电气传动及控制基础

电气传动及控制基础第一页，共三十八页，编辑于2023年，星期一第3章单闭环直流调速系统3.1闭环调速系统常用调节器3.2单闭环直流调速系统3.3带电流截止负反馈的单闭环调速系统3.4闭环调速系统的设计第二页，共三十八页，编辑于2023年，星期一3.1闭环调速系统常用调节器主要内容

1.调节器的传递函数2.常用调节器3.调节器辅助电路

第三页，共三十八页，编辑于2023年，星期一1.调节器的传递函数 运算放大器作调节器使用时,多数接成反号放线路,如图3.1所示。其中Z0为输入阻抗；Z1为反馈阻抗；Zba1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。调节器的传递函数W(s)如式(3.1)所示。图3.1运算放大器构成的调节器（3.1）3.1闭环调速系统常用调节器第四页，共三十八页，编辑于2023年，星期一1.调节器的传递函数当运算放大器的反向输入端有两个信号时，如图3.2所示。（3.2）图3.2综合多个信号的调节器原理图

3.1闭环调速系统常用调节器第五页，共三十八页，编辑于2023年，星期一当，式（3.2）可以写成1.调节器的传递函数当运算放大器的反向输入端有两个输入信号时，如图所示，由于A点的（3.3）图3.2综合多个信号的调节器

(b)结构图;(c)结构图结构图用图3.2表示，可见，运算放大器具有信号综合的作用。3.1闭环调速系统常用调节器第六页，共三十八页，编辑于2023年，星期一2.常用调节器(1)比例（P）调节器图3.3比例调节器（a）原理图；（b）阶跃响应比例调节器如图（3.3）所示，传递函数如式（3.4）所示。（3.4）3.1闭环调速系统常用调节器第七页，共三十八页，编辑于2023年，星期一2.常用调节器(2)积分（I）调节器传递函数阶跃响应图3.4积分调节器（a）原理图；（b）阶跃响应（3.5）3.1闭环调速系统常用调节器第八页，共三十八页，编辑于2023年，星期一(2)积分（I）调节器积分调节器输出响应的特点1）线性区:只要，Uex总要逐渐增长。只有当Uin=0，Uex才不增长。当Uin变号时，Uex才能减小。2）饱和时：输出达到饱和时，必须等Uin变极性时调节器才能退出饱和。

2.常用调节器3.1闭环调速系统常用调节器第九页，共三十八页，编辑于2023年，星期一(3)比例积分（PI）调节器传递函数阶跃响应

（3.6）3.1闭环调速系统常用调节器

2.常用调节器第十页，共三十八页，编辑于2023年，星期一(3)比例积分（PI）调节器当调节器达到深饱和后，必须等输入信号变号，才能使调节器退出饱和。图3.5比例积分调节器（a）原理图；（b）阶跃响应3.1闭环调速系统常用调节器

2.常用调节器第十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期一3.调节器辅助电路（1）输出限幅电路调节器在实际应用中带有输出限幅电路，以满足电气传动的某些传动,如图3.6。图3.6二极管钳位的外限幅电路和封锁电路3.1闭环调速系统常用调节器第十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期一3.调节器辅助电路(2)输入滤波电路图3.7含滤波输入的PI调节器（a）原理图；（b）结构图3.1闭环调速系统常用调节器第十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期一3.2单闭环直流调速系统主要内容

引言

1.单闭环有静差调速系统组成及静特性 2.单闭环有静差调速系统的动态特性

3.其它单闭环有静差调速系统

4.无静差调速系统及积分控制规律第十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期一引言闭环系统的引入 例3.1:某龙门刨床工作台拖动系统采用直流电机:Z2-93型、60kw、220V、305A、1000r/min，要求D=20，s≤5%。如果采用V-M系统，主回路总电阻R=0.18Ω，电机CeΦ=0.2V/（r/min）。则当电流连续时，在额定负载下的转速降为：结论：额定转速时的静差率已大大超过5﹪的要求，调速范围的低速时更不满足要求。解决方法：引入负反馈闭环控制开环系统机械特性连续段在额定转速时的晶差率为第十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期一1.单闭环有静差调速系统组成及静特性系统组成：在电机上安装一台测速发电机，从而引出与转速成正比的负反馈电压，与转速给定电压相比较后，得到偏差电压，经过放大器产生触发装置的控制电压，用以控制电机转速。这就组成了反馈控制的闭环系统，其原理图如图3.8所示。由于被调量是转速，所以称这种系统为调速系统。图3.8单闭环有静差调速系统原理图3.2单闭环直流调速系统第十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期一

图3.8中所示系统中环节的关系如下电压比较环节放大器晶闸管触发整流装置V-M系统开环机械特性测速发电机Kp——比例调节器放大系统；Ks——晶闸管触发--整流装置的放大系数；α——测速反馈系数。3.2单闭环直流调速系统第十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期一

闭环系统的静态结构如图3.9所示。由静态结构图可求得转速负反馈闭环调速的静特性方程式图3.9单闭环有静差调速系统静态结构图（3.7）3.2单闭环直流调速系统第十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期一静特性分析开环机械特性闭环静特性（3.8）（3.9）3.2单闭环直流调速系统第十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期一结论：

闭环系统的静特性比开环系统的机械特性要硬的多，对于相同的理想空载转速的开环和闭环两条特性，闭环系统静特性的静差率要小的多。由于闭环系统的静差率小，所以当要求静差率一定时，闭环系统可以大大提高调速范围，但必须增加放大器。静特性分析图3.10闭环系统静特性和开环机械特性的关系3.2单闭环直流调速系统第二十页，共三十八页，编辑于2023年，星期一例3.1中满足D=20、S5%要求时，须有：则若已知V-M系统参数为则所需放大器的放大倍数Kp为:3.2单闭环直流调速系统第二十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期一闭环系统静特性变硬分析结论：闭环系统静特性变硬的实质是闭环系统的自动调节作用。

图3.12闭环调速控制系统的给定和扰动作用图3.11闭环系统静特性和开环机械特性的关系3.2单闭环直流调速系统第二十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期一2.单闭环有静差调速系统的动态特性图3.13单闭环有静差调速系统动态结构图动态结构图如图3.13所示，它是一个三阶系统，如图可求得闭环调速系统的传递函数（3.10）3.2单闭环直流调速系统第二十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期一

闭环特征方程式系统稳定的条件计算得当整理后得静态精度和动态稳定性矛盾

（3.11）（3.12）（3.13）3.2单闭环直流调速系统第二十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期一结论：启动时电流过大单闭环有静差调速系统评价系统静特性变硬，在一定静差率要求下调速范围变宽，且系统具有良好的抗扰性能。存在两个问题：静态精度和动态稳定性之间的矛盾；启动时电流过大。单闭环启动过程分析突加给定电压时，由于电机惯性，转速不可能立即建立起来，转速反馈电压在两个仍为零，偏差电压是稳态工作值（1+K）倍。这时，由于放大器和触发整流装置的惯性都很小，整流电压会一下子达到最高值。3.2单闭环直流调速系统第二十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期一3.其它单闭环有静差调速系统图3.14电压负反馈调速系统（a）原理图；（b）静态结构图3.2单闭环直流调速系统第二十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期一图3.15带电流正反馈的电压负反馈调速系统（a）原理图；（b）静态结构图3.2单闭环直流调速系统第二十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期一4.无静差调速系统及积分控制规律图3.16无静差调速系统原理图3.2单闭环直流调速系统第二十八页，共三十八页，编辑于2023年，星期一动态特性分析图3.17无静差系统的抗扰动过程3.2单闭环直流调速系统第二十九页，共三十八页，编辑于2023年，星期一3.3带电流截止负反馈的闭环调速系统主要内容

1.电流截止负反馈的引入

2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性

3.带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程第三十页，共三十八页，编辑于2023年，星期一1.电流截止负反馈的引入引入电流截止负反馈—解决启动电流过大问题。

当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈成为电流截止负反馈。带电流截止负反馈的闭环调速系统如图所示。图3.18带电流截止负反馈的闭环调速系统3.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第三十一页，共三十八页，编辑于2023年，星期一2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性静态结构图图3.19带电流截止负反馈的闭环调速系统静态结构图3.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第三十二页，共三十八页，编辑于2023年，星期一静特性推导当Id≤Idcr时，电流负反馈截止。当Id>Idcr时，电流负反馈起作用（3.14）（3.15）3.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第三十三页，共三十八页，编辑于2023年，星期一2.带电流截止负反馈闭环调速系统静特性

临界电流Idcr

取值：大于额定电流赌转电流Idb1取值：小于最大电流图3.20带电流截止负反馈的闭环调速系统静态特性3.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第三十四页，共三十八页，编辑于2023年，星期一性能评价：带电流截止负反馈的闭环调速系统，具有一定的调速范围和稳态精度，同时又能限制启动电流和堵转工作，线路简单，调整方便，很有实用价值，但是系统的启动过程不理想。图3.21调速系统启动过程的电流和转速波形（a）带电流截止负反馈的单闭环调速系统启动过程；（b）理想快速启动过程3.带电流截止负反馈闭环调速系统启动过程3.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第三十五页，共三十八页，编辑于2023年，星期一转速、电流双闭环调速系统ASR-转速调节器;ACR-电流调节器;TG-测速发电机;TA-电流互感器;GT-触发装置;图3.22转速、电流双闭环调速系统原理图3.3带电流截止负反馈的闭环调速系统第三十六页，共三十八页，编辑于2023年，星期一已知参数：电动机：60KW、220V、305A、1000r/min、0.066，变流器：Ks=30，V—M系统电枢回路总电阻R=0.18测速发电机：23.1W、110V、0.21A、1900r/min要求：D=20、S5%解：系统稳态运行时，电流反馈不起作用，因此，先不考虑电流截止环节，求满足静特性要求的参数，即调节器参数。（1）根据要求，求系统的实际允许速降（2）根据nd求闭环系统的开环放大倍数K（3）测速反馈环节参数（4）电流截止环节设计（5）调节参数选择3.4闭环调速系统静态设计第三十七页，共三十八页，编辑于2023年，星期一复习思考题3已知参数：电动机：10KW、220V、55