1、第第1篇篇直流調速系統直流調速系統電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統 運動控制系統運動控制系統直流電動機的穩態轉速 式中 n轉速（r/min）; U電樞電壓（V）； I電樞電流（A）； R電樞回路總電阻(）； 勵磁磁通（Wb）； Ke 由電機結構決定的電動勢常數。eKIRUn調節直流電動機轉速的方法 （1）調節電樞供電電壓； （2）減弱勵磁磁通； （3）改變電樞回路電阻。自動控制的直流調速系統往往以變壓調速為主。第第2章章 轉速反饋控制的直流調速系統轉速反饋控制的直流調速系統 電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統 運動控制系統運動控制系統2.1 直流調速系統用的可控直流電源n晶閘管整

2、流器-電動機系統 n直流PWM變換器-電動機系統 2.1.1 晶閘管整流器-電動機系統圖21 晶閘管整流器-電動機調速系統（V-M系統）原理圖n調節控制電壓Uc， n移動觸發裝置GT輸出脈沖的相位，n改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud的波形，以及輸出平均電壓Ud的數值。 在理想情況下，Ud和Uc之間呈線性關系：（2-1）式中， Ud平均整流電壓， Uc 控制電壓， Ks晶閘管整流器放大系數。csdUKUn晶閘管觸發電路和整流電路的特性是非線性的。n在設計調速系統時，只能在一定的工作范圍內近似地看成線性環節，n得到了它的放大系數和傳遞函數后，用線性控制理論分析整個調速系統。放大系數的計算圖2-7

3、 晶閘管觸發與整流裝置的輸入輸出特性和Ks的測定cdsUUKn晶閘管觸發和整流裝置的輸入量是Uc，輸出量是Ud，晶閘管觸發和整流裝置的放大系數Ks可由工作范圍內的特性斜率決定 。n如果沒有得到實測特性，也可根據裝置的參數估算。2.1.2 直流直流PWM變換器變換器-電動機系統電動機系統n全控型電力電子器件問世以后，就出現了采用脈沖寬度調制的高頻開關控制方式, 形成了脈寬調制變換器-直流電動機調速系統，簡稱直流脈寬調速系統，或直流PWM調速系統。n與V-M系統相比，PWM調速系統在很多方面有較大的優越性。n直流PWM調速系統的應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態性能系統中，已經完全取代了V-M

4、系統。 1PWM變換器的工作狀態和電壓、電流波形n脈寬調制變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節電動機轉速。圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統電路原理圖 n在一個開關周期T內，n當 時，Ug為正，VT飽和導通，電源電壓Us通過VT加到直流電動機電樞兩端。n當 時， Ug為負， VT關斷，電樞電路中的電流通過續流二極管VD續流，直流電動機電樞電壓近似等于零。 ontt0Ttton圖2-10 簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統電壓和電流波形 2.直流PWM調速系統的機械特性n對

5、于不可逆PWM變換器-直流電動機系統，其電壓平衡方程式分兩個階段：n (2-19)n (2-20)式中R、L分別為電樞電路的電阻和電感。)0(onddsttEdtdiLRiUEdtdiLRidd0)(Ttton電壓平均值方程電壓平均值方程 平均電壓平均電壓 平均電流平均電流 電樞電感壓降的均值電樞電感壓降的均值 轉速轉速nCRIERIUeddssdUUdI0dtdiLd eCEn （2-21） 機械特性 n機械特性方程式為 (2-22)n或用轉矩表示， (2-23)式中， 電動機在額定磁通下的轉矩系數； 理想空載轉速，與電壓系數成正比。dedeesICRnICRCUn0emeemeesTCCR

6、nTCCRCUn0NmmKCesCUn0圖2-12直流PWM調速系統（電流連續）的機械特性2.2 穩態調速性能指標和穩態調速性能指標和 直流調速系統的機械特性直流調速系統的機械特性n對于調速系統轉速控制的要求：（1）調速在一定的最高轉速和最低轉速范圍內調節轉速；（2）穩速以一定的精度在所需轉速上穩定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉速波動；（3）加、減速頻繁起、制動的設備要求加、減速盡量快；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起、制動盡量平穩。2.2.1轉速控制的要求和穩態調速性能指標轉速控制的要求和穩態調速性能指標1、調速范圍、調速范圍n生產機械要求電動機提供的最高轉速nmax和最低轉速nmin

7、之比稱為調速范圍，用字母D表示，即（2-27）nnmax和nmin是電動機在額定負載時的最高和最低轉速，n對于少數負載很輕的機械，也可用實際負載時的最高和最低轉速。minmaxnnD 2、靜差率、靜差率n當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落nN與理想空載轉速n0之比：n用百分數表示0Nnn0100%Nnn靜差率是用來衡量調速系統在負載變化下轉速的穩定度。靜差率越小，轉速的穩定度越高。如果在進行速度調節時理想如果在進行速度調節時理想空載轉速不變，則靜差率與空載轉速不變，則靜差率與機械硬度是統一的，機械特機械硬度是統一的，機械特性越硬，靜差率越小，如上性越硬，靜差率

8、越小，如上圖的特性圖的特性1和特性和特性2；如果在；如果在速度調節時理想空載轉速發速度調節時理想空載轉速發生變化，則二者就不統一了，生變化，則二者就不統一了，如上圖的特性如上圖的特性1和特性和特性3，兩，兩者機械硬度相同，但是靜差者機械硬度相同，但是靜差率不同。率不同。不同機械特性下的靜差率靜差率與機械硬度的關系：靜差率與機械硬度的關系：maxNNmin0N00(1)NnnnDnnnnnn NNN(1)(1)Nnnnn3. 調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系調速范圍、靜差率和額定速降之間的關系（2-30）n對于同一個調速系統，nN值是定值。n要求值越小時，系統能夠允許的調速范圍D也越小。n一

9、個調速系統的調速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。(1)NNnDn例題例題2-1 n某直流調速系統電動機額定轉速為nN=1430r/min，額定速降nN=115r/min， 當要求靜差率30%時，允許多大的調速范圍？ 如果要求靜差率 20%，則調速范圍是多少？ 如果希望調速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？ (1)NNnDn解解 在要求 30%時，允許的調速范圍為 若要求 20%，則允許的調速范圍只有 若調速范圍達到10，則靜差率只能是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 直流調速系統的機械特性直流調速系統的機械特性n開環調速系統，即無反饋控制的直流調速系統。n調節控制電壓Uc就可以改變電動機的轉速。n晶閘管整流器和PWM變換器都是可控的直流電源，用UPE來統一表示可控直流電源， 圖215 開環調速系統的原理圖機械特性機械特性 n開環調速系統中各環節的穩態關系如下：電力電子變換器直流電動機 n開環調速系統的機械特性為 csdUKU0ed0dCRIUnedecsed0dCRICUKCRIUn（2-31） 圖2-16 開環調速系統穩態結構圖edecsed0dCRICUKCRIUn圖2-17 開環直流調速

11、系統的機械特性例題例題2-2 某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，其額定數據如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系統，主電路總電阻R=0.18，電動機電動勢系數Ce=0.2Vmin/r。如果要求調速范圍D=20，靜差率s5%，采用開環調速能否滿足？若要滿足這個要求，系統的額定速降nN最多能有多少？ 解解:當電流連續時，V-M系統的額定速降為開環系統在額定轉速時的靜差率為如要求 ， ，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 轉速反饋控制的直流調速系統n根據自動控制原理，將系統的被調節量作為反饋量引入系統，與給定量進行比較，用比較后的偏差值對系統進行控制，可以有效地抑制擾動造成的影響，而維持被調節量很少變化，這就是反饋控制反饋控制的基本作用。 2.3.1 轉速反饋控制直流調速系統的 數學模型n在負反饋基礎上的“檢測誤差，用以糾正誤差”這一原理組成的系統，其輸出量反饋的傳遞途徑構成一個閉合的環路，因此被稱作閉環控制系統。n在直流調速系統中，被調節量是轉速，所構成的是轉速反饋控制的直流調速系統。1轉速反饋控制直流調速系統的靜特性圖2-18 帶轉速負反饋的閉環直流調速系統原理框圖 n電壓比較環

13、節n比例調節器n測速反饋環節 n電力電子變換器 n直流電動機 n*nnUUUnpcUKUnUncsdUKU0ed0dCRIUnKp比例調節器的比例系數 轉速反饋系數（Vmin/r）圖2-19轉速負反饋閉環直流調速系統穩態結構框圖（a）閉環調速系統 靜特性方程式 *(1/)(1)(1)psndpsndepseeeK K UI RK K URInCK KCCKCK（2-32） 式中: 閉環系統的開環 放大系數 n閉環調速系統的靜特性靜特性表示閉環系統電動機轉速與負載電流（或轉矩）間的穩態關系。 espCKKK2.3.2 比例控制的直流調速系統1開環系統機械特性和比例控制閉環系統靜特性的關系n開環機

14、械特性為 (2-46) 式中， 表示開環系統的理想空載轉速， 表示開環系統的穩態速降。n比例控制閉環系統的靜特性為 (2-47) 式中， 表示閉環系統的理想空載轉速， 表示閉環系統的穩態速降。opopedenspeddnnCRICUKKCRIUn0*0clcledenspnnKCRIKCUKKn0*)1 ()1 (opn0opn0clncln（1）閉環系統靜特性可以比開環系統 機械特性硬得多n在同樣的負載擾動下， 開環系統的轉速降落 閉環系統的轉速降落n它們的關系是 (2-48)edopCRIn)1 (KCRInedclKnnopcl1（2）閉環系統的靜差率要比開環系統 小得多n閉環系統的靜差

15、率為n開環系統的靜差率為n當 時， （2-49）clclclnns0opopopnns0clopnn00Kssopcl1（3）如果所要求的靜差率一定，則 閉環系統可以大大提高調速范圍n如果電動機的最高轉速都是nN，最低速靜差率都是s，可得 開環時， 閉環時， n得到 （2-50）)1 (snsnDopNop)1 (snsnDclNclopclDKD)1 ( 圖2-24 閉環系統靜特性和開環系統機械特性的關系n開環系統 Id n 例如：在圖2-24中工作點從A An 閉環系統 Id n Un Un Uc n Ud0 例如：在圖2-24中工作點從A Bn比例控制直流調速系統能夠減少穩態速降的實質在

16、于它的自動調節作用，在于它能隨著負載的變化而相應地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降的變化。例題2-3 在例題2-2中，龍門刨床要求D=20，s5%，已知 Ks=30,= 0.015Vmin/r，Ce=0.2Vmin/r，采用比例控制閉環調速系統滿足上述要求時，比例放大器的放大系數應該有多少？ 解: n開環系統額定速降為 =275 r/min，n閉環系統額定速降須為 2.63 r/min，由式（2-48）可得n則得n即只要放大器的放大系數等于或大于46。opncln6 .103163. 22751clopnnK462 . 0/015. 0306 .103/espCKKK2反饋控制規律（1）比例控制的反饋控制系統是被調量有）比例控制的反饋控制系統是被調量有靜差的控制系統靜差的控制系統n 比例控制反饋控制系統的開環放大系數值越大，系統的穩態性能越好。n但只要比例放大系數Kp常數，開環放大系數K，反饋控制就只能減小穩態誤差，而不能消除它，n這樣的控制系統叫做有靜差控制系統。（2）