1、第十七單元 晶閘管直流調速系統第二節 單閉環直流調速系統一、轉速負反饋直流調速系統 轉速負反饋直流調速系統的原理如圖l7-40所示。 轉速負反饋直流調速系統由轉速給定、轉速調節器ASR、觸發器CF、晶閘管變流器U、測速發電機TG等組成。直流測速發電機輸出電壓與電動機轉速成正比。經分壓器分壓取出與轉速n成正比的轉速反饋電壓Ufn。轉速給定電壓Ugn與Ufn比較，其偏差電壓U=Ugn-Ufn送轉速調節器ASR輸入端。ASR輸出電壓作為觸發器移相控制電壓Uc，從而控制晶閘管變流器輸出電壓Ud。本閉環調速系統只有一個轉速反饋環，故稱為單閉環調速系統。 1轉速負反饋調速系統工作原理及其靜特性設系統在負載

2、TL時，電動機以給定轉速n1穩定運行，此時電樞電流為Id1，對應轉速反饋電壓為Ufn1，晶閘管變流器輸出電壓為Udl。當電動機負載TL增加時，電樞電流Id也增加，電樞回路壓降增加，電動機轉速下降，則Ufn也相應下降，而轉速給定電壓Ugn不變，U=Ugn-Ufn增加。轉速調節器ASR輸出電壓Uc增加，使控制角減小，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud增加，于是電動機轉速便相應自動回升，其調節過程可簡述為：TLIdId(R+Rd)nUfnUUcUdn。圖17-41所示為閉環系統靜特性和開環機械特性的關系。1 / 12圖中曲線是不同Ud之下的開環機械特性。假設當負載電流為Id1時，電動機運行在曲線機械特性的A

3、點上。當負載電流增加為Id2時，在開環系統中由于Ugn不變，晶閘管變流器輸出電壓Ud也不會變，但由于電樞電流Id增加，電樞回路壓降增加，電動機轉速將由A點沿著曲線機械特性下降至B點，轉速只能相應下降。但在閉環系統中有轉速反饋裝置，轉速稍有降落，轉速反饋電壓Ufn就相應減小，使偏差電壓U增加，通過轉速調節器ASR自動調節，提高晶閘管變流器的輸出電壓Ud0由Ud01變為Ud02，使系統工作在隨線機械特性上，使電動機轉速有所回升，最后穩定在曲線機械特性的B點上。同理隨著負載電流增加為Id3，Id4，經過轉速負反饋閉環系統自動調節作用，相應工作在曲線機械特性上，穩定在曲線機械特性的C，D點上。將A，B

4、，C，D點連接起來的ABCD直線就是閉環系統的靜特性。由圖可見，靜特性的硬度比開環機械特性硬，轉速降n要小。閉環系統靜特性和開環機械特性雖然都表示電動機的轉速-電流(或轉矩)關系，但兩者是不同的，閉環靜特性是表示閉環系統電動機轉速與電流(或轉矩)的靜態關系，它只是閉環系統調節作用的結果，是在每條機械特性上取一個相應的工作點，只能表示靜態關系，不能反映動態過程。當負載突然增加時，如圖所示由Idl突增到Id2時，轉速n先從A點沿著曲線開環機械特性下降，然后隨著Ud01升高為Ud02，轉速n再回升到B點穩定運行，整個動態過程不是沿著靜特性AB直線變化的。 2轉速負反饋有靜差調速系統及其靜特性分析 對

5、調速系統來說，轉速給定電壓不變時，除了上面分析負載變化所引起的電動機轉速變化外，還有其他許多擾動會引起電動機轉速的變化，例如交流電源電壓的變化、電動機勵磁電流的變化等，所有這些擾動和負載變化一樣都會影響到轉速變化。對于轉速負反饋調速系統來說，可以被轉速檢測裝置檢測出來，再通過閉環反饋控制減小它們對轉速的影響。也就是說在閉環系統中，對包圍在系統前向通道中的各種擾動(如負載變化、交流電壓波動、電動機勵磁電流的變化等)對被調量(如轉速)的影響都有強烈的抑制作用。但是對于轉速負反饋調速系統來說，轉速給定電壓Ugn的波動和測速發電機的勵磁變化引起的轉速反饋電壓Ufn變化，閉環系統對這種給定量和檢測裝置的

6、擾動將無能為力。為了使系統有較高的調速精度，必須提高轉速給定電源和轉速檢測裝置的精度。 在圖17-40所示的轉速負反饋調速系統中，當轉速調節器ASR采用比例調節器時，則該系統對于給定量Ugn來說，是有靜差調速系統。這種調速系統在穩態時，反饋量與給定量不相等，存在偏差U，U =Ugn-Ufn。因為這種調速系統是依靠偏差U0為前提工作的，是通過偏差U的變化來進行調節的，因此系統的反饋量只能減小偏差U的變化而不能消除偏差，即偏差U始終存在，不能為零。假如偏差U=0，則轉速調節器(比例調節器)ASR的輸出電壓Uc=KpU=0，晶閘管變流器輸出電壓Ud0=0，電動機也將不可能運行，系統無法正常運行。 為

7、了分析方便，假定系統中所有環節都是工作在線性范圍內，也就是說各環節(如調節放大器、觸發器及晶閘管變流器、測速發電機等)的輸入輸出關系都是線性的，并且假定晶閘管-電動機系統的電動機全部工作在電流連續段，即它的開環機械特性全是連續段。 對于圖17-40所示的轉速負反饋單閉環調速系統來說，各環節的靜態(穩態)方程式如下： 轉速調節器采用比例放大器：式中 Kp放大器的電壓放大倍數。 觸發器和晶閘管變流器：式中 Ud0晶閘管變流器的空載輸出電壓； uc觸發器的移相控制電壓(即轉速調節器輸出電壓)； Ku晶閘管變流器的電壓放大倍數。晶閘管一電動機系統：測速發電機：式中 Kfn測速發電機的反饋系數。 從上述

8、四個關系式中消去中間變量并整理后，即可求得轉速負反饋單閉環調速系統的靜特性方程為：式中 K閉環系統的開環放大系數，K=KpKuKfn(Ce)； n0b閉環系統的理想空載轉速； nb閉環系統的靜態速降。 3開環系統和閉環系統的比較 在圖17-40所示的轉速負反饋單閉環調速系統中，當斷開轉速反饋回路時，系統即為開環系統，其機械特性為：式中 n0k開環系統的理想空載轉速； 、 nk開環系統的靜態速降。 由以上分析可知，開環系統和閉環系統相比較有以下幾方面的特點： (1)在轉速給定電壓Ugn相同時，開環系統的理想空載轉速n0K為閉環系統的理想空載轉速n0b的(1+K)倍。這是由于閉環系統的轉速反饋電壓

9、Ufn抵消大部分的轉速給定電壓Ugn，使加在轉速調節放大器ASR輸入端的電壓(U=Ugn-Ufn)很小的緣故。 (2)閉環系統靜特性比開環系統機械特性硬，在相同負載電流條件下，閉環系統的靜態轉速降nb僅為開環系統靜態轉速降nk的1(1+K)倍。 (3)當閉環系統的理想空載轉速nOb和開環系統的理想空載轉速nOk相同時，此時閉環系統的靜差率Sb（)僅為開環系統的靜差率Sk()的1(1+K)倍，系統閉環后靜差率可顯著減小。 (4)當系統靜差率S要求一定時，閉環系統可大大提高調速范圍D。 當開環系統和閉環系統電動機的最高轉速都為ne，而最低靜差率的要求相同時，閉環系統的調速范圍可達開環系統調速范圍的

10、(1+K)倍。 (5)閉環系統中，一方面轉速緊緊跟隨轉速給定電壓變化，另一方面對包圍在閉環系統前向通道中各種擾動(如負載變化、交流電壓波動、電動機勵磁電流變化等)的影響有強烈的抑制作用。 4轉速負反饋無靜差調速系統 如前所述，當轉速負反饋調速系統中轉速調節器采用比例調節器時，系統是依靠偏差為前提而工作的，這是有靜差的調速系統。當轉速負反饋調速系統中轉速調節器采用積分調節器或比例積分調節器時，由于積分調節器或比例積分調節器具有積分控制作用，不僅能依靠U本身，還能依靠偏差U的積累進行調節。當系統給定量和反饋量一出現，U就進行調節，以消除偏差直到U=0，但其積分仍存在，有相應的輸出(不像比例調節器當

11、U為零時，其輸出也為零)，從而使調速系統在穩態時無靜差，這就是無靜差的調速系統，所以轉速調節器采用積分調節器或比例積分器的調速系統是無靜差系統。 雖然采用積分調節器的調速系統是無靜差系統，使系統在穩態時沒有靜差，但它的動態響應速度很慢。當實際轉速n偏離給定轉速時，在轉速調節器ASR(積分調節器)的輸人端雖然立即產生偏差信號U，但是轉速調節器ASR(積分調節器)的輸出電壓Uc不是迅速地緊跟輸入信號的變化而變化，而是隨時間線性增加(或減小)，它的動態響應速度很慢。因而實際應用中轉速調節器ASR很少采用積分調節器，都是采用比例積分調節器。圖17-42為轉速調節器ASR采用比例積分調節器的單閉環轉速負

12、反饋無靜差調速系統。由前面分析可知，比例積分調節器的輸出由比例和積分兩部分組成。比例部分能迅速反映調節作用，而積分部分則能最后消除靜態偏差。比例積分調節器的等效放大倍數在靜態與動態過程中是不同的。當突加輸入電壓Ui的瞬間，電容C相當于短路，等于反饋回路只有反饋電阻Rf的情況，此時相當于比例調節器動態等效放大倍數Rf/R1比較小；而在穩態(靜態)時，電容相當于開路，調節器相當于開路，等效放大倍數很大，近似等于運算放大器的開環放大倍數(104l08)，可以使系統做到基本無靜差。由于系統是無靜差調速系統，系統的靜特性很硬，靜態轉速降nO，因而沒有必要進行靜特性計算。 下面詳細分析負載變化時系統的調節

13、過程。穩態時，對應于轉速給定電壓Ugn及負載轉矩TL1，電動機穩定轉速為n1，電動機的電流為Id1。此時轉速反饋電壓為Ufnl，轉速調節器ASR(比例積分調節器)的輸入偏差電壓U=Ugn1-Ufnl=0，(即Ugnl=Ufnl)，而ASR的輸出電壓Uc由于積分作用保持在Uc1，使晶閘管變流器輸出電壓為Ud1，以維持電動機在轉速給定n1下運轉。當負載轉矩在某一瞬間突然由TL1增加到TL2，負載轉矩大于電動機的電磁轉矩而造成電動機轉速開始下降，于是轉速偏離給定值n1而產生轉速偏差n，使轉速調節器ASR輸入偏差電壓U=Ugn1-Ufnl0，于是通過轉速調節器ASR(比例積分調節器)產生調節作用而消除

14、偏差。為了分析方便起見，先分別考慮轉速調節器ASR的“比例”與“積分”兩部分的調節作用，然后再疊加起來分析總的調節過程。 首先考慮ASR轉速調節器的比例部分的調節作用。當U0后，比例部分立即輸出KpU，相應使晶閘管變流器輸出電壓增加Ud1，Udl的大小與轉速偏差n成正比，如圖l7-43c所示的曲線。n越大，Ud1也越大，調節作用也越強，使轉速緩慢下降直到回升，如圖l7-43b所示。隨著n回升，n逐漸減小，Ud1也逐漸減小。當轉速回升至n1時，n=0，Ufn1=Ugn1，U=0，Ud1=0，比例部分的調節作用結束。ASR調節器的積分調節作用主要是在調節過程的后一階段，積分部分的輸出電壓等于偏差電

15、壓U的積分，相應使晶閘管變流器輸出電壓增加Ud2，Ud2的增長速度與偏差電壓U成正比，如圖17-43c所示的曲線。開始階段n很小，U也小，Ud2增加很慢。當n最大時，U亦最大，Ud2增加最快。在調節末期n又減小，U亦減小，Ud2的增加也隨之減慢。當n=0時，Ud2不再繼續增加而保持不變，如圖l7-43c所示的曲線(此時Ud1=0)。由曲線可見積分作用的結果是最后使Ud比原來的輸出電壓Ud1增加了Ud2。由圖17-43d可見，Ud由原來Udl成為Ud2，而Ud2一Udl=Ud2，增加部分的電壓Ud2正好補償由于負載增加而引起的主回路的電阻壓降增加部分，即ud2=IdR，從而使轉速回到原來的穩定轉

16、速n1上，使系統實現無靜差調節。 ASR轉速調節器的總調節作用就是比例作用和積分作用的綜合，總Ud變化曲線為曲線和曲線的疊加，如曲線所示。在整個調節過程開始和中間階段，比例調節起主要作用，它首先快速阻止轉速繼續下降，并使轉速迅速回升。隨著轉速的回升且接近原轉速n，時，比例調節作用越來越小。在調節過程的后期階段，積分調節起主要作用，依靠它來最后消除轉速偏差，因為只有當轉速偏差消除時，即當n=n1，n=0，Ufn1=Ugn1，U=0時，積分調節作用才會停止。由圖l7-43d可見，在調節過程中，晶閘管變流器輸出電壓Ud等于調節過程開始時的Udl加上曲線所示的電壓增量Ud，Ud為比例部分與積分部分的電

17、壓增量Ud1與Ud2之和。在調節過程結束時，晶閘管變流器輸出電壓Ud由Udl增加到Ud2，即Ud2=Udl-Ud，增加部分電壓Ud正好補償由于負載增加而引起的主回路電阻壓降增加部分IdR，電動機的轉速又回升到原來的給定轉速n1，轉速調節器ASR輸入偏差電壓U=0，而轉速調節器ASR的輸出電壓Uc由于積分作用穩定在Uc2上(Uc2Uc1)，它使晶閘管變流器輸出電壓Udl穩定在Ud2上。電動機的負載轉矩增加越大，則轉速調節器ASR輸出電壓Uc和晶閘管變流器輸出電壓Ud增加越多。 由圖l7-43b可見，無靜差調速系統只是在靜態(穩態)下是無差，而在動態過程中是有差的，圖中nmax為最大動態速降，它是

18、突加階躍擾動下動態過程中的最大轉速降；ts為恢復時間，它是從原穩定狀態過渡到新穩態所經歷的時間，nmax和ts是調速系統兩個主要動態性能指標。 上述的無靜差調速系統在理論上講是無靜差，但是實際應用中由于調節放大器本身不是理想的，放大倍數不可能是無窮大，此外，測速發電機本身也存在一定的誤差，因此這種調速系統仍然有少量的靜差。二、帶電流截止負反饋的轉速負反饋直流調速系統 以上所敘述的轉速負反饋單閉環直流調速系統存在起動電流過大等問題。這是因為開始起動瞬間，轉速給定電壓Ugn 突然加上，由于機械慣量電動機轉速仍然為零，即n=0，轉速反饋電壓Ufn=0，轉速調節器ASR輸入電壓U=Ugn，使ASR輸出

19、電壓Uc很大，晶閘管變流器輸出電壓Ud亦很大。此時，電動機電樞電流 (起動瞬間n=0，E=Cen=0)，由于電樞電阻R很小，起動電流很大。這過大起動電流將對晶閘管和直流電動機運行產生嚴重的不利影響，甚至使晶閘管和直流電動機燒毀。此外，有些生產機械的電動機可能會遇到堵轉的情況，由于轉速負反饋調速系統的靜特性較硬，如果沒有限制電流措施，電動機的電樞電流將大大超過額定值，使晶閘管和直流電動機燒毀。 為了解決轉速負反饋單閉環直流調速系統存在的起動和堵轉時電流過大的問題，系統中就必須有限制電樞電流過大的保護環節。根據反饋控制原理，要維持某一物理量(如轉速)不變時，就引入那個物理量的負反饋(如轉速負反饋)

20、。現在要防止電流過大，使電流在一定的情況下，保持某一數值不變，為此可以在系統中引入電流負反饋。但是在轉速負反饋單閉環直流調速系統中，如果始終存在電流負反饋，則將會使靜特性變軟，影響調速精度，為了使電流負反饋在系統正常運行時不起作用，而在電流過大(超過某一允許值)時起強烈作用，這樣的電流負反饋稱之為電流截止負反饋。 帶電流截止負反饋的轉速負反饋直流調速系統如圖l7-44所示。由17-44圖可見，電流信號從串人電動機電樞回路的電阻R上取出，電阻R上的電壓大小就反映電樞電流Id的大小。這個電流反饋電壓與比較電壓Ubj反向串聯，比較電壓Ubj大小可調。當Ubj大時，相應的截止電流Idj也大；當Ubj小

21、時，相應的截止電流Idj也小。在R與比較電壓Ubj之間串有一個二極管VD。IdRUbj時，二極管VD導通，電流負反饋信號電壓Ufi加到轉速調節器ASR輸入端，其極性與轉速給定電壓極性相反，因而隨著負載電流的增加，電流反饋電壓Ufi增加，轉速調節器輸出電壓Uc迅速下降，晶閘管整流裝置輸出電壓Ud也隨之迅速下降，這樣就限制了電樞電流的進一步增加。若負載繼續增加，電動機轉速迅速下降，直到電動機堵轉。當電動機堵轉時，輸出電壓Ud=IduR，其中Idu為電動機的堵轉電流，這個堵轉電流是電動機和晶閘管整流裝置短路時所允許的電流，因此就保護晶閘管整流裝置和電動機。當IdRUbj時，二極管VD因承受反向電壓而

22、截止，相當于電流截止負反饋環節斷開，整個系統與沒有電流截止負反饋環節一樣，此時系統相當于轉速負反饋的單閉環調速系統，靜特性硬，轉速降很小。帶電流截止負反饋的轉速負反饋直流調速系統的靜特性如圖1745所示，圖中Idj為截止電流，Idu為堵轉電流，該系統具有“控土機特性”。 實際應用的小功率直流調速系統中，常采用如圖l746所示電流截止負反饋線路。 圖中R、電位器RP、穩壓管VS2和三極管V5等組成了電流截止負反饋環節。電流信號從并聯在串入電動機電樞電路的電阻R兩端的電位器RP取出。電流Id流過電阻R產生的電壓降IdR反映了電流Id的大小，比較電壓就是穩壓管VS2的擊穿電壓。當主回路電流Id超過截

23、止電流值時，從電位器RP取出的電壓大于穩壓管VS2的擊穿電壓時就有電流通過VS2使V5導通，從而使電容C的充電電流減小，因而觸發脈沖后移，晶閘管整流器輸出電壓Ud下降，從而限制電流繼續增大。截止電流大小可通過電位器RP調整。 三、電壓負反饋和電流正反饋直流調速系統 如前所述，轉速負反饋調速系統必須配備測速發電機等轉速檢測裝置。這不僅增加了系統的總投資，而且增加了系統的維護工作量，因此在調速性能指標要求不高的場合，常采用電壓負反饋或帶電流正反饋的電壓負反饋直流調速系統。下面簡單介紹它們的工作原理及應用。 1電壓負反饋直流調速系統 圖l7-47所示為電壓負反饋直流調速系統的原理圖。由并接在電動機電

24、樞兩端的電阻R3，R4、電位器RP組成的分壓器取出電壓反饋信號Ufu，。Ufu與轉速給定電壓相減，偏差電壓U=Ugn-Ufu送電壓調節器輸入端。調節器輸出電壓作為觸發器移相控制電壓Uc，從而控制晶閘管變流器的輸出電壓Ud，以達到控制電動機轉速的目的。設Ud0為晶閘管變流器的理想空載電壓，Ud為電動機電樞電壓，它們之間的關系為：式中 Rn晶閘管變流器內阻(包括平波電抗器電阻)； Rd電動機電樞電阻。 由上式可知，當電動機負載電流增加時，由于主回路中Rn的電阻壓降增加，使電動機電樞電壓Ud下降，轉速n下降。但由于系統加入了電壓負反饋，電壓反饋電壓Ufu減小，電壓調節器輸入偏差電壓U=Ugm-Ufu增加，電壓調節器輸出電壓Uc增加，晶閘管變流器輸出電壓Ud0增加，以補償主回路中Rn的電阻壓降，使電動機轉速n自動回升一些。上述調節過程可以表示為IdIdRnUdUfuUUcUd0Udn。 由以上分析可知，電壓負反饋調速系統實際上是一個電壓調節系統。當電流Id變化時，能夠維持電動機電樞電壓Ud基本不變。電壓負反饋能克服在主回路中Rn上電阻壓降所引起的轉速降，然而對主回路中電樞電阻Rd上產生的電阻壓降所引起的轉速降則無能為力。 同理，該系統對電動機勵磁電流的擾動也無能為力。因此，電壓負反饋調速系統的性能指標比轉速負反饋調速系統差一些，但該