直流电动机V-M不可逆调速系统详述

第2章直流电动机V-M不可逆调速系统

2.1直流调速系统概述直流调速系统优缺点：缺点——带有机械换向装置，即有换向器和电刷，运行时会产生火化和电磁干扰，电刷易磨损需维护、更换。

1)直流调速系统仍有应用；2）直流电机各参数、变量之间关系几乎都是简单明了线性函数关系，数学模型较为简单、准确，控制系统在理论上和实践上都比较成熟、经典，是拖动控制基础。优点——调速性能好、控制性能好、起制动性能好；学习直流调速系统理由：直流电动机V-M不可逆调速系统详述第1页2.1.1直流调速系统类型1．直流调速系统主导调速方法

(1)改变电枢回路电阻——电枢回路串电阻调速；自控系统不用(2)调整电抠供电电压——变压调速；主导调速方法

(3)减弱励磁磁通——------弱磁调速。辅助调速方法

2．直流调速系统主电路——可调压直流电源惯用有：

(1)G-M系统(发电机-电动机系统)(2)V-M系统(可控整流器-电动机系统)(3)直流脉宽调制（PWM）系统(斩波器-电动机系统)3．直流调速系统控制方式主电路组成不一样，控制方法不一样：移相控制、PWM控制等闭环控制方式开环控制

闭环控制单闭环速度环双闭环速度环和电流环多环控制加位置环等

电机调速系统中通常为：4．工作象限a）单象限运行b)电压可反向二象限运行c)电流可反向二象限运行直流电动机V-M不可逆调速系统详述第2页2.1.2G-M系统系统原理图控制原理、控制思绪制动时能量传递关系工作原理工作象限优点：特征好，平稳系统原理图50年代曾广泛地使用，当前仍有应用缺点：设备多、体积大、费用高、效率低机械特征直流电动机V-M不可逆调速系统详述第3页2.1.3V-M系统系统组成控制思绪制动时能量传递关系控制原理工作象限优点：静止装置、经济、可靠触发装置GT缺点：功率因数低、对电网谐波污染

V-M系统是70～90年代直流调速系统主要形式直流电动机V-M不可逆调速系统详述第4页2.1.4直流脉宽调制（PWM）系统a）原理电路图b）斩波器输出电压波形原理电路图制动时能量传递关系工作象限优缺点a)单管电路b)双管电路c)双管电路d)H型桥式电路控制思绪控制原理直流电动机V-M不可逆调速系统详述第5页2.2V-M系统机械特征2.2.1电流连续时机械特征1．可控整流装置输出电压mUmUd0m单相桥式20.9U2三相半波31.17U2三相桥式62.34U2不计换流时计及LC换流及内阻影响时2．电压平衡方程式等效电路直流电动机V-M不可逆调速系统详述第6页3．V-M系统电流连续时机械特征机械特征方程式为：理想空载转速n0，控制角增大时n0下降控制角改变时斜率不变，为：∵是一组平行下移直线记作：直流电动机V-M不可逆调速系统详述第7页2.2.2电流断续时机械特征以三相半波整流电路为例1．理想空载转速：输出电压峰值相同，有同一个实际理想空载转速

2．电流断续时机械特征曲线斜率3．电流断续区域范围4．电流断续时机械特征曲线与电抗器电感量大小相关工程上普通取时，伴随电流减小，回路等效电阻增大，斜率增大电流连续时电流断续时：输出电压峰值随α增大而下降，空载转速下降直流电动机V-M不可逆调速系统详述第8页2.3开环V-M调速系统及调速指标2.3.1开环V-M调速系统系统最终控制对象是电动机转轴上转速n。该电力拖动系统是一个开环控制调速系统。1．系统原理图“”符号含意

同时移相触发电路GT直流电动机V-M不可逆调速系统详述第9页

2．稳态结构图

稳态结构图——表明自动控制系统在稳态运行时，其各个步骤之间输入量与输出量之间数学关系结构框图

α在30°～120°范围内对触发装置与可控整流桥整体来说，看成是一个线性放大步骤，放大系数是。

1)求与关系

对同时移相信号为正弦波（正弦波幅值为Um）触发电路对直流电动机，稳态时有

2)求与n关系稳态结构图对同时移相信号为锯齿波触发电路（锯齿波起点幅值-Um，终点幅值Um，宽度为180°）直流电动机V-M不可逆调速系统详述第10页2.3.2调速系统稳态指标1．对调速系统要求(1)调速(2)稳速(3)加、减速2．调速系统稳态指标(1)调速范围D(2)静差率S额定转矩下提供最高、最低转速当系统在某一给定转速下运行时，负载由空载增加到额定负载时所对应转速降落与该给定转速下理想空载转速n0之比，称作静差率S

开环V-M系统机械特征机械特征曲线平行时，假如低速时静差率能满足要求，则高速时静差率自然就满足要求了。故静差率可表示成：静差率是用来衡量调速系统在负载改变时转速稳定度。机械特征越硬则静差率越小，转速稳定度就越高。

直流电动机V-M不可逆调速系统详述第11页3．调速范围与静差率关系调速范围D、静差率S和转速降，三者之间关系式为：

显然，当系统机械特征硬度一定，即一定时，若对静差率要求越高（S值越小），则允许调速范围就越小。

比如，某一开环V-M调速系统，额定转速nN=1000r/min，额定负载下稳态速降△nN＝50r/min，当要求静差率S=0.33时，允许调速范围为：假如要求S=0.1，则调速范围只有：4．开环V-M调速系统主要问题无法克服缺点——转速波动大、调速范围小。远远不能满足生产实际要求。原因：当S与D都一定时，要满足要求唯一路径是降低△nN

，但对已制成系统是无法减小，对新设计系统也极难到达能大幅度降低要求。处理方法：闭环控制调速系统。直流电动机V-M不可逆调速系统详述第12页2.4单闭环V-M调速系统及静特征2.4.1有静差转速单闭环V-M调速系统1．系统原理图与开环V-M系统比，增加了速度闭环控制步骤：测速装置、速度比较、速度调整器。测速装置：直流测速发电机

TG，输出电压与转速n成正比，转速反馈值Un速度比较。（Un*定标将取决于Un定标）速度调整器ASR。调整器——对误差信号进行运算、调整（如百分比P、积分I、微分D等）单元直流电动机V-M不可逆调速系统详述第13页2．稳态结构图

速度比较步骤：

速度调整器(放大步骤)：直流电动机转速：晶闸管触发装置与可控整流桥：测速发电机：各步骤稳态关系以下：稳态结构图系统原理图直流电动机V-M不可逆调速系统详述第14页2.4.2闭环V-M系统静特征静特征方程：

——电动机转速与电动机电流（或转矩）之间关系。1．静特征（可了解为闭环系统机械特征）式中，2．开环系统与闭环系统比较

开环系统（OP）：

闭环系统（CL）：

空载转速n0、负载Ia相同情况下，有

闭环系统加载后转速降只是开环系统1/(1+K)只要把KP取得足够大，使K很大，就能够使△nCL

非常小,静差率S大大减小同一静差要求下大大提升了系统调速范围D

稳态结构图直流电动机V-M不可逆调速系统详述第15页开环系统机械特征与闭环系统静特征比较闭环系统静特征和开环机械特征关系

只有放大步骤转速闭环系统稳态转速降只能减小而不能消除.为

“有静差”调速系统。2．开环系统与闭环系统比较(续）闭环系统能降低稳态速降决不是闭环后电枢回路电阻能自动减小，而是在于它自动调整作用。稳态结构图直流电动机V-M不可逆调速系统详述第16页3．扰动对系统影响引发电机转速改变原因：

1）负载改变2）交流电源电压波动

5）温升引发系统参数改变3）电动机励磁改变

4）放大器放大系统漂移

在转速闭环系统中，负载扰动及前向通道扰动最终都要影响转速改变而被测速装置检测出来，再经过反馈控制来减小它们对转速影响。都能被有效地加以抑制。不过对于转速给定步骤及转速检测步骤本身误差所引发转速偏差，反馈调整则无能为力。自动调速系统给定作用与扰动作用从稳态精度来看，K值越大越好，然而，从后面对动态稳定性分析中可知，K值不能随意增大。直流电动机V-M不可逆调速系统详述第17页名

称百分比（P）积分（I）百分比积分（PI）积分百分比（IP）2.5单闭环V-M调速系统动态分析调速系统进行动态分析方法及步骤：

1）推导出调速系统各步骤微分方程和传递函数2）建立系统动态数学模型，得到系统动态结构图3）进行稳定性分析4）动态性能分析

2.5.1闭环V-M调速系统各步骤动态数学模型1．几个惯用步骤传递函数电路图阶跃响应传递函数直流电动机V-M不可逆调速系统详述第18页百分比积分（PI）电路图阶跃响应传递函数垂直线段a——百分比斜线段b——积分水平直线段c——饱和式中，直流电动机V-M不可逆调速系统详述第19页2．晶闸管触发和整流装置传递函数把触发电路GT和可控整流桥V合并，看成一个步骤来对待输入量Uct输出量Udo

是一个放大系数为Ks纯滞后放大步骤，滞后是由装置失控时间引发。触发装置两个触发脉冲间隔时间是1/(mf)秒，m——脉波数，f——电源频率。设滞后时间是Ts秒，则Ts是一个从0至1/(mf)之间一个随机值。

原因是…，取其统计平均值，有：电路形式单相半波单相桥式三相半波三相桥式一周内脉波数m1236延时时间TS/ms1053.331.67整流装置传递函数为b）近似a）准确直流电动机V-M不可逆调速系统详述第20页3．直流电动机传递函数假定：1）励磁为额定，且保持不变。Ea=Cen，T=CTIa；2）电动机本身运动阻力，都归并到TL中去。TL=CTIaL；3）主电路电流连续。

在此假定条件下，直流电动机电势微分方程和运动微分方程为：整理得：机电时间常数电磁时间常数上式两侧进行拉氏变换得：整理成输出比输入传递函数形式：直流电动机V-M不可逆调速系统详述第21页对两个等式分别画出它们动态结构图，并考虑到n=Ea/Ce，即可得到额定励磁下直流电动机动态结构图：输入量：理想空载电压Udo（控制输入量）

，负载电流IaL（扰动输入量）。输出量：转速n

利用右图动态结构图等效变换方法，消去Ea(s)、Ia(s)变量，可得到直流电动机动态结构图。（见下页）a)综合节点前移

b)反馈连接合并直流电动机V-M不可逆调速系统详述第22页a)变换后形式b)IaL=0时简化形式直流电动机动态结构图等效变换后得此图因为没有内部反馈步骤，在分析单闭环系统时将带来许多方便。此图把电枢电流Ia显露出来了，在电流闭环系统中得到应用。直流电动机V-M不可逆调速系统详述第23页2.5.2单闭环V-M调速系统动态结构图带百分比放大器速度单闭环V-M调速系统是一个三阶线性系统。系统开环传递函数为：设IaL=0，从给定输入作用上看，该系统闭环传递函数为：把各单元组合起来，得到单闭环V-M调速系统动态结构图：直流电动机V-M不可逆调速系统详述第24页2.5.3稳定条件大于零条件显然满足稳定条件就是，即把系统闭环传递函数式分母写成普通表示式并令其等于零，可得到单闭环调速系统特征方程为：依据三阶系统劳斯-古尔维茨判据，系统稳定充分必要条件是：整理后得系统稳定充要条件是：K超出此值，系统将不稳定静特征分析中，为了减小静差、扩大调速范围，希望K值越大越好。从动态稳定性来看，把K值取得过大会造成系统不稳定。

要求是矛盾处理方法：增加校正步骤，普通把P调整器改为PI调整器或PID调整器。直流电动机V-M不可逆调速系统详述第25页2.6无静差单闭环V-M调速系统2.6.1无静差单闭环V-M调速系统1．系统原理图在有静差系统基础上，在前向通道串入一个积分步骤百分比放大步骤与积分步骤可合并使用同一个运算放大器与有静差系统比较仅仅增加了一个电容C1速度调整器ASR由原来P调整器改成了PI调整器直流电动机V-M不可逆调速系统详述第26页2．稳态结构图发生阶跃改变后，Uct响应是“先百分比，后积分，再饱和”动态改变过程只要△Un

不等于零，则稳态时，ASR输出Uct必定是运放正(或负)饱和限幅值在ASR积分过程中某一时刻=0而进入稳态，则运放将停顿积分ASR输入与输出信号之间是无法用一个确切数学关系来描述，也无法画出它输入输出特征曲线，普通用其阶跃响应曲线来表示，百分比积分步骤输入与输出之间关系是一个动态调整过程

有静差系统无静差系统PI调整器阶跃响应直流电动机V-M不可逆调速系统详述第27页3．动态结构图各个步骤传递函数按前面推导得到有静差系统无静差系统直流电动机V-M不可逆调速系统详述第28页1．数学分析2.6.2稳态抗扰分析

依据系统动态结构图，当=0时，系统输入就只有扰动量IaL，这时输出量即为负载扰动引发转速偏差，可将动态结构图改画成右图C

依据结构图等效变换原理，得整理得稳态转速偏差为结论：1）百分比积分控制系统是无静差调速系统2）静特征是一组平行水平直线直流电动机V-M不可逆调速系统详述第29页2．调整过程以突加负载为例来分析t1前，原稳态。t1时，突加负载，TL1→TL2。t1～t3，调整过程。t1后，转速下降，△n增加，PI调整器输出增加，如曲线3，电机电流增大、转矩增大。曲线3（调整器输出）＝曲线1（百分比部分）＋曲线2（积分部分）t2时，T＝TL2，△n为最大。t3时，T＝TL2，△n＝0，抵达新稳态。t2后，因△n≠0，Uct继续增加，T>TL2，转速回升。

稳态时，反馈电容相当于断路，其放大系数即为运放开环放大系数，数值很大（在105以上），使系统稳态误差大大减小。

动态时，反馈电容则相当于短路，其放大系数KP＝R1/R0，数值不大，确保了系统稳定性。调整过程后期，积分部分起主导作用，并依靠它最终消除稳态误差。PI调整器在系统中起作用调整过程初、中期，百分比部分起主导作用，确保了系统快速响应。

突加负载时调整过程直流电动机V-M不可逆调速系统详述第30页2.6.3限流截止负反馈——会产生过流现象2．电流截止负反馈当电流大到一定程度时才起作用电流负反馈叫电流截止负反馈。带有电流截止负反馈无静差V-M调速系统a)系统原理图b)静特征以起动过程为例说明原因1．速度单闭环系统存在问题直流电动机V-M不可逆调速系统详述第31页2.6.4电流检测电路1．用采样电阻直接在直流侧采样

2．用电流互感器在交流侧采样3．用零磁通电流传感器在直流侧采样序号采样大小方向电隔离电源价格1直流侧有有无无低2交流侧有无有无中3直流侧有有有有高直流电动机V-M不可逆调速系统详述第32页3．用零磁通电流传感器在直流侧采样当时，有直流电动机V-M不可逆调速系统详述第33页2.7双闭环直流电动机V-M调速系统2.7.1转速电流双闭环V-M系统组成及原理1．系统组成转速电流双闭环V-M调速系统系统原理图a)用硬件电路表示

b)用框图表示直流电动机V-M不可逆调速系统详述第34页2.7.2稳态结构图及静特征

β是电流反馈系数稳态中若出现了电流调整器稳定在饱和，则说明控制角已经移到尽头，输出电压Udo已经抵达最大值而无法再调，整个系统处于“失控”不可调状态。2．静特征两个调整器都不饱和

转速调整器饱和。这时，转速调整器ASR输出是限幅值，系统后面部分是一个定电流控制系统。

n0～A斜线

n0～A线段下方、AB线段左方区域内是系统可调整工作区域。在该区域内系统静特征是一组水平直线。

A～B垂直线是转速调整器饱和而产生限制工作点向右界限