7第七章直流调速系统

1、第第7 7章章 直流调速系统直流调速系统7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统7.3 7.3 带电流截止负反馈的闭环调速系统带电流截止负反馈的闭环调速系统7.4 7.4 闭环调速系统设计实例闭环调速系统设计实例7.5 7.5 多环直流调速系统多环直流调速系统7 71 11 1直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念在自动控制系统中，电力拖动系统是最重要的应用系统之一，在自动控制系统中，电力拖动系统是最重要的应用系统之一，而电动机又是电力拖动系统的核心部件，它是将电能转化为机械能而电动机又是电力拖动系统的核心部件，它是将电能转化为

2、机械能的一种有力工具。根据电动机供电方式的不同，它可分为直流电动的一种有力工具。根据电动机供电方式的不同，它可分为直流电动机和交流电动机。由于直流电动机具有良好的启、制动性能，而且机和交流电动机。由于直流电动机具有良好的启、制动性能，而且可以在较大范围内平滑的调速，因此，在轧钢设备、矿井升降设备、可以在较大范围内平滑的调速，因此，在轧钢设备、矿井升降设备、挖掘钻探设备、金属切削设备、造纸设备、电梯等需要高性能可控挖掘钻探设备、金属切削设备、造纸设备、电梯等需要高性能可控制电力拖动的场合得到了广泛的应用。但直流电动机本身有着一些制电力拖动的场合得到了广泛的应用。但直流电动机本身有着一些不可避免的

3、缺陷，譬如存在换相问题、结构复杂、维修较困难、成不可避免的缺陷，譬如存在换相问题、结构复杂、维修较困难、成本较高等因素，制约了直流拖动系统的发展。本较高等因素，制约了直流拖动系统的发展。7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回近来年，随着计算机控制技术和电力电子技术的发展，也推动近来年，随着计算机控制技术和电力电子技术的发展，也推动了交流拖动技术的迅猛发展，有代替直流拖动系统的趋势。然而，了交流拖动技术的迅猛发展，有代替直流拖动系统的趋势。然而，直流拖动系统在理论和实践等方面发展比较成熟，从控制角度考虑，直流拖动系统在理论和实践等方面发展比较成熟，从控制角度考虑，它又是交流

4、拖动系统的基础，故应先很好地学习直流拖动系统。它又是交流拖动系统的基础，故应先很好地学习直流拖动系统。从生产设备的控制对象来看，电力拖动控制系统有调速系统、从生产设备的控制对象来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统基本上都是位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统基本上都是通过控制转速通过控制转速( (实质上是控制电动机的转矩实质上是控制电动机的转矩) )来实现的。因此，直流来实现的。因此，直流调速系统是最基本的拖动控制系统。调速系统是最基本的拖动控制系统。直流电动机的转速方程式为直流电动机的转速方程式为7.1 7.1 直流调速系统概述直流调

5、速系统概述下一页 返回上一页eUIRnK式中，式中，n n为转速，单位为为转速，单位为r/minr/min；U U为电枢电压，单位为为电枢电压，单位为V V；I I为电为电枢电流，单位为枢电流，单位为A A；R R为电枢回路总电阻，单位为为电枢回路总电阻，单位为；为励磁磁通，为励磁磁通，单位为单位为WbWb；K eK e为由电动机结构决定的机电系数。为由电动机结构决定的机电系数。由上式可知，调节直流电动机转速的方法有三种：由上式可知，调节直流电动机转速的方法有三种： 改变电枢供电电压改变电枢供电电压U U 改变励磁磁通改变励磁磁通 改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻R R7.1 7.1 直流调速

6、系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页7 71 12 2直流调速的三种方式直流调速的三种方式1 1改变电动机电枢电压的调速方式改变电动机电枢电压的调速方式由式可知，改变直流电动机的电枢电压由式可知，改变直流电动机的电枢电压U U时，其理想空载转速时，其理想空载转速n no o也改变，当电动机电枢电流也改变，当电动机电枢电流( (即负载电流即负载电流) I) I不变时，转速降不变时，转速降n n 不不变。所以，直流电动机的机械特性的硬度不变，其机械特性是一簇变。所以，直流电动机的机械特性的硬度不变，其机械特性是一簇以以U U为参数的平行线。改变电动机电枢电流，其机械特性基本上是平为参数的平行

7、线。改变电动机电枢电流，其机械特性基本上是平行上下移动，转速随之改变，这种调速方式称为改变电枢电压调速行上下移动，转速随之改变，这种调速方式称为改变电枢电压调速方式。其机械特性如方式。其机械特性如图图7 71 1所示。考虑到电动机的绝缘性能，电枢所示。考虑到电动机的绝缘性能，电枢电压的变化只能在小于额定电压的范围内适当调节，在这种调速方电压的变化只能在小于额定电压的范围内适当调节，在这种调速方式下，转速上限为电动机的额定转速，式下，转速上限为电动机的额定转速，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页转速下限受低速时运转不稳定性的限制。对于要求在一定范围转速下限受低速时

8、运转不稳定性的限制。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，此调速方式较好。改变电枢电压调速内无级平滑调速的系统来说，此调速方式较好。改变电枢电压调速( (简称调压调速简称调压调速) )是直流调速系统的主要调速方式。是直流调速系统的主要调速方式。2 2改变励磁电流调速方式改变励磁电流调速方式改变电动机励磁回路的励磁电压大小，可改变励磁电流大小，改变电动机励磁回路的励磁电压大小，可改变励磁电流大小，从而改变励磁磁通大小而实现调速，此种调速方式称为改变励磁电从而改变励磁磁通大小而实现调速，此种调速方式称为改变励磁电流调速方式。其机械特性如流调速方式。其机械特性如图图7 72 2所示。所示。这种

9、调速方案属于恒功率调速。调磁调速的调速范围不大，一这种调速方案属于恒功率调速。调磁调速的调速范围不大，一般只是配合调压调速方式，在电动机额定转速之上作小范围的升速。般只是配合调压调速方式，在电动机额定转速之上作小范围的升速。将调压调速和调磁调速复合起来则构成调压调磁复合调速系统，将调压调速和调磁调速复合起来则构成调压调磁复合调速系统，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页可得到更大的调速范围，额定转速以下采用调压调速，额定转可得到更大的调速范围，额定转速以下采用调压调速，额定转速以上采用调磁调速。速以上采用调磁调速。3 3电枢回路串电阻调速方式电枢回路串电阻调速方式

10、在电动机电枢回路串接附加电阻，改变串接电阻的阻值，也可在电动机电枢回路串接附加电阻，改变串接电阻的阻值，也可调节转速，此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。调节转速，此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。这种调速方式只能进行有级调速，且串接电阻有较大能量损耗，这种调速方式只能进行有级调速，且串接电阻有较大能量损耗，电动机的机械特性较软，转速受负载影响大，轻载和重载时转速不电动机的机械特性较软，转速受负载影响大，轻载和重载时转速不同。另外，该调速方式中的调速电阻损耗大，经济性差，一般只应同。另外，该调速方式中的调速电阻损耗大，经济性差，一般只应用于少数性能要求不高的小功率场合。其机械特性如用

11、于少数性能要求不高的小功率场合。其机械特性如图图7 73 3所示。所示。7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页7 71 13 3调压调速的三种主要形式调压调速的三种主要形式由上面讨论可知，调压调速在工程应用上是调速系统的主要方由上面讨论可知，调压调速在工程应用上是调速系统的主要方式。该调速方式需要有专门的、连续可调的直流电源供电。根据系式。该调速方式需要有专门的、连续可调的直流电源供电。根据系统供电形式的不同，调压调速系统可分为以下三种：旋转变流机组统供电形式的不同，调压调速系统可分为以下三种：旋转变流机组系统、晶闸管可控整流系统、直流脉宽调速系统。系统、晶闸管可控

12、整流系统、直流脉宽调速系统。1 1旋转变流机组系统旋转变流机组系统如如图图7 74 4所示为旋转变流机组供电的直流调速系统原理图。所示为旋转变流机组供电的直流调速系统原理图。以旋转变流机组作为可控电源的供电的直流调速系统称为发电以旋转变流机组作为可控电源的供电的直流调速系统称为发电机电动机系统，该系统的主要部件为直流发电机机电动机系统，该系统的主要部件为直流发电机G G，直流电动机，直流电动机M M，故简称故简称G GM M系统，系统，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页国际上通称为国际上通称为WandWandLeonandLeonand系统。系统。直流发电机直流

13、发电机G G由原动机由原动机M (M (交流异步电动机或同步电动机交流异步电动机或同步电动机) )拖动，拖动，G G和和M M分别是发电机和电动机励磁回路的磁通。系统由原动机拖分别是发电机和电动机励磁回路的磁通。系统由原动机拖动直流发电机，改变发电机励磁回路的磁通动直流发电机，改变发电机励磁回路的磁通G G即可改变发电机的输即可改变发电机的输出电压出电压U UG G也就改变了直流电动机的电枢电压也就改变了直流电动机的电枢电压U Ud d，从而实现调压调速，从而实现调压调速的目的。如的目的。如图图7 75 5所示为该系统的机械特性，从图中可知其机械特所示为该系统的机械特性，从图中可知其机械特性曲

14、线为一簇相互平行的直线，特性较硬。性曲线为一簇相互平行的直线，特性较硬。 2 2晶闸管脉冲相位控制系统（晶闸管电动机系统）晶闸管脉冲相位控制系统（晶闸管电动机系统）为了克服旋转变流机组的缺点，为了克服旋转变流机组的缺点，2020世纪世纪5050年代开始采用汞弧整年代开始采用汞弧整流器作为变流装置的主要部件，形成所谓的离子拖动系统，流器作为变流装置的主要部件，形成所谓的离子拖动系统，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页首次实现了静止变流，且缩短了响应时间，但由于汞弧整流器首次实现了静止变流，且缩短了响应时间，但由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护困难，特别是如

15、果水银泄漏，会造造价较高，体积仍然很大，维护困难，特别是如果水银泄漏，会造成人身伤害和环境污染，因此应用时间不长。成人身伤害和环境污染，因此应用时间不长。19571957年大功率半导体可控整流器件晶闸管问世，使变流技术出年大功率半导体可控整流器件晶闸管问世，使变流技术出现了根本性的变革。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统很快现了根本性的变革。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统很快成为直流调速的的主流，特别是在大功率的场合。成为直流调速的的主流，特别是在大功率的场合。由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸管由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸管电动机系统，简称电动机

16、系统，简称V VM M系统，又称静止的系统，又称静止的WandWandLeonandLeonand系统，其原系统，其原理框图如理框图如图图7 76 6所示。这类系统通过改变给定电压所示。这类系统通过改变给定电压UgnUgn来改变晶闸管来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的相位，整流装置的触发脉冲的相位，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页从而可改变晶闸管整流器的输出电压从而可改变晶闸管整流器的输出电压UdUd的平均值，进而达到改的平均值，进而达到改变直流电动机转速的目的。其机械特性如变直流电动机转速的目的。其机械特性如图图7 77 7所示。所示。在晶闸管一电动机系统中，

17、当主回路串接了电感量足够大的电在晶闸管一电动机系统中，当主回路串接了电感量足够大的电抗器，且电动机负载电流抗器，且电动机负载电流I Id d足够大时，主回路电流是连续的。当电足够大时，主回路电流是连续的。当电动机空载或轻载时，即电动机负载电流动机空载或轻载时，即电动机负载电流I Id d较小时，主回路电流将产较小时，主回路电流将产生电流断续的特殊现象。主回路电流连续与否对晶闸管一电动机系生电流断续的特殊现象。主回路电流连续与否对晶闸管一电动机系统的开环机械特性将产生很大的影响。如图统的开环机械特性将产生很大的影响。如图7 77 7所示，在电流连续所示，在电流连续区，该特性曲线亦是一簇互相平行的

18、直线，与区，该特性曲线亦是一簇互相平行的直线，与G GM M系统的机械特性系统的机械特性相似。相似。7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页晶闸管电动机系统（晶闸管电动机系统（V VM M系统）与上述发电机一电动机系统系统）与上述发电机一电动机系统（G GM M）相比较，不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在）相比较，不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也有更大的优势，功率放大倍数可达技术性能上也有更大的优势，功率放大倍数可达 10104 4 10105 5 ，控制，控制功率小，有利于将微电子技术引入强电领域，与旋转变流机组和汞功率小，有利于将微电

19、子技术引入强电领域，与旋转变流机组和汞弧整流器相比，具有控制灵敏、响应快、占地面积小、能耗低、效弧整流器相比，具有控制灵敏、响应快、占地面积小、能耗低、效率高、噪声小、维护方便等优点，因而得到了广泛应用。过去数十率高、噪声小、维护方便等优点，因而得到了广泛应用。过去数十年来，直流电动机调速系统绝大部分都采用晶闸管一电动机系统。年来，直流电动机调速系统绝大部分都采用晶闸管一电动机系统。但这种传统的晶闸管电动机系统，限于晶闸管的性能，也有但这种传统的晶闸管电动机系统，限于晶闸管的性能，也有它的缺点，主要表现在：它的缺点，主要表现在： 晶闸管一般是单向导电器件，可逆运行比较困难，晶闸管一般是单向导电

20、器件，可逆运行比较困难，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页实现四象限运行需采用开关切换或使用正反两组整流器供电，实现四象限运行需采用开关切换或使用正反两组整流器供电，后者所用的变流设备要增加一倍；后者所用的变流设备要增加一倍； 晶闸管器件对于过电压、过电流以及过高的晶闸管器件对于过电压、过电流以及过高的 du / dtdu / dt 和和 di / dtdi / dt 十分敏感，其中任一值超过允许值都可能在瞬间使器件失十分敏感，其中任一值超过允许值都可能在瞬间使器件失效，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，这大大增效，因此必须有可靠的保护装置和符合要求

21、的散热条件，这大大增加了设备的复杂性和不可靠因素；加了设备的复杂性和不可靠因素； 晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此晶闸管整流器晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此晶闸管整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因数低，特别是深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管功率因数低，特别是深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，功率因数更低，并产生较大的高次谐波电流导致电的导通角很小，功率因数更低，并产生较大的高次谐波电流导致电网电压畸变。网电压畸变。7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系

22、统概述下一页 返回上一页 晶闸管的调相还会导致强烈的电磁辐射，这与越来越高的电晶闸管的调相还会导致强烈的电磁辐射，这与越来越高的电磁兼容要求是不相适应的。磁兼容要求是不相适应的。3 3直流脉宽调速系统直流脉宽调速系统直流脉宽式调速系统，核心是脉冲宽度调制器（直流脉宽式调速系统，核心是脉冲宽度调制器（Pulse Width Pulse Width Modulation Modulation ，缩写为，缩写为PWMPWM），它是通过改变脉冲宽度的控制方式对），它是通过改变脉冲宽度的控制方式对直流电源进行调制，从而改变输出电压平均值的方法，是在直流电源进行调制，从而改变输出电压平均值的方法，是在V

23、VM M调调速系统的基础上，以脉宽调制式直流可调电源取代晶闸管相控整流速系统的基础上，以脉宽调制式直流可调电源取代晶闸管相控整流电源后构成的直流电动机速度调节系统，其原理结构如电源后构成的直流电动机速度调节系统，其原理结构如图图7 78 8 所示。所示。它采用了全控型电力电子器件作为功率开关元件，并按脉宽调制方它采用了全控型电力电子器件作为功率开关元件，并按脉宽调制方式对电动机的电枢电压进行调节，主电路结构简单，式对电动机的电枢电压进行调节，主电路结构简单，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页性能优越，是性能优越，是100KW100KW以下直流电机调速的首选方案。

24、该系统的闭以下直流电机调速的首选方案。该系统的闭环控制方式、分析综合方法均与晶闸管直流电动机系统相同。环控制方式、分析综合方法均与晶闸管直流电动机系统相同。7 71 14 4直流调速系统的性能指标直流调速系统的性能指标衡量一个系统性能的优劣，除了定性分析外，还必须有定量的衡量一个系统性能的优劣，除了定性分析外，还必须有定量的指标；此外，应用领域对系统的要求也必须进行量化，以作为设计、指标；此外，应用领域对系统的要求也必须进行量化，以作为设计、生产、调试的依据。那么，究竟有哪些具体的指标来衡量直流调速生产、调试的依据。那么，究竟有哪些具体的指标来衡量直流调速系统呢？系统呢？在工业、工程应用领域，

25、许多工艺要求都依赖于对速度的控制。在工业、工程应用领域，许多工艺要求都依赖于对速度的控制。例如，精密机床要求的加工精度达百分之几毫米；重型铣床的进给例如，精密机床要求的加工精度达百分之几毫米；重型铣床的进给机构需要在很宽的范围内调速，机构需要在很宽的范围内调速，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页其最高进给速度可达其最高进给速度可达600mm/min600mm/min，而精加工时最低进给速度只有，而精加工时最低进给速度只有2mm/min2mm/min；又如，巨型轧钢设备，需要轧钢机的轧辊在不到一秒的时；又如，巨型轧钢设备，需要轧钢机的轧辊在不到一秒的时间内就得完成

26、从正转到反转的全部过程，而且操作频繁；轧制板材间内就得完成从正转到反转的全部过程，而且操作频繁；轧制板材的轧钢机的定位系统，其定位精度要求不大于的轧钢机的定位系统，其定位精度要求不大于001mm001mm；又如，高速；又如，高速造纸机，抄纸速度可达到造纸机，抄纸速度可达到1000m/min1000m/min，要求稳速误差小于，要求稳速误差小于0.01% 0.01% 。这些例子不胜枚举。这些工艺过程对速度控制方面的要求归纳起来这些例子不胜枚举。这些工艺过程对速度控制方面的要求归纳起来有以下三个方面：有以下三个方面： 调速。在一定的范围之内有级或无级地调节转速。调速系统调速。在一定的范围之内有级或

27、无级地调节转速。调速系统的旋转方向允许正、反向的，称之为可逆系统，只能单方向运行的的旋转方向允许正、反向的，称之为可逆系统，只能单方向运行的则称之为不可逆系统。则称之为不可逆系统。7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页 稳速。以一定的精度在要求的转速上稳定运行。对各种可能稳速。以一定的精度在要求的转速上稳定运行。对各种可能的干扰，都不允许有过大的转速变化，从而保证产品质量。的干扰，都不允许有过大的转速变化，从而保证产品质量。 启动、制动性能。频繁启、制动的设备为提高效率，需要尽启动、制动性能。频繁启、制动的设备为提高效率，需要尽快地加、减速。不适合快速改变转速的设备

28、，则要求启、制动尽可快地加、减速。不适合快速改变转速的设备，则要求启、制动尽可能地平稳。能地平稳。上述三个方面的要求可具体转化为调速系统的稳态上述三个方面的要求可具体转化为调速系统的稳态( (静态静态) )性能性能指标和动态性能指标。指标和动态性能指标。1 1稳态性能指标稳态性能指标稳态性能指标也称静态指标，是指系统稳定运行时的性能指标，稳态性能指标也称静态指标，是指系统稳定运行时的性能指标，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页具体指调速系统稳定运行时的调速范围、静差率，位置随动系具体指调速系统稳定运行时的调速范围、静差率，位置随动系统的定位精度和速度跟踪精度，张

29、力控制系统的稳态张力误差等等。统的定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统的稳态张力误差等等。下面分别予以介绍。下面分别予以介绍。1) 1) 调速范围调速范围D D电力拖动控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下，运行电力拖动控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下，运行的最高转速的最高转速n n MAXMAX与最低转速与最低转速n n MINMIN之比，用之比，用D D表示，即表示，即 对于单纯的调压调速系统来说，电动机的最高转速对于单纯的调压调速系统来说，电动机的最高转速n n MAXMAX即为其即为其额定转速额定转速n neded 。D D值越大，系统的调速范围越宽。对于少数负载很轻值越大，

30、系统的调速范围越宽。对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，的机械，例如精密磨床，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页MAXMINnDn也可以用实际负载时的转速来定义调速范围。调速范围又称做也可以用实际负载时的转速来定义调速范围。调速范围又称做调速比。根据这个指标，电力拖动系统可分为：调速范围小的系统，调速比。根据这个指标，电力拖动系统可分为：调速范围小的系统，一般指一般指D3D3；调速范围中等的系统，一般指；调速范围中等的系统，一般指3D503D50；调速范围宽；调速范围宽的系统，一般指的系统，一般指D50D50。现代电力拖动控制系统的调速范围可以做到。现代电力拖

31、动控制系统的调速范围可以做到D10000D10000。2) 2) 静差率静差率s s当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载所引起的转速降落所引起的转速降落n n eded与理想空载转速与理想空载转速n n0 0之比，称做静差率，用之比，称做静差率，用s s表示，即表示，即 7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页000edednnnsnn或用百分数表示为或用百分数表示为 由上式可知，静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变由上式可知，静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化程度的，它和机械特性

32、的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转化程度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的变化程度越小，稳定度越高。速的变化程度越小，稳定度越高。3) D3) D、s s、 n n eded三者之间的关系三者之间的关系在单纯的调压调速系统中，在单纯的调压调速系统中，n nMAXMAX就是指电动机的额定转速就是指电动机的额定转速n neded，即即n nMAXMAXn neded 。而调速系统的静差率是指系统最低速时的静差率，即。而调速系统的静差率是指系统最低速时的静差率，即 7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页0100%ednsn0minednsn又因为又

33、因为 代人调速范围的表达式代人调速范围的表达式 得得 上式表示了调速范围上式表示了调速范围D D、静差率、静差率s s以及额定转速降以及额定转速降n n eded之间应当之间应当满足的关系。对于同一个调速系统，满足的关系。对于同一个调速系统，n edn ed可由电动机的出厂数据给可由电动机的出厂数据给出，出，D D和和s s由生产机械的要求确定，当系统的特性硬度或由生产机械的要求确定，当系统的特性硬度或n n eded值一值一定时，如果对静差率定时，如果对静差率s s的要求越小，则系统能够达到的调速范围的要求越小，则系统能够达到的调速范围D D越越小。当对小。当对D D、s s都提出一定的要求

34、时，为了满足要求就必须使都提出一定的要求时，为了满足要求就必须使n n eded小于某一值。小于某一值。7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页min0min(1)edededednsnnnnnssmaxminmin,ednnDnn(1)edednsDns2 2动态性能指标动态性能指标电力拖动控制系统在动态过程中的性能指标称做动态指标。由电力拖动控制系统在动态过程中的性能指标称做动态指标。由于实际系统存在电磁和机械惯性，因此转速调节时总有一个动态过于实际系统存在电磁和机械惯性，因此转速调节时总有一个动态过程，同时，系统总会受到一些不期望的扰动。衡量系统动态性能的程，同

35、时，系统总会受到一些不期望的扰动。衡量系统动态性能的指标分为跟随性能指标和抗扰性能指标两类。指标分为跟随性能指标和抗扰性能指标两类。1) 1) 跟随性能指标跟随性能指标在给定信号在给定信号( (或称参考输入信号或称参考输入信号)R(t)R(t) )的作用下，系统输出量的作用下，系统输出量C(tC(t) )的变化情况可用跟随性能指标来描述。通常以输出量的初始值为零的变化情况可用跟随性能指标来描述。通常以输出量的初始值为零时的阶跃响应过程作为典型的跟随过程。一般希望在阶跃响应中输时的阶跃响应过程作为典型的跟随过程。一般希望在阶跃响应中输出量出量C(tC(t) )与其稳态值与其稳态值C C的偏差越小

36、越好，的偏差越小越好，7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页达到稳态值达到稳态值C C的时间越快越好。的时间越快越好。在直流调速系统中，跟随性能指标主要有以下各项：在直流调速系统中，跟随性能指标主要有以下各项： 上升时间上升时间t t r r 。输出量从零起第一次上升到稳态值。输出量从零起第一次上升到稳态值C C所经过所经过的时间称为上升时间。它表示动态响应的快速性。的时间称为上升时间。它表示动态响应的快速性。 超调量超调量。输出量超过其稳态值的最大偏离量与稳态值之比，。输出量超过其稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示称为超调量，即用百分数表示称为超调量，即

37、超调量反映系统的相对稳定性。在调速系统中，超调量越小，超调量反映系统的相对稳定性。在调速系统中，超调量越小，意味着速度稳定性越好。意味着速度稳定性越好。 7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一页 返回上一页max100%ccc 调节时间调节时间t t s s。输出量达到并不再超出稳态值的某个区域。输出量达到并不再超出稳态值的某个区域( (通通常取常取2% 2% 5%5%始始) )所需的最短时间定义为调节时间，也称过渡过所需的最短时间定义为调节时间，也称过渡过程时间。它衡量系统整个调节过程的快慢。程时间。它衡量系统整个调节过程的快慢。2) 2) 抗扰性能指标抗扰性能指标一般以系统稳

38、定运行中突然加一个使输出量降低的扰动一般以系统稳定运行中突然加一个使输出量降低的扰动N N以后的以后的过渡过程作为典型的跟随过程。抗扰性能指标主要有下述两项：过渡过程作为典型的跟随过程。抗扰性能指标主要有下述两项： 动态降落动态降落CCmaxmax% %。系统稳定运行时，突然加一个约定的标准。系统稳定运行时，突然加一个约定的标准扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大降落值扰动量，在过渡过程中所引起的输出量最大降落值CmaxCmax ，用输出，用输出量原稳态值量原稳态值C C11、的百分数表示，称为动态降落，即、的百分数表示，称为动态降落，即 7.1 7.1 直流调速系统概述直流调速系统概述下一

39、页 返回上一页maxmax1%100%CCC输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值C C 2 2，差值，差值C C 1 1C C 2 2是系统在该扰动作用下的稳态降落。是系统在该扰动作用下的稳态降落。 恢复时间恢复时间t t v v 。从阶跃扰动作用开始到输出量恢复到不再超。从阶跃扰动作用开始到输出量恢复到不再超过新稳态值的某个区域过新稳态值的某个区域( (通常取通常取2%2%5%)5%)所需的最短时间。在调所需的最短时间。在调速系统中，速系统中，t t v v越小，意味着失稳时间越短。越小，意味着失稳时间越短。动态降落动态降落C C m a xm

40、 a x % % 越小，恢复时间越小，恢复时间t t v v越短，系统的抗干扰性越短，系统的抗干扰性能越好。实际控制系统对于各种动态性能指标的要求各异。有的对能越好。实际控制系统对于各种动态性能指标的要求各异。有的对系统的动态跟随性能和抗扰性能要求都较高；而有的则要求有一定系统的动态跟随性能和抗扰性能要求都较高；而有的则要求有一定的抗扰性能，跟随性能好坏问题不大。一般来说，调速系统的动态的抗扰性能，跟随性能好坏问题不大。一般来说，调速系统的动态指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。指标以抗扰性能为主，而随动系统的动态指标则以跟随性能为主。7.1 7.1 直流调速系统概述直流

41、调速系统概述返回上一页7 72 21 1闭环调速系统常用调节器闭环调速系统常用调节器带强负反馈的集成电路运算放大器具有高稳定度的电压放大能带强负反馈的集成电路运算放大器具有高稳定度的电压放大能力，它可以很方便地实现信号的叠加力，它可以很方便地实现信号的叠加( (综合综合) )、微分、积分等运算，、微分、积分等运算，它有着很高的输入阻抗和较低的输出阻抗，容易实现线路的匹配。它有着很高的输入阻抗和较低的输出阻抗，容易实现线路的匹配。在模拟控制的电气传动系统申，多采用线性集成运算放大器作为系在模拟控制的电气传动系统申，多采用线性集成运算放大器作为系统的调节器。统的调节器。1.1.调节器的传递函数调节

42、器的传递函数运算放大器作调节器使用时，多数接成反相放大器，如运算放大器作调节器使用时，多数接成反相放大器，如图图7 79 9所示。其中所示。其中Z Z0 0为输入阻抗；为输入阻抗；Z Z1 1为反馈阻抗；为反馈阻抗；Z Z ba1ba1为同相输入端的平为同相输入端的平衡阻抗，用以降低放大器失调电流的影响。衡阻抗，用以降低放大器失调电流的影响。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回由于运算放大器的开环放大倍数很大，不论输人和反馈阻抗为由于运算放大器的开环放大倍数很大，不论输人和反馈阻抗为何形式，放大器的反相输入端何形式，放大器的反相输入端( (图图7 79 9中中A A

43、点点) )的电位近似于零，称的电位近似于零，称A A点为虚地点。于是有点为虚地点。于是有又由于放大器的输人电阻很大，经过又由于放大器的输人电阻很大，经过A A点输入放大器的电流也接点输入放大器的电流也接近于零，因此所以调节器的传递函数近于零，因此所以调节器的传递函数W(sW(s) )可写成可写成 应该注意的是，运算放大器使用反相输人时，输入电压应该注意的是，运算放大器使用反相输人时，输入电压U U inin和和输出电压输出电压U U exex的极性是相反的，在实际线路的设计中应予考虑。当的极性是相反的，在实际线路的设计中应予考虑。当运算放大器的反相输入端有两个输入信号时，运算放大器的反相输入端

44、有两个输入信号时，7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页00/iniUZ11/exiUZ111000( )( )( )exinUsi ZZW sUsi ZZ如如图图7 710 (a)10 (a)所示，由于所示，由于A A点的点的II0 0，可得，可得此时，输出量为此时，输出量为当当Z Z0101 = Z = Z0202时时用结构图可以表示为图用结构图可以表示为图7 710 (b)10 (b)和和(c)(c)。可见，运算放大器具。可见，运算放大器具有信号综合的作用。有信号综合的作用。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页120102

45、1( )()( )inINexUsUSUsZZZ11201( )( )( )exininZUsUsUsZ2.2.常用的典型调节器常用的典型调节器典型调节器就是前面章节中讨论过的典型环节，这里不再详细典型调节器就是前面章节中讨论过的典型环节，这里不再详细论述，只给出结论和应用注意事项。论述，只给出结论和应用注意事项。 比例比例(P)(P)调节器调节器比例调节器如比例调节器如图图7 712(a)12(a)所示。所示。传递函数传递函数W WP P(s(s) )为为 这是一个纯比例调节器，输出信号以一定比例复现输入信号，这是一个纯比例调节器，输出信号以一定比例复现输入信号，当输入信号当输入信号U U

46、inin为阶跃函数时，输出信号为阶跃函数时，输出信号U U exex也是阶跃函数，其幅值也是阶跃函数，其幅值是是U U inin的的K KP P倍。倍。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页10( )( )( )exppinUsRWsKUsR 积分积分(I)(I)调节器调节器图图7 712 (a)12 (a)所示为积分调节器原理图，传递函数所示为积分调节器原理图，传递函数W WI I (s) (s)为为 其中其中 1 1C C1 1R R0 0为积分时间常数。积分调节器的输出为积分时间常数。积分调节器的输出为为 ，其阶跃响应为，其阶跃响应为U U exex =

47、=（t /t /1 1）U U inin，是一，是一条随时间线性增长的直线，但积分调节器的输出量不可能无限制地条随时间线性增长的直线，但积分调节器的输出量不可能无限制地增长，它要受到电源电压或输出限幅电路的限制，输出响应如图增长，它要受到电源电压或输出限幅电路的限制，输出响应如图7 712(b)12(b)所示。所示。积分调节器的输出特性有以下特点：积分调节器的输出特性有以下特点：7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页10101( )1/11( )( )exIinUsC sW sUsRC R ss11exinUUdta)a)在线性区，只要在线性区，只要 U U i

48、n in 0 0，U U inin总要逐渐增长；总要逐渐增长；b)b)只有只有U U inin = 0 = 0时，时，U U inin才不增长，并保持为某一固定值；才不增长，并保持为某一固定值；c)c)当当U U inin变极性后，变极性后，U U exex才能减小。输出达到饱和值时，必须等才能减小。输出达到饱和值时，必须等输入信号输入信号U Uinin变极性后，输出变极性后，输出U Uexex才能减小，调节器才能退饱和，即积才能减小，调节器才能退饱和，即积分调节器有积累和记忆作用。只要输入端有信号，积分就会进行，分调节器有积累和记忆作用。只要输入端有信号，积分就会进行，直至输出达到饱和值。在

49、积分过程中，如果突然使输入信号为零，直至输出达到饱和值。在积分过程中，如果突然使输入信号为零，其输出将保持在输入信号为零瞬间前的输出值。其输出将保持在输入信号为零瞬间前的输出值。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页比例积分比例积分(PI)(PI)调节器调节器比例积分调节器如比例积分调节器如图图7 713 (a)13 (a)所示。传递函数所示。传递函数W WPIPI（s s）为）为 式中，式中，1 1 PI PI调节器的积分时间常数，调节器的积分时间常数，1 1RR0 0C C1 1 PI PI调节器的超前时间常数，调节器的超前时间常数，R R1 1 C C1

50、1K Kp p一一一一PIPI调节器比例部分放大系数，调节器比例部分放大系数，K Kp p=R=R1 1 /R /R0 0比例积分器的输出为比例积分器的输出为7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页PexPininKUK UUdt阶跃响应为阶跃响应为 U Uexex （K KP Pt /t /1 1 ）UUinin ，如图，如图7 713 (b)13 (b)所所示。输出由比例和积分两部分组成，当输入信号加人时，调节器的示。输出由比例和积分两部分组成，当输入信号加人时，调节器的输出先跳变到输出先跳变到K Kp pU U inin ，再按积分作用，随时间线性增长。同样

51、，当，再按积分作用，随时间线性增长。同样，当调节器深饱和后，必须等输入信号变号，才能使调节器退饱和。调节器深饱和后，必须等输入信号变号，才能使调节器退饱和。3 3调节器辅助电路调节器辅助电路 输出限幅电路输出限幅电路 调节器在实际应用中往往带有输出限幅电路，以满足电气传动调节器在实际应用中往往带有输出限幅电路，以满足电气传动系统的某些要求，比如，可逆系统中最小触发角系统的某些要求，比如，可逆系统中最小触发角 minmin 和最小逆变和最小逆变角隔角隔 minmin 的限制等，这些将在本章以后各节中详细分析。输出限的限制等，这些将在本章以后各节中详细分析。输出限幅电路有外限幅和内限幅两类。幅电路

52、有外限幅和内限幅两类。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页图图7 71414是利用二极管钳位的外限幅电路，或称输出限幅电路，是利用二极管钳位的外限幅电路，或称输出限幅电路，其中二极管其中二极管VDVD1 1和电位器和电位器RPRP1 1 提供正限幅，提供正限幅，VDVD2 2 和和RPRP2 2 提供负限幅，提供负限幅，电阻电阻R Rlimlim 是限幅时的限流电阻。正限幅电压是限幅时的限流电阻。正限幅电压 U UexmexmU UM M+ +U UD D，负限，负限幅电压幅电压U UexmexmU UN NU UD D，其中，其中U UM M和和U UN N

53、分别表示电位器滑动到分别表示电位器滑动到M M点和点和N N点的电位，点的电位，U UD D是二极管的正向压降。是二极管的正向压降。调节电位器调节电位器RPRP1 1和和RPRP2 2，可以任意改变正、负限幅值。外限幅电，可以任意改变正、负限幅值。外限幅电路只保证对外输出限幅，对集成电路本身的输出电路路只保证对外输出限幅，对集成电路本身的输出电路(C(C点电压点电压) )并没并没有限制住，只是把多余的电压降在电阻有限制住，只是把多余的电压降在电阻R Rlimlim 上而已。这样，当调节上而已。这样，当调节器输出达到限幅时，器输出达到限幅时，PIPI调节器电容调节器电容C C1 1 上的电压继续

54、上升，直到集成上的电压继续上升，直到集成电路内的输出级晶体管饱和为止。电路内的输出级晶体管饱和为止。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页一旦控制系统需要调节器的输出电压从限幅值降低下来，电容一旦控制系统需要调节器的输出电压从限幅值降低下来，电容上的多余电压还需要一段放电时间，这将影响系统的动态过程。这上的多余电压还需要一段放电时间，这将影响系统的动态过程。这是外限幅电路的缺点。是外限幅电路的缺点。要避免上述缺点可采用内限幅电路，或称反馈限幅电路。最简要避免上述缺点可采用内限幅电路，或称反馈限幅电路。最简单的内限幅电路是利用两个对接稳压管的电路，如单的内限幅电路

55、是利用两个对接稳压管的电路，如图图7 715 (a)15 (a)所示。所示。正限幅电压正限幅电压U Uexmexm 等于稳压管等于稳压管VSVS1 1 的稳压值，负限幅电压的稳压值，负限幅电压 U Uexmexm 等于等于VSVS2 2 的稳压值。当输出电压的稳压值。当输出电压U Uexex 要超过限幅值时，马上击穿该方要超过限幅值时，马上击穿该方向的稳压管，对运算放大器产生强烈的反馈作用，使向的稳压管，对运算放大器产生强烈的反馈作用，使 U Uexex 回到限幅回到限幅值。稳压管限幅电路虽然简单，但要调整限幅值时必须更换稳压管，值。稳压管限幅电路虽然简单，但要调整限幅值时必须更换稳压管，是其

56、不足之处。是其不足之处。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页为了克服这个缺点，可以采用如图为了克服这个缺点，可以采用如图7 715 (b)15 (b)所示的二极管钳位所示的二极管钳位的内限幅电路。当输出电压达到限幅时，电位器的内限幅电路。当输出电压达到限幅时，电位器M M点或点或N N点基本上等点基本上等于虚地电位，因此正电源和于虚地电位，因此正电源和VDVD1 1 、RPRP1 1 提供负限幅，而用负电源和提供负限幅，而用负电源和VDVD2 2 、RPRP2 2 提供正限幅。用电位器可以方便地调节输出限幅值。用提供正限幅。用电位器可以方便地调节输出限幅值。用

57、二极管钳位时，流经二极管的限幅电流要流过电位器，为了使它不二极管钳位时，流经二极管的限幅电流要流过电位器，为了使它不太影响限幅值，电位器的电阻需选得小些，当然，电位器的损耗也太影响限幅值，电位器的电阻需选得小些，当然，电位器的损耗也就大了。用晶体管来代替二极管可以克服这个缺点。就大了。用晶体管来代替二极管可以克服这个缺点。 封锁电路封锁电路带有积分环节的调节器在实际应用中，在零输入条件下往往出带有积分环节的调节器在实际应用中，在零输入条件下往往出现漂移，引起传动系统现漂移，引起传动系统“爬行爬行”。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页为了防止漂移输出引起传动系

58、统的误动作，常在积分反馈支路为了防止漂移输出引起传动系统的误动作，常在积分反馈支路上并联一个场效应开关管上并联一个场效应开关管VTVT。在停车状态下，栅极。在停车状态下，栅极G G加正信号，使源加正信号，使源极极S S和漏极和漏极D D导通，将调节器封锁，使其输出为零。在工作状态下，导通，将调节器封锁，使其输出为零。在工作状态下，栅极栅极G G加负信号，场效应管加负信号，场效应管VTVT被夹断，使调节器投人正常工作。被夹断，使调节器投人正常工作。 输入滤波电路输入滤波电路含输入滤波电路的含输入滤波电路的PIPI调节器如调节器如图图7 716 (a)16 (a)所示。现在推导一下所示。现在推导一

59、下这类调节器的传递函数。图中这类调节器的传递函数。图中A A点是虚地，可以认为它和电容点是虚地，可以认为它和电容C C0 0的接的接地端是连在一起的。用拉氏变换式表示流入地端是连在一起的。用拉氏变换式表示流入A A点的电流点的电流 i iA A 为为7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页0000000011( )1122122AC sisRRRC sC sRC s00000( )( )(1)(1)4ininUsUsRR T sRC s式中定义了滤波时间常数式中定义了滤波时间常数于是，图于是，图7 71616（a a）中虚地点）中虚地点A A的电流平衡方程为的电流

60、平衡方程为或或其中，其中，K KP P =R=R1 1 / R / R0 0 ；R R1 1 / C / C1 1传递函数为传递函数为 结构图如图结构图如图 7 71616（b b）所示。）所示。7.2 7.2 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统下一页 返回上一页00014TR C001( )( )(1)1/inexUsUsR T sRC s0( )( )(1)(1)/inexPUsUsT sKss0( )11( )1exPinUssKUsT s7 72 22 2单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统开环调速系统可实现一定范围的无级调速，而且开环调速系统开环调速系统可实现一定范围的无级调速，而