技师培训交直流调速.ppt

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1、维修电工技师培训交直流调速知识 杨本全 15906860085考点考点1 1：直流调速系统：直流调速系统v1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统单闭环转速负反馈有静差直流调速系统v1-3 其它反馈形式在调速系统中的应用其它反馈形式在调速系统中的应用v1-4 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v1-1 直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念v1-5 转速电流双闭环调速系统转速电流双闭环调速系统v1-6 三环调速系统三环调速系统v1-7 可逆调速系统可逆调速系统1-1直流调速系统基本概念直流调速系统基本概念直流调速系统主要性能指标直流调速系统主要性能指标 机电传动控

2、制系统选择调速方案的依据：机电传动控制系统选择调速方案的依据：生产机械对调速系统提出的调速技术指标生产机械对调速系统提出的调速技术指标调速系统的调速技术指标调速系统的调速技术指标静态指标静态指标动态指标动态指标一、静态技术指标一、静态技术指标 1.静差度静差度S：静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。速度稳定性指标速度稳定性指标 当当负负载载变变化化时时，生生产产机机械械转转速速的的变变化化要要能能维维持持在在一一定定范范围围之之内内，即即要要求求静静差差度度S小于一定数值。小于一定数值。电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高电

3、动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高;在在一一个个调调速速系系统统中中，如如果果在在最最低低转转速速运运行行时时能能满满足足静静差差度度的的要要求求，则则在在其其他他转速时必能满足要求。转速时必能满足要求。2.调速范围调速范围D 在在额定负载额定负载下，允许的下，允许的最高转速最高转速和在保证生产机械对转速变化率要求的前提和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的下所能达到的最低转速最低转速之比称为调速范围之比称为调速范围。3.调速的平滑性调速的平滑性 调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。调速调

4、速无级调速无级调速有级调速有级调速 以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度与静差度S之间的之间的关系关系：最最高高速速度度由由系系统统中中所所使使用用电电动动机机的的额额定定转转速速决定；决定；静差度静差度S和调速范围和调速范围D由生产机械的要求决定；由生产机械的要求决定；当当上上述述三三个个参参数数确确定定后后，则则要要求求静静态态速速降降是是一个定值。一个定值。二、动态技术指标二、动态技术指标 从一种稳定速度变化到另一种从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转稳定速度运转（启动、制动过程仅（启动、制动过程仅是特例而已），

5、由于有电磁惯性和是特例而已），由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡需要一段时间，即要经过一段过渡过程，或称过程，或称动态过程动态过程。1.最大超调量最大超调量 超调量超调量超调量太大，达不到生产工艺上的要求；超调量太大，达不到生产工艺上的要求；超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不超调量太小，会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等利于生产率的提高等 范围：范围：超调量超调量 2.过渡过程时间过渡过程时间T 从输入控制（或扰动）作用于系统从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被调量开始直到被调量 n 进入（进入（0.05 0

6、.02）n2稳定值区间时为止（并且以后不再越出稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时间，叫作过渡过程这个范围）的一段时间，叫作过渡过程时间。时间。过渡过程时间过渡过程时间 3.振荡次数振荡次数 N 在过渡过程时间内在过渡过程时间内,被调量被调量n在其稳定值在其稳定值上下摆动的次数，上下摆动的次数，如图所示是三种不同调速系统被调量从如图所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为改变为x2时的变化情况。时的变化情况。系系统统超调超调量量过渡过程过渡过程时间时间T振荡次振荡次数数性能性能10长长无无不好不好2大大长长多多不好不好3小小短短中中好好晶闸管电动机直流传动控制系统晶闸管电动机直

7、流传动控制系统按结构的不同：按结构的不同：单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统可逆系统1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统 一、有静差调速系统一、有静差调速系统 单单纯纯由由被被调调量量负负反反馈馈组组成成的的按按比比例例控控制制的的单单闭闭环环系系统统属属有有静静差差的的自自动动调调节节系系统，简称有静差调速系统；统，简称有静差调速系统；（一）转速负反馈调速系统（一）转速负反馈调速系统 1.基本组成基本组成 按静态误差的不同：按静态误差的不同：无静差直流调速系统无静差直流调速系统有静差直流调速系统有静差直流调速系统任务：任务：调节速度；调节速度

8、；扩大调速范围，减小静态误差。扩大调速范围，减小静态误差。分类：分类：测测速速发发电电机机：与与直直流流电电动动机机M同同轴轴相相连连，即即两两者者的的速速度度相相同同，测测速速发发电电机机用用来来测测量量电电动动机的速度，称检测元件；机的速度，称检测元件；转转换换元元件件：将将测测速速发发电电机机的的转转速速转转换换成成电电压压信信号号以以便便与与给给定定电压进行比较。电压进行比较。给定电位器：给定电位器：调节调节Rg的位置可的位置可改变给定电压改变给定电压Ug的大小的大小。放大器：放大器：将外加电将外加电压和反馈信号经转换后压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。的电压之差进行放大。触触发

9、发电电路路：将将放放大大器器放放大大后后的的电电压压信信号号变变为为脉脉冲冲型型号号去去控控制整流电路的输出大小。制整流电路的输出大小。整整流流电电路路：变变交交流流电电压压为为直直流流电电压压，输输出出电电压压大大小小由由触触发发电电路路输输出出脉脉冲冲信信号号所所决决定定，整整流流电电路路的的输输出出为为直直流流电电动动机机电电枢枢的的外外加加电电压；压；直直流流电电动动机机：系系统的控制对象。统的控制对象。由系统的结构分析可知：由系统的结构分析可知：v 系统的调速方法是改变外加电压调速；系统的调速方法是改变外加电压调速；v 系统的反馈信号是被控制对象系统的反馈信号是被控制对象n本身本身;

10、v 反馈电压和给定电压的极性相反，即反馈电压和给定电压的极性相反，即:该系统又称该系统又称转速负反馈转速负反馈调速系统。调速系统。2.工作原理工作原理 当当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态稳态。(2)调速（调速（Uf不变，改变不变，改变Ug的大小）的大小）改变改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速调速.(1)稳态（稳态（Ug、Uf 不变）不变）(3)稳速（稳速（Ug不变、负载变化使不变、负载变化使Uf变化变化)当当负负载载发发生生变变化化使使速速度度发发生生变变化化后后，系系统统通通过过

11、反反馈馈能能维维持持速速度度基基本本不不变变，这这种状态称为稳速。种状态称为稳速。3.静特性分析静特性分析 目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。静特性表示出静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系。电动机的转速与负载电流之间的大小关系。(1)各环节输入输出的关系各环节输入输出的关系 电动机电路电动机电路 式中式中:电枢回路的总电阻；电枢回路的总电阻；可控整流电源的等效内阻；可控整流电源的等效内阻；电动机的电枢电阻。电动机的电枢电阻。可控硅和触发电路可控硅和触发电路 设可控硅和触发电路的放大倍数为设可控硅和触

12、发电路的放大倍数为K2，则：，则：放大器电路放大器电路 设放大器的放大倍数为设放大器的放大倍数为KP，则：，则：反馈电路反馈电路 速度反馈信号电压与转速速度反馈信号电压与转速n成正比，设放大系数为成正比，设放大系数为Kf，则：，则：(2)静特性静特性 从从放放大大器器输输入入端端到到可可控控整整流流电电路路输输出出端端的的电电压压放大倍数；放大倍数；闭闭环环系系统统的的开开环环放放大大倍数。倍数。如如果果系系统统没没有有转转速速负负反反馈馈（即即开开环环系系统统）时时，则则整整流流器器的的输输出出电压电压:由由此此可可得得开开环环系系统统的的机机械械特特性性方程方程:(3)分析与结论分析与结论

13、 理想空载转速理想空载转速 在给定电压一定时，有在给定电压一定时，有:转速降转速降 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即，如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即，调速范围与静差度调速范围与静差度 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，开环：开环：闭环闭环：结论：结论：由由于于放放大大倍倍数数不不可可能能为为无无穷穷大大，即即静静态态速速降降不不可可能能为为0，因因此此，上上述述系系统统只只能能维维持持速速度度基基本本不不变变。这这种种维维持持被被调调量量（转转速速）近近于于恒恒值值不不变变，但但又又具具有有偏偏差差

14、的的反反馈馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。提高系统的开环放大倍数提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速

15、范围就越大。但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。一、比例控制与比例调节器一、比例控制与比例调节器1.比例(P)调节器式中 KpP调节器的比例系数。Uo输出信号2.比例控制的特点 作用及时、快速、控制作用强，而且Kp值越大，系统的静特性越好、静差越小。比例控制 是指系统的输出量与输入量(即偏差量)成比例的控制，简称P控制。Ui输入信号二、二、积分控制与积分调节器积分控制与积分调节器1.积分(I)调节器式中 KII 调节器的积分常数；I调节器的积分时间，=1/KI。2.积分控制的特点 可以消除输出量的稳态误差，能实现无静差控制，

16、这是积分控制的最大优点。积分控制 是指系统的输出量与输入量对时间的积分成正比例的控制，简称I控制。三、比例积分控制与比例积分调节器三、比例积分控制与比例积分调节器1.比例积分(PI )调节器式中 比例控制的输出；积分控制的输出；比例积分调节器的积分时间，TI=KP/KI。比例积分控制 是把比例控制和积分控制作用结合起来。比例积分控制简称为PI 控制。2.比例积分控制的特点1)系统动态响应速度快；系统基本上无静差。2)减小超调量，降低系统的动态响应速度。四、比例积分微分控制与比例积分微分调节器四、比例积分微分控制与比例积分微分调节器1.比例积分微分(PID)调节器比例积分微分控制 是把比例、积分

17、、微分三种控制规律结合起来。比例积分微分控制，通常简称为PID控制。2.比例积分微分控制的特点1)不但可以实现控制系统无静差，而且具有比PI控制更快的动态响应速度。2)PID调节器是一种较为完善的调节器，其参数主要有比例系数Kp、积分时间TI和微分时间TD，三者必须根据被控对象的特性正确配合，才能充分发挥各自优点，满足控制系统的要求。一、直流调速主要的调速方法一、直流调速主要的调速方法 1、直流他励电动机供电原理图、直流他励电动机供电原理图图图1-1直流他直流他励电动机供电励电动机供电原理图原理图 为为电电源源空空载载电电压压；为为电电动动机机电电枢枢电电压压；E为为电电枢枢电电动动势势；R为

18、为电电枢枢回回路路总总电电阻阻，n 转转速速，单单位位r/min；为为励励磁磁磁磁通通；Ke为为电电动动机机结结构构决决定定的的电电动动势系数。势系数。2.直流他励电动机转速方程直流他励电动机转速方程式中：式中：3、直流他励电动机的调速方法、直流他励电动机的调速方法(1)(1)电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速特点：特点：损耗较大、有级损耗较大、有级调速，机械特性调速，机械特性较软。较软。(2)(2)弱磁调速弱磁调速 特点：特点：只能弱磁，调只能弱磁，调速范围小速范围小(3)(3)变电枢电压调速变电枢电压调速特点：特点：机机械械特特性性上上下下平平移移、可可平平滑滑地地调调节节转转速速n，但

19、但只只能能降降压压调调速速。是是主主要的调速方式。要的调速方式。工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围。图图1-2 调压和调调压和调磁时的机械特性磁时的机械特性 二、调压调速的关键装置二、调压调速的关键装置-可控直流电源可控直流电源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：1、旋转变流机组、旋转变流机组2、静止可、静止可控整流器控整流器3 3、直流斩波、直流斩波器和脉宽调制器和脉宽调制变换器变换器1、旋转变流机组、旋转变流机组-用交流电动机拖动直流发电用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压（机，以获得可调的直流电

20、压（G-M系统）。系统）。组组成成：由由 M拖拖 动动=G=G给给=M供供电电直直流流励励磁磁发发电电机机 GE给给=G和和=M励磁。励磁。原原理理：调节调节U改变改变转速转速n变化。改变化。改变方向，变方向，n转向转向跟着改变。跟着改变。特特点点：设备多、体积大、设备多、体积大、费用高、效率低、费用高、效率低、安装维护不便、运安装维护不便、运行有噪声行有噪声。2、静止可控整流器、静止可控整流器-利用静止的可控整流器利用静止的可控整流器(如晶闸如晶闸管可控整流器管可控整流器)，获得可调的直流电压。（，获得可调的直流电压。（V-M系统系统）晶闸管整流器晶闸管整流器可以是单相、可以是单相、三相或多

21、相；三相或多相；电路形式可以电路形式可以是半波、全波、是半波、全波、半控、全控等半控、全控等类型；类型；通过调节触发通过调节触发电路的移相电电路的移相电压，可改变整压，可改变整流电压流电压Ud，实实现平滑调速。现平滑调速。优点优点:整整流装置流装置效率高、效率高、体积小、体积小、成本低、成本低、无噪声。无噪声。缺点缺点:可逆可逆难；过电难；过电压、过电压、过电流能力差；流能力差；谐波电流谐波电流大。大。组组成成：原原理理：3、直流斩波器和脉宽调制变换器、直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制

22、变换器产生可变的平均电压。调制变换器产生可变的平均电压。VT工工作作于于开开关关状状态态。VT通通时时，U加加到到M；VT断断时时，U与与M断断开开，M经经VD续续流流，两两端端电电压压接接近近于于零零。平平均均电电压压可可通通过过改改变变VT的的导导通通和和关关断断时时间间来来调调节节，从从而而调节调节M的转速。的转速。优点优点:运运行行稳稳定定、效效率率高高、静静动动态性能好；态性能好；缺点缺点:容量不大容量不大原理：原理：1、系统组成、系统组成三、开环三、开环V-M系统的机械特性系统的机械特性 2.调节原理调节原理调节调节 改变移相角改变移相角改变改变 改变改变。3.开环系统机械特性开环

23、系统机械特性晶晶闸闸管管整整流流器器可可看看成成是是一一个个线线性性的的可控电压源可控电压源特特性性很很软软，呈呈显显著著的的非非线线性性，理理想想空空载载转转速速翘翘得得很高。很高。电流连续时：电流连续时：电流断续时：电流断续时：其其中中：为为转转速速降降，越越小小，机械特性的硬度越大。机械特性的硬度越大。取取决决于于电电枢枢回回路路电电阻阻R及所加的负载大小。及所加的负载大小。机械特性的近似处理方法：机械特性的近似处理方法：(1)在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速。作为理想空载转速。(2)在在断断续续特特性性比比较较显显著著

24、的的情情况况下下，可可以以改改用用另另一一段段较较陡陡的的直直线线来来逼逼近近断断续续段段特特性性。或或直直接接用用连连续续段特性的延长线来逼近断续段特性。段特性的延长线来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。一般可近似的只考虑连续段。1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统单闭环转速负反馈有静差直流调速系统一一、开开环环存存在在的的问问题题：某某一一车车床床的的拖拖动动电电动动机机的的额额定定转转速速 ，要要求求 ，由开环系统决定的，由开环系统决定的要要求求S0.1，问问开开环环V-M系系统统能能否否满满足足要要求求？如如不不满满足要求，怎么办？足要求，怎么办？问题的问题的提出提出n解

25、：要求：解：要求：D=?n而满足而满足S0.1的的 D=?n满足满足D、S的的n分析：因为分析：因为 ，所以要引入负反馈。所以要引入负反馈。?n=二、系统的组成及静特性二、系统的组成及静特性(1)(1)原理框图原理框图 1、系统的组成、系统的组成(d)d)速度检测环节速度检测环节 ：测速机：测速机反馈线路反馈线路 求出求出(反馈系数反馈系数);单位单位n直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回路，另一个是励磁回路。路，另一个是励磁回路。动态关系：动态关系：稳稳态态关关系：系：（2）对负载波动等扰动信号的调节）对负载波动等扰动信号的调节稳速过程稳速

26、过程：n基本不受负载波动等扰动输入的影响基本不受负载波动等扰动输入的影响（1）对给定信号的调节）对给定信号的调节调速过程调速过程：改变：改变 ,则则n 改变改变 例如：例如：2、系统的自动调节过程、系统的自动调节过程 3、闭环系统的机械特性、闭环系统的机械特性(1)(1)闭环系统机械特性的定性分析闭环系统机械特性的定性分析 (2)闭环系统的机械特性的定量分析闭环系统的机械特性的定量分析系统结构图系统结构图系统中各环节的稳态输入输出关系如下：系统中各环节的稳态输入输出关系如下：电压比较环节电压比较环节 放大器放大器 晶闸管整流器及触发装置晶闸管整流器及触发装置 V-M系统开环机械特性系统开环机械

27、特性 转速检测环节转速检测环节 单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图 由系统稳态结构图得到系统的静特性方程由系统稳态结构图得到系统的静特性方程为为为闭环系统的开环放大系数为闭环系统的开环放大系数 为闭环系统的理想空载转速为闭环系统的理想空载转速 为闭环系统的稳态速降为闭环系统的稳态速降。式中：三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较1 1、开环系统的机械特性、开环系统的机械特性 断开转速反馈回路（令断开转速反馈回路（令 ，则，则K K=0=0）则得开环机则得开环机械特性为械特性为：2 2、闭环系统的静特性、闭环

28、系统的静特性：(1)(1)闭闭环环静静特特性性比比开开环环机机械械特特性性硬硬得得多多。在在同同样样的的负负载载下下，两两者者的稳态速降分别为：的稳态速降分别为：关系是(2)闭闭环环系系统统的的静静差差率率比比开开环环系系统统的的静静差差率率小小得得多多。闭闭环环系系统统和开环系统的静差率分别为和开环系统的静差率分别为当 时 比较后得出比较后得出结论结论：如果电机的最高速都是如果电机的最高速都是nnom，且对最低速的静差率要求相同，且对最低速的静差率要求相同，(4)闭环系统必须设置放大器。闭环系统必须设置放大器。(3)当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可大大提高。当要求的静差率一定时，闭

29、环系统的调速范围可大大提高。闭环时闭环时 所以所以 则开环时则开环时闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性，且闭环系统的开环放大系数越大，静特性，且闭环系统的开环放大系数越大，静特性就越硬，在保证一定静差率要求下其调速性就越硬，在保证一定静差率要求下其调速范围越大，但必须增设转速检测与反馈环节范围越大，但必须增设转速检测与反馈环节和放大器。和放大器。例例1-1龙门刨床工作台采用龙门刨床工作台采用Z2-93型直流电动机，型直流电动机，VAr/min、kWRa=0.05Ks=30晶闸管整流器的内阻晶闸管整流器的内阻Rrec=0.13要求要求D=20，s5%问

30、问题题解解（1）设系统满足）设系统满足D=20，检验系统是否满足检验系统是否满足s5%？（2）那么同时满足）那么同时满足D=20，s5%的的可见只要放大器的放大系数大于或等于可见只要放大器的放大系数大于或等于46，转速，转速负反馈闭环系统就能满足要求。负反馈闭环系统就能满足要求。(在上述在上述闭环条件下，如何判断系统能否正常工作？闭环条件下，如何判断系统能否正常工作？)（3）采用负反馈，则开环放大系数）采用负反馈，则开环放大系数K为：得：得：课后课后作业：作业：四、反馈控制规律四、反馈控制规律改变给定改变给定 ，转速，转速n 随之变化。即被调量总是紧紧跟随给随之变化。即被调量总是紧紧跟随给定信

31、号变化的。定信号变化的。2、被调量紧紧跟随给定量变化、被调量紧紧跟随给定量变化3、闭环系统对、闭环系统对反馈环内反馈环内 主通道上主通道上的一切的一切扰动扰动作用作用都能有效抑制都能有效抑制 1、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的只有当只有当K=时时ncl=0。而比例控制的而比例控制的Kncl0。闭环系统的稳态速降为闭环系统的稳态速降为扰动：扰动：当给定当给定 不变时，把引起被调量转速发生不变时，把引起被调量转速发生变化的所有因素称为扰动。变化的所有因素称为扰动。扰动因素扰动因素：交流电源电压波动、电机励磁电流的：交流电源电压波动、电机励磁电流的变化

32、、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的变化、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的主电路电阻的变化、负载变化等等，如下图所示。主电路电阻的变化、负载变化等等，如下图所示。结论：结论：反馈环内且作用在控制系统主通道上的各反馈环内且作用在控制系统主通道上的各种扰动，通过反馈控制作用可减小它们对转速的种扰动，通过反馈控制作用可减小它们对转速的影响。影响。4、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无法抑制的无法抑制的当给定电源发生不应有的波动时，转速会随之变化。因此高当给定电源发生不应有的波动时，转速会随之变化。因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。精度的

33、调速系统需要高精度的稳压电源。反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量的偏差。为此，高精度的系统还必须有高精度的反被调量的偏差。为此，高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件作保证。馈检测元件作保证。五、系统的稳态参数计算五、系统的稳态参数计算 例例1-2直流调速系统如下图所示，根据给定的技术数据对系统进行直流调速系统如下图所示，根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算。已知数据如下静态参数计算。已知数据如下：4.测速发电机测速发电机：永磁式直流测速发电机，：永磁式直流测速发电机，Pnom=23.1W、Unom=110/V、Inom

34、=0.21/A、nnom=1900/r/min。1.电动机电动机：额定数据为：额定数据为Pnom=10kW、Unom=220V、Inom=55A、nnom=1000r/min，电枢电阻电枢电阻Ra=0.5。2.晶闸管装置晶闸管装置：三相全控桥式整流电路，变压器：三相全控桥式整流电路，变压器Y/Y接法，接法，二次线电压二次线电压U2l=230V，触发整流环节的放大系数触发整流环节的放大系数Ks=44。3.V-D系统系统：主回路总电阻：主回路总电阻R=1.0/。5.生产机械生产机械：要求调速范围：要求调速范围D=10，静差率静差率s5%。解：解：1.为满足为满足D=10，s5%，额定负载时调速系统

35、的稳态额定负载时调速系统的稳态速降应为速降应为 2.根据根据ncl，确定系统的开环放大系数确定系统的开环放大系数K 式中式中测速反馈系数测速反馈系数包含测速发电机的电势转速比包含测速发电机的电势转速比Cetg和电位器和电位器RP2的分压系数的分压系数2，即即 根据测速发电机的数据，根据测速发电机的数据，本系统直流稳压电源为本系统直流稳压电源为15V，最大转速给定为最大转速给定为12V时，对时，对应电动机的额定转速，即应电动机的额定转速，即 =12V时，时，n=1000 r/min，测速，测速发电机与电动机直接硬轴联接。发电机与电动机直接硬轴联接。3.计算测速反馈环节的参数计算测速反馈环节的参数

36、当系统处于稳态时，近似认为当系统处于稳态时，近似认为 ，则则电位器电位器RP2的选择方法如下的选择方法如下：当测速发电机输出最高电压，：当测速发电机输出最高电压，且其电流约为额定值的且其电流约为额定值的20%时，测速发电机电枢压降对时，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。检测信号的线性度影响较小。则则此时此时RP2所消耗的功率为所消耗的功率为 为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以上，故选上，故选RP2为为10W、1.5k的可调电位器。的可调电位器。4、计算放大器的电压放大系数、计算放大器的电压放大系数 实取实取P20。如果取

37、放大器输入电阻如果取放大器输入电阻020/k，则则P2020/k400/k。六、限流保护六、限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈起动或堵转时：通过自动限流环节，使起动或堵转时：通过自动限流环节，使 正常运行时：限制电枢电流的环节自动取消。正常运行时：限制电枢电流的环节自动取消。3.措施的实现措施的实现(一一)为使为使,可采用电流负反馈。可采用电流负反馈。1.问题的提出问题的提出2.解决措施解决措施全压起动：会产生很大的冲击电流，对于全压起动：会产生很大的冲击电流，对于M和和KP不利。生产机械的堵转，电流很大。不利。生产机械的堵转，电流很大。限流原理限流原理系统原理图系统原理图 ：结构图结构图从

38、静特性方程知：正常运行时，电流负反馈的存在将使系统从静特性方程知：正常运行时，电流负反馈的存在将使系统的静差大大增加。的静差大大增加。静特性方程静特性方程 存在的问题存在的问题：(二二)为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节，可采用为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节，可采用电流截止负反馈。电流截止负反馈。带电流截止负反馈的调速系统原理图带电流截止负反馈的调速系统原理图 图中电流反馈信号取自小电阻图中电流反馈信号取自小电阻Rs两端，两端，IdRs正比于电枢电流，正比于电枢电流，设设Idcr为临界截止电流，为临界截止电流，Ucom=IdcrRs为比较电压。为比较电压。当当IdRsUcom（

39、即即IdIdcr）时，二极管导通，电流调时，二极管导通，电流调节器的输入偏差电压节器的输入偏差电压 为为 ，系统静特，系统静特性较软。性较软。当当IdRsUcom（即即IdIdcr）时，二极管截止，电流负反馈被切断，时，二极管截止，电流负反馈被切断，此时系统就是转速闭环调速系统，其静特性很硬。此时系统就是转速闭环调速系统，其静特性很硬。调节调节Ucom的大小，即可改变的大小，即可改变临界截止电流临界截止电流Idcr的大小。的大小。其限流原理为：其限流原理为：系统的静态结构图系统的静态结构图根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性方程：

40、当方程：当IdRsUcom时，电流截止负反馈不起作用。时，电流截止负反馈不起作用。系统的静特性方程：系统的静特性方程：对应于图对应于图1-17的的n0-A段段当当IdRsUcom时，即电流截止负反馈起作用时，即电流截止负反馈起作用。图1-17对应于图对应于图1-17的的A-B段段 两段相比有如下特性：两段相比有如下特性：(1)n0，因因为为Ucom与与 作作用用一一致致，因因而而提提高高了了 。-A段段因因电流负反馈被截止而不存在。电流负反馈被截止而不存在。(2)n n，因为电流负反馈起作用时，相当于在主电路因为电流负反馈起作用时，相当于在主电路中串入一个大电阻中串入一个大电阻KpKsRs，因

41、此稳态速降极大，特性急剧下因此稳态速降极大，特性急剧下垂。这样的两段式静特性通常称为垂。这样的两段式静特性通常称为“挖土机特性挖土机特性”。当系统堵转时，当系统堵转时，n=0，则则 一般一般KpKsRsR，所以所以 电电动动机机运运行行于于n0-A段段，希希望望有有足足够够宽宽的的运运行行范范围围。一一般般取取Idcr1.2Inom，即即 式中式中为电动机过载系数，一般为为电动机过载系数，一般为1.52。由上二式可得由上二式可得 上述关系可作为设计电流截止负反馈环节参数的依据。上述关系可作为设计电流截止负反馈环节参数的依据。电流截止环节的其他电路：利用稳压管电流截止环节的其他电路：利用稳压管V

42、ST产生比较电压的产生比较电压的原理见图（原理见图（a）；）；采用封锁运算放大器的原理见图（采用封锁运算放大器的原理见图（b）ab第三节第三节 其它反馈形式在调速系统中的应用其它反馈形式在调速系统中的应用一、电压负反馈调速系统一、电压负反馈调速系统 实现转速负反馈须有测速发电机。从实现转速负反馈须有测速发电机。从 可知：如果忽略电枢压降，则电动机的转速可知：如果忽略电枢压降，则电动机的转速n近似正比于电近似正比于电枢两端电压枢两端电压 。可采用电压负反馈代替转速负反馈，维持可采用电压负反馈代替转速负反馈，维持转速转速n基本不变。基本不变。由图可见，反馈检测元件是起分压作用的电位器由图可见，反馈

43、检测元件是起分压作用的电位器RP2。电压反馈信号电压反馈信号Uu=Ud，为电压反馈系数。为电压反馈系数。为了分析方便，把电枢总电阻分成两部分，即为了分析方便，把电枢总电阻分成两部分，即R=Rn+Ra，Rn为晶闸管整流装置的内阻（含平为晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻），波电抗器电阻），Ra为电枢电阻。由此可得为电枢电阻。由此可得 其其稳稳态态结结构构图图如下图所示如下图所示：电压负反馈调速系统的静特性方程式为电压负反馈调速系统的静特性方程式为 式中K=KpKs由由方方程程知知，电电压压负负反反馈馈把把反反馈馈环环包包围围的的整整流流装装置置内内阻阻引引起起的的稳稳态态速速降降减减小小到到

44、1/（1+K）。扰扰动动量量IdRa不不包包围围在在反反馈馈环环内内，由由它它引引起起的的稳稳态态速速降降得得不不到到抑抑制制。为为此此引引入入电电流流正正反反馈馈，以以补补偿偿电电枢枢电电阻引起的稳态速降。阻引起的稳态速降。二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 原理图第四节第四节 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一、无静差调速系统的控制

45、规律一、无静差调速系统的控制规律1.积分调节器及其控制规律积分调节器及其控制规律 积分时间常数积分时间常数PIPI调节器的比例放大系数为调节器的比例放大系数为 ，积分时间常数为，积分时间常数为2、比例积分调节器及其控制规律、比例积分调节器及其控制规律 3.有差系统和无差系统控制规律的比较有差系统和无差系统控制规律的比较无差系统的控制规律无差系统的控制规律要使系统无差，则要采用积分控制。考虑要使系统无差，则要采用积分控制。考虑到快速性，工程上通常采用到快速性，工程上通常采用PI调节器。调节器。有差系统的控制规律有差系统的控制规律二、带二、带PIPI调节器的无静差直流调速系统调节器的无静差直流调速

46、系统 1、系统的、系统的组成框图组成框图系统采用转速负反馈系统采用转速负反馈和电流截止负反馈，和电流截止负反馈，速度调节器（速度调节器（ASR）为为PI调节器。调节器。2、无静差的实现、无静差的实现 稳稳态态时时，PI调调节节器器输输入入偏偏差差电电压压Un=0。当当负负载载由由TL1增增至至TL2时时，转转速速下下降降，Un下下降降使使偏偏差差电电压压 不不为为零零，PI调节器进入调节过程调节器进入调节过程。整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比。当电流大于整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比。当电流大于截止电流时，则稳压管被击穿导通，负反馈电压截止电流时，则稳压管被击穿导通，负反馈电压U

47、i使晶体使晶体管管VT导通，而使电流降低下来。导通，而使电流降低下来。3、电流检测电路、电流检测电路电流截止反馈信号电流截止反馈信号Ui也可以由交流侧的电流互感器测得，也可以由交流侧的电流互感器测得，再经桥式整流后输出的直流信号。再经桥式整流后输出的直流信号。第五节第五节 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统 电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流，而不电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流，而不能维持最大电流，影响启动快速性（即启动时间能维持最大电流，影响启动快速性（即启动时间ts较长）。较长）。一、问题的提出一、问题的提出 二、解决问题的措施二、解决问题的措施实

48、现理想的启动实现理想的启动1、理想启动过程、理想启动过程理想启动波形如下图示，整个启动过程中，启动电流一直保理想启动波形如下图示，整个启动过程中，启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速以直线规持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速以直线规律上升；启动结束后，电流从最大值下降为负载电流值且保律上升；启动结束后，电流从最大值下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。持不变，转速维持给定转速不变。（2）稳稳态态运运行行时时，转转速速负负反反馈馈外外环环起起主主要要作作用用，使使转转速速随随转转速速给给定定电电压压的的变变化化而而变变化化，电电流流内内环环跟跟随随转转

49、速速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。2、实现理想启动过程的方法、实现理想启动过程的方法采用转速电流双闭环负反馈调速系统。采用转速电流双闭环负反馈调速系统。（1）启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环）启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；变化，迅速达到给定值；三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理转速、电流双闭环直流调速系统原理图转速、电流双闭环直流调速系统原理图。（一）系统的组成（一）系

50、统的组成ASR输出限幅值为输出限幅值为U*im，它它决定决定了主回路中的最大了主回路中的最大允许电流允许电流Idm。1、设置了电流调节器设置了电流调节器ACR和转速调节器和转速调节器ASR。2、ACR和电流检测和电流检测-反馈回路构成了电流环，电反馈回路构成了电流环，电流环为内环（副环）；流环为内环（副环）；ASR和转速检测和转速检测-反馈环节反馈环节构成了转速环，转速环为外环（又称主环）。构成了转速环，转速环为外环（又称主环）。ASR和和ACR均为均为PI调节器，其输入输出设有限幅电路。调节器，其输入输出设有限幅电路。ACR输出限幅值为输出限幅值为Uctm，它它限制限制了晶闸管整流器输了晶闸