单闭环直流调速系统

1、第十七单元晶闸管直流调速系统第二节单闭环直流调速系统转速负反馈直流调速系统转速负反馈直流涮速系统得原理如图17-40所示。触发器CF.晶闸管变流器U、转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR、 测速发电机TG等组成。直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n成正 比得转速反馈电压Vfno转速给定电压Ugn与Ufn比较，其偏差电压A U=Ugn-Ufn送转速调节器ASR输入 端。ASR输出电压作为触发器移相控制电圧Uc.从而控制晶闸管变流器输出电圧Ud. 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。1. 转速负反馈调速系统工作原理及其静特性设系统在负

2、载Tl时，电动机以给定转速nl稳定运行，此时电枢电流为Idl,对应转速 反馈电压为Ufnl,晶闸管变流器输出电压为UdX当电动机负载T増加时，电枢电流Id也增加，电枢回路圧降增加.电动机转速下降, 则Ufn也相应下降,而转速给定电压Ugn不变 AU=Ugn-UfnJf5加。-Id t f Id(RRd) f f n I -Ufn I -U t f Uc f - a | -Ud f -n f。 图17-41所示为闭环系统静特性与开环机械特性得关系。转速调节器ASR输出电压Uc増加，使控制角a减小，晶闸皆整流装置输出电压Ud增加, 于就是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为：TU图17-4

3、1闭环系统静特性和开环机械特性的关系图中曲线就是不同l;d之下得开环机械特性。假设当负载电流为Idl时，电动机运行在曲线机械特性得A点上。当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud也 不会变，但由于电枢电流Id增加，电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线机 械特性下降至B点,转速只能相应下降。但在闭环系统中有转速反馈装置，转速稍有降落,转速反馈电圧Ufn就相应减小，使 偏差电圧U増加，通过转速调节器ASR自动调节，提高晶闸管变流器得输出电压UdO由 UdOl变为Ud02,使系统工作在随线机械特性上，使电动机转速有所回升，最后稳定在曲线 机械特性得B点上

4、。同理随着负载电流增加为Id3, Id4,经过转速负反馈闭环系统自动调节作用，相应工作 在曲线机械特性上,稳立在曲线机械特性得C. D点上。将A. B, C, D点连接起来得ABCD宜线就就是闭环系统得静特性。由图可见，静特性得硬度比开环机械特性硬，转速降An要小。闭环系统静特性与开环机 械特性虽然都表示电动机得转速-电流（或转矩）关系,但两者就是不同得，闭环静特性就是表示闭环系统电动机转速与电流（或转矩）得静态关系，它只就是闭环系 统调节作用得结果，就是在毎条机械特性上取一个相应得工作点，只能表示静态关系，不能反 映动态过程。当负载突然增加时，如图所示由Idl突增到Id2时，转速n先从A点沿

5、着曲线开环机械 特性下降，然后随着UdOl升高为Ud02,转速n再回升到B点稳定运行,整个动态过程不就是 沿着静特性AB直线变化得.2. 转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析对调速系统来说,转速给左电压不变时，除了上面分折负载变化所引起得电动机转速变 化外，还有其她许多扰动会引起电动机转速得变化，例如交流电源电压得变化、电动机励磁电 流得变化等，所有这些扰动与负载变化一样都会影响到转速变化。对于转速负反馈调速系统 来说，可以被转速检测装置检测出来，再通过闭环反馈控制减小它们对转速得影响。也就就是 说在闭环系统中，对包围在系统前向通道中得各种扰动（如负载变化、交流电压波动、电动 机励磁电流得变

6、化等）对被调量（如转速）得影响都有强烈得抑制作用。但就是对于转速负反 馈调速系统来说,转速给定电压Ugn得波动与测速发电机得励磁变化引起得转速反馈电压 Ufn变化,闭环系统对这种给定量与检测装置得扰动将无能为力。为了使系统有较高得调速 精度,必须提高转速给楚电源与转速检测装置得精度。在图17-40所示得转速负反馈调速系统中,当转速调节器ASR采用比例调节器时，则该 系统对于给定量Ugn来说，就是有静差调速系统。这种调速系统在稳态时，反馈量与给迫量 不相等，存在偏差U, AU =Ugn-Ufno因为这种调速系统就是依靠偏差UH0为前提工作得， 就是通过偏差!；得变化来进行调节得，因此系统得反馈量

7、只能减小偏AU得变化而不能 消除偏差,即偏差始终存在，不能为零。假如偏差XO,则转速调节器(比例调节器)ASR 得输出电压Uc=KpAU=O.晶闸管变流器输出电压UdO=O.电动机也将不可能运行，系统无法正 常运行。为了分析方便，假楚系统中所有环节都就是工作在线性范囤内，也就就是说各环节(如调 节放大器、触发器及晶闸管变流器、测速发电机等)得输入输出关系都就是线性得，并且假楚 晶闸管-电动机系统得电动机全部工作在电流连续段，即它得开环机械特性全就是连续段。对于图17-40所示得转速负反馈单闭环调速系统来说,各环节得静态(稳态)方程式如 下：转速调节器采用比例放大器： 式中Kp一一放大器得电圧放

8、大倍数。触发器与晶闸管变流器：式中VdO一一晶闸管变流器得空载输出电压；UC一一触发器得移相控制电圧(即转速调节器输出电压)；Ku一一晶闸管变流器得电圧放大倍数。晶闸管一电动机系统：测速发电机：式中Kfn-测速发电机得反馈系数。从上述四个关系式中消去中间变量并整理后，即可求得转速负反馈单闭环调速系统得静 特性方程为： 式中K-一闭环系统得开环放大系数,K二KpKuKfn / (Ced)：nOb闭环系统得理想空载转速：Anb闭环系统得静态速降。3. 开环系统与闭环系统得比较在图17-40所示得转速负反馈单闭环调速系统中，当断开转速反馈回路时，系统即为开 环系统，其机械特性为：式中nOk一一开环系

9、统得理想空载转速；、A nk一一开环系统得静态速降。由以上分析可知，开环系统与闭环系统相比较有以下几方面得特点：(1) 在转速给定电压I；师相同时，开环系统得理想空载转速nOK为闭环系统得理想空 载转速nOb得(1+K)倍。这就是由于闭环系统得转速反馈电压Ufn抵消大部分得转速给 定电压Ugn,使加在转速调节放大器ASR输入端得电J(U=Ugn-Ufn)很小得缘故。(2) 闭环系统静待性比开环系统机械特性硬，在相同负载电流条件下，闭环系统得静 态转速降 nb仅为开环系统静态转速降A nk得1 / (1+K)倍。(3) 当闭环系统得理想空载转速nOb与开环系统得理想空载转速nOk相同时，此时闭

10、环系统得静差率SbO仅为开环系统得静差率SkO得1 / (1+K)倍,系统闭环后静差率可显 著减小。(4) 当系统静差率S要求一楚时，闭环系统可大大提高调速范囤Done,当开环系统与闭环系统电动机得最高转速都为ne,而最低静差率得要求相同时，闭环系 统得调速范围可达开环系统调速范懾得（1+K）倍。（5）闭环系统中，一方面转速紧紧跟随转速给宦电压变化，另一方面对包用在闭环系统前 向通逍中各种扰动（如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流变化等）得彫响有强烈得抑 制作用。4. 转速负反馈无静差调速系统如前所述，当转速负反馈调速系统中转速调节器采用比例调节器时，系统就是依靠偏差 为前提而工作得，这就

11、是有静差得调速系统。当转速负反馈调速系统中转速调节器采用积分 调节器或比例积分调节器时，由于积分调节器或比例积分调右器具有积分控制作用，不仅能 依靠本身,还能依靠偏差得积累进行调节。当系统给立量与反馈量一出现,AU就进 行调节，以消除偏差直到LO,但其积分仍存在,有相应得输出（不像比例调节器当U为零 时，其输出也为零），从而使调速系统在稳态时无静差，这就就是无静差得调速系统，所以转速 调节器采用积分调节器或比例积分器得调速系统就是无静差系统。虽然采用积分调节器得调速系统就是无静差系统，使系统在稳态时没有静差，但它得动 态响应速度很慢。当实际转速n偏离给定转速时,在转速调节器ASR（积分调节器）

12、得输人端 虽然立即产生偏差信号!；,但就是转速调节器ASR（积分调节器）得输出电压Uc不就是迅速 地紧跟输入信号得变化而变化，而就是随时间线性增加（或减小），它得动态响应速度很慢。因 而实际应用中转速调节器ASR很少采用积分调节器，都就是采用比例积分调节器。图17-42为转速调节器ASR采用比例积分调节器得单闭环转速负反馈无静差调速系统。当突加输入电压Ui得瞬间，电容C柑当于短路，等于反馈回路只有由前而分析可知，比例积分调节器得输出由比例打积分两部分组成。比例部分能迅速反 映调节作用，而积分部分则能最后消除静态偏差。比例积分调节器得等效放大倍数在静态与 动态过程中就是不同得。CF UJL图11

13、2采用比例积分调节器的单闭环转速负反馈无静差调速系统反馈电阻Rf得情 况,此时相当于比 例调节器动态等 效放大倍数Rf/Rl 比较小；而在稳态 （静态）时，电容相 当于开路，调节器 相当于开路，等效 放大倍数很大，近 似等于运算放大 器得开环放大倍 数（10诃），可 以使系统做到基本无静差。由于系统就是无静差调速系统，系统得静特性很硬，静态转速降A nO,因而没有必要进行静特性il算。下而详细分析负载变化时系统得调节过程。稳态时，对应于转速给宦电压Ugn及负载转矩Tm电 动机稳宦转速为nl.电动机得电流为Idl。此时转速反馈 电压为Ufnl,转速调节器ASR（比例积分调节器）得输入 偏差电压U

14、=Ugnl-Ufnl=O, （RP Ugnl=Ufnl）,而 ASR 得输 出电压Uc由于积分作用保持在Ucl,使晶闸管变流器输 出电压为Udi.以维持电动机在转速给立nl下运转。当 负载转矩在某一瞬间突然由TL1增加到TL2,负载转矩大 于电动机得电磁转矩而造成电动机转速开始下降，于就 是转速偏离给定值nl而产生转速偏差An,使转速调节 器ASR输入偏差电压 U=Ugnl-Ufnl0,于就是通过转 速调节器ASR（比例积分调节器）产生调节作用而消除偏 差。为了分析方便起见，先分别考虑转速调节器ASR得 “比例”与“积分”两部分得调节作用，然后再叠加起来 分析总得调节过程。首先考虑ASR转速调

15、节器得比例部分得调节作用。 当1；0后,比例部分立即输出KpAU,相应使晶闸管变. 流器输出电压增加 Udi, Udi得大小与转速偏差 成正比，如图17-43C所示得曲线。!越大,AUdl也 越大，调节作用也越强，使转速缓慢下降直到回升，如图 17-43b所示。随着n回升,An逐渐减小,AUdl也逐渐 减小。当转速回升至nl时.An=O. Ufnl= Ugnl. AU=O, AUdl=0,比例部分得调节作用结束。ASR调o图1743负载变化时凋速 系统的调节过节器得积分调节作用主要就是在调节过程得后一阶段,积分部分得输出电压等于偏差电压 U得积分，相应使晶闸管变流器输出电圧增加U（i2, 口也

16、得增长速度打偏差电压U成正 比,如图17-43C所示得曲线。开始阶段n很小,AU也小,Ud2增加很慢。当最大时， U亦最大,AUd2增加最快。在调节末期n又减小,AU亦减小,Ud2得增加也随之减慢。 当n=0时,Ud2不再继续增加而保持不变，如图17-43C所示得曲线（此时 Udl=0）。由 曲线可见积分作用得结果就是最后使Ud比原来得输出电压l；dl增加了l；d2。由图17-43d 可见,Ud由原来Udi成为Ud2,而Ud2 - Udl=AUd2.增加部分得电压l；d2正好补偿由于负载 增加而引起得主回路得电阻压降增加部分，EPAud2=AldR：.从而使转速回到原来得稳运转 速nl上，使系

17、统实现无静差调节。ASR转速调节器得总调节作用就就是比例作用打积分作用得综合，总Ud变化曲线为曲 线与曲线得叠加，如曲线所示。在整个调节过程开始与中间阶段，比例调节起主要作用, 它首先快速阻I上转速继续下降，并使转速迅速回升。随着转速得回升且接近原转速n,时，比 例调节作用越来越小。在调节过程得后期阶段,积分调节起主要作用，依靠它来最后消除转速 偏差,因为只有当转速偏差消除时，即当n=nl, An=0.Ufnl=Ugnl. AU=0时，积分调节作用才 会停止。由图17-43d町见，在调节过程中，晶闸管变流器输出电压Ud等于调节过程开始时得 Udi加上曲线所示得电压增量Ud, AUd为比例部分与

18、积分部分得电压增呈Udi与Ud2 之与。在调节过程结束时，晶闸管变流器输出电压Ud由Udi增加到Ud2,即Ud2=Udl-AUd. 増加部分电压Ud正好补偿由于负载增加而引起得主回路电阻压降增加部分IdRr,电动 机得转速又回升到原来得给宦转速nl,转速调节器ASR输入偏差电压二0,而转速调节器 ASR得输出电圧Uc由于积分作用稳楚在Uc2上（Uc2Ucl）.它使晶闸管变流器输出电压Udi 稳定在Ud2上。电动机得负载转矩增加越大,则转速调节器ASR输出电压Uc与晶闸管变流器 输出电压Ud增加越多。由图17-43b可见，无静差调速系统只就是在静态（稳态）下就是无差，而在动态过程中就 是有差得，

19、图中mh为最大动态速降，它就是突加阶跃扰动下动态过程中得最大转速降;ts 为恢复时间，它就是从原稳定状态过渡到新稳态所经历得时间,z与ts就是调速系统两 个主要动态性能指标。上述得无静差调速系统在理论上讲就是无静菱，但就是实际应用中由于调节放大器本身 不就是理想得，放大倍数不可能就是无穷大，此外，测速发电机本身也存在一左得误差，因此 这种调速系统仍然有少量得静差。二、带电流止负反馈得转速负反馈宜流调速系统以上所叙述得转速负反馈单闭环直流调速系统存在起动电流过大等问题。这就是因为开 始起动瞬间,转速给左电压Ugn突然加上，由于机械惯量电动机转速仍然为零，即n二0,转速 反馈电压Ufn=0.转速调

20、节器ASR输入电压二Ugn,便ASR输出电压Uc很大,晶闸管变流器 输出电压Ud亦很大。此时，电动机电枢电流（起动瞬间n=0,E=Cean=0）.由于电枢电阻R. 很小，起动电流很大。这过大起动电流将对晶闸管与直流电动机运行产生严重得不利影响, 甚至使晶闸管与直流电动机烧毁。此外，有些生产机械得电动机可能会遇到堵转得情况, 由于转速负反馈调速系统得静特性较硕，如果没有限制电流措施，电动机得电枢电流将 大大超过额定值，使晶闸管与直流电动机烧毁。为了解决转速负反馈单闭环直流调速系统存在得起动与堵转时电流过大得问题，系 统中就必须有限制电枢电流过大得保护环节。根据反馈控制原理，要维持某一物理量（如

21、转速）不变时，就引入那个物理量得负反馈（如转速负反馈）。现在要防止电流过大，使电 流在一定得情况下，保持某一数值不变，为此可以在系统中引入电流负反馈。但就是在转 速负反馈单闭环直流调速系统中，如果始终存在电流负反馈，则将会使静待性变软，影响 调速精度，为了使电流负反馈在系统正常运行时不起作用，而在电流过大（超过某一允许 值）时起强烈作用，这样得电流负反馈称之为电流截止负反馈。带电流截止负反馈得转速负反馈直流调速系统如图17-44所示。图1744带电流截止负反馈的转速负反馈直流凋速系统由17-44图可见，电流信号从串人电动机电枢回路得电阻R上取出，电阻R上得电压大小 就反映电枢电流爲得大小。这个

22、电流反馈电压打比较电压Ubj反向串联，比较电压Ubj大小 可调。当Ubj大时，相应得截止电流Idj也大;当Ubj小时，相应得截止电流Idj也小。在R与 比较电压Ubj之间串有一个二极管VDcIdRUbj时,二极管VD导通，电流负反馈信号电压Ufi 加到转速调节器ASR输入端，其极性与转速给定电压极性相反，因而随着负载电流得增加，电 流反馈电压Ufi増加，转速调节器输出电压Uc迅速下降，晶闸管整流装置输出电压Ud也随之 迅速下降，这样就限制了电枢电流得进一步增加。若负载继续增加，电动机转速迅速下降，宜 到电动机堵转。当电动机堵转时，输出电压Ud二URz,其中la为电动机得堵转电流，这个堵转电流就

23、是电动机与晶闸管整流装置短路时所允许得电流，因此就保护晶闸管整流装置与电动 机。当IdRVUbj时,二极皆VD因承受反向电压而截止，相当于电流截止负反馈环节断开，整 个系统与没有电流截止负反馈环节一样，此时系统相当于转速负反馈得单闭环调速系统，静 特性硬，转速降很小。带电流截止负反馈得转速负反馈直流调速系统得静特性如图17-45 所示图中Idj为截止电流,Idu为堵转电流，该系统具有“控土机特性图1745带电流載止负反馈的转速负反馈直流调速系统的静待性实际应用得小功率宜流调速系统中，常采用如图17-46所示电流截止负反馈线路。图17-46小功率直流速系统中电流稅止负反馈电路原理图图中R、电位器

24、RP、稳压管VS2与三极管V5等组成了电流截止负反馈环节。电流信号 从并联在串入电动机电枢电路得电阻R两端得电位器RP取出。电流Id流过电阻R产生得电 压降IdR反映了电流Id得大小，比较电压就就是稳压管VS2得击穿电压。当主回路电流Id 超过截止电流值时，从电位器RP取出得电压大于稳压管VS2得击穿电压时就有电流通过VS2 使V5导通，从而使电容C得充电电流减小，因而触发脉冲后移，晶闸管整流器输出电压Ud K 降，从而限制电流继续增大。截止电流大小可通过电位器RP调整。三、电压负反馈与电流正反馈直流调速系统如前所述，转速负反馈调速系统必须配备测速发电机等转速检测装置。这不仅增加了系 统得总投

25、资，而且增加了系统得维护工作量，因此在调速性能指标要求不高得场合，常采用电 压负反馈或带电流正反馈得电压负反馈宜流调速系统。下而简单介绍它们得工作原理及应L电压负反馈直流调速系统图17-47所示为电压负反馈直流调速系统得原理图。由并接在电动机电枢两端得电阻 R3,R4、电位器RP组成得分压器取出电压反馈信号弘Z4与转速给窪电压相减，偏差电压 UN石弘送电压调节器输入端。调节器输出电压作为触发器移相控制电压Uc,从而控制晶 闸管变流器得输出电压Ud,以达到控制电动机转速得目得。图1747电压负反馈直流调速系统设UdO为晶闸管变流器得理想空载电圧,Ud为电动机电枢电压,它们之间得关系为: 式中Rn

26、-晶闸管变流器内阻（包括平波电抗器电阻）；Rd电动机电枢电阻。由上式可知，当电动机负载电流增加时，由于主回路中Rn得电阻压降增加，使电动机电 枢电压Ud下降，转速n下降。但由于系统加入了电圧负反馈,电压反馈电压Ufu减小,电压调 节器输入偏差电压增加，电压调节器输出电压Uc增加，晶闸管变流器输出电压l；dO增加，以补偿主回路中Rn得电阻压降,使电动机转速n自动回升一些。上述调节过程可以表 示为 Id t f IdRn t f Ud I -Ufu I - AU t -Uc I -*UdO t -*Ud t -n t。由以上分析可知，电压负反馈调速系统实际上就是一个电压调节系统。当电流Id变化时, 能够维持电动机电枢电压Ud基本不变。电压负反馈能克服在主回路中Rn上电阻压降所引起 得转速降，然而对主回路中电枢电阻Rd上产生得电阻压降所引起得转速降则无能为力。同理，该系统对电动机励磯电流得扰动也无能为力。因此，电压负反馈调速系统得性能指 标比转速负反馈调速系统差一些,但该系统不需测速发电机等转速检测装置，结构简单，所以 在调速性能指标要求不高得场合,仍然获得应用。实际应用中为了尽量减小转速降，电压负反 馈得引出线应尽