单闭环直流调速系统

1、minmaxnnD %100%100000nnnnns)1 (snsnD他励直流电动机的转速公式：他励直流电动机的转速公式：EECIRUCEn式中：式中：U U为他励电动的电枢电压为他励电动的电枢电压 I I为电枢电流为电枢电流 E E为电枢电动势为电枢电动势 R R为电枢回路的总电阻为电枢回路的总电阻 n n为电机的转速为电机的转速 为励磁磁通为励磁磁通 C CE E为由电机结构决定的电动势系数为由电机结构决定的电动势系数（8-1）nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线nn0OTeTL N 1

2、 2 3nNn1n2n3调压调速特性曲线用晶闸管触发整流用晶闸管触发整流整流电路实现电枢整流电路实现电枢电压可调，从而达电压可调，从而达到改变电机转速的到改变电机转速的目的。目的。这就是所谓的电这就是所谓的电源源电动机调速电动机调速系统（系统（VM）系统，它属于开系统，它属于开环系统。环系统。而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下的转速降为：的转速降为：例：某电源例：某电源电动机直流调速系统，已知电机的额定电动机直流调速系统，已知电机的额定转速为转速为n=1000r/minn=1000r/min，额定电流，额定电流I IN N=305A=305

3、A，主回路电阻，主回路电阻R=0.18R=0.18，CeCeN N=0.2=0.2，若要求电动机调速范围若要求电动机调速范围D=20D=20，s sn n5%5%，则该调速系统是否能满足要求？则该调速系统是否能满足要求？min/5.2742.018.0305rCRInNeN解：如果要满足解：如果要满足D=20D=20，Sn5%Sn5%的要求，则其在额定条件的要求，则其在额定条件下的转速降为：下的转速降为：%63.2)05.01(2005.01000)1(sDsnne由此例不难发现，象这样的电源由此例不难发现，象这样的电源电动机所组成的电动机所组成的开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把

4、开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把额定负载下的转速降从开环系统中的额定负载下的转速降从开环系统中的274.5274.5降低到满降低到满足要求的足要求的2.632.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们就必须采用负反馈，这也就构成了我们所谓的闭环直流调速系统所谓的闭环直流调速系统转速负反馈直流调速。转速负反馈直流调速。%5.2127510002750nnns而静差率为：而静差率为：闭环系统的设计思路闭环系统的设计思路开环系统结构框图开环系统结构框图闭环系统结构框图闭环系统结构框图开环机械特性：开环机械特性：),(ddIUfn 开环机械开环机械特性特性曲线曲线闭环静特性方程：闭环静特性

5、方程：比较环节比较环节 n*nnUUU放大器放大器 npUKUct触发和整流装置触发和整流装置 ctsdUKU0电机端电压方程电机端电压方程RIUEd0d测速反馈环节测速反馈环节 nUn电动机环节电动机环节neCE nu)1 ()1 ()/1 (ede*nspesped*nspKCRIKCUKKCKKCRIUKKn n 静特性方程静特性方程espCKKK式中式中K K为闭环系统的开环放大系数（增益）为闭环系统的开环放大系数（增益）nu只考虑给定作用只考虑给定作用 时的时的闭环系统闭环系统只考虑扰动作用只考虑扰动作用- -I Id dR R时时的闭环系统的闭环系统)1(e*nspKCUKKn)1

6、(edKCRInU*nKpKs 1/CeUcUn n Ud0Un+-+KpKs 1/Ce-IdR nUd0+-E*nU)1 ()1 (ede*nspKCRIKCUKKn利用叠加原理得利用叠加原理得Id闭环静特性闭环静特性nUUUUnIdctnnd0n开环机械特性开环机械特性0Id1Id3Id2Id4OABCADUd4Ud3Ud2Ud1闭环加载闭环加载开环加载开环加载opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn而闭环时的静特性可写成而闭环时的静特性可写成 clcl0ede*nsp)1 ()1 (nnKCRIKCUKKnedopCRIn)1 (edcKCRInl（1 1）闭环系统速

7、降小）闭环系统速降小, ,静特静特性硬性硬Knncl1op 它们的关系是 在同样的负载扰动下，在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为两者的转速降落分别为（2）系统的静差率小系统的静差率小, ,稳速稳速精度高精度高 Kssnnclclop1,op00则时当opopopoclclclnnsnns0 ,开环和闭环系统的静差开环和闭环系统的静差率分别为率分别为（3 3）当要求的静差率一定）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高时，闭环系统可以大大提高调速范围。调速范围。)1 (opnomopsnsnD)1 (cl nomclsnsnDopclDKD)1 ( 则得则得（4）要取得上述三项优势，闭要

8、取得上述三项优势，闭环系统必须设置放大器。环系统必须设置放大器。 上述三项优点若要有效，上述三项优点若要有效，都取决于一点，即都取决于一点，即 K K 要足够大，要足够大，因此必须设置放大器。因此必须设置放大器。如果电动机的最高转速都如果电动机的最高转速都是是 ，而对最低速静差率，而对最低速静差率的要求相同，那么：的要求相同，那么：maxn降低速降的实质是什么降低速降的实质是什么? ?转速单闭环调速系统结构图转速单闭环调速系统结构图nu0nUUUUnIdctnnd0闭环静特性闭环静特性开环机械特性开环机械特性0Id1Id3Id2Id4OABCADUd4Ud3Ud2Ud1n 闭环系统减小速降的物

9、理意义闭环系统减小速降的物理意义 例题例题:根据根据peclopclKCKpKsKnnKKnn11opopclDKD)1 ( 1clopnnK6 .103 即只要放大器的放大即只要放大器的放大系数等于或大于系数等于或大于46，闭环系统就能满足所闭环系统就能满足所需的稳态性指标。需的稳态性指标。462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK又根据又根据espCKKK)(edclKICRIn（2 2）抵抗扰动）抵抗扰动, , 服从给定服从给定扰动扰动除给定信号外，作用在控制系统各环节上的除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做一切会引起输出量变化的因素都

10、叫做“扰动作用扰动作用”。只有只有 K = K = ，才能使，才能使 ncl ncl = 0= 0，无静差。，无静差。而而K K , ,有静差调速系统。有静差调速系统。闭环调速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化Id变化电源波动电源波动Kp变化变化电阻变化电阻变化检测误差检测误差KpKs 1/CeU*nUcUnEnUd0Un+- R Us Ud0 n Un Un Uc Ud0 n 因此，反馈控制系统对前向通道因此，反馈控制系统对前向通道上的所有扰动都能起抑制作用。上的所有扰动都能起抑制作用。adaeddREURnCUIaddRUI可以通过一个电压比较环节，使电流负反馈环节只可以通过一个电

11、压比较环节，使电流负反馈环节只有在电流超过某个允许值有在电流超过某个允许值( (称为阈值称为阈值) )时才起作用，时才起作用，这就是电流截止负反馈。这就是电流截止负反馈。 电流截止负反馈环节的组成工作原理电流截止负反馈环节的组成工作原理当当I Id d较小较小, ,即即I Id dR Rc cUUo o时，则二极管时，则二极管VDVD截止，电流截止负截止，电流截止负反馈不起作用。反馈不起作用。挖土机特性挖土机特性额定电流时堵转电流时的实际特性堵转电流时理想特性Idn当当I Id d较大，即较大，即I Id dR Rc cUU0 0时，则二极管时，则二极管VDVD导通，电流截止负导通，电流截止负

12、反馈起作用，反馈起作用，UU减小，减小，U Ud d下降，下降，I Id d下降到允许最电流。下降到允许最电流。Us（S）N（S）- -+K p1sKss112sTsTTCmeme+T(s),负载变化+电流载止- -UfnUfi由于电流截止负反馈环节在正常工作状况下不起作用，所以系统框图上可以省去。在如图所示的调速系统中，已知负载变化为：在如图所示的调速系统中，已知负载变化为：求：负载变化所产生的转速降。求：负载变化所产生的转速降。 若此时系统的给定量为：若此时系统的给定量为： ，此时系统的稳，此时系统的稳 态输出态输出n nN N。 该系统是否能满足该系统是否能满足5%5%的静差率。的静差率

13、。ssUn10)(ssT20)(Un（S）N（S）- -+51005. 040s) 102. 0)(11 . 0(33. 8ss+01. 0T(s),负载变化+G1G2G3解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的解：由于负载变化量是扰动量，所以其扰动量的误误差传递函数差传递函数为：为：ssT20)(故系统拢动量的故系统拢动量的误差函数误差函数：)()()(sTssEd66.16) 1005. 0)(102. 0)(11 . 0() 1005. 0(33. 8)()()()(1)()(3213sssssHSGSGsGsGsd当已知系统拢动量为：当已知系统拢动量为：由终值定理可求得该系统在负载变

14、化量由终值定理可求得该系统在负载变化量T T（s s）作用）作用下的稳态误差为：下的稳态误差为：min/102066.16) 1005. 0)(102. 0)(11 . 0() 1005. 0(33. 8lim)()(lim00rsssssssTssnsds由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下由于负载变化呈下降趋势，所以系统在负载作用下的工作转速下降了的工作转速下降了10r/min10r/min若此时系统的给定量：若此时系统的给定量： ，则由系统闭环传，则由系统闭环传递函数的概念，可得：递函数的概念，可得：ssUn10)()(66.16) 1005. 0)(102. 0)(11 . 0

15、(1666)()()3()()(1)()()()()()(321321sUssssUsHGsGsGsGsGsGsUssN故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求故在给定作用下，系统的稳态输出转速可由终值定理求得：得：min/10001066.16) 1005. 0)(102. 0)(11 . 0(1666lim)()(lim00rssssssUsNsnss由静差率定义可得：由静差率定义可得：%5%1%100100010%100nns由此可见该闭环系统是可以满足由此可见该闭环系统是可以满足5%5%的静差率的稳的静差率的稳态指标的。态指标的。直流调速系统 此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于4kW4kW以下以下直流电动机无级调速。系统的主回路采用单相桥式半直流电动机无级调速。系统的主回路采用单相桥式半控整流线路。具有电流截止负反馈、电压负反馈和电控整流线路。具有电流截止负反馈、电