高级电工培训(交直流传动系统)课件.ppt

1、直流传动系统直流传动系统第第 1 部分部分开环调速系统的原理图开环调速系统的原理图开环控制系统（开环控制系统（P162）n开环调速系统，即开环调速系统，即无反馈无反馈控制的直流调控制的直流调速系统。速系统。n调节调节控制电压控制电压Uc就可以改变电动机的转就可以改变电动机的转速。速。n晶闸管整流器和晶闸管整流器和PWM变换器都是可控变换器都是可控的直流电源，用的直流电源，用UPE来统一表示可控直来统一表示可控直流电源。流电源。开环控制系统开环控制系统机械特性机械特性 n开环调速系统中各环节的稳态关系如下：开环调速系统中各环节的稳态关系如下：电力电子变换器电力电子变换器直流电动机直流电动机 n开

2、环调速系统的机械特性为开环调速系统的机械特性为 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn开环控制系统开环控制系统开环直流调速系统的机械特性开环直流调速系统的机械特性开环控制系统开环控制系统 根据自动控制原理，反馈控制的闭环系根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按统是按被调量的偏差被调量的偏差进行控制的系统，只进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正自动产生纠正偏差偏差的作用。的作用。调速系统的转速降落正是由调速系统的转速降落正是由负载负载引起的引起的转速偏差，显然，引入转速偏差，显然，引入转速闭环转速闭环将使调速将使调速系

3、统应该能够大大减少转速降落。系统应该能够大大减少转速降落。闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）（P163）n在负反馈基础上的在负反馈基础上的“检测误差，用以纠正检测误差，用以纠正误差误差”这一原理组成的系统，其输出量反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，因此馈的传递途径构成一个闭合的环路，因此被称作被称作闭环控制系统闭环控制系统。n在直流调速系统中，被调节量是在直流调速系统中，被调节量是转速转速，所，所构成的是构成的是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。闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）n 系统组成系统组成采

4、用转速负反馈的闭环调速系统采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）n 调节原理调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一台测速发电机电动机同轴安装一台测速发电机 TG，从，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压而引出与被调量转速成正比的负反馈电压Un，与给定电压，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速相比较后，得到转速偏差电压偏差电压

5、 Un，经过放大器，经过放大器 A，产生电力，产生电力电子变换器电子变换器UPE的控制电压的控制电压Uc，用以控制，用以控制电动机转速电动机转速 n。闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）n UPE的组成的组成 图中，图中，UPE是由电力电子器件组成的变是由电力电子器件组成的变换器，其输入接三组（或单相）交流电源，换器，其输入接三组（或单相）交流电源，输出为可控的直流电压，控制电压为输出为可控的直流电压，控制电压为Uc。UcUd0uACDCUd0Uc闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）n UPE的组成（续）的组成（续）目前，目前，组成组成UPE的电力电子器

6、件有如的电力电子器件有如下几种选择方案：下几种选择方案：n对于对于中、小容量中、小容量系统，多采用由系统，多采用由IGBT或或P-MOSFET组成的组成的PWM变换器；变换器；n对于对于较大容量较大容量的系统，可采用其他电力电的系统，可采用其他电力电子开关器件，如子开关器件，如GTO、IGCT等；等；n对于对于特大容量特大容量的系统，则常用的系统，则常用晶闸管晶闸管触发触发与整流装置。与整流装置。闭环控制系统（反馈控制系统）闭环控制系统（反馈控制系统）引引 言言 直流电动机具有良好的起、制动性能，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内宜于在大范围内平滑平滑调速，在许多需要调速，在许多

7、需要调速调速和快速正反向和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的电力拖动领域中得到了广泛的应用。的应用。由于直流拖动控制系统在理论上和实践由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。掌握直流拖动控制系统。根据直流电机转速方程根据直流电机转速方程 eKIRUn 直流调速方法（直流调速方法（P168）nUIRKe式中式中 转速（转速（r/min）；）；电枢电压（

8、电枢电压（V）；）；电枢电流（电枢电流（A）；）；电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（）；励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）；由电机结构决定的电动势常数。由电机结构决定的电动势常数。由上式可以看出，有三种方法调节电由上式可以看出，有三种方法调节电动机的转速：动机的转速：（1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U；（2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路总电阻）改变电枢回路总电阻 R。直流调速方法直流调速方法（1）调压调速）调压调速工作条件：工作条件：保持保持励磁额定励磁额定 =N；保持电阻保持电阻 R=Ra调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U；U n ，n0 调速特性：调速特

9、性：转速下降，机械特性曲转速下降，机械特性曲线平行下移线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线（2）调阻调速）调阻调速工作条件：工作条件：保持保持励磁额定励磁额定 =N；保持电压额定保持电压额定 U=UN；调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra R；R n ，n0不变不变；调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲转速下降，机械特性曲线变软线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线（3）调磁调速）调磁调速工作条件：工作条件：保持电压额定保持电压额定 U=UN；保持电阻保持电阻 R=R

10、a；调节过程：调节过程：减小减小励磁励磁 N ；n ，n0 调速特性：调速特性：转速上升，机械特性曲转速上升，机械特性曲线变软线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线调磁调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以的系统来说，以调节电枢供电电压调节电枢供电电压的方式的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机往往只是配合调压方

11、案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往因此，自动控制的直流调速系统往往以以调压调速调压调速为主。为主。常用的可控直流电源有以下三种：常用的可控直流电源有以下三种：旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发电机组用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。成机组，以获得可调的直流电压。静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整流器，用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。以获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用

12、电力电子开关器件源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源旋转变流机组旋转变流机组旋转变流机组供电的直流调速系统（旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）系统）直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 G-M系统工作原理系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机拖动直流发电机 G 实现变流，由实现变流，由 G 给需要调给需要调速的直流电动机速的直流电动机 M 供电，调节供

13、电，调节G 的励磁电流的励磁电流 if 即可改变其输出电压即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转，从而调节电动机的转速速 n。这样的调速系统简称这样的调速系统简称G-M系统。系统。直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 G-M系统特性系统特性n第第I象限象限第第IV象限象限OTeTL-TLn0n1n2第第II象限象限第第III象限象限G-M系统机械特性系统机械特性直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 G-M系统特点系统特点直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源优点：优点：可实现四象限运行可实现四象限运行缺点：缺点：设备多，体积大，费用

14、高，效率设备多，体积大，费用高，效率低，安装需打地基，运行有噪低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。声，维护不方便。晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统）V-M系统系统 V-M系统工作原理系统工作原理 晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M系统），系统），图中图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节触发是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置装置 GT 的控制电压的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的来移动触发脉冲的相相位位，即可改变，即可改变整流电压整流电压Ud，从而实现平滑，从而实现平滑调调速速。V-M系统系统 V-M系统的

15、特点（与系统的特点（与G-M系统相比较）系统相比较）v晶闸管整流装置不仅在晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性经济性和可靠性上都有很上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。像直流发电机那样需要较大功率的放大器。v在控制作用的在控制作用的快速性快速性上上，变流机组是秒级，而晶，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态闸管

16、整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。性能。v运行损耗小，效率高。运行损耗小，效率高。V-M系统系统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（P172）任何一台需要控制转速的设备，其生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。产工艺对调速性能都有一定的要求。归纳起来，对于调速系统的转速控制归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：要求有以下三个方面：1.控制要求控制要求（1）调速调速在一定的最高转速和最低转速范围在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（内，分档地（有级有级）或）或 平滑地（平滑地（无级无级）调节转）调节转速；速；

17、（2）稳速稳速以一定的精度在所需转速上稳定运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，以行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；确保产品质量；（3）加、减速加、减速频繁起、制动的设备要求加、频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。变化的机械则要求起、制动尽量平稳。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2.调速指标调速指标调速范围：调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比

18、叫做调速范围，用字母转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即表示，即minmaxnnD 其中其中nmin 和和nmax 一般都指电机额定负载时的最低一般都指电机额定负载时的最低和最高转速，对于少数负载很轻的机械，例如精和最高转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的转速。密磨床，也可用实际负载时的转速。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 静差率：静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理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落想空载增加到额定值时所对应的转速降落 nN，与理想空载转速与理想空载转速 n0 之比，称

19、作之比，称作静差率静差率 s，即，即0Nnns式中 nN=n0-nN 静差率用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定静差率用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。机械特性越硬，静差率越小，转速的稳定度度的。机械特性越硬，静差率越小，转速的稳定度越高。越高。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0TeNTen0an0bab nNa nNb nO3.静差率与机械特性硬度的区别静差率与机械特性硬度的区别 静差率和机械静差率和机械特性硬度又是有区特性硬度又是有区别的。一般调压调别的。一般调压调速系统在不同转速速系统在不同转速下的机械特性是互下的机械特性是互相平行的相平行的。

20、对于同对于同样硬度的特性，理样硬度的特性，理想空载转速越低时，想空载转速越低时，静差率越大，转速静差率越大，转速的相对稳定度也就的相对稳定度也就越差。越差。显然显然bass 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例如：例如：在在1000r/min时降落时降落10r/min，只占，只占1%；在；在100r/min时同样降落时同样降落10r/min，就占，就占10%；如果在只有如果在只有10r/min时，再降落时，再降落10r/min，就占，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。落完了。因此，调速范围和静差率这两项指标

21、并不是因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此彼此孤立孤立的，必须同时提才有意义。的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率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。指标应以最低速时所能达到的数值为准。3.静差率与机械特性硬度的区别（续）静差率与机械特性硬度的区别（续）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4.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 设：电机额定转速设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为为最高转速，转速降落为 nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速

22、时的静差率，即最低速时的静差率，即NminNmin0Nnnnnns于是，最低转速为于是，最低转速为 snsnsnnNNNmin)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而调速范围为而调速范围为 minNminmaxnnnnD将上面的式代入将上面的式代入 nmin，得，得)1(NNsnsnD 对于同一个调速系统，对于同一个调速系统，nN 值一定，如果对值一定，如果对静差率要求越严，即要求静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。允许的调速范围也越小。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结论结论1：

23、一个调速系统的调速范围，是指在最低一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。速时还能满足所需静差率的转速可调范围。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例 题例 题 某 直 流 调 速 系 统 电 动 机 额 定 转 速某 直 流 调 速 系 统 电 动 机 额 定 转 速为为 ，额定速降，额定速降 nN=115r/min，当要求静差率当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？时，允许多大的调速范围？如果要求静差率如果要求静差率20%，则调速范围是多少？，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率，所

24、能满足的静差率是多少？是多少？min/1430rnN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解解 要求要求30%时，调速范围为时，调速范围为 若要求若要求20%，则调速范围只有，则调速范围只有若调速范围达到若调速范围达到10，则静差率只能是，则静差率只能是3.5)3.01(1153.01430)1(NNsnsnD1.3)2.01(1152.01430D%6.44446.011510143011510NNNnDnnDs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控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标（P174）自动控制系统的动态性能指标包括：自动

25、控制系统的动态性能指标包括：n跟随性能指标跟随性能指标n抗扰性能指标抗扰性能指标 1、跟随性能指标、跟随性能指标n以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变以输出量的初始值为零，给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，化下的过渡过程作为典型的跟随过程，n此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响此跟随过程的输出量动态响应称作阶跃响应。应。n常用的阶跃响应跟随性能指标有常用的阶跃响应跟随性能指标有上升时间、上升时间、超调量和调节时间超调量和调节时间。控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标%100maxCCC上升时间上升时间 峰值时间峰值时间 调节时间调节时间 超调量超调量 1.跟随性能指标：跟

26、随性能指标：在给定信号或参考输入信号的作用下，在给定信号或参考输入信号的作用下，系统输出量的变化情况可用跟随性能指系统输出量的变化情况可用跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标来描述。常用的阶跃响应跟随性能指标有标有ntr 上升时间上升时间n 超调量超调量nts 调节时间调节时间控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标2.抗扰性能指标抗扰性能指标 抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动抗扰性能指标标志着控制系统抵抗扰动的能力。常用的抗扰性能指标有的能力。常用的抗扰性能指标有n Cmax 动态降落动态降落ntv 恢复时间恢复时间 一般来说，调速系统的动态指标以抗扰一般来说，调速系统的动态

27、指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。随性能为主。控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标2抗扰性能指标抗扰性能指标n当调速系统在稳定运行中，突加一个使当调速系统在稳定运行中，突加一个使输出量降低（或上升）的扰动量输出量降低（或上升）的扰动量F之后，之后，输出量由降低（或上升）到恢复到稳态输出量由降低（或上升）到恢复到稳态值的过渡过程就是一个抗扰过程。值的过渡过程就是一个抗扰过程。n常用的抗扰性能指标为常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复动态降落和恢复时间。时间。控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标突加扰动的动态突加扰动的动态过

28、程和抗扰性能指标过程和抗扰性能指标动态降落 恢复时间 控制系统的动态性能指标控制系统的动态性能指标n 系统组成系统组成采用转速负反馈的闭环调速系统采用转速负反馈的闭环调速系统+-AGTMTG+-+-+-UtgUdIdn+-+UnUn U*nUcUPE+-MTGIdUnUdUcUnntg转速转速负反馈直流调速系统负反馈直流调速系统（P176）转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：电压比较环节电压比较环节 nnnUUU*放大器放大器 npcUKU电力电子变换器电力电子变换器 csdUKU0调速系统开环机械特性调速系统开环机械特性 eddCRIUn

29、0测速反馈环节测速反馈环节 nUn比例调节器的电比例调节器的电压放大系数压放大系数电力电子变换器电力电子变换器的电压放大系数的电压放大系数转速反馈系数转速反馈系数转速转速负反馈直流调速系统负反馈直流调速系统开环机械特性和闭环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系 比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。特性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特如果断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为性为 opop0ede*nsped0dnnCRICUKKCRIUn而闭环时的静特性可

30、写成而闭环时的静特性可写成 llnnKCRIKCUKKncc0ede*nsp)1()1(比较两式不难得出以下的论断比较两式不难得出以下的论断：（1）闭环系统静特性可以比开环系统机械）闭环系统静特性可以比开环系统机械特性硬得多。特性硬得多。在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和和它们的关系是它们的关系是Knnl1opcedopCRIn)1(edcKCRInln 系统特性比较系统特性比较开环机械特性和闭环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系（2）如果比较同一的开环和闭环系统，则）如果比较同一的开环和闭环系统，则闭环系统的静差率要小得多。闭环系统的

31、静差率要小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为闭环系统和开环系统的静差率分别为 和和 当当 n0op=n0cl 时，时，lllnnsc0ccop0opopnnsKssl1opc开环机械特性和闭环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系（3）当要求的静差率一定时，闭环系统可）当要求的静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围。以大大提高调速范围。如果电动机的最高转速都是如果电动机的最高转速都是nN，而对最低速静，而对最低速静差率的要求相同，那么：差率的要求相同，那么：开环时，开环时，闭环时，闭环时，得得 opc)1(DKDl)1(opNopsnsnD)1(cNcsnsnDll开环机械特性和闭

32、环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系（4）要取得上述三项优势，闭环系统必须设）要取得上述三项优势，闭环系统必须设置电压放大器和转速检测装置。置电压放大器和转速检测装置。上述三项优点若要有效，都取决于一点，上述三项优点若要有效，都取决于一点，即即 K 要足够大，因此必须设置要足够大，因此必须设置电压放大器电压放大器和转速检测装置和转速检测装置。开环机械特性和闭环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系 把以上四点概括起来，可得下述结论：把以上四点概括起来，可得下述结论：结论结论2：闭环调速系统可以获得比开环调速系统闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差硬

33、得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设需付出的代价是，须增设电压放大器以及电压放大器以及检测与反馈装置检测与反馈装置。开环机械特性和闭环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系开环系统：开环系统：Id n 例如：在图中工作点从例如：在图中工作点从AA 闭环系统：闭环系统：Id n Un U Uc Ud0 n 例如：在图中工作点从例如：在图中工作点从A B开环机械特性和闭环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系 由此看来，闭环系统能够减少稳态速降由此看来，闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的的实质在

34、于它的自动调节作用自动调节作用，在于它能，在于它能随着随着负载的变化而相应地改变电枢电压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。以补偿电枢回路电阻压降。开环机械特性和闭环静特性的关系开环机械特性和闭环静特性的关系1.PI调节器调节器 在模拟电子控在模拟电子控制技术中，可用制技术中，可用运算放大器来实运算放大器来实现现PI调节器，其调节器，其线路如图所示。线路如图所示。Uex+C1RbalUinR0+AR1比例积分（比例积分（PI）调节器）调节器 转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统（P180）i0i12.PI输入输出关系输入输出关系 按照运算放大器的输入输出

35、关系，可得按照运算放大器的输入输出关系，可得tUUKtUCRURRUd1d1ininpiin10in01ex01piRRK10CR式中式中 PI调节器比例部分的放大系数；调节器比例部分的放大系数；PI调节器的积分时间常数。调节器的积分时间常数。由此可见，由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分调节器的输出电压由比例和积分两部分相加而成。两部分相加而成。转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统 3.PI调节器输出时间特性调节器输出时间特性 UexUinUexmtUinUexOKpUinPI调节器输出特性曲线调节器输出特性曲线OtOt UcUcUn121+2b)PI调节器输出动态

36、过程调节器输出动态过程 n在在t=0时就有时就有Uex(t)=KpUin，实现了快，实现了快速控制；速控制；n随后随后Uex(t)按积分规律增按积分规律增长，长，n在在t=t1时，时，Uin=0，ininpexUtUKtU)(in1exUtU转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统 n在闭环调速系统中，采在闭环调速系统中，采用用PI调节器输出部分调节器输出部分Uc由两部分组成：由两部分组成：n比例部分比例部分和和Un成正成正比，比，n积分部分积分部分表示了从表示了从t=0到此时刻对到此时刻对Un(t)的积的积分值，分值，nUc是这两部分之和。是这两部分之和。4.一般输入情况一般

37、输入情况转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统 5.分析结果分析结果 由此可见，比例积分控制综合了比例由此可见，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。最终消除稳态偏差。转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统 问题的提出：问题的提出：n起动的冲击电流起动的冲击电流直流电动机全电压起动时，直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电

38、流，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力这不仅对电机换向不利，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。电子器件来说，更是不能允许的。n闭环调速系统突加给定起动的冲击电流闭环调速系统突加给定起动的冲击电流采采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的其稳态工作值的 1+K 倍。倍。带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速

39、系统（P181）这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。来说，相当于全压起动，当然是不允许的。n堵转电流堵转电流有些生产机械的电动机可能会遇有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由于故障，到堵转的情况。例如，由于故障，机械轴被卡机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依

40、靠干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。会给正常工作带来不便。带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统 解决办法：解决办法：n电枢串电阻电枢串电阻起动；起动；n引入电流引入电流截止负反馈；截止负反馈；n加积分给定环节。加积分给定环节。本节主要讨论本节主要讨论如何采用如何采用电流电流截止负反馈截止负反馈来限制起动电流。来限制起动电流。带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统n 电流截止负反馈电流截止负反馈 考虑到，限流作用只需在考虑到，限流作用只需在起动

41、和堵转起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减。着负载增减。如果采用某种方法，当电流大到一定如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。这种方法叫做速。这种方法叫做电流截止负反馈电流截止负反馈，简称，简称截流反馈截流反馈。带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统1.电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节a）利用独立直流电源作比较电压）利用独立直流电源作比

42、较电压M+-UdId RsVDUi Ucom接放大器Mb)利用稳压管产生比较电压利用稳压管产生比较电压 UbrM+-UdId RsVSTUi接放大器M带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统2.输入输出特性输入输出特性电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节的输入输出特性的输入输出特性n当输入信号当输入信号IdRs-Ucom0时，输出时，输出Ui=IdRs-Ucomn当当IdRs-Ucom 0时，时，输出输出Ui=0。带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统IdblIdcrn0IdOn0AB带电流截止负反馈闭环调速系统的静特性带电流截止负反馈闭环调速系统的静

43、特性 nCB段段:电流负反馈被截止电流负反馈被截止 nAB段段:电流负反馈起作用电流负反馈起作用 C带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统无静差直流调速系统无静差直流调速系统+-+-M TG+-RP2nRP1U*nR0R0RbalUcVT VSUiTALIdR1C1UnUd-+MTG带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统 上图是上图是一个无静差直流调速系统的实例，采一个无静差直流调速系统的实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA为检

44、测为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于稳压管当电流超过截止电流时，高于稳压管VS的击穿电的击穿电压，使晶体三极管压，使晶体三极管VT导通，则导通，则PI调节器的输出调节器的输出电压接近于零，电力电子变换器电压接近于零，电力电子变换器UPE的输出电压的输出电压急剧下降，达到限制电流的目的。急剧下降，达到限制电流的目的。带电流截止负反馈的直流调速系统带电流截止负反馈的直流调速系统电压负反馈直流调速系统电压负反馈直流调速系统（P183）n被调量的负反馈是闭环控制系统的基本被调量的负反馈是闭环控制系统的基本反馈形式，对

45、调速系统来说，就是要用反馈形式，对调速系统来说，就是要用转速负反馈。然而，安装转速检测装置转速负反馈。然而，安装转速检测装置将会带来成本和维护的麻烦。对于调速将会带来成本和维护的麻烦。对于调速指标要求不高的系统，可以采用电动机指标要求不高的系统，可以采用电动机端电压反馈来替代测速装置，构成电压端电压反馈来替代测速装置，构成电压负反馈直流调速系统。负反馈直流调速系统。n在电动机转速不是很低时，电枢电阻压在电动机转速不是很低时，电枢电阻压降比电枢端电压要小的多，因此可以认降比电枢端电压要小的多，因此可以认为，直流电动机的反电势与端电压近似为，直流电动机的反电势与端电压近似相等，也就是，电机转速近似

46、与端电压相等，也就是，电机转速近似与端电压成正比。成正比。n采用电压检测元件检测直流电动机的端采用电压检测元件检测直流电动机的端电压，以此来替代转速负反馈，从而形电压，以此来替代转速负反馈，从而形成电压负反馈直流调速系统。成电压负反馈直流调速系统。电压负反馈直流调速系统电压负反馈直流调速系统 电压负反馈调速系统原理图电压负反馈调速系统原理图电压负反馈直流调速系统电压负反馈直流调速系统 电流正反馈和补偿控制规律（电流正反馈和补偿控制规律（P184）n 采用电压负反馈的调速系统虽然可以省采用电压负反馈的调速系统虽然可以省去一台测速发电机，但是由于它不能弥去一台测速发电机，但是由于它不能弥补电枢压降

47、所造成的转速降落，调速性补电枢压降所造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈系统。采用电流正反能不如转速负反馈系统。采用电流正反馈进行补偿，提高电压负反馈系统的性馈进行补偿，提高电压负反馈系统的性能是一个可行的方法，可以减少系统的能是一个可行的方法，可以减少系统的静差。静差。带电压负反馈和电流正反馈的调速系统原理图带电压负反馈和电流正反馈的调速系统原理图电流正反馈和补偿控制规律电流正反馈和补偿控制规律3.1 双闭环直流调速系统（双闭环直流调速系统（P190）n问题的提出问题的提出 第第2章中表明，采用转速负反馈和章中表明，采用转速负反馈和PI调调节器的单闭环直流调速系统可以在保证节器的单闭环直流

48、调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现正常启动和转速系统稳定的前提下实现正常启动和转速无静差。但是，如果对系统的动态性能无静差。但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求较高，例如：要求快速起制动，突要求快速起制动，突加负载动态速降小加负载动态速降小等等，单闭环系统就等等，单闭环系统就难以满足需要。难以满足需要。1.主要原因主要原因 是因为在单闭环系统中不能随心所欲是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制地控制电流和转矩电流和转矩的动态过程。的动态过程。在单闭环直流调速系统中，电流截止负在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只反馈环节是专门用来控制电流的，但它只

49、能在超过临界电流值能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。想地控制电流的动态波形。3.1 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统2.性能比较性能比较n带电流截止负反馈的单带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动闭环直流调速系统起动过程如图过程如图 所示，起动所示，起动电流达到最大值电流达到最大值 Idm 后，受电流负反馈的作后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加磁转矩也随之减小，加速过程延长。速过程延长。IdLntIdOIdmIdcr带电流截

50、止负反馈带电流截止负反馈的单闭环调速系统的单闭环调速系统3.1 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统n理想起动过程波形如理想起动过程波形如图，这时，起动电流图，这时，起动电流呈方形波，转速按线呈方形波，转速按线性增长。这是在最大性增长。这是在最大电流（转矩）受限制电流（转矩）受限制时调速系统所能获得时调速系统所能获得的最快的起动过程。的最快的起动过程。IdLntIdOIdm理想的快速起动过程理想的快速起动过程3.1 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统2.性能比较性能比较n对于经常对于经常正、反转正、反转运行的调速系统，缩短起、运行的调速系统，缩短起、制动过程的时间是提高生产率的重要因素。制动