晶闸管-电动机直流传动控制系统

1、11.2 晶闸管电动机直流传动控制系统晶闸管电动机直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11.2.1 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 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，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

2、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； 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： 测速发电机测速发电机：与直流电动机：与直流电动机M同轴相连，即两者的速度相同轴相连，即两者的速度相同，测速发电机用来测量电动同，测速发电机用来测量电动机的速度，称检测元件；机的速度，称检测元件； 转换元件转换元件：将测速：将测速发电机的转速转换成发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压信号以便与给定电压进行比较。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

3、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。 触发电路：触发电路：将放大器放大后将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小。制整流电路的输出大小。整流电路整流电路：变交流：变交流电压为直流电压，电压为直流电压，输出电压大小由触输出电压大小由触发电路输出脉冲信发电路输出脉冲信号所决定，整流电号所决定，整流电路的输出为直流电路的输出为直流电动机电枢的外加电动机电枢的外加电压；压； 直流电动机：直流电动机：系系统的控制对象。统的控制对象。fgUUU 由系统的结构分析可知：由系统的结构分析可知：T9-5.SWFv 系统的

4、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;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。 fgUUU 不不变变 kU 不不变变 不不变变 dU 不不变变 n不不变变 (2) 调速（调速（Uf不变，改变不变，改变Ug的大小）的大小） gUU fgUU kU dUnnUUUUUUdkfgg 改变改变Ug的

5、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 ) nUUUUUUndkfgf 当当负负载载增增加加使使 nUUUUUUndkfgf 当当负负载载减减小小使使 当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，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

6、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 RInCRInKUaeaed 式中式中: axRRR电枢回路的总电阻；电枢回路的总电阻； xR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。 aR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发电路的放大倍数为K2 ，则：，则： kdUKU2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： )(

7、fgpPkUUKUKU 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： nKUff (2) 静特性静特性 nKU)UU(KUUKURInCUfffgpkkdaed2RInCUKaek2RInC)UU(KKaefgp2RInCnKKKUKKaefpgp22efpapCKKKRIUgKKn22则则：令令：efppGCKKKK,KKK22fofeaegGnn)K(CRI)K(CUKn 11闭环系统的静特性闭环系统的静特性2KKKpG从放大器输入端到可从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压控整流电路输出端的电压放大倍数；放大

8、倍数；2KKCKKpef闭环系统的放大倍数。闭环系统的放大倍数。 如果系统没有转速负反馈（即如果系统没有转速负反馈（即开环系统）时，则整流器的输出开环系统）时，则整流器的输出电压电压:RInCUKUKKUaegGgpd2 由此可得开环系统的机械特性由此可得开环系统的机械特性方程方程:nnICRCUKnaeegG 0开环系统的静特性开环系统的静特性 (3)分析与结论分析与结论 fofeaegGnn)K(CRI)K(CUKn 11闭环系统的静特性闭环系统的静特性nnICRCUKnaeegG 0开环系统的静特性开环系统的静特性 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:Kn

9、)K(CUKnegGf1100 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，00nnfKnI)K(CRnaef11 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： )S(nSnDNmaxe221 闭环闭环 ： D)K()S(KnSn)S(nSnDNmaxeNfmaxf11112222 结论：结论：由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能，因此，上述系统只能

10、维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。馈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

11、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。 （二）其他反馈在自动调速系统中的应用（二）其他反馈在自动调速系统中的应用 1. 电压负反馈系统电压负反馈系统 由公式由公式 aeaedIKRKUn 可知：可知： 电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作

12、为反馈量，以映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。调整转速。 (1) 电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别 反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身；反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身； 检测元件不同，前者为电位器，后者为测速发电机。检测元件不同，前者为电位器，后者为测速发电机。 (2) 工作原理工作原理 稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。 在给定电压在给定电压Ug一定时，其调整过程如下：一定时，其调整过程如下：负负载载naIfUU

13、 kU dUUIa为为时，晶闸管的输出电压时，晶闸管的输出电压设设0电压负反馈系统的特点电压负反馈系统的特点: 线路简单线路简单 稳定速度的效果并不大稳定速度的效果并不大 电动机端电压即使由于负反馈的作用电动机端电压即使由于负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电而维持不变，但是负载增加时，电动机电枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，顶多只能补偿可控整流电的等效内阻所引顶多只能补偿可控整流电的等效内阻所引起的速度降落。起的速度降落。则则 Ud=U-UAK 2. 电流正反馈与电

14、压负反馈的综合反馈系统电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统 (1) 系统特点系统特点 RP为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直接为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈；反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈； R为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大小直接反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。小直接反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。 系统的总反馈电压系统的总反馈电压 IVfUUUIVgfgUUUUUU 因为反馈电压因为反

15、馈电压UV的极性与给定电压的极性相反，故称的极性与给定电压的极性相反，故称电压负反馈电压负反馈，反馈电，反馈电压压UI的极性与给定电压的极性相同，故称的极性与给定电压的极性相同，故称电流正反馈电流正反馈。要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。 0IVfUUU (2)工作原理工作原理 稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。 在给定电压在给定电压Ug一定时，其调整过程如下：一定时，其调整过程如下：UUdUUUUUUUnnIKIVgIVa (3) 静特性静特性 aoVUUobIUUbo

16、aoobaoabfUUUUUU212RRR 令令UUao 3RIUabo2123RRURRIUUUUaboaoab 从电动机电枢回路电势平衡关系知从电动机电枢回路电势平衡关系知 )RR(IEUaa3)RR/()EU(Iaa3aaaabRRERRRURRRURRRREURRURU333321233212 上式如果满足下列条件上式如果满足下列条件033212aRRURRRURERRRURRRRRRRRRRaabaa3331233212nCRRRUeaab33时，时，当满足条件当满足条件aRRRR312系统具有转速反馈的特性。系统具有转速反馈的特性。 3. 电流截止负反馈系统电流截止负反馈系统 (1

17、) 电流截止负反馈的作用电流截止负反馈的作用 过载保护。过载保护。 电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使 随着负载电流随着负载电流的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。U 如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，这就会使电枢过流而烧如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，这就会使电枢过流而烧坏。本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器，坏。本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器，要触头断开，电动机断电方能保护，而采用电流负反馈作用为

18、保护手段，则不必要触头断开，电动机断电方能保护，而采用电流负反馈作用为保护手段，则不必切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一旦过负载去掉后，它的速度又切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一旦过负载去掉后，它的速度又会自动升起来，这样有利于生产。会自动升起来，这样有利于生产。 (2) 基本思想方法基本思想方法IO=1.35IaNIao=(23)Ian 当负载正常，电枢当负载正常，电枢电流在一定范围内（如小电流在一定范围内（如小于于1.35倍的额定电流），倍的额定电流），电流截止负反馈不起作用；电流截止负反馈不起作用； 当负载增加使电枢电流超过一定数当负载增加使电枢电流超过一定数值（如

19、额定电流的值（如额定电流的1.35倍）时，电流负反倍）时，电流负反馈开始起作用，减小电动机电枢外加电馈开始起作用，减小电动机电枢外加电压，使转速下降；压，使转速下降； 当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额定电流的定电流的23倍）时，电流负反馈足够强，它足以将倍）时，电流负反馈足够强，它足以将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。电动机停止运转，从而起到保护作用。 因为只有当电流大因为只有当电流大到一定程度反馈才起作到一定程度反馈才起作用，故称电流截止负反用，故

20、称电流截止负反馈。这种特性因它常被馈。这种特性因它常被用于挖土机上，故又称用于挖土机上，故又称“挖土机特性挖土机特性”。 （3）工作原理）工作原理 当电流小于转折点的电流时，反馈电压当电流小于转折点的电流时，反馈电压UIUb ,二极管二极管V导通，电流反馈导通，电流反馈UI与与Ub 比较比较后反馈后反馈 到输入端一起控制电动机，使其转速下降；到输入端一起控制电动机，使其转速下降； 当电流等于堵转点的电流时，电流反馈当电流等于堵转点的电流时，电流反馈UI与与Ub 比较后反馈比较后反馈 到输入端的电压能够抵消，到输入端的电压能够抵消，给定电压的大小，时电动机的转速为零，电流不再增加；给定电压的大小

21、，时电动机的转速为零，电流不再增加； 如果电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升；如果电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升； 二、无静差转速负反馈调速系统二、无静差转速负反馈调速系统 1. 比例积分（PI）调节器比例器调节器其输入输出之间的关系如下： i01oURRUtUCRtiCUd1d1io1o积分调节器其输入输出之间的关系如下：tICRIUd1111100i01/ RUIItUCRURRUd1 i10i010比例积分调节器 PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图所示。 当突加输入信号Ui时，开始瞬间电容C1

22、相当于短路，反馈回路中只有电阻R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快； 随着电容C1被充电而开始积分，U0线性增长，直到稳态。 在稳态时， C1相当于开路，放大器呈现出极大的开环放大倍数。2. 采用PI调节器的无静差调速系统 放大器采用具有比例积分调节器的调速系统为无静差调速系统。 静态时U=UgUf，调节作用停止，由于积分作用，调节器的输出电压Uk保持在某一数值上，即Ud固定，以维持电动机在给定转速下运转。由于静态时呈现出无穷大的放大倍数，系统可以消除静态误差，故称无静差调速系统。11.2.2 双闭环直流调速系统双闭环直流调速系统一、转速负反馈调速系统的特点一、转速负反馈调速系统的特点 采用采用PI调节器组成速度调节器调节器组成速度调节器ST的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调的单闭环调速系统，既能得到