第2章转速反馈控制的直流调速系统概述.

1、第第1篇篇直流调速系统直流调速系统电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统直流电动机的稳态转速 式中 n转速（r/min）; U电枢电压（V）； I电枢电流（A）； R电枢回路总电阻(）； 励磁磁通（Wb）； Ke 由电机结构决定的电动势常数。eKIRUn调节直流电动机转速的方法 （1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通； （3）改变电枢回路电阻。自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。第第2章章 转速反馈控制的直流调速系统转速反馈控制的直流调速系统 电力拖动自动控制系统电力拖动自动控制系统 运动控制系统运动控制系统2.1 直流调速系统用的可控直流电源n晶闸管整

2、流器-电动机系统 n直流PWM变换器-电动机系统 2.1.1 晶闸管整流器-电动机系统图21 晶闸管整流器-电动机调速系统（V-M系统）原理图n调节控制电压Uc， n移动触发装置GT输出脉冲的相位，n改变可控整流器VT输出瞬时电压ud的波形，以及输出平均电压Ud的数值。 在理想情况下，Ud和Uc之间呈线性关系：（2-1）式中， Ud平均整流电压， Uc 控制电压， Ks晶闸管整流器放大系数。csdUKUn晶闸管触发电路和整流电路的特性是非线性的。n在设计调速系统时，只能在一定的工作范围内近似地看成线性环节，n得到了它的放大系数和传递函数后，用线性控制理论分析整个调速系统。放大系数的计算图2-7

3、 晶闸管触发与整流装置的输入输出特性和Ks的测定cdsUUKn晶闸管触发和整流装置的输入量是Uc，输出量是Ud，晶闸管触发和整流装置的放大系数Ks可由工作范围内的特性斜率决定 。n如果没有得到实测特性，也可根据装置的参数估算。2.1.2 直流直流PWM变换器变换器-电动机系统电动机系统n全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式, 形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。n与V-M系统相比，PWM调速系统在很多方面有较大的优越性。n直流PWM调速系统的应用日益广泛，特别在中、小容量的高动态性能系统中，已经完全取代了V-M

4、系统。 1PWM变换器的工作状态和电压、电流波形n脉宽调制变换器的作用是：用脉冲宽度调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电路原理图 n在一个开关周期T内，n当 时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。n当 时， Ug为负， VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压近似等于零。 ontt0Ttton图2-10 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统电压和电流波形 2.直流PWM调速系统的机械特性n对

5、于不可逆PWM变换器-直流电动机系统，其电压平衡方程式分两个阶段：n (2-19)n (2-20)式中R、L分别为电枢电路的电阻和电感。)0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(Ttton电压平均值方程电压平均值方程 平均电压平均电压 平均电流平均电流 电枢电感压降的均值电枢电感压降的均值 转速转速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eCEn （2-21） 机械特性 n机械特性方程式为 (2-22)n或用转矩表示， (2-23)式中， 电动机在额定磁通下的转矩系数； 理想空载转速，与电压系数成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCR

6、nTCCRCUn0NmmKCesCUn0图2-12直流PWM调速系统（电流连续）的机械特性2.2 稳态调速性能指标和稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n对于调速系统转速控制的要求：（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动；（3）加、减速频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标转速控制的要求和稳态调速性能指标1、调速范围、调速范围n生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低转速nmin

7、之比称为调速范围，用字母D表示，即（2-27）nnmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速，n对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的最高和最低转速。minmaxnnD 2、静差率、静差率n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所对应的转速降落nN与理想空载转速n0之比：n用百分数表示0Nnn0100%Nnn静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。静差率越小，转速的稳定度越高。如果在进行速度调节时理想如果在进行速度调节时理想空载转速不变，则静差率与空载转速不变，则静差率与机械硬度是统一的，机械特机械硬度是统一的，机械特性越硬，静差率越小，如上性越硬，静差率

8、越小，如上图的特性图的特性1和特性和特性2；如果在；如果在速度调节时理想空载转速发速度调节时理想空载转速发生变化，则二者就不统一了，生变化，则二者就不统一了，如上图的特性如上图的特性1和特性和特性3，两，两者机械硬度相同，但是静差者机械硬度相同，但是静差率不同。率不同。不同机械特性下的静差率静差率与机械硬度的关系：静差率与机械硬度的关系：maxNNmin0N00(1)NnnnDnnnnnn NNN(1)(1)Nnnnn3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系调速范围、静差率和额定速降之间的关系（2-30）n对于同一个调速系统，nN值是定值。n要求值越小时，系统能够允许的调速范围D也越小。n一

9、个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。(1)NNnDn例题例题2-1 n某直流调速系统电动机额定转速为nN=1430r/min，额定速降nN=115r/min， 当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？ 如果要求静差率 20%，则调速范围是多少？ 如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？ (1)NNnDn解解 在要求 30%时，允许的调速范围为 若要求 20%，则允许的调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是1430 0.35.3(1)115 (1 0.3)NNnDn1 . 3)2 . 01 (1152 . 01430D10 1150.446

10、44.6%1430 10 115NNND nnD n2.2.2 直流调速系统的机械特性直流调速系统的机械特性n开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。n调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。n晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，用UPE来统一表示可控直流电源， 图215 开环调速系统的原理图机械特性机械特性 n开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器直流电动机 n开环调速系统的机械特性为 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 图2-16 开环调速系统稳态结构图edecsed0dCRICUKCRIUn图2-17 开环直流调速

11、系统的机械特性例题例题2-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。如果要求调速范围D=20，静差率s5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降nN最多能有多少？ 解解:当电流连续时，V-M系统的额定速降为开环系统在额定转速时的静差率为如要求 ， ，即要求305 0.18=275r/min0.2dNNeIRnC2750.21621.6%1000275NNNNnnn1000 0.052.63 / min(1)20 (1 0.05)N

12、NnnrD20D5%2.3 转速反馈控制的直流调速系统n根据自动控制原理，将系统的被调节量作为反馈量引入系统，与给定量进行比较，用比较后的偏差值对系统进行控制，可以有效地抑制扰动造成的影响，而维持被调节量很少变化，这就是反馈控制反馈控制的基本作用。 2.3.1 转速反馈控制直流调速系统的 数学模型n在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正误差”这一原理组成的系统，其输出量反馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作闭环控制系统。n在直流调速系统中，被调节量是转速，所构成的是转速反馈控制的直流调速系统。1转速反馈控制直流调速系统的静特性图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图 n电压比较环

13、节n比例调节器n测速反馈环节 n电力电子变换器 n直流电动机 n*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUnKp比例调节器的比例系数 转速反馈系数（Vmin/r）图2-19转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构框图（a）闭环调速系统 静特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） 式中: 闭环系统的开环 放大系数 n闭环调速系统的静特性静特性表示闭环系统电动机转速与负载电流（或转矩）间的稳态关系。 espCKKK2.3.2 比例控制的直流调速系统1开环系统机械特性和比例控制闭环系统静特性的关系n开环机

14、械特性为 (2-46) 式中， 表示开环系统的理想空载转速， 表示开环系统的稳态速降。n比例控制闭环系统的静特性为 (2-47) 式中， 表示闭环系统的理想空载转速， 表示闭环系统的稳态速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opn0opn0clncln（1）闭环系统静特性可以比开环系统 机械特性硬得多n在同样的负载扰动下， 开环系统的转速降落 闭环系统的转速降落n它们的关系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2）闭环系统的静差率要比开环系统 小得多n闭环系统的静差

15、率为n开环系统的静差率为n当 时， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系统可以大大提高调速范围n如果电动机的最高转速都是nN，最低速静差率都是s，可得 开环时， 闭环时， n得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 图2-24 闭环系统静特性和开环系统机械特性的关系n开环系统 Id n 例如：在图2-24中工作点从A An 闭环系统 Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在图2-24中工作点从A Bn比例控制直流调速系统能够减少稳态速降的实质在

16、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。例题2-3 在例题2-2中，龙门刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制闭环调速系统满足上述要求时，比例放大器的放大系数应该有多少？ 解: n开环系统额定速降为 =275 r/min，n闭环系统额定速降须为 2.63 r/min，由式（2-48）可得n则得n即只要放大器的放大系数等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2反馈控制规律（1）比例控制的反馈控制系统是被调量有）比例控制的反馈控制系统是被调量有静差的控制系统静差的控制系统n 比例控制反馈控制系统的开环放大系数值越大，系统的稳态性能越好。n但只要比例放大系数Kp常数，开环放大系数K，反馈控制就只能减小稳态误差，而不能消除它，n这样的控制系统叫做有静差控制系统。（2）