调速系统、有静差单闭环调速系统以及 无静差单闭环调速系统的基本特性，来不断完善对直流电动机的控制。最后粗略地介绍 了实验中所使用的实验器材和调节器参数的整定过程，并且编写了相应的实验指导书。 关键词：整流电路；调速系统；直流电动机；调节器 ii abstract power electronics technology, the core current transformer technology in the rectifier circuit and dc speed control system for the study to el-ds-iii electrical control system test bed for experimental tools and detailed presentation of the most widely used in the rectifier circuitthree- phase bridge controlled rectifier circuit works and dc speed control system on the basis of a single closed-loop dc speed control system characteristics and in-depth experimental validation and further development and design on this basis. this article first detailed description of the three-phase full-controlled bridge rectifier circuit with resistive load, the resistance of the inductive load and resistive inductive load back-emf characteristics, and in-depth analysis of the open-loop speed control system, the static difference between a single closed loop speed control systems as well as the basic characteristics of static error of a single closed loop speed control system, and constantly improve the control of the dc motor. finally a rough introduction to the experimental equipment used in the experiment and adjust the parameter tuning process and the preparation of the corresponding experimental instructions. keywords： rectifier circuit; speed control system; dc motor; regulator iii 目录 摘要 i abstractii 1 绪论 1 1.1 课题的背景、目的及意义 .- 1 - 1.2 本设计的主要研究内容 .- 1 - 2 三相桥式全控整流电路 .- 3 - 2.1 带电阻负载时的工作情况 .- 3 - 2.2 带阻感负载时的工作情况 .- 7 - 2.3 定量分析 .- 9 - 2.4 带反电势阻感负载时的工作情况 .- 9 - 3 单闭环直流调速系统 .- 11 - 3.1 转速控制的要求和调速指标 .- 11 - 3.2 开环调速系统存在的问题 .- 12 - 3.3 单闭环有静差调速系统 .- 13 - 3.3.1 有静差直流调速系统的静态特性 - 14 - 3.3.2 闭环系统静特性和开环系统机械特性的比较 - 15 - 3.3.3 有静差直流调速系统突加负载时的动态过程 - 17 - 3.4 单闭环无静差调速系统 .- 18 - 3.4.1 积分控制规律 - 18 - 3.4.2 比例积分控制规律 - 20 - 4 实验设备与仪器 .- 22 - 4.1 主电路部分 .- 22 - 4.2 控制电路部分 .- 25 - 4.3 电动机部分 .- 26 - 4.4 调节器部分 .- 30 - 参考文献 .- 31 - 结束语 .- 32 - iv 致谢 .- 33 - 附录 1 三相桥式全控整流电路 - 34 - 附录 2 单闭环直流调速系统 - 37 - - 1 - 1 绪论 1.1 课题的背景、目的及意义 交 直 流 调 速 技 术 是 现 代 电 力 拖 动 自 动 控 制 系 统 中 发 展 较 早 的 技 术 。 在 20 世 纪 60 年 代 ， 随 着 晶 闸 管 的 出 现 ， 电 力 电 子 技 术 和 自 动 控 制 理 论 的 结 合 促 进 了 现 代 电 力 传 动 与 控 制 技 术 研 究 和 应 用 的 繁 荣 。 20 世纪 90 年代以前的大约 50 年的时间里，直流电动机几乎是唯一的一种能够实现 高性能拖动控制的电动机，直流电动机的定子磁场和转子磁场相互独立，为控制提供了 便捷的方式，使得电动机具有优良的起动、制动和调速性能。尽管近年来直流电动机不 断受到交流电动机及其它电动机的挑战，但至今直流电动机仍然是大多数变速运动控制 和闭环位置伺服控制的首选。直流调速仍然是目前最可靠、精度最高的调速方法，直流 调速系统被广泛应用于机械、钢铁、矿山、冶金、化工、石油、纺织、军工等行业。这 些行业中绝大部分生产机械都采用电动机作原动机。因此，有效地控制电动机，提高其 运行性能，对国民经济具有十分重要的现实意义。 然而，对于那些在实际调试过程中存在很大风险的设备，一般不允许在没有足够的 理论基础做为指导思想的情况下而直接地进行试验。这就是说，只有经过充分的实验研 究才能将设计好的系统运用到生产实际中去，因此进行深入的实验研究是十分必要的。 这就要求我们必须充分地利用实验室里的器材来模拟实际的生产设备，同时在实验过程 中对系统各方面的性能进行充分地分析，对系统的具体参数进行精确地整定，从而更加 有效地控制好电动机。 1.2 本设计的主要研究内容 本 课 题 以 直 流 电 动 机 为 控 制 对 象 ， 以 三 相 桥 式 全 控 整 流 电 路 为 主 电 路 ， 用 实 验 方 法 设 计 出 晶 闸 管 电 动 机 系 统 ， 同 时 通 过 自 主 设 计 的 调 节 器 ， 来 实 现 对 直 流 电 动 机 的 开 环 控 制 、 有 静 差 闭 环 控 制 、 无 静 差 闭 环 控 制 ， 并 通 过 比 较 它 们 的 基 本 特 性 来 说 明 无 静 差 闭 环 控 制 的 优 越 性 。 主 要 完 成 如 下 工 作 ： - 2 - (1) 三 相 桥 式 全 控 整 流 电 路 的 工 作 特 性 分 析 通 过 分 析 三 相 桥 式 全 控 整 流 电 路 带 电 阻 负 载 、 带 阻 感 负 载 时 工 作 特 性 的 异 同 点 ， 来 分 析 带 反 电 动 势 阻 感 负 载 （ 即 晶 闸 管 电 动 机 系 统 ） 的 工 作 特 性 。 (2) 单 闭 环 直 流 调 速 系 统 的 设 计 首 先 介 绍 开 环 调 速 系 统 存 在 的 问 题 ， 然 后 引 入 对 被 调 量 转 速 的 负 反 馈 控 制 ， 即 有 静 差 直 流 调 速 系 统 （ 比 例 控 制 ） ， 最 后 为 了 消 除 稳 态 误 差 ， 引 入 了 误 差 对 时 间 的 积 分 ， 即 无 静 差 调 速 系 统 （ 积 分 控 制 、 比 例 积 分 控 制 ） 。 (3) 实 验 设 备 与 仪 器 的 介 绍 粗 略 地 介 绍 了 实 验 中 使 用 的 主 电 路 部 分 、 控 制 电 路 部 分 、 电 动 机 部 分 的 各 种 实 验 器 材 以 及 调 节 器 电 路 的 组 成 。 - 3 - 2 三相桥式全控整流电路 目前在各种整流电路中，应用最广泛的是三相桥式全控整流电路，其原理图如图 2.1 所示。习惯上我们将其中阴极连接在一起的 3 个晶闸管（vt1，vt3，vt5）称为共阴极 组；阳极连接在一起的 3 个晶闸管（vt4，vt6，vt2）称为共阳极组。此外，我们希望 晶闸管按从 1 至 6 的顺序导通，为此我们将晶闸管按图示的顺序进行编号，即共阴极组 中与 a、b、c 三相电源相连的 3 个晶闸管分别为 vt1、vt3、vt5，共阳极组中与 a、b、c 三相电源相连的 3 个晶闸管分别为 vt4、 vt6、vt2。按此编号，晶闸管的导通 顺序为 vt1 vt2vt3 vt4 vt5vt6。 图 2.1 三相桥式全控整流电路带电阻负载时原理图 2.1 带电阻负载时的工作情况 假设将电路中的晶闸管换作二极管，这种情况就相当于晶闸管触发角 =0o时的情况。 此时，对于共阴极组的 3 个晶闸管，阳极所接交流电压值最高的一个导通。而对于共阳 - 4 - 极组的 3 个晶闸管，则是阴极所接交流电压值最低（或者说负得最多）的一个导通。这 样，在任意时刻共阳极组和共阴极组中各有 1 个晶闸管处于导通状态，施加于负载上的 电压为某一线电压。此时的电路工作波形如图 2.2 所示。 当 =0o时，各晶闸管均在自然换相点处换相。由图中变压器二次绕组相电压与线电 压波形的对应关系可以看出，各自然换相点既是相电压的交点，同时也是线电压的交点。 因此，我们在分析 ud 的波形时，既可以从相电压波形分析，也可以从线电压波形分析。 图 2.2 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =0 o 时的波形 从相电压波形看，以变压器二次侧的中点 n 为参考点，当共阴极组晶闸管导通时， 整流输出电压 ud1 为相电压在正半周的包络线；当共阳极组晶闸管导通时，整流输出电 压 ud2 为相电压在负半周的包络线；总的整流输出电压 ud=ud1ud2 是两条包络线之间 的差值，将其对应到线电压波形上，即为线电压在正半周的包络线。 从线电压波形看，由于共阴极组中处于导通状态的晶闸管对应的是最大（正得最多） 的相电压，而共阳极组中处于导通状态的晶闸管对应的是最小（负得最多）的相电压， 整流输出电压 ud 为这两个相电压相减，是线电压中最大的一个，因此整流输出电压 ud 的波形为线电压在正半周的包络线。 为了说明各晶闸管的工作情况，将波形中的一个周期等分为 6 段，每段为 60o，每一 段中导通的晶闸管及整流输出电压的情况如表 2.1 所示。由该表可见，6 个晶闸管的导通 顺序为 vt1 vt2vt3 vt4 vt5vt6。 从触发角 =0o时的情况，我们可以总结出三相桥式全控整流电路的一些特点： - 5 - (1) 每个时刻均需 2 个晶闸管同时导通，形成向负载供电的回路，其中一个晶闸管是 共阴极组的，另一个晶闸管是共阳极组的，且不能为同 1 相的晶闸管。 (2) 对触发脉冲的要求：6 个晶闸管的脉冲按 vt1-vt2-vt3-vt4-vt5-vt6 的顺序依 次触发，相位依次差 60；共阴极组 vt1、vt3、 vt5 的脉冲依次差 120，共阳极组 vt4、 vt6、 vt2 的脉冲也依次差 120；同一相的上下两个桥臂，即 vt1 与 vt4，vt3 与 vt6， vt5 与 vt2，脉冲相差 180。 表 2.1 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =0 o 时晶闸管工作情况 时 段 共阴极组中 导通的晶闸管 vt1 vt1 vt3 vt3 vt5 vt5 共阳极组中 导通的晶闸管 vt6 vt2 vt2 vt4 vt4 vt6 整流输出 电压 ud ua-ub =uab ua-uc =uac ub-uc =ubc ub-ua =uba uc-ua =uca uc-ub =ucb (3) 整流输出电压 ud 一周期脉动 6 次，每次脉动的波形都一样，故该电路又叫做 6 脉波整流电路。 (4) 在整流电路合闸启动过程中或当电流断续时，为了确保电路的正常工作，需要保 证同时导通的 2 个晶闸管均有触发脉冲。为此，我们可以采用两种方法：一种方法是使 脉冲宽度大于 60o（一般取 80o100 o） ，称为宽脉冲触发。另一种方法是，在触发某个晶 闸管导通的同时，给序号紧靠前的一个晶闸管补发脉冲，即用两个窄脉冲来代替宽脉冲， 两个窄脉冲的前沿相差 60o，脉宽一般为 20o30 o，称为双脉冲触发。双脉冲触发电路虽 然比较复杂，但是输出的功率小。宽脉冲触发电路虽然可以少输出一半脉冲，但是为了 不使脉冲变压器饱和，需要将铁心体积做得很大，绕组匝数比较多，导致漏感增大，同 时脉冲前沿不够陡。因此，我们经常采用双脉冲触发。 当触发角 改变时，电路的工作情况将发生变化。图 2.3 给出了 =30o时的波形。从 t1 角开始把一个周期等分为 6 段，每段为 60o 。与 0 o时的情况相比，一周期中 ud 波 形仍由 6 段线电压构成，每一段导通晶闸管的编号仍符合表 2.1 的规律。区别在于，晶闸 管的起始导通时刻推迟了 30o,组成 ud 的每一段线电压也因此推迟了 30o，ud 的平均值降 低，晶闸管的电压波形也相应发生变化。以变压器二次侧 a 相电流 ia 的波形为例，该波 - 6 - 形的特点是：在 vt1 处于导通状态的 120o期间，ia 为正，ia 波形的形状与同时段的 ud 波形相同；在 vt4 处于导通状态的 120o期间，ia 波形的形状与同时段的 ud 波形相同， 但为负值。 图 2.4 给出了 60时的波形。此时，晶闸管的起始导通时刻推迟了 60o,组成 ud 的 每一段线电压也因此推迟了 60o，ud 的平均值继续降低。当 60时，ud 波形中出现了 为零的点。 图 2.3 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =30 o 时的波形 图 2.4 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =60 o 时的波形 - 7 - 由此可见，当 60时，ud 的波形均连续。对于电阻负载，id 波形与 ud 波形的形 状是一样的，同时也是连续的。 当 60时，如 90时的波形如图 2.5 所示。此时，ud 波形每 60中有 30为零， 这是因为电阻负载 id 波形与 ud 波形一致，一旦 ud 降至零，id 也降至零，流过晶闸管的 电流降至零导致晶闸管关断，整流电路的输出电压 ud 为零，因此 ud 波形中不可能出现 负值的情况。 图 2.5 三相桥式全控整流电路带电阻负载 =90 o 时的波形 如果触发角 继续增大至 120，整流输出电压 ud 波形将全为零，其平均值也为零， 可见带电阻负载时三相桥式全控整流电路的触发角 的移相范围是 120。 2.2 带阻感负载时的工作情况 三相桥式全控整流电路大多用于向阻感负载和反电动势负载供电（即用于拖动直流 电动机），下面主要分析带阻感负载时的工作情况，其电路原理图如图 2.6 所示。对于带 反电动势阻感负载时的情况，只需在阻感负载的基础上掌握其特点，即可把握其工作情 况。 - 8 - 图 2.6 三相桥式全控整流电路带阻感负载时原理图 当 60o时，ud 波形连续，电路的工作情况与带电阻负载时十分相似，各晶闸管的 通断情况、整流输出电压 ud 波形、晶闸管承受的电压波形等都一样。区别在于，当负载 不同时，同样的整流输出电压加到负载上，得到的负载电流 id 波形不同。带电阻负载时， id 波形与 ud 波形形状一样；而带阻感负载时，由于电感的作用，使得负载电流的波形变 得平直，当电感足够大时，负载电流的波形近似为一条平滑的直线。图 2.7 和图 2.8 给出 了三相桥式全控整流电路带阻感负载 0 o和 30 o时的工作情况。 图 2.7 三相桥式全控整流电路 带阻感负载 =0 o 时的波形 - 9 - 图 2.8 三相桥式全控整流电路 带阻感负载 =30 o 时的波形 当 60o时，三相桥式全控整流电路带阻感负载时的工作情况与带电阻负载时的工 作情况不同。带电阻负载时整流输出电压 ud 波形中不会出现负的部分，而带阻感负载时， 由于电感的作用，ud 波形会出现负的部分。图 2.9 给出了 90 o时的波形。当电感足够 大时，ud 波形中正负面积基本相等，整流输出电压 ud 平均值近似为零。这说明带阻感负 载时，三相桥式全控整流电路的触发角 的移相范围为 90o。 图 2.9 三相桥式全控整流电路 带阻感负载 =90 o 时的波形 - 10 - 2.3 定量分析 在三相桥式全控整流电路中，整流输出电压 ud的波形在一个周期内脉动 6次，且每 次脉动的波形相同，因此在计算其平均值时，只需要对一个脉波（即 1/6周期）进行计 算即可。此外，以线电压的过零点为时间坐标的零点，于是可得到当整流输出电压连续 时（即带电阻负载或者带阻感负载 60o时）的平均值为： (2.1) 当带电阻负载且 a60时，整流输出电压的平均值为： (2.2) 输出电流的平均值为： (2.3) 2.4 带反电势阻感负载时的工作情况 当三相桥式全控整流电路带反电势阻感负载时（即晶闸管电动机系统），在负载 电感足够大足以使电流连续的情况下，电路的工作情况与带阻感负载时相似，电路中各 处电压、电流波形均相同，其电路原理图如图 2.10 所示。仅在计算 id 时有所不同，接反 电势阻感负载时的 id 为： (2.4) 式中,r 和 e 分别为负载的电阻值和反电动势的值。 - 11 - 图 2.10 三相桥式全控整流电路带反电动势阻感负载时原理图 - 12 - 3 单闭环直流调速系统 直流调速系统具有良好的起动和制动性能，而且易于在较宽的范围内实现平滑调速， 所以很多对调速要求较高的生产机械必须采用直流电动机来拖动。从反馈控制的角度看， 直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，掌握直流调速系统也是研究其他调速系统 的基础。 3.1 转速控制的要求和调速指标 任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最 高转速与最低转速的范围，是有级调速还是无级调速，稳态运行时要求的定位精度，稳 态运行时允许转速波动的大小，突加或突减负载时允许转速波动的大小等。归纳起来， 对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面： (1) 调速，即在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级） 调节转速； (2) 稳速，即以一定的精度在所需转速上稳定运行时,在各种干扰下不允许有过大的转 速波动； (3) 加速、减速，即频繁起动、制动的设备要求加速、减速要尽量地快，以提高生产 效率；同时，对于那些不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起动、制动要尽量地平稳。 为了进行定量的分析，我们针对前两项要求来定义两个调速指标，即“调速范围” 和“静差率” ，这两个指标都是调速系统的静态性能指标。 1、调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围， 用字母 d 表示，即： (3.1) 式中， 和 是电动机在额定负载时的转速。maxnin 2、静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的 转速降 与理想空载转速 之比叫做静差率 s，即：n0 (3.2) - 13 - 式中， = - ，其中 是电动机的额定转速。nn0nn 显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的，它和电动机的机 械特性的硬度和理想空载转速有关。在串阻调速系统中，电动机的理想空载转速是相等 的，此时电动机的机械特性越硬，静差率就越小，转速的稳定度就越高。在调压调速系 统中，电动机在不同转速下的机械特性是互相平行的,机械特性的硬度也是相同的，此时 电动机的理想空载转速越低，静差率就越大，转速的相对稳定度也就越低。 调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时应用才有意义。在调压 调速系统中，如果额定转速降相同，则当理想空载转速越低时，静差率就越大。如果低 速时的静差率能满足设计要求，那么高速时的静差率就更能满足设计要求。因此，调压 调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。 在直流电动机的调压调速系统中，一般以电动机的额定转速 作为其最高转速，若nn 电动机在额定负载时的转速降为 ，则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即：nn (3.3)nnsmiin0 于是得到最低转速为： (3.4) 而调速范围为： (3.5)miniaxdn 将上面的 式代入，得 min (3.6) 上式表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定转速降之间的关系。对于同一个 调压调速系统，额定转速 是一定的，额定转速降 也是一定的。由此可知，如果对nnnn 静差率要求越严，即当 值越小时，系统能够允许的调速范围也就越小。s 3.2 开环调速系统存在的问题 对于开环调速系统，改变调节器的给定电压就可以间接地改变电动机的转速。如果 - 14 - 负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这时应用开环调速系统就能够实现在一定 范围内的无级调速。但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有严格的要求。例如 龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，可是，为了保证工件的 加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度必须基本稳定，也就是说，静差率 不能太大，一般要求调速范围为 d=2040，静差率 s5%。又如热连轧机，各机架轧辊 分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架之间连续轧制，只有各机架出口线速度保持 严格的比例关系，才能使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据 工艺要求，必须使调速范围 d=310，保证静差率 s0.2%0.5%。在这些情况下，开环 调速系统往往不能满足要求。 由上述分析可知，开环调速系统存在着以下问题:有静态（稳态）误差，调速范围和 静差率的矛盾。为了解决这些矛盾，以满足较高的调速指标要求，故采用闭环控制，即 引入被控量转速的负反馈，这就是所谓的单闭环直流调速系统，其结构方框图如图 3.1 所 示。 图 3.1 单闭环直流调速系统方框图 3.3 单闭环有静差调速系统 - 15 - 图 3.2 单闭环有静差直流调速系统原理图 转速负反馈单闭环控制的有静差直流调速系统原理图如图3.2所示，在电动机轴上安 装一台测速发电机tg，用来检测直流电动机转速n的大小和方向，并把它转换成电压信号， 经滑动变阻器调压后，得到与转速成正比例关系的负反馈电压u fn。u fn与转速给定电压 usn进行比较后，得到偏差电压un，经过放大器放大后产生触发装置gt的控制电压u c， 以此来控制晶闸管的触发角，调节加在电动机电枢两端的电压u d，最终达到调节电动机 转速n的目的。 3.3.1 有静差直流调速系统的静态特性 为了突出主要矛盾，在分析静态特性时，我们先作如下的假定： 忽略系统中的各种非线性因素，假定系统中各环节的输入输出都是线性关系； 忽略直流电源和电位器的内阻的影响。 系统各环节的静态方程式如下： 电压比较环节： (3.7) 放大器： (3.8) 晶闸管变换器： (3.9) 调速系统的开环机械特性： (3.10) 测速反馈环节： (3.11) 在以上各关系式中： kp 放大器的电压放大系数； uc触发器的移相控制电压； ks晶闸管变换器的电压放大系数； 晶闸管变换器的理想空载电压； - 16 - ke 直流电动机的电动势常数与磁通量的乘积； r电枢回路的总电阻； 测速发电机的电压反馈系数。 从上述五个关系式中消去中间变量，经过整理后，即可以得到转速负反馈单闭环直 流调速系统的静特性方程式： (3.12) 式中， 为闭环系统的开环放大系数。 3.3.2 闭环系统静特性和开环系统机械特性的比较 闭环调速系统的静特性表示闭环系统电动机的转速与负载电流之间的稳态关系，虽 然它在形式上与电动机的开环机械特性十分相似，但是本质上却有很大的不同之处，故 命名为“静特性” ，以示区别。比较一下闭环系统的静特性和开环系统的机械特性，我们 就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。 闭环系统的静特性为： (3.13) 开环系统的机械特性为： (3.14) 比较上述两式可以看出： (1)在同样的负载扰动下，闭环系统和开环系统的转速降分别为： 和 它们的关系是： (3.15) 显然，当 k 值越大时， 比 小得多，也就是说，闭环系统的静特性比开 环系统的机械特性硬得多。 - 17 - (2)闭环系统和开环系统的静差率分别为： 和 在理想空载转速相同的情况下进行比较，即当 = 时，有： (3.16) 由上式可知，对于同一个系统的开环和闭环这两种情况，闭环系统的静差率要比开 环系统小得多。 (3)如果电动机的最高转速都是其额定转速 ，而对电动机在最低转速时的静差率要nn 求相同，那么，由调速范围、静差率和额定转速降之间的关系可得，闭环系统和开环系 统的调速范围分别为： 和 则可以得到： (3.17) 即对于同一个系统来说，当要求的静差率一定时，相对于开环系统，闭环系统可以 大大提高其调速范围。 在开环系统中，当负载电流增大时，电枢压降也增大，转速只能降下来；闭环系统 装有反馈装置，转速稍有降落，反馈电压就会降低，通过比较和放大，提高电力电子装 置的输出电压 ，使系统工作在新的机械特性上，因而转速又有所回升。在图 3.3 中，0du 设原始工作点为 a，负载电流为 ，当负载增大到 时，开环系统的转速必然降到 a11di2di 所对应的数值。闭环后，由于反馈调节作用，电压可以升到 ，使工作点变成 b，稳态2du 转速降比开环系统小得多。这样，在闭环系统中，每增加（或减少）一点负载，就相应 地提高（或降低）一点电枢电压，因而就改换一条机械特性。闭环系统的静特性就是这 样在许多开环机械特性上各取一个相应的工作点，如图 3.3 中的 a、b 、c、d 、，再由 这些工作点连接而成的。 由此看来，闭环系统能够减少稳态转速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随 着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降的变化。 - 18 - 图 3.3 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系 3.3.3 有静差直流调速系统突加负载时的动态过程 在采用比例调节器的直流调速系统中，调节器的输出是电力电子变换器的控制电压。 只要电动机在运行，就必须要有控制电压，因而也必须要有转速偏差电压，这就是该调 速系统有静差的根本原因。有静差直流调速系统突加负载时的动态过程如图 3.4 所示。该 图显示了当负载转矩由 突增到 时，有静差直流调速系统的转速 n、偏差电压 un1lt2l 和控制电压 uc 的变化过程。 - 19 - 图 3.4 有静差直流调速系统突加负载时的动态过程 3.4 单闭环无静差调速系统 相对于开环系统，单闭环有静差调速系统的静特性变硬，在一定静差率要求下调速 范围也变宽，但是该系统存在着静态精度和动态性能之间的矛盾。有静差调速系统被放 大的是转速的误差，没有误差就没有放大输出，所以该系统始终有静差。另外放大系数 越大，转速的静态误差则越小，因此静态误差与放大环节的放大系数有关，故为了减小 静态误差，只有增大放大环节的放大系数。但放大系数的增加是有限的，并且放大系数 过大会使系统的动态性能变坏。为了实现无静差调速系统，可以引入误差量对时间的积 分，因此需要采用具有积分记忆功能的积分或者比例积分调节器。 3.4.1 积分控制规律 积分调节器的原理图如图 3.5 所示，假定运算放大器是理想的，则有 式中， 为积分调节器的积分时间常数。 图 3.5 积分调节器的原理图 积分调节器的输入和输出动态过程如图 3.6 所示，其中 a)为阶跃输入，b)为一般输入。 由此我们可以总结出积分调节器的基本特性：1)积分器的输出量正比于输入量的积分,具 有积累作用；2)当输入为零时,输出保持不变，具有保持作用；3)当输入突然变化时,输出 不会发生突然变化，具有延缓作用。 - 20 - 图 3.6 积分调节器的输入和输出动态过程 积分控制无静差直流调速系统的原理图如图 3.7 所示，当 un 发生变化时，只要其 极性不发生变化，即只要仍然是 usnufn，积分调节器的输出 uc 便一直增长；只有达到 usn=ufn， un =0 时，u c 才停止上升；当 un =0 时，uc 并不是零，而是一个终值 ucf ；如果 un 不再发生变化，此终值便保持恒定不变，这就是积分控制的特点。采用积分 调节器，当转速在稳态时达到与给定转速一致，系统仍然有控制信号，保持系统的稳定 运行，最终实现无静差调速。 图 3.7 积分控制的无静差直流调速系统的原理图 当负载突增时，积分控制的无静差调速系统突加负载时的动态过程如图 3.8 所示。在 稳态运行时，转速偏差电压 un 必为零。如果 un 不为零，则 uc 继续变化，就不是稳 态了。在突加负载引起动态速降时产生 un，达到新的稳态时，un 又恢复为零，但 uc 已从 uc1 上升到 uc2，使电枢电压由 ud1 上升到 ud2，以克服负载电流增加的压降。 在这里，uc 的改变并非仅仅依靠 un 本身，而是依靠 un 在一段时间内的积累。 - 21 - 图 3.8 无静差调速系统突加负载时的动态过程 通过与比例调节器进行比较，我们可以得到如下结论：比例调节器的输出只取决于 输入偏差量的现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏差量的全部历史。 3.4.2 比例积分控制规律 上面从无静差的角度表明了积分控制优于比例控制的地方，但是另一方面，在控制 的快速性上，积分控制却又不如比例控制。在同样的阶跃输入作用之下，比例调节器的 输出可以立即响应，而积分调节器的输出却只能逐渐地变化。那么，如果既要稳态精度 高，又要动态响应快，该怎么办呢？只要把比例和积分两种控制结合起来就行了，这便 是比例积分控制。 图 3.9 给出了比例积分调节器的输入和输出动态过程。假设输入偏差电压 un 的波 形如图所示，则输出波形中比例部分 1 和 un 成正比，积分部分 2 是 un 的积分曲线， 而 调节器的输出电压 uc 是这两部分之和。由此可见，u c 既具有快速响应性能，由足以 消除系统的静差。 - 22 - 图 3.9 比例积分调节器的输入和输出动态过程 比例积分控制的无静差直流调速系统的原理图如图 3.10 所示。当突加输入信号时， 由于电容 c1 两端电压不能突变相当于两端瞬间短路，在运算放大器反馈回路中只剩下电 阻 r1，电路等效于一个放大系数为 kpi 的比例调节器，在输出端立即呈现电压 kpiuin， 实现快速控制，发挥了比例控制的长处。此后，随着电容 c1 被充电，输出电压 uo 开始 积分其数值不断增长，直到稳态。稳态时，c1 两端电压等于 uo，r1 已不起作用，又和 积分调节器一样了，这时又能发挥积分控制的优点，实现了稳态无静差。 图 3.10 比例积分控制无静差直流调速系统的原理图 由此可见，比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各 自的缺点，扬长避短，互相补充。比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除 稳态偏差。除此之外，比例积分调节器还是提高系统稳定性的校正装置。因此，它在直 流调速系统和其他控制系统中获得了广泛的应用。 - 23 - 4 实验设备与仪器 4.1 主电路部分 如图 4.1 所示，三相交流电给定单元主要包括输出电压选择、过流保护、漏电保护、 交流电流检测、交流相电压显示等。 图 4.1 三相交流电给定单元 三相交流电经过“隔离变压器 tm”的隔离，二次侧输出电压有三组抽头，线电压分 别为 380v、220v、90v。万能转换开关“sc”用以切换“隔离变压器 tm”二次侧的输 出电压，该变压器 tm 二次侧电压值自小到大按“1、2、3”档输出，以适应交、直流调 速系统的不同需要，如表 4-1 所示。 表 4.1 主 变 压 器 二 次 侧 输 出 电 压 及 其 适 用 范 围 转 换 开 关 sc 位 号 1 2 3 二次侧电压 (线相) 90v5 2v 220v127v 380v2 20v 适 用 范 围 110v 直流电动机 可逆调速 220v 直流电动机 可逆调速 线电压 380v 鼠笼 电动机变频调速 “空气开关 q” 的引入主要是为了提供过流保护和漏电保护，防止在实验过程中出 现意外情况。 “交流电流互感器 ta1ta3”主要是为了检测主电路中的交流电流，并把信号传输 到综合保护电路板。 交流相电压显示部分主要是通过变压器降压后，再经过整流、滤波，然后把电压信 号传给数显表，最后显示到面板上。 - 24 - 如图 4.2 所示，电源控制及综合保护电路主要包括电源控制电路、工作状态指示电路、 故障显示电路、综合保护电路等。 图 4.2 电源控制及综合保护电路 1、总电源开关为钥匙开关，当钥匙开关打开后，主电源指示灯亮，且综合保护电路 开始工作。 2、急停开关，当主电路发生故障时，而交流接触器、漏电保护器都没有动作，这时 我们应该立即按下急停开关，切断主电路，保护人身安全和使设备不受到损害。 3、主电路与控制电路的操作必须遵循：先起动“控制电路” 、且系统无任何故障 的条件下（综合故障继电器 kp 不动作） ，然后起动“主电路” ；系统停止时，先停止 “主电路” ，之后停止“ 控制电路” ；对于直流调速系统，只有当直流电动机励磁正 常时才能接通“主接触器 km”，此时才能起动“主电路” 。这些操作都是由实验台逻辑 电路控制的，如果操作顺序不正确，则不能完成正常的起动。 4、试验台设置有“工作状态指示电路” ，即“直流调速” 、 “交流调速” 、 “电机 拖动”和“高级应用” ，绿色发光二极管可以指示当前状态。试验运行时由“状态切换编 码开关”将系统选择为“高级应用” 。此时，系统处于调试状态， “综合故障保护”除了 “欠磁保护”不起作用外，其它功能全部有效。在运行实验时，应当选择相应的档位， 如做直流调速实验时应该选择“直流调速”状态，才能进行实验。 5、红色发光二极管是设备和电源故障指示灯，可以显示欠磁、过流、过压、欠压等， 使我们很清楚地知道设备哪里发生了故障。当系统发生故障时，面板上的蜂鸣器也随着 发出蜂鸣声。当解除故障后，按下止铃按钮可以使蜂鸣停止。如果再次上电必须按复位 按钮，给综合保护板复位后才能上电，否则综合保护板会一直认为故障存在，不允许系 统主电路上电运行。 6、综合保护板是整个实验台的保护核心，它给整个实验台提供了各种保护。综合保 护板有隔离检测电路、逻辑判断电路等组成。隔离检测电路主要是通过变压器、光电耦 - 25 - 合器、互感器等进行隔离检测，然后再经过一些电路处理后，将信号传输到 cpld 进行 处理。逻辑判断电路的核心，也是整个综合保护板的核心就是 cpld 芯片，它是整个保 护电路的控制中心。 欠磁保护：直流电动机的“欠磁保护”是由“光电耦合器”经设定的弱磁点（可以 调节综合保护板上的电位器来设定）比较后，把信号传给 cpld 进行运算，然后再进行 控制。当励磁正常时，cpld 给出指令，继电器 kp1 吸合，此时就可以接通主电路的接 触器。当励磁不正常时，cpld 给出指令，使继电器 kp1 断开，切断主电路交流接触器 的控制线圈电路，使主电路交流接触器无法吸合，从而达到保护作用，同时蜂鸣器发出 蜂鸣声。 过流保护：主电路电流经过交流电流互感器的互感和交流变换后，把电流信号转换 成一个直流电压信号，然后我们把这个电压信号与设定的过流点进行比较，经逻辑判断 后来控制继电器是否动作。过流设定点有两个，一个在综合保护板上，该点是实验柜允 许的最大电流；另一个在交流电流监测与变换面板上，我们可以调节面板上的电位器自 行设定过流值，通过检测点我们就可以知道设定点的大小，这个值只能在最大允许电流 值以下调节，这是为了保护设备和试验人员的安全。 过压、欠压保护：u、v、w 三相电源进入主控制柜后，经变压器检测，把电压信号 传递给综合保护板，经过与“过压” 、 “欠压”设定点进行比较后再由 cpld 进行判断就 可以判断出是否过压、欠压。当电压达到或超过额定电压的 120%，此时为过压；当电压 达到或低于额定电压的 80%，此时为欠压。当出现故障时面板显示就会指示相应的故障， 蜂鸣器也会发出蜂鸣声。 图 4.3 可控硅主电路 “可控硅主电路挂箱(dsm01)”是调速系统的主电路挂箱，其面板如图 4.3 所示。作 - 26 - 为调速系统的主控挂箱，用来组成各种可逆或不可逆“直流调速系统”的典型实验，与 其配套的标准配置包括 “给定电压单元挂箱(dg01)”、“触发电路挂箱(dst02)”等。 负载单元为电力电子试验提供了负载电阻，其面板如图 4.4 所示。负载为 1k/5w 的 功率电阻。 图 4.4 负载电阻单元 4.2 控制电路部分 如图 4.5 所示， “给定及给定积分器”单元包括“给定”和“给定积分器”两个环节。 其中输出端子 u*n1 为直接给定输出端，u *n2 为经给定积分器后的积分输出端，我们通常 使用的是直接给定输出端 u*n1。 图 4.5 给定电压单元 “三相锯齿波移相触发电路”是直流调速系统、交流调速系统和串级调速系统的关 键环节之一，其面板如图 4.6 所示。本实验台以 tc787 系列高性能移相触发集成电路为 核心组成移相触发单元。该系列电路是一种采用独有的先进 ic 工艺技术，参照国外最新 移相触发集成电路而设计的国产单片集成电路，有性能基本一致的 tc787 和 tc788 两种 型号，两者都可单电源工作，亦可双电源工作，用以构成多种交、直流调速系统和变流 装置。其中，tc787 是目前国内市场上广泛流行的 tca785 及 kj（或 kc）系列移相触 发集成电路的换代产品，与 tca785 及 kj（或 kc）系列集成电路相比，具有功耗小、 功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且具有装调 简便，使用可靠等特点。一块这样的集成 - 27 - 电路，就可以完成三块 tca785 与一块 kj041、一块 kj042 或五块 kj（或 kc）系列器件 （三块 kj004、一块 kj041、一块 kj042）组合才能具有的三相移相功能。 图 4.6 三相锯齿波移相触发电路 如图 4.7 所示，同步变压器单元是由同步变压器星形连接而成的，主要是为了得到与 电网相同相位的交流信号，作为三相锯齿波移相触发电路的同步信号。 图 4.7 同步变压器 4.3 电动机部分 如图 4.8 所示，平波电抗器用于整流以后的直流电路中。整流电路输出的直流电压总 是有脉动的，这种脉动造成电动机电枢绕组两端的电压不稳定，从而导致电动机调速的 平滑性差。因此，需要由平波电抗器加以抑制，从而减 小 交 流 脉 动 分 量 ， 使输出的直流 电压接近于理想的直流电压。我 们 通 常 所 使 用 的 平 波 电 抗 器 ， 实 际 上 是 一 个 无 导 磁 材 料 的 空 心 电 感 线 圈 。 - 28 - 图 4.8 平波电抗器 电机接口电路包括可调恒压源和直流电动机接口单元等。 可调恒压源是直流电动机的励磁电源，通过电位器我们可以调节恒压源的输出，它 的输出范围是 80v110v，通过单刀双掷开关可以切换两个恒压源电压在数显表头上的 显示，其面板如图 4.9 所示。 图 4.9 可调恒压源 直流电动机接口单元如图 4.10 所示，包括励磁绕组引出端(t1、t2) 和电枢绕组引出 端(s1、 s2)。四芯航空插座的四个芯 14 分别接 t1、t2、s1、s2 。 图 4.10 直流电动机接口单元 直流电动机 90sz51 为封闭自冷式结构，如图 4.11 所示，接线标记 t1、t2 为励磁绕 组引出端，s1 、s2 为电枢绕组引出端。四芯航空插座的四个芯 14 分别接 t1、t2、s1、s2 。使用实验台所配备的直流电动机连接线即可实现与实验台电机接口的 相连接。 - 29 - 图 4.11 直流电动机 磁粉制动器以磁粉为工作介质，以激磁电流为控制手段，达到控制制动的目的。其 输出转矩与电枢电流呈良好的线性关系而与转速无关，并且具有响应速度快、结构简单 等优点，如图 4.12 所示。 图 4.12 磁粉制动器 由于负载选用了先进的磁粉制动器，其给定也比较复杂。为此我们使用了一个专用 的负载控制器，其面板如图 4.13 所示。它为磁粉制动器提供电源，通过负载控制器可以 实现各种类型的负载，如恒转矩负载、恒功率负载和各种函数给定负载。负载模式由一 个编码开关进行选取，选择模式 1 表示恒转矩，对应的绿色指示灯亮，大小由电位器给 定；选择模式 2 表示函数给定，其形式和大小由我们外部给定决定，由 uin 端输入，对 应的函数给定指示灯亮；选择模式 3 表示恒功率，大小由电位器给定。 - 30 - 图 4.13 负 载 控 制 器 电动机的转速检测装置由“光电编码器”和“转速变换电路”组成。 我们选用的是日本欧姆龙公司的 e6b2-cwz6c 光电编码器，如图 4.14 所示。在使用 时，我们一定要使光电编码器与直流电动机同轴连接，使编码器轴杆不承受过多的力， 否则不但会缩短编码器的使用寿命，而且还有可能会使器件毁坏。电源电压如果有波动， 在电源输出加滤波环节进行滤波；并且，尽量减小线的长度，防止噪声干扰。 图 4.14 光电编码器 转速变换电路面板如图 4.15 所示，其作用有：直接将转速信号转换成脉冲信号， 然后脉冲计数，最后经数码管显示出来，这样可以最大限度地保证转速的精度；对数 字脉冲信号进行采样、检测和“数模”转换，输出电压信号，用于转速负反馈的闭环 控制反馈值的大小可以通过调节电位器来实现。 - 31 - 图