电气传动及控制基础-第三章 单闭环直流调速系统

,电气传动及控制基础,廖晓钟,第3章 单闭环直流调速系统,3.1 闭环调速系统常用调节器3.2 单闭环直流调速系统3.3 带电流截止负反馈的单闭环调速系统3.4 闭环调速系统的静态设计,3.1 闭环调速系统常用调节器,主要内容1.调节器的传递函数2.常用调节器3.调节器辅助电路,1.调节器的传递函数,运算放大器作调节器使用时,多数接成反号放线路,如图3.1所示。其中Z0为输入阻抗；Z1为反馈阻抗；Zba1为同相输入端的平衡阻抗，用以降低放大器失调电流的影响。 调节器的传递函数如式(3.1)所示。,图3.1 运算放大器构成的调节器,（3.1）,3.1 闭环调速系统常用调节器,1. 调节器的传递函数,当运算放大器的反向输入端有两个信号时，如图3.2所示。,（3.2）,图3.2 综合多个信号的调节器原理图,3.1 闭环调速系统常用调节器,当 ，式（3.2）可以写成,1.调节器的传递函数,当运算放大器的反向输入端有两个输入信号时，如图 所示，由于A点的,（3.3）,图3.2 综合多个信号的调节器 (b)结构图;(c)结构图,用图3.2表示结构图。运算放大器具有信号综合的作用。,3.1 闭环调速系统常用调节器,2.常用调节器,(1) 比例（P）调节器,图3.3 比例调节器（a）原理图；（b）阶跃响应,比例调节器如图（3.3）所示，传递函数 如式（3.4）所示。,（3.4）,3.1 闭环调速系统常用调节器,2.常用调节器,(2) 积分（I）调节器传递函数阶跃响应,图3.4 积分调节器（a）原理图；（b）阶跃响应,（3.5）,3.1 闭环调速系统常用调节器,(2) 积分（I）调节器积分调节器输出响应的特点1）线性区:只要 ， 总要逐渐增长。只有当 =0， 才不增长。当 变号时， 才能减小。2）饱和时：输出达到饱和时，必须等 变极性时调节器才能退出饱和。,2.常用调节器,3.1 闭环调速系统常用调节器,(3) 比例积分（PI）调节器传递函数阶跃响应,（3.6）,3.1 闭环调速系统常用调节器,2.常用调节器,(3) 比例积分（PI）调节器,当调节器达到深饱和后，必须等输入信号变号，才能使调节器退出饱和。,图3.5 比例积分调节器（a）原理图；（b）阶跃响应,3.1 闭环调速系统常用调节器,2.常用调节器,3.调节器辅助电路,（1）输出限幅电路调节器在实际应用中带有输出限幅电路，以满足电气传动的某些要求,如图3.6。,图3.6 二极管钳位的外限幅电路和封锁电路,3.1 闭环调速系统常用调节器,3.调节器辅助电路,(2) 输入滤波电路,图3.7 含滤波输入的PI调节器（a）原理图；（b）结构图,3.1 闭环调速系统常用调节器,3.2 单闭环直流调速系统,主要内容引言1.单闭环有静差调速系统组成及静特性 2.单闭环有静差调速系统的动态特性 3.其它单闭环有静差调速系统4.无静差调速系统及积分控制规律,引言,闭环系统的引入 例3.1:某龙门刨床工作台拖动系统采用直流电机: Z2-93型、60kw、220V、305A、1000r/min，要求D=20，s5%。如果采用V-M系统，主回路总电阻R=0.18，电机Ce=0.2V/（r/min）。则当电流连续时，在额定负载下的转速降为：,结论：额定转速时的静差率已大大超过5的要求，调速范围的低速时更不满足要求。解决方法：引入负反馈闭环控制,开环系统机械特性连续段在额定转速时的晶差率为,1.单闭环有静差调速系统组成及静特性,系统组成：在电机上安装一台测速发电机，从而引出与转速成正比的负反馈电压，与转速给定电压相比较后，得到偏差电压，经过放大器产生触发装置的控制电压，用以控制电机转速。由于被调量是转速，所以称这种系统为调速系统。,图3.8 单闭环有静差调速系统原理图,3.2 单闭环直流调速系统,图3.8中所示系统中环节的关系如下 电压比较环节 放 大 器 晶闸管触发整流装置 V-M系统开环机械特性 测速发电机,Kp比例调节器放大系统；Ks晶闸管触发-整流装置的放大系数；测速反馈系数。,3.2 单闭环直流调速系统,闭环系统的静态结构如图3.9所示。由静态结构图可求得转速负反馈闭环调速的静特性方程式,图3.9 单闭环有静差调速系统静态结构图,（3.7）,3.2 单闭环直流调速系统,是闭环系统的开环放大倍数,静特性分析,开环机械特性 闭环静特性,（3.8）,（3.9）,3.2 单闭环直流调速系统,结论 闭环系统的静特性比开环系统的机械特性要硬的多，对于相同的理想空载转速的开环和闭环两条特性，闭环系统静特性的静差率要小的多。由于闭环系统的静差率小，所以当要求静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围，但必须增加放大器。,静特性分析,图3.10 闭环系统静特性和开环机械特性的关系,3.2 单闭环直流调速系统,例3.1中 满足 D=20、S5%要求时，须有：,则,若已知V-M系统参数为,则所需放大器的放大倍数Kp为:,3.2 单闭环直流调速系统,闭环系统静特性变硬分析,结论：闭环系统静特性变硬的实质是闭环系统的自动调节作用。,图3.12 闭环调速控制系统的给定和扰动作用,图3.11 闭环系统静特性和开环机械特性的关系,3.2 单闭环直流调速系统,2.单闭环有静差调速系统的动态特性,图3.13 单闭环有静差调速系统动态结构图,动态结构图如图3.13所示，它是一个三阶系统，如图可求得闭环调速系统的传递函数,（3.10）,3.2 单闭环直流调速系统,闭环特征方程式,系统稳定的条件,计算得,当,整理后得,静态精度和动态稳定性矛盾,（3.11）,（3.12）,（3.13）,3.2 单闭环直流调速系统,结论：启动时电流过大,单闭环有静差调速系统评价,系统静特性变硬，在一定静差率要求下调速范围变宽，且系统具有良好的抗扰性能。,存在两个问题：静态精度和动态稳定性之间的矛盾；启动时电流过大。,单闭环启动过程分析,突加给定电压时，由于电机惯性，转速不能立即建立起来，转速反馈电压为零，偏差电压是稳态工作值（1+K)倍。由于放大器和触发整流装置的惯性都很小，整流电压会立即达到最高值。,3.2 单闭环直流调速系统,3.其它单闭环有静差调速系统,图3.14 电压负反馈调速系统（a）原理图；（b）静态结构图,3.2 单闭环直流调速系统,图3.15 带电流正反馈的电压负反馈调速系统（a）原理图；（b）静态结构图,3.2 单闭环直流调速系统,4.无静差调速系统及积分控制规律,图3.16 无静差调速系统原理图,3.2 单闭环直流调速系统,动态特性分析,图3.17 无静差系统的抗扰动过程,3.2 单闭环直流调速系统,3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统,主要内容1. 电流截止负反馈的引入 2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性 3. 带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程,1.电流截止负反馈的引入,引入电流截止负反馈解决启动电流过大问题。 当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈成为电流截止负反馈。,图3.18 带电流截止负反馈的闭环调速系统,3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统,2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性,静态结构图,图3.19 带电流截止负反馈的闭环调速系统静态结构图,3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统,静特性推导,当IdIdcr时，电流负反馈截止。,当IdIdcr时，电流负反馈起作用,（3.14）,（3.15）,3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统,2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性 临界电流Idcr 取值：大于额定电流赌转电流 Idb1取值：小于最大电流,图3.20 带电流截止负反馈的 闭环调速系统静态特性,3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统,性能评价： 带电流截止负反馈的闭环调速系统，具有一定的调速范围和稳态精度，同时又能限制启动电流和堵转工作，线路简单，调整方便，很有实用价值，但是系统的启动过程不理想。,图3.21 调速系统启动过程的电流和转速波形（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程；（b）理想快速启动过程,3.带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程,3.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统,已知参数：电动机：60KW、220V、305A、1000r/min、0.066， 变流器：,Ks = 30 ，VM系统电枢回路总电阻 R = 0.18 ,测速发电机：23.1W、110V、0.21A、1900r/min,要求：D = 20 、S 5%,解：系统稳态运行时，电流反馈不起作用，因此，先不考虑电流截止环节，求满足静特性要求的参数，即调节器参数。,（1）根据要求，求系统的实际允许速降（2）根据nd求闭环系统的开环放大倍数 K（3）测速反馈环节参数（4）电流截止环节设计（5）调节参数选择,3.4 闭环调速系统静态设计,复习思考题3,已知参数：,电动机：10KW、220V、55A、1000r/min、0.5，变流器： Ks = 44 ，VM系统电枢回