电压负反馈直流调速系统设计方案

1 电压负反馈直流调速系统设计方案 一 . 概述 速的基本概念 调速即速度控制，是指在传动系统中认为地或自动地改变电动机的转速，以满足工作机械对不同转速的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加电压等方法，来改变电动机的机械特性，从而改变它与工作机械特性的交点，改变电动机的稳定运转速度。 速度调节，可以通过手动给定信号并通过中间放大、保护等环节来实现。电动机转速人为给定，不能自动纠正转速偏差的方式称为开环控制，在很多情况下还希望转速稳定，即转速不随负载及电网电压等外接扰动而变化。此时电动机 转速应能自动调节，即采用闭环控制，这样的系统称为闭环系统 速的分类 级调速和有级调速 无级调速，又称连续调速，是指电动机的转速可以平滑地调节。其特点是：转速变化均匀，适应性强而且容易实现调速自动化，因此在工业中被广泛使用。 有级调速，又称间断调速或分级调速。它的转速只有有限的几级，调速范围有限且不易实现调速自动化。 上调速和向下调速 电动机未作调速时的固有转速，即为电动机额定负载时的额定转速，也称为基本转速或基速。一般地，在基速方向提高转速的调速称 2 为向上调速。反之为向下 调速。 转矩调速和恒功率调速 恒转矩调速：有很大一部分机械，其负载性质属于恒转矩类型，即在调速过程中不同的稳定速度下，电动机的转矩为常数。如果选择的调速方法能使电磁转矩 在恒转矩负载下，电机无论在高速或低速下运行，其发热情况始终是一致的。这就使电动机容量能得到合理而充分的利用。这种调速方法称为恒转矩调速，例如，当磁通一定时，调节电动机的电枢电压或电枢回路电阻的方法就属于恒转矩调速方法。 恒功率调速：具有恒功率特性的负载，是指在调速过程中负载功率 P 为常数，其负载转矩 T= /n （为励 磁调节系数），这种调速方法称为恒功率调速。用恒功率调速方法去带动恒转矩负载是不合理的，在高速时会使电机过载。 速系统的静态指标 调速范围：生产机械要求电动机能提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围。通常用 （ 1 静差率（又称转速变化率）：电动机在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载所产生的转速降落与额定负载时转速之比，称为静差率 S，常用百分数表示即 （ 1 3 显然，静差率与机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小。静差率也与工作速度有关，速度越高，静差率越小，因此，调速范围和静差率这两项指标不是孤立的，必须同时提出才有意义。 速系统的时域指标 跃响应性能指标 图 1典型的闭环控制系统原理框图，图中 R(t)为阶跃参考输入信号， N(t)为系统的扰动输入信号，系统的输出为 C(t)。当给定信号变化方式不同时，输出相应也不一样，通常以输出量的初始值为零、给定信号为阶跃变化下的过度过程作为典型的跟随系 统过程。这时的动态响应又称作阶跃响应，一般希望阶跃响应输出量与其稳态值的偏差越小越好，达到输出量的时间越快越好，主要的阶跃响应性能指标有： 图 1典型闭环系统 1. 上升时间 典型的阶跃响应过程中，输出量从零开始，到第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。见图14 图 1典型阶跃响应曲线 在典型的阶跃响应过程中，输出量超出稳态值的最大偏差量与稳态值之比，用百分数表示，即 （ 1 超调量反映系统的相对稳定性。超调越小相对稳定性越好。 节时间又称过渡时间，它衡量系统整个调节过程的快慢，原则上它应该是从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。但是对于线性控制系统来说，理论上要使时间 5的范围作为允许误差带，以响应曲线进入该误差带所需的最短时间定义为调节时间。 扰性能指标 控制系统在稳态运行中，如果受到扰动，经历一段动态过程后， 5 总能达到新的稳态，这以恢复过程标志这控制系统抵御扰动的能力。一般以系统运行时突加一个 使输出量降低的扰动以后的过渡过程作为典型的抗扰过程，如图 1复时间 阶跃扰动作用开始到输出量恢复稳定，即进入距稳态值允许误差带所需的时间，称为恢复时间（见图 1图中 图 1突加扰动的动态过程 压负反馈加电流补偿的调速系统 对调速系统来说，转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式，但是，要实现转速负反馈必须有转速检测装置，如测速发电机等。对模拟量控制来说，就是采用测速发电机作为反馈检测器件，安装测速发电机时，要求其轴和主电机轴严格同心，这不仅 增加了设备成本，也增添了维护上的困难，对于调速指标要求不高的系统来说，可以采用电机端电压负反馈的方法来代替测速发电机的速度反馈方法，从而使系统加以简化，但是，电压负反馈调速系统不能克服电枢压降所造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈，因此，在电压负反馈的同时，对 6 电枢压降加以补偿，即进行电流补偿控制。图 1 补偿的调速系统原理图。 图 1电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图 二 . 设计方案 闭环转速负反馈调速系统 系统在调节过程中， 当电动机在给定电压 制下运行时，若负载转矩突然增大，使转速 n 下降，测速发电机的负反馈电压 成比例下降，偏差电压 大，控制电压 大，使晶闸管变流器的输出电压 于机械惯性，电动机电势 枢电流 电磁转矩 T 随之增大，使转速 n 回升，从而减少了转 7 速降落。当负载变化时，转速闭环负反馈引起系统前向通道各物理量变化的过程归结如下： 可见，单闭环转速反馈体统的反馈精度高，容易实现自动化，但是结构复杂，要求精度高，不易完成，设备成本高等缺点。 图 2 转速负反馈闭环调速系统 压负反馈调速系统 如果略去电机的电枢压降，则电机电枢的两端的电压近似与速度成正比，所以电机端电压的负反馈是电机转速负反馈的一种近似，图2 8 图 2压负反馈调速系统的原理图 由图可知电压负反馈调速系统的静态特性方程 （ 2 式中， 从静态特性方程可以看出，电压负反馈把被包围的变流器内阻等引起的稳态速降减小 1/（ 1+K）倍，因为扰动在电压负反馈环之外，系统对它 引起的转速降落没有抑制作用，同样，对于电动机励磁变化所造成的扰动，电压负反馈也无法克服，因此，电压负反馈调速系统的稳态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大些，即稳态性能要差些。 对调速系统来说，转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式，但是，要实现转速负反馈必须有转速检测装置，如测速发电机等。对模拟量控制来说，就是采用测速发电机作为反馈检测器件，安装测速发电机时，要求其轴和主电机轴严格同心，这不仅增加了设备成本，也增添 9 了维护上的困难，对于调速指标要求不高的系统来说，可以采用 电机端电压负反馈的方法来代替测速发电机的速度反馈方法，从而使系统加以简化，但是，电压负反馈调速系统不能克服电枢压降所造成的转速降落，调速性能不如转速负反馈，因此，在电压负反馈的同时，对电枢压降加以补偿，即进行电流补偿控制。图 1 图 2电压负反馈加电流补偿的调速系统原理图 方案一的转速负反馈调节系统的控制精度高，设备精良、复杂，容易实现自动化，但是综合给定任务，该任务不需要非常高的控制精度，故不采用 方案二的电压负反馈调速系统由于不能对在电 压负反馈环之外的扰动引起的转速降落产生抑制作用，并且，对于电动机励磁变化所造成的扰动，电压负反馈也无法克服，故不采用。 方案三是电压负反馈加电流补偿的调速系统，该系统不但具有使 10 处于电压负反馈环之外的扰动引起的转速降落产生抑制作用。而且设备相对简单，经济性好，适于本任务的设计。 三 . 系统的分析与计算 流电动机的传递函数 为了对调速系统进行稳定性和动态品质分析，须建立系统的数学模型。通常先根据系统中各环节的物理规律，列写出描述该环节动态过程的微分程，进而求出各环节的传递函数，然后，组成系统的动 态结构图并求出系统的传递函数。下面将分别给出闭环调速系统各环节的传递函数和闭环调速系统的传递函数。 图 3励直流电动机的等值电路 图 3出了额定励磁下他励直流电动机的等值电路，规定的正方向如图箭头方向所示，设主电路电流连续，可写出微分程式 （ 3 E=1 e 3752 式中： 0 将上述微分方程式加以整理可得以下方程 U )(式中： 3752系统机电时间常数； 在零初始条件下，取上述方程式两侧的拉氏反变换，分别得到如下述传递函数表达式 1/1)()()( sE )()( )( 12 (3根据式（ 3式（ 3考虑到 n= 可得到额定励磁下直流电动机的动态结构图，如图（ 3示。也可简化成图（ 3示 图 3图 3化后的动态结构图 图 2电压负反馈加电流补偿的调速系统的原理图，由图可知： （ 3 式中： 反馈系数 13 当 负载增大，稳态转速降落增加时，电流补偿信号（即电流反馈信号）增大，使整流电压增大，从而补偿转速降落。同时，随着负载加大，电枢电压降低，通过电压负反馈的作用，整流输出电压增大，也使转速降落减少，根据式（ 3系统结构，可以得到电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图，如图（ 3示。 图 3电压负反馈加电流补偿调速系统的稳态结构图 由图 3（ 3 式中： 由式（ 3知，电流补偿作用为正值，即正反馈作用，能补偿另两项的稳态速降，达到减 少静差的目的。 统稳定条件 由式（ 3写出闭环调系统的特征方程式为 0111 )(1 23 3 它的一般表达式为 0322130 古尔维茨稳定性判据，可求出系统稳定的充分必要 14 条件为 , 0,式（ 3各项系数显然都是大于零的，因此系统稳定条件为 011 )(1 )( TT (1()( 整理后 得 KT )( 15 四 . 任务实现电路 电路 由晶闸管 续流二极管，主回路接入平波电抗器 L 以改善电机的换向条件， 电机励磁供电。 大及触发电路 采用单结晶闸管触发电路，控制信号经 5、晶闸管 相脉冲经脉冲变压器分别加到 过控制信号的变化可控制移相触发脉冲的相位，从而使主电路的桥式整流器的输出直流电压按要求无级变化。 4. 3 给定与反馈电路 电压负反馈信号由 电位器 1 取出，电流正反馈信号由电位器 2取出，这两个反馈信号与给定信号串联相加，作为放大电路的出入。反馈量的大小分别通过电位器调节，由电阻 1组成的电压微分负反馈信号与给定信号并联，用以改善系统的动态性能，电流负反馈电路由三极管，稳压管，二极管， 电阻，电容和电位器组成。 4. 4 保护电路 快速熔断器 作短路电流保护；压敏电阻分别为交流侧、晶 16 闸管侧的过电压保护及换向浪涌电压保护，电阻 电容 作直流侧过电压保护。 图 4务实现线路图 正电路 在系统中，要实现无静差，系统必须在前向通道上（对扰动量，则在扰动作用点前）含有积分环节，故采用 图 4联校正框图 17 图 4联校正对系统性能的影响 18 五 对调速系统来说，转速负反馈是闭环系统的基本反馈形式，但是，要实现转速负反馈必须有转速检测装置，如测速发电机或光电数字转速检测器等。对模拟量控制来说，就是采用测速发电机作为反馈检测器件，安装测速发电机时，要求其轴和主电机的轴严格同心，这不仅增加了设备成本，也增添了维护调试上的困难，对于调节器指标要求不高的系统来说，可以采用电机端电压负反馈的方法来替代测速发电机的速度反馈方法，从而使系统加以简化。 从静特性方程式上可以看出，电压 负反馈环把被反馈环包围的变流器内阻等引起的稳态速降减 1/(k+1)倍，而由电枢电阻引起的速降仍和开环系统一样，因为扰动量处在电压负反馈环外，系统对它引起的转速降落无抑制作用，同样，对于电动机励磁变化所造成扰动，电压负反馈电压负反馈也无法无法克服，因此，电压负反馈调速成系统的稳态速降比同等放大系数的转速负反馈系统要大些，即稳态性能要差一些。在实际系统中，为了尽可能减小稳态速降，电压反馈应尽量靠近电动电枢两端。因此，在电压负反馈的同时，对电枢压降加以补偿，即进行电流补偿控制。 晶闸管变流器的输出电压中除了直流分 量外，还含有交流分量。如把交流分量引到运算放大器的输入端，不仅不能起调作用，反而会产生干扰，严重时会造成放大器局部饱和，因此，电压反馈信号一般 19 都要经地滤波处理。 需要指出的是，电压负反馈加电流补偿的调速系统的负反馈电压信号直接取自接在电动机电枢两端的电位器上，这种连接方式虽然单向，担却把主电路的高电平和控制电路的低电平串在一起了。这从安全角度上看不合适的，容易发生事故，对于小容量调速系统这种连接方式仍可作为一项有效的措施，而对于较大容量的