第9章直流調速系統9.1調速系統的主要性能指標

機電傳動控制系統選擇調速方案的依據：生產機械對調速系統提出的調速技術指標調速系統的調速技術指標靜態指標動態指標一、靜態技術指標1.靜差度S：

靜差度表示生產機械運行時轉速穩定的程度。

速度穩定性指標

當負載變化時，生產機械轉速的變化要能維持在一定范圍之內，即要求靜差度S小于一定數值。普通設備普通車床龍門刨床冷軋機熱軋機造紙機S≤50%S≤30%S≤5%S≤2%0.2%~0.5%S≤0.1%

電動機的機械特性愈硬，則靜差度愈小，轉速的相對穩定性就愈高;

在一個調速系統中，如果在最低轉速運行時能滿足靜差度的要求，則在其他轉速時必能滿足要求。2.調速范圍D

在額定負載下，允許的最高轉速和在保證生產機械對轉速變化率要求的前提下所能達到的最低轉速之比稱為調速范圍。車床龍門刨床鉆床銑床軋鋼機造紙機進給機械20～12020～402～1220～303～1510～205～300009.1調速系統的主要性能指標

3.調速的平滑性

調速的平滑性，通常是用兩個相鄰調速級的轉速差來衡量的。

調速無級調速有級調速

以改變直流電動機電樞外加電壓調速為例，說明調速范圍D與靜差度S之間的關系：最高速度和靜態速降由系統中所使用電動機的額定轉速和結構決定；當這兩個參數確定后，靜差度S小，調速范圍D也小，要求D大，則靜差度S必然大；調速系統往往可以解決這一矛盾。9.1調速系統的主要性能指標

二、動態技術指標

從一種穩定速度變化到另一種穩定速度運轉（啟動、制動過程僅是特例而已），由于有電磁慣性和機械慣性，過程不能瞬時完成，而需要一段時間，即要經過一段過渡過程，或稱動態過程。1.最大超調量

超調量超調量太大，達不到生產工藝上的要求；超調量太小，會使過渡過程過于緩慢，不利于生產率的提高等范圍：9.1調速系統的主要性能指標

超調量2.過渡過程時間T

從輸入控制（或擾動）作用于系統開始直到被調量n進入（0.05～0.02）n2穩定值區間時為止（并且以后不再越出這個范圍）的一段時間，叫作過渡過程時間。

過渡過程時間9.1調速系統的主要性能指標

3.振蕩次數N

在過渡過程時間內,被調量n在其穩定值上下擺動的次數。

如圖所示是三種不同調速系統被調量從x1改變為x2時的變化情況。系統超調量過渡過程時間T振蕩次數性能10長無不好2大較長多不好3小短中好9.1調速系統的主要性能指標

9.2晶閘管－電動機直流調速系統按結構的不同：單閉環直流調速系統雙閉環直流調速系統可逆系統9.2.1單閉環直流調速系統

一、有靜差調速系統

單純由被調量負反饋組成的按比例控制的單閉環系統屬有靜差的自動調節系統，簡稱有靜差調速系統；

（一）轉速負反饋調速系統

1.基本組成按靜態誤差的不同：無靜差直流調速系統有靜差直流調速系統任務：

調節速度；擴大調速范圍，減小靜態誤差。分類：

測速發電機：與直流電動機M同軸相連，即兩者的速度相同，測速發電機用來測量電動機的速度，稱檢測元件；

轉換元件：將測速發電機的轉速轉換成電壓信號以便與給定電壓進行比較。

給定電位器：調節Rg的位置可改變給定電壓Ug的大小。

放大器：將外加電壓和反饋信號經轉換后的電壓之差進行放大。

觸發電路：將放大器放大后的電壓信號變為脈沖信號去控制整流電路的輸出大小。整流電路：變交流電壓為直流電壓，輸出電壓大小由觸發電路輸出脈沖信號所決定，整流電路的輸出為直流電動機電樞的外加電壓；

直流電動機：系統的控制對象。

系統的調速方法是改變外加電壓調速；

系統的反饋信號是被控制對象n本身;

反饋電壓和給定電壓的極性相反，即:該系統又稱轉速負反饋調速系統。9.2晶閘管－電動機直流調速系統2.工作原理

當Ug、Uf不變時，電動機的轉速不變，這種狀態稱為穩態。

(2)調速（Uf不變，改變Ug的大小）

改變Ug的大小可改變電動機的轉速，這種狀態稱為調速.

(1)穩態（Ug、Uf

不變）

(3)穩速（Ug不變、負載變化使Uf變化)

當負載發生變化使速度發生變化后，系統通過反饋能維持速度基本不變，這種狀態稱為穩速。3.靜特性分析

目的：找到減小靜態速降、擴大調速范圍，提高系統性能的途徑。

靜特性表示出電動機的轉速與負載電流之間的大小關系。(1)各環節輸入輸出的關系

電動機電路

式中:

電樞回路的總電阻；

可控整流電源的等效內阻；

電動機的電樞電阻。

9.2晶閘管－電動機直流調速系統可控硅和觸發電路

設可控硅和觸發電路的放大倍數為Ks，則：放大器電路

設放大器的放大倍數為KP，則：

反饋電路

速度反饋信號電壓與轉速n成正比，設放大系數為r，則：9.2晶閘管－電動機直流調速系統(2)靜特性——從放大器輸入端到可控整流電路輸出端的電壓放大倍數；——閉環系統的放大倍數。

如果系統沒有轉速負反饋（即開環系統）時，則整流器的輸出電壓:

由此可得開環系統的機械特性方程:(3)分析與結論

理想空載轉速

在給定電壓一定時，有:

轉速降

如果將系統閉環與開環的理想空載轉速調得一樣，則，

調速范圍與靜差度

在最大運行轉速和低速時最大允許靜差度S不變的情況下，開環：

閉環：

機械特性硬度變大，靜差度減小

調速范圍變大結論：由于放大倍數不可能為無窮大，即靜態速降不可能為0，因此，上述系統只能維持速度基本不變。這種維持被調量（轉速）近于恒值不變，但又具有偏差的反饋控制系統通常稱為有差調節系統（即有差調速系統）。采用轉速負反饋調速系統能克服擾動作用（如負載的變化、電動機勵磁的變化、晶閘管交流電源電壓的變化等）對電動機轉速的影響。提高系統的放大倍數K是減小靜態轉速降落、擴大調速范圍的有效措施。系統的放大倍數越大，準確度就越高，靜差度就越小，調速范圍就越大。但是放大倍數也不能過分增大，否則系統容易產生不穩定現象。9.2晶閘管－電動機直流調速系統（二）其他反饋在自動調速系統中的應用1.電壓負反饋系統

由公式可知：

電動機的轉速隨電樞端電壓的大小而變。電樞電壓的大小，可以近似地反映電動機轉速的高低。電壓負反饋系統就是把電動機電樞電壓作為反饋量，以調整轉速。9.2晶閘管－電動機直流調速系統(1)電壓負反饋與轉速負反饋調速系統的區別

反饋信號不同，前者為被控制量的間接量電壓，后者為被控制量本身；

檢測元件不同，前者為電位器，后者為測速發電機。(2)工作原理

穩速和調速的工作過程與轉速負反饋相同。

在給定電壓Ug一定時，其調整過程如下：9.2晶閘管－電動機直流調速系統電壓負反饋系統的特點:

線路簡單

穩定速度的效果并不大

電動機端電壓即使由于負反饋的作用而維持不變，但是負載增加時，電動機電樞內阻所引起的內阻壓降仍然要增大，電動機速度還是要降低。或者說電壓負反饋，頂多只能補償可控整流電源的等效內阻所引起的速度降落。2.電流正反饋與電壓負反饋的綜合反饋系統9.2晶閘管－電動機直流調速系統(1)系統特點RP為電壓反饋檢測元件，并接在電動機電樞兩端，其上的電壓大小直接反映電動機電樞兩端電壓的大小，故稱電壓反饋；R為電流正反饋檢測元件，串接在電動機電樞回路中，其上的電壓大小直接反映電動機電樞電流的大小，故稱電流反饋。

系統的總反饋電壓

因為反饋電壓UV的極性與給定電壓的極性相反，故稱電壓負反饋，反饋電壓UI的極性與給定電壓的極性相同，故稱電流正反饋。要使系統穩定運行，系統總的反饋特性必須呈現出負反饋的性質。9.2晶閘管－電動機直流調速系統(2)工作原理

穩速和調速的工作過程與轉速負反饋相同,給定電壓Ug一定時，調整過程如下：(3)靜特性9.2晶閘管－電動機直流調速系統

從電動機電樞回路電勢平衡關系知

上式如果滿足下列條件系統具有轉速反饋的特性。

3.電流截止負反饋系統(1)電流截止負反饋的作用過載保護。

電流正反饋可以改善電動機運行特性，而電流負反饋會使隨著負載電流的增加而減少，使電動機的速度迅速降低。

如果電動機的速度在負載過分增大時也不會降下來，這就會使電樞過流而燒壞。本來采用過流保護繼電器也可以保護這種嚴重過載，但是過流保護繼電器，要觸頭斷開，電動機斷電方能保護，而采用電流負反饋作用為保護手段，則不必切斷電動機的電路，只是使它的速度暫降下來，一旦過負載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產。(2)基本思想方法9.2晶閘管－電動機直流調速系統IO=1.35IaNIao=(2~3)Ian

當負載正常，電樞電流在一定范圍內（如小于1.35倍的額定電流），電流截止負反饋不起作用；

當負載增加使電樞電流超過一定數值（如額定電流的1.35倍）時，電流負反饋開始起作用，減小電動機電樞外加電壓，使轉速下降；

當負載繼續增加使電樞電流超過一定值（大于額定電流的2~3倍）時，電流負反饋足夠強，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機速度降到零，電動機停止運轉，從而起到保護作用。

因為只有當電流大到一定程度反饋才起作用，故稱電流截止負反饋。這種特性因它常被用于挖土機上，故又稱“挖土機特性”。

（3）工作原理

當電流小于轉折點的電流時，反饋電壓UI<Ub,二極管V截止，電流反饋不起作用；

當電流大于轉折點的電流時，反饋電壓UI>Ub,二極管V導通，電流反饋UI與Ub比較后反饋

到輸入端一起控制電動機，使其轉速下降；

當電流等于堵轉點的電流時，電流反饋UI與Ub比較后反饋

到輸入端的電壓能夠抵消，給定電壓的大小，時電動機的轉速為零，電流不再增加；

如果電流下降到小于堵轉點的電流，轉速則上升；9.2.2雙閉環直流調速系統

一、轉速負反饋調速系統的特點采用PI調節器組成速度調節器ASR的單閉環調速系統，既能得到轉速的無靜差調節，又能獲得較快的動態響應。啟動過程中，隨著轉速的升高，轉速負反饋的作用越來越大，使啟動轉矩越來越小，啟動過程變慢，因此轉速負反饋調速系統不能滿足快速啟動、停止和反向的要求。如龍門刨床、可逆軋鋼機等經常處于正反轉工作狀態的生產機械，為提高生產效率，要求盡快縮短啟動、制動和反轉過渡過程的時間。在單閉環調速系統中，采用電流截止負反饋環節限制了最大電流，但它并不能很理想地控制電流的動態波形。系統起動時，電流達最大值后隨著轉速的上升，反電勢的增加而迅速下降。這樣，電動機的起動轉矩也迅速下降，從而使起動加速過程變慢，其起動電流及轉速波形圖如圖。我們希望能充分利用電動機所允許的過載能力，在起動過程中保持電流（轉矩）為允許的最大值不變，以使系統盡可能用最大的加速度起動，轉速直線上升，到達穩態轉速后，盡快使電流下降為穩態值，并轉入穩態運行。這樣的理想起動過程波形示于圖中，這就是調速系統在最大電流（轉矩）受限制的條件下的最佳起動過程。9.2.2雙閉環直流調速系統

實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突變，圖中所示理想波形不能實現，只能盡量逼近。為了獲得近似理想的過渡過程，并克服幾個信號綜合于一個調節器輸入端的缺點，最好的辦法就是將主要的被調量轉速與輔助被調量電流分開加以控制，用兩個調節器分別調節轉速和電流，構成轉速、電流雙閉環調速系統。

二、雙閉環調速系統9.2.2雙閉環直流調速系統ASRACRASRACR雙閉環調速系統

電流環ACR——內環，啟動時起作用。

速度環ASR——外環，運行時起作用。啟動時速度小，反饋電壓Ufn小，當Ugn一定時，△Un比較大，使ASR飽和，輸出Ugi一定。速度環失去作用。此時只有電流環作用，為恒流調節系統。

當速度上升到一定值后，反饋Ufn增加，當Ugn一定時，△Un減小，使ASR退出飽和而起作用。就靜態特性而言：電流負反饋內環對于轉速環來說只相當于一個擾動作用。當轉速調節器不飽和時：電流負反饋的擾動作用完全被轉速調節器的積分作用所抵消，所以，雙閉環系統仍是一個無靜差調速系統。當轉速調節器飽和時：轉速環失去作用，僅剩下電流環起作用時，系統相當于恒流調節系統，靜特性呈現出很陡的下垂段保護特性。9.2.2雙閉環直流調速系統就動態特性而言：在給定信號大范圍增加的啟動過程中，轉速調節器飽和，系統相當于恒值電流調節系統，可基本實現理想啟動過程。如果擾動作用在電流環以內：如電網電壓的波動，則電流內環能及時加以調節；如果擾動作用在電流環之外：如負載波動，則靠轉速環進行調節，此時電流環相當于電流的隨動系統，電流反饋加快了跟隨作用。9.2.2雙閉環直流調速系統

雙閉環調速系統在給定階躍信號電壓作用下，電動機由靜止開始啟動時，整個啟動過程可以分成三個階段。由于在起動過程中轉速調節器ASR經歷了不飽和、飽和、退飽和三種情況，整個動態過程就分成圖中標明的I、II、III三個階段。在這一階段中，ASR很快進入并保持飽和狀態，而ACR一般不飽和。第I階段電流上升的階段第II階段恒流升速階段在這個階段中，ASR始終是飽和的，轉速環相當于開環，系統成為在恒值電流Ugi給定下的電流調節系統，基本上保持電流Id恒定，因而系統的加速度恒定，轉速呈線性增長。第Ⅲ階段轉速調節階段在這最后的轉速調節階段內，ASR和ACR都不飽和，ASR起主導的轉速調節作用，而ACR則力圖使Ia盡快地跟隨其給定值Ugi，或者說，電流內環是一個電流隨動子系統。9.2.3可逆直流調速系統

在生產實際中，有許多生產機械都要求電動機既能正、反轉，又能快速制動，這類生產機械的拖動，需要四象限運行的特性，則必須采用可逆調速系統。能夠改變電動機轉矩方向的系統叫做可逆調速系統。由T＝CmΦId知，改變電機轉矩有兩種方法：（1）改變電樞電流Id的方向

Id→電樞可逆系統→改變Ud的方向實現（常用）（2）改變電機勵磁磁通Φ的方向

Φ→磁場可逆系統→改變If的方向實現

一、用接觸器切換的可逆線路FKM閉合，電動機正轉；RKM閉合，電動機反轉。優點：僅需一組晶閘管裝置，簡單、經濟。缺點：有觸點切換，開關壽命短、噪音大、動作時間長（0.2～0.5s）；需自由停車后才能反向，時間長。應用：經常單方向運行，偶爾才需要反轉的生產機械（地鐵列車的倒車）。9.2.3可逆直流調速系統

二、用晶閘管切換的可逆線路VT1、VT4導通，電動機正轉；

VT2、VT3導通，電動機反轉。工作可靠性高，但經濟上無明顯優點（10只VT），多用于幾十千瓦以下的中小功率可逆線路。9.2.3可逆直流調速系統

三、用兩組整流電路的可逆系統

較大功率的可逆直流調速系統多采用晶閘管-電動機系統。由于晶閘管的單向導電性，需要可逆運行時經常采用兩組晶閘管可控整流裝置反并聯的可逆線路，如下圖所示。電動機正轉時，由正組晶閘管裝置VF供電；反轉時，由反組晶閘管裝置VR供電。

兩組晶閘管分別由兩套觸發裝置控制，都能靈活地控制電動機的起、制動和升、降速。9.2.3可逆直流調速系統優點：VT壽命長，切換速度快缺點：不允許兩組VT同時處于整流狀態（控制電路要求嚴格）適用場合：要求頻繁、快速正反轉的生產機械的拖動上得到廣泛應用。9.2.3可逆直流調速系統可逆系統中的環流

1.環流的定義不流過電動機或其它負載，而直接在兩組晶閘管之間流通的短路電流。

反并聯可逆V-M系統中的環流

MVR

VFUd0f+--+Ud0rRrecRrecRa--~~IdIcIc

—

環流Id

—負載電流

9.2.3可逆直流調速系統

（1）靜態環流系統在某一控制角下穩