第8章_直流调速系统_8-3晶闸管-电动机直流调速系统_第12-1周_2010-05-17

1、东南大学机械工程学院1东南大学机械工程学院18.3.1 8.3.1 开环直流调速系统存在的问题开环直流调速系统存在的问题8.3.2 8.3.2 速度负反馈单闭环调速系统的组成及其静特性速度负反馈单闭环调速系统的组成及其静特性8.3.3 8.3.3 单闭环调速系统的动态分析单闭环调速系统的动态分析8.3.4 8.3.4 单闭无静差直流调速系统单闭无静差直流调速系统8.3.5 8.3.5 单闭调速系统的限流保护电流截止负反馈单闭调速系统的限流保护电流截止负反馈都是开环调速系统都是开环调速系统。图图8.2晶闸管电动机调速系统原理框图（晶闸管电动机调速系统原理框图（V-M系统）系统）图图8.1旋转变流

2、机组供电的直流调速系统（旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）系统）8.3.1 开环直流调速系统存在的问题开环直流调速系统存在的问题开环直流调速系统存在地问题：控制是开环直流调速系统存在地问题：控制是单方向的，静差度大，而实际上很多生产机械单方向的，静差度大，而实际上很多生产机械对静差度有较高的要求。对静差度有较高的要求。 如：龙门刨床、轧钢机等。如：龙门刨床、轧钢机等。P293例子说例子说明。明。8.3.1 开环直流调速系统存在的问题开环直流调速系统存在的问题8.3.2 速度负反馈单闭环调速系统的组成及速度负反馈单闭环调速系统的组成及其静特性其静特性测速发电机的作用具有转速负反馈的调速

3、系统图图8.32闭环系统方框图闭环系统方框图 1 1、单闭环调速系统的组成、单闭环调速系统的组成图图8.33采用转速负反馈的单闭环调速系统采用转速负反馈的单闭环调速系统放大器触发器可控整流器测速发电机 2 2、转速负反馈单闭环调速系统的静特性、转速负反馈单闭环调速系统的静特性由电压平衡方程得：由电压平衡方程得：无反馈时无反馈时:=0由电压平衡方程得：由电压平衡方程得：无反馈时无反馈时:=0K0电压放大倍数K 闭环系统的开环放大倍数无反馈时无反馈时:=0K0电压放大倍数K 闭环系统的开环放大倍数 3 3、开环调速系统机械特性和闭环系统静特性比较、开环调速系统机械特性和闭环系统静特性比较（1）硬度

4、大大提高，提高（1K)倍（2）理想空载转速相同时，闭环系统的静差率要小得多，小（1K)倍（3）当静差率一定时，闭环系统的调速范围大大提高，提高（1K)倍（4）给定电压相同时，闭环系统的空载转速大大降低，低（1K)倍图图8.35闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系闭环系统静特性与开环系统机械特性的关系闭环系统能够减少稳态速降的闭环系统能够减少稳态速降的实质实质是是闭环系统闭环系统的自动调节作用的自动调节作用，它能随着负载的变化相应地改变，它能随着负载的变化相应地改变整流器的输出电压整流器的输出电压结论：结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在

5、保证一定静差度的要求下，大大提高性，在保证一定静差度的要求下，大大提高调速范围。但闭环系统必须设置检测装置和调速范围。但闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。电压放大器。1）具有比例放大器的单闭环系统是）具有比例放大器的单闭环系统是有静差有静差的的 4 4、单闭环调速系统的基本特征、单闭环调速系统的基本特征aexfIKCRn)1 ( 0fnK当：当： 时时这种调速系统称为这种调速系统称为有静差有静差调速系统，这调速系统，这种系统正是靠偏差来保证实现控制作用的。种系统正是靠偏差来保证实现控制作用的。2）闭环系统具有较强的抗干扰性能）闭环系统具有较强的抗干扰性能 4 4、单闭环调速系统的基本特征、

6、单闭环调速系统的基本特征图图8.36闭环调速系统的给定和扰动闭环调速系统的给定和扰动凡是被反馈环节所包围的加在闭环系统前向通道各环节上凡是被反馈环节所包围的加在闭环系统前向通道各环节上的扰动作用对输出量的影响都会受到反馈控制的抑制。的扰动作用对输出量的影响都会受到反馈控制的抑制。但仅限但仅限于：被负反馈所包围的前向通道上的扰动。于：被负反馈所包围的前向通道上的扰动。3）闭环系统对给定信号和检测装置中的扰动）闭环系统对给定信号和检测装置中的扰动无能为力无能为力 4 4、单闭环调速系统的基本特征、单闭环调速系统的基本特征图图8.36闭环调速系统的给定和扰动闭环调速系统的给定和扰动所以：闭环调速系统

7、的精度取决于给定所以：闭环调速系统的精度取决于给定稳压电源的精度和反馈检测装置的精度。稳压电源的精度和反馈检测装置的精度。东南大学机械工程学院158.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统单闭环直流调速系统可分为有静差调速系统和无静差调速系统l有静差的调节系统单纯由被调量负反馈按比例控制的单闭环系统只能设法减少静差，无法从根本上消除。且动态性能较差。l无静差的调节系统按按积分或比例积分控制的系统的系统不仅能改善动态性能，且能从根本上消除静差，实现无差调速。东南大学机械工程学院161 1、积分调节器和积分控制规律、积分调节器和积分控制规律图图8.44 由线性集成电由线性集成电路

8、运算放大器构成的路运算放大器构成的积分调节器积分调节器dtUdtUCRidtUininCex1101CR08.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统积分调节器的积分时间常数积分调节器的积分时间常数东南大学机械工程学院17tUdtUUininex11图图8.45 阶跃输入时积分调节器的输出特性阶跃输入时积分调节器的输出特性当积分调节器输入输出都为零时，突加一个阶跃输入（常数），其输出将线形增大。直到饱和。运算放大器饱和8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统1 1、积分调节器和积分控制规律、积分调节器和积分控制规律东南大学机械工程学院18图图8.45 阶跃输

9、入时积分调节器的输出特性阶跃输入时积分调节器的输出特性积分器特点：积分器特点：积累积累、记忆记忆、延缓延缓作用。作用。运算放大器饱和积累：积累：只要输入端有信号，只要输入端有信号，积分就会进行，直到输出达积分就会进行，直到输出达到饱和为止。到饱和为止。记忆记忆：如果积分过程中，：如果积分过程中，输入信号突然为零，则输输入信号突然为零，则输出端始终保持在输入信号出端始终保持在输入信号为零为零瞬时前瞬时前的状态。的状态。8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统1 1、积分调节器和积分控制规律、积分调节器和积分控制规律东南大学机械工程学院19图图8.45 阶跃输入时积分调节器的输

10、出特性阶跃输入时积分调节器的输出特性积分器特点：积分器特点：积累积累、记忆记忆、延缓延缓作用。作用。运算放大器饱和延缓：延缓：即输入可以突变，而即输入可以突变，而输出不能突变，而是逐渐积输出不能突变，而是逐渐积分线性增长。分线性增长。8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统1 1、积分调节器和积分控制规律、积分调节器和积分控制规律东南大学机械工程学院20图图8.45 阶跃输入时积分调节器的输出特性阶跃输入时积分调节器的输出特性积分器特点：积累、积分器特点：积累、记忆、延缓作用。记忆、延缓作用。运算放大器饱和积分器的记忆、延缓作用积分器的记忆、延缓作用是：是：使采用积分调节器

11、的单闭使采用积分调节器的单闭环调速系统完全消除静差的根环调速系统完全消除静差的根本原因本原因。（积分控制规律）。（积分控制规律）npctUKUdtUUnct1比例调节器输出电压：比例调节器输出电压：积分调节器输出电压积分调节器输出电压：能消除静差能消除静差不能消除静差不能消除静差8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统1 1、积分调节器和积分控制规律、积分调节器和积分控制规律东南大学机械工程学院21图图8.45 阶跃输入时积分调节器的输出特性阶跃输入时积分调节器的输出特性积分器特点：积累、积分器特点：积累、记忆、延缓作用。记忆、延缓作用。运算放大器饱和8.3.4 单闭环无静

12、差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统1 1、积分调节器和积分控制规律、积分调节器和积分控制规律积分器无静差但响应慢，比例调节器有静差但响应快。将积分器无静差但响应慢，比例调节器有静差但响应快。将两种规律结合起来就是两种规律结合起来就是比例积分控制器比例积分控制器（静差小、响应快），（静差小、响应快），（PIPI控制器）控制器）积分器的记忆、延缓作用积分器的记忆、延缓作用是：是：使采用积分调节器的单闭使采用积分调节器的单闭环调速系统完全消除静差的根环调速系统完全消除静差的根本原因本原因。（积分控制规律）。（积分控制规律）东南大学机械工程学院222 2、比例积分调节器和比例积分控制规律、比例积分

13、调节器和比例积分控制规律8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统积分器无静差但响应慢，比例调节器有静差但响应快。将积分器无静差但响应慢，比例调节器有静差但响应快。将两种规律结合起来就是两种规律结合起来就是比例积分控制器比例积分控制器（静差小、响应快），（静差小、响应快），（PIPI控制器）控制器）东南大学机械工程学院238.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统东南大学机械工程学院24比例积分调节器：比例积分调节器：由由U Ui i和和U Uo o的变化规律可知，比例部分能够的变化规律可知，比例部分能够迅速迅速响应控制作用响应控制作用，积分部分则，积分部分

14、则最终消除偏差最终消除偏差。 PIPI调节器在自动控制领域得到广泛应用。调节器在自动控制领域得到广泛应用。8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统2 2、比例积分调节器和比例积分控制规律、比例积分调节器和比例积分控制规律东南大学机械工程学院253 3、采用、采用PIPI调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统图图8.47 采用采用PI调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统1）稳态抗扰误差分析：通过利用结构动态图的运算法则，比较了比例调节器、积分调节器和比例积分调节器的输出量 （转速变化量） 和扰动输入量 （电流变化量）之间的关系，可知8.3

15、.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统+东南大学机械工程学院263 3、采用、采用PIPI调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭环无静差调速系统1）稳态抗扰误差分析：通过利用结构动态图的运算法则，比较了比例调节器、积分调节器和比例积分调节器的输出量 （转速变化量） 和扰动输入量 （电流变化量）之间的关系，可知8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统比例调节器是有静差的，而积分调节器和比例积分调比例调节器是有静差的，而积分调节器和比例积分调节器是无静差的。节器是无静差的。分析表明：只要调节器上有积分成分，系统就是无静分析表明：只要调节器上有积分成分，系统就是

16、无静差的。差的。即：只要在控制系统的前向通道上的即：只要在控制系统的前向通道上的扰动作用点以前扰动作用点以前有积分环节，当这个扰动为突加阶跃扰动时，它便有积分环节，当这个扰动为突加阶跃扰动时，它便不会引起稳态误差不会引起稳态误差。如果积分环节出现在。如果积分环节出现在扰动作用扰动作用点以后点以后，对消除静差，对消除静差是无能为力是无能为力的。的。东南大学机械工程学院272 2）动态速降：即动态时误差的变化，直到稳态时消失。）动态速降：即动态时误差的变化，直到稳态时消失。8.3.4 单闭环无静差直流调速系统单闭环无静差直流调速系统3 3、采用、采用PIPI调节器的单闭环无静差调速系统调节器的单闭

17、环无静差调速系统东南大学机械工程学院28图图8.49负载变化时负载变化时PI调节器的调节过程调节器的调节过程负载变化的过程负载变化的过程速度变化的过程速度变化的过程输出电压变化量变化的过程输出电压变化量变化的过程晶闸管输出电压变化的过程晶闸管输出电压变化的过程图图8.49负载变化时负载变化时PI调节器的调节过程调节器的调节过程npctpUKUdtUUnctI1比例调节器输出电压：比例调节器输出电压：积分调节器输出电压积分调节器输出电压：11*nnnUUULTnnU)(ctIctpdoIdopdoUUKUUU反馈电压反馈电压图图8.49负载变化时负载变化时PI调节器的调节过程调节器的调节过程即：

18、即：不管负载如何不管负载如何变化，积分调节作用一定变化，积分调节作用一定要把负载的影响完全补偿要把负载的影响完全补偿掉，使转速回到原来的值掉，使转速回到原来的值，这就是无静差调节过程这就是无静差调节过程调节后，新电压的稳调节后，新电压的稳定值定值Udo2，不但取决于偏差，不但取决于偏差的大小，而且取决于偏差存的大小，而且取决于偏差存在的时间。在的时间。调节过程中，比例部调节过程中，比例部分主要在分主要在开始和中间开始和中间起作用，起作用，而积分部分主要在而积分部分主要在后期后期起作起作用。用。东南大学机械工程学院31图图8.49负载变化时负载变化时PI调节器的调节过程调节器的调节过程动态速降：

19、指动态动态速降：指动态过程中最大的转速降落过程中最大的转速降落注意：注意：“无静差无静差”只只是理论上的。是理论上的。 因为：积分或比例积分因为：积分或比例积分调节器在稳态时电容器两端调节器在稳态时电容器两端电压不变，相当于开路，运电压不变，相当于开路，运算器的放大系数理论上为无算器的放大系数理论上为无穷大才能达到输入偏差电压穷大才能达到输入偏差电压为零，输出电压为任意所需为零，输出电压为任意所需值。而值。而运算器的放大系数是运算器的放大系数是有限的有限的。maxn东南大学机械工程学院328.3.5 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈1、问题的提出：A

20、、转速负反馈的单闭环调速系统中，开始启动时，转速为零，Un=00*nnnnUUUU几乎是稳态工作时的(1+k)倍，对电动机不利。B、某些生产机械（挖掘机等）的电动机堵转，转速为零，如无限流措施，电机会烧坏。仅靠电流继电器或快速熔断器也不行（堵转是经常性的）。必须引入自动控制电流的环节，保持电流不变，即电流负反馈东南大学机械工程学院33而电流负反馈的引入会使静特性变软，不能满而电流负反馈的引入会使静特性变软，不能满足调速系统的要求，所以：电流负反馈只能在足调速系统的要求，所以：电流负反馈只能在启动启动和堵转和堵转时时有效有效，而在，而在正常工作正常工作时时无效无效，这种当电流，这种当电流大到一定

21、程度时才起作用的电流负反馈称为电流截大到一定程度时才起作用的电流负反馈称为电流截止负反馈。止负反馈。必须引入自动控制电流的环节，保持电流不变，即电流负反馈1、问题的提出：8.3.5 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈东南大学机械工程学院342 2、电流负反馈截止环节、电流负反馈截止环节图图8.50电流负反馈截止环节电流负反馈截止环节利用独立电源作比较电压利用独立电源作比较电压利用稳压管作比较电压利用稳压管作比较电压8.3.5 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈东南大学机械工程学院353 3、带电流截止负反馈的单

22、闭环转速负反馈调速系统、带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统图图8.51带电流截止负反馈的单闭环调速系统带电流截止负反馈的单闭环调速系统稳压管的击稳压管的击穿电压穿电压Ubr电流检测装置电流检测装置电流与电流与Id成正比成正比截止电流截止电流为为 Idcr反馈系数为反馈系数为/brdcrbrdcrUIUI8.3.5 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈东南大学机械工程学院360brdUIbrdiUIU图图8.52电流截止负反馈环节的输入输出特性电流截止负反馈环节的输入输出特性0brdUIbrdcrUI/brdUI /brdUI 3 3、带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统、带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统8.3.5 单闭环调速系统的限流保护单闭环调速系统的限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈东南大学机械工程学院37dc