直流电动机VM不可逆调速系统详述

第2章直流电动机V-M不可逆调速系统

2.1直流调速系统概述直流调速系统的优缺点：缺点——带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。

1)直流调速系统仍有应用；2）直流电机各参数、变量之间的关系几乎都是简单明了的线性函数关系，数学模型较为简单、准确，控制系统在理论上和实践上都比较成熟、经典，是拖动控制的基础。优点——调速性能好、控制性能好、起制动性能好；学习直流调速系统的理由：2.1.1直流调速系统的类型1．直流调速系统的主导调速方法

(1)改变电枢回路电阻——电枢回路串电阻调速；自控系统不用(2)调节电抠供电电压——变压调速；主导调速方法

(3)减弱励磁磁通——------弱磁调速。辅助调速方法

2．直流调速系统主电路——可调压的直流电源常用的有：

(1)G-M系统(发电机-电动机系统)(2)V-M系统(可控整流器-电动机系统)(3)直流脉宽调制（PWM）系统(斩波器-电动机系统)3．直流调速系统的控制方式主电路构成不同，控制方法不同：移相控制、PWM控制等闭环控制方式开环控制

闭环控制单闭环速度环双闭环速度环和电流环多环控制加位置环等

电机调速系统中通常为：4．工作象限a）单象限运行b)电压可反向的二象限运行c)电流可反向的二象限运行2.1.2G-M系统系统原理图控制原理、控制思路制动时的能量传递关系工作原理工作象限优点：特性好，平稳系统原理图50年代曾广泛地使用，目前仍有应用缺点：设备多、体积大、费用高、效率低机械特性2.1.3V-M系统系统构成控制思路制动时的能量传递关系控制原理工作象限优点：静止装置、经济、可靠触发装置GT缺点：功率因数低、对电网谐波污染

V-M系统是70～90年代直流调速系统的主要形式2.1.4直流脉宽调制（PWM）系统a）原理电路图b）斩波器输出电压波形原理电路图制动时的能量传递关系工作象限优缺点a)单管电路b)双管电路c)双管电路d)H型桥式电路控制思路控制原理2.2V-M系统的机械特性2.2.1电流连续时的机械特性1．可控整流装置的输出电压mUmUd0m单相桥式20.9U2三相半波31.17U2三相桥式62.34U2不计换流时计及LC换流及内阻影响时2．电压平衡方程式等效电路3．V-M系统电流连续时的机械特性机械特性方程式为：理想空载转速n0，控制角增大时n0下降控制角变化时斜率不变，为：∵是一组平行下移的直线记作：2.2.2电流断续时的机械特性以三相半波整流电路为例1．理想空载转速：输出电压的峰值相同，有同一个实际理想空载转速

2．电流断续时机械特性曲线的斜率3．电流断续区域范围4．电流断续时的机械特性曲线与电抗器电感量的大小有关工程上一般取时，随着电流减小，回路的等效电阻增大，斜率增大电流连续时电流断续时：输出电压的峰值随α增大而下降，空载转速下降2.3开环V-M调速系统及调速指标2.3.1开环V-M调速系统系统的最终控制对象是电动机转轴上的转速n。该电力拖动系统是一个开环控制的调速系统。1．系统原理图“”符号的含意

同步移相触发电路GT

2．稳态结构图

稳态结构图——表明自动控制系统在稳态运行时，其各个环节之间的输入量与输出量之间数学关系的结构框图

α在30°～120°的范围内对触发装置与可控整流桥整体来说，看成是一个线性放大环节，放大系数是。

1)求与的关系

对同步移相信号为正弦波（正弦波幅值为Um）的触发电路对直流电动机，稳态时有

2)求与n的关系稳态结构图对同步移相信号为锯齿波的触发电路（锯齿波起点幅值-Um，终点幅值Um，宽度为180°）调调速系统的的稳态指标标1．对调速速系统的要要求(1)调速速(2)稳速速(3)加、、减速2．调速系系统的稳态态指标(1)调速速范围D(2)静差差率S额定转矩下下提供的最最高、最低低转速当系统在某某一给定转转速下运行行时，负载载由空载增增加到额定定负载时所所对应的转转速降落与与该给定转转速下理想想空载转速速n0之比，称作作静差率S开环V-M系统的机械械特性机械特性曲曲线平行时时，如果低低速时的静静差率能满满足要求，，则高速时时的静差率率自然就满满足要求了了。故静差差率可表示示成：静差率是用用来衡量调调速系统在在负载变化化时的转速速稳定度的的。机械特性越越硬则静差差率越小，，转速稳定定度就越高高。3．调速范范围与静差差率的关系系调速范围D、静差率率S和转转速降，，三者之之间的关系系式为：显然，当系系统的机械械特性硬度度一定，即即一一定定时，若对对静差率要要求越高（（S值越小小），则允允许的调速速范围就越越小。例如，某一一开环V-M调速系系统，额定定转速nN=1000r/min，额定负载载下的稳态态速降△△nN＝50r/min，当要求静静差率S=0.33时，允允许的调速速范围为：：如果要求S=0.1，则调速速范围只有有：4．开环V-M调速速系统的主主要问题无法克服的的缺点———转速波动动大、调速速范围小。。远远不能能满足生产产实际的要要求。原因：当S与D都一一定时，要要满足要求求的唯一途途径是降低低△nN，但对已制制成的系统是无法法减小的，，对新设计计的系统也也很难达到到能大幅度度降低的要要求。解决办法：：闭环控制制调速系统统。2.4单单闭环V-M调速速系统及静静特性有静差转速速单闭环V-M调速系统1．系统原原理图与开环V-M系统比比，增加了了速度闭环环控制环节节：测速装置、、速度比较、、速度调节器器。测速装置：直直流测速发电电机TG，输出电电压与转速n成正比，转速速反馈值Un速度比较。（（Un*的定标将取决决于Un的定标）速度调节器ASR。调节器——对误差信号进进行运算、调调节（如比例例P、积分I、微分D等等）的单元2．稳态结构构图速度比较环节节：速度调节器(放大环节)：直流电动机转转速：晶闸管触发装装置与可控整整流桥：测速发电机：：各环节的稳态态关系如下：：稳态结构图系统原理图闭闭环V-M系统的静特特性静特性方程：：——电动机的的转速与电动动机的电流（（或转矩）之之间的关系。。1．静特性（可理解为闭闭环系统的机机械特性）式中，2．开环系统统与闭环系统统的比较开环系统（OP）：闭环系统（CL）：空载转速n0、负载Ia相同的的情况下，有有闭环系统加载载后的转速降降只是开环系系统的1/(1+K)只要把KP取得足够大，，使K很大，就可以以使△nCL非常小,静差差率S大大减减小同一静差要求求下大大提高高了系统的调调速范围D稳态结构图开环系统机械械特性与闭环环系统静特性性的比较闭环系统静特特性和开环机机械特性的关关系只有放大环节节的转速闭环环系统的稳态态转速降只只能减小而而不能消除.为“有静差”调调速系统。2．开环系统统与闭环系统统的比较(续续）闭环系统能减减少稳态速降降决不是闭环环后电枢回路路电阻能自动动减小，而是是在于它的自自动调节作用用。稳态结构图3．扰动对系系统的影响引起电机转速速变化的因素素：1）负载变化化2）交流电源源电压波动5）温升引起起系统参数的的变化3）电动机励励磁的变化4）放大器放放大系统的漂漂移在转速闭环系系统中，负载载扰动及前向向通道的扰动动最终都要影影响转速变化化而被测速装装置检测出来来，再通过反反馈控制来减减小它们对转转速的影响。。都能被有效地地加以抑制。。但是对于转速速给定环节及及转速检测环环节本身的误误差所引起的的转速偏差，，反馈调节则则无能为力。。自动调速系统统的给定作用用与扰动作用用从稳态态精度度来看看，K值越越大越越好，，然而而，从从后面面对动动态稳稳定性性分析析中可可知，，K值值不能能随意意增大大。名

称比例（（P）积分（I）比例积分（PI）积分比例（IP）2.5单闭环环V-M调速系系统的的动态态分析析调速系系统进进行动动态分分析方方法及及步骤骤：1）推推导出出调速速系统统各环环节的的微分分方程程和传传递函函数2）建建立系系统的的动态态数学学模型型，得得到系系统的的动态态结构构图3）进进行稳稳定性性分析析4）动动态性性能的的分析析闭闭环V-M调速速系统统各环环节的的动态态数学学模型型1．几几个常常用环环节的的传递递函数数电路图阶跃响应传递函数比例积积分（（PI）电路图图阶跃响响应传递函函数垂直线线段a———比比例斜线段段b———积积分水平直直线段段c————饱和和式中，，2．晶晶闸管管触发发和整整流装装置的的传递递函数数把触发发电路路GT和可可控整整流桥桥V合合并，，当作作一个个环节节来看看待输入量量Uct输出量量Udo是一个个放大大系数数为Ks的纯滞滞后的的放大大环节节，滞滞后是是由装装置的的失控控时间间引起起的。。触发装装置两两个触触发脉脉冲的的间隔隔时间间是1/(mf)秒，m———脉波数数，，f———电电源频频率。。设滞后后的时时间是是Ts秒，则则Ts是一个个从0至1/(mf)之间的的一个个随机机值。。原因是…，，取取其统统计平平均值值，有有：电路形式单相半波单相桥式三相半波三相桥式一周内脉波数m1236延时时间TS/ms1053.331.67整流装装置的的传递递函数数为b）近近似的的a））准准确确的的3．．直直流流电电动动机机的的传传递递函函数数假定定：：1））励励磁磁为为额额定定，，且且保保持持不不变变。。Ea=Cen，T=CTIa；2））电电动动机机本本身身的的运运动动阻阻力力，，都都归归并并到到TL中去去。。TL=CTIaL；3））主主电电路路电电流流连连续续。。在此此假假定定条条件件下下，，直直流流电电动动机机的的电电势势微微分分方方程程和和运运动动微微分分方方程程为为：：整理得：：机电时间间常数电磁时间间常数上式两侧侧进行拉拉氏变换换得：整理成输输出比输输入的传传递函数数的形式式：对两个等等式分别别画出它它们的动动态结构构图，并考虑到到n=Ea/Ce，即可得到到额定励励磁下直直流电动动机的动动态结构构图：输入量：：理想想空载电电压Udo（控制输输入量）），负载电电流IaL（扰动输输入量））。输出量：：转速速n利用右图图动态结结构图的的等效变变换方法法，消去去Ea(s)、、Ia(s)变变量，，可得到到直流电电动机动动态结构构图。（（见下页页）a)综合节点点前移b)反馈连接接的合并并a)变换后的的形式b)IaL=0时简化形形式直流电动动机的动动态结构构图等效变换换后得此图由于于没有内内部反馈馈环节，，在分析析单闭环环系统时时将带来来许多方方便。此图把电电枢电流流Ia显露出来来了，在在电流闭闭环的系系统中得得到应用用。单单闭环V-M调调速系统统的动态态结构图图带比例放放大器的的速度单单闭环V-M调调速系统统是一个个三阶线线性系统统。系统的开开环传递递函数为为：设IaL=0，，从给定定输入作作用上看看，该系系统的闭闭环传递递函数为为：把各单元组合合起来，得到到单闭环V-M调速系统统的动态结构构图：稳定条件大于零的条件件显然满足稳稳定条件就是是，，即把系统闭环传传递函数式的的分母写成一一般表达式并并令其等于零零，可得到单闭环调速系系统的特征方方程为：根据三阶系统统的劳斯-古尔维茨判据据，系统稳定定的充分必要要条件是：整理后得系统统稳定的充要要条件是：K超出此值，，系统将不稳稳定静特性分析中中，为了减小小静差、扩大大调速范围，，希望K值越越大越好。从动态的稳定定性来看，把把K值取得过过大会造成系系统的不稳定定。要求是矛盾的的解决办法：增增加校正环节节，一般把P调节器改为为PI调节器器或PID调节器。2.6无无静差单闭环环V-M调速速系统无无静差单闭闭环V-M调调速系统1．系统原理理图在有静差系统统的基础上，，在前向通道道串入一个积积分环节比例放大环节节与积分环节节可合并使用用同一个运算算放大器与有静差系统统比较仅仅增增加了一个电电容C1速度调节器ASR由原来来的P调节器器改成了PI调节器2．稳态结构构图发生阶跃变化化后，Uct的响应是“先比例，后积积分，再饱和和”的动态变化的的过程只要△Un不等于零，则则稳态时，ASR输出的的Uct必定是运放正正(或负)饱饱和限幅值在ASR积分分过程中的某某一时刻=0而而进入稳态态，则运放将将停止积分ASR的输入入与输出信号号之间是无法法用一个确切切数学关系来来描述，也无无法画出它输入输出特特性曲线，一一般用其阶跃跃响应曲线来来表示，比例积分环节节的输入与输出之间的的关系是一个个动态调节的的过程有静差系统无静差系统PI调节器的的阶跃响应3．动态结构构图各个环节的传传递函数按前前面推导得到到有静差系统无静差系统1．数学分析析稳稳态抗扰分分析根据系统动态态结构图，当当=0时，系统统的输入就只有扰动量IaL，这时的输出量即为负载载扰动引起的的转速偏差，可可将动态结构构图改画成右图图C根据结构图等等效变换原理理，得整理得稳态转速偏差差为结论：1）比例积分控制制的系统是无无静差调速系系统2）静特性是是一组平行的的水平直线2．调节过程程以突加负载为为例来分析t1前，原稳稳态。t1时，突加加负载，TL1→TL2。t1～t3，，调节过程。。t1后，转速速下降，△n增加，PI调节器的的输出增加，如曲线3，电机电流增大大、转矩增大大。曲线3（调节节器输出）＝＝曲线1（比例例部分）＋曲线2（积积分部分）t2时，T＝＝TL2，，△n为最最大。t3时，T＝＝TL2，，△n＝0，到达新稳稳态。t2后，因△△n≠0，Uct继续增增加，T>TL2，转速回升升。稳态时，反馈电容相相当于断路，，其放大系数数即为运放开开环放大系数数，数值很大（在在105以上），使系统的稳态误误差大大减小小。动态时，反馈电容则则相当于短路路，其放大系系数KP＝R1/R0，数值不大，，保证了系统统的稳定性。。调节过程后期期，积分部分分起主导作用用，并依靠它它最终消除稳稳态误差。PI调节器在在系统中起的的作用调节过程初、、中期，比例例部分起主导导作用，保证了系统的的快速响应。。突加负载时的的调节过程限限流截止负负反馈——会产生生过流现象象2．电流截截止负反馈馈当电流大到到一定程度度时才起作作用的电流流负反馈叫叫电流截止止负反馈。。带有电流截止负反馈的无静差V-M调速系统a)系统原理图b)静特性以起动过程程为例说明明原因1．速度单单闭环系统统存在的问问题2.6.4电流检检测电路1．用采样样电阻直接接在直流侧侧采样2．用电流流互感器在在交流侧采采样3．用零磁磁通电流传传感器在直直流侧采样样序号采样大小方向电隔离电源价格1直流侧有有无无低2交流侧有无有无中3直流侧有有有有高3．用零磁磁通电流传传感器在直直流侧采样样当时，有2.7双双闭环直直流电动机机V-M调调速系统转速电流双双闭环V-M系统的构成成及原理1．系统构成成转速电流双双闭环V-M调速系统的的系统原理理图a)用硬件电路路表示b)用框图表示示2.7.2稳态结结构图及静静特性β是电流反馈馈系数稳态中若出出现了电流调节器器稳定在饱饱和，则说明控控制角已经经移到尽头头，输出电电压Udo已经到达达最大值而而无法再调调，整个系系统处于““失控”的的不可调状状态。2．静特性性两个调节器器都不饱和和转速速调调节节器器饱饱和和。这这时时，，转转速速调调节节器器ASR的的输输出出是是限限幅幅值值，，系系统统后后面面部部分分是是一一个个定定电电流流控控制制系系统统。。n0～A斜斜线线n0～A线线段段下下方方、、AB线线段段左左方方的的区区域域内内是是系系统统的的可可调调节节工工作作区区域域。。在在该区区域域内内系系统统的的静静特特性性是是一一组组水水平平直直线线。A～～B垂垂直直线线是转转速速调调节节器器饱饱和和而而产产生生的的限限制制工工作作点点向向右右的的界界线线ACR饱饱和和ACR不不饱饱和和ASR饱饱和和ASR不不饱饱和和1．稳稳态态结结构构图图动动态态结结构构图图及及动动态态性性能能WASR(s)、、WACR(s)分分别别表表示示ASR、、ACR的的传传递递函函数数两个