第17单元晶闸管直流调速系统

第十七单元晶闸管直流调速系统第二节单闭环直流调速系统

第一节直流调速系统技术根底第三节转速、电流双闭环调速系统

第四节晶闸管-电动机可逆直流调速系统第一节直流调速系统技术根底一、直流电动机调速方案

1、直流他励电动机供电原理图图1-1直流他励电动机供电原理图

为电源空载电压；为电动机电枢电压；E为电枢电动势；R为电枢回路总电阻，n转速，单位r/min；Φ为励磁磁通；Ke为电动机结构决定的电动势系数。2.直流他励电动机转速方程式中：3、直流他励电动机的调速方法

(1)电枢回路串电阻调速特点：损耗较大、有级调速，机械特性较软。(2)弱磁调速特点：只能弱磁，调速范围小(3)变电枢电压调速特点：机械特性上下平移、可平滑地调节转速n，但只能降压调速。是主要的调速方式。

〔1〕调阻调速工作条件：保持励磁

=N

；保持电压U=UN；调节过程：增加电阻Ra

R

R

n

，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。〔2〕调压调速工作条件：保持励磁

=N；保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UN

U

U

n

，n0

调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。〔3〕调磁调速nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3调磁调速特性曲线工作条件：保持电压U=UN

；

保持电阻R=Ra；调节过程：减小励磁

N

n

，n0

调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围。

图1-2调压和调磁时的机械特性

二、直流电动机调压调速系统的主要方式常用的可控直流电源有以下三种：1、旋转变流机组2、静止可控整流器3、直流斩波器和脉宽调制变换器1、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压〔G-M系统〕。组成：由~M拖动=G→=G给=M供电→直流励磁发电机GE给=G和=M励磁。原理：调节→U改变→转速n变化。改变方向，n转向跟着改变。特点：设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。2、静止可控整流器--利用静止的可控整流器(如晶闸管可控整流器)，获得可调的直流电压。〔V-M系统〕晶闸管整流器可以是单相、三相或多相；电路形式可以是半波、全波、半控、全控等类型；通过调节触发电路的移相电压，可改变整流电压Ud，实现平滑调速。

优点:整流装置效率高、体积小、本钱低、无噪声。缺点:可逆难；过电压、过电流能力差；谐波电流大。组成：原理：3、直流斩波器和脉宽调制变换器——用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。VT工作于开关状态。VT通时，U加到M；VT断时，U与M断开，M经VD续流，两端电压接近于零。平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节，从而调节M的转速。优点:运行稳定、效率高、静动态性能好；缺点:容量不大原理：1、系统组成开环V-M系统的机械特性

2.调节原理调节→改变移相角α→改变→改变。3.开环系统机械特性晶闸管整流器可看成是一个线性的可控电压源特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。电流连续时：电流断续时：其中：为转速降，越小，机械特性的硬度越大。取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。机械特性的近似处理方法：(1)在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速。(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。三、直流调速系统主要性能指标

各种自动化生产机械或系统所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确定义。稳态性能指标：主要是要求系统能在最高和最低转速内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标就是调速系统的调速范围和静差率。动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。调速范围生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速nmax与最低转速nmin之比称为调速范围，用D表示。即：静差率调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载增加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0之比，用s表示。即：两者之间的关系是：静态主要性能指标：动态主要性能指标：1〕延迟时间td：响应曲线从零至第一次到达稳态值的50%所需要的时间。2〕上升时间tr－它有几种定义：输出响应从稳态值的10%到90%所需时间输出响应从稳态值的5%到95%所需时间输出响应从零开至第一次到稳态值所需时间一般对有振荡的系统采用c，对无振荡的系统常用a。3〕峰值时间tp：响应曲线从零至第一个峰值所需要的时间。4〕调节时间ts：响应曲线从零到达且以后不再超过稳态值的±5％或±2％误差范围所需最小时间。调节时间又称为过渡过程时间。5〕最大超调量σ％：在系统响应过程中，输出量的最大值超过稳态值的百分数，σ％表示式为式中c〔∞〕为t→∞时的输出值。6〕振荡次数N：在调节时间内，c〔t〕偏离c〔∞〕的振荡次数。五、调速系统中常用调节器①P〔比例〕控制器时域输入输出关系：传递函数：P控制器的模拟电路实现如下图：②D〔微分〕控制器时域输入输出关系：传递函数：D控制器的模拟电路实现如下图：③I〔积分〕控制器时域输入输出关系：传递函数：I控制器的模拟电路实现如下图：④PI〔比例积分〕控制器时域输入输出关系：传递函数：PI控制器的模拟电路实现如下图：⑤PD〔比例微分〕控制器时域输入输出关系：传递函数：PI控制器的模拟电路实现如下图：⑥PID〔比例积分微分〕控制器时域输入输出关系：传递函数：PID控制器的模拟电路实现如下图：常用PID控制器应用领域简析：①

P、I、D控制器一般不单独使用；②

PD调节器可提高系统的稳定性，并获得足够的快速性，但稳态精度可能受到影响；③

PI调节器可以提高稳态精度，但快速性较差；④PID调节器兼有二者的优点，可以全面提高系统的控制性能，但具体实现与调试要复杂一些；⑤一般的调速系统要求以动态稳定性和稳态精度为主，对快速性的要求可以差一些，所以主要采用PI调节器；在随动系统中，快速性是主要要求，须用PD或PID调节器。积分控制器的输入输出关系的特点总结时域输入输出关系：传递函数：I控制器的模拟电路实现如下图：结论积分调节器的输出是输入累积的结果，当输入为零后，输出并不为零。积分直流调速系统的启动分析结论积分直流调速系统可以实现无静差调速积分直流调速系统的扰动分析结论受反响环包围的扰动影响时，积分直流调速系统也可以实现无静差调速比例积分控制器的输入输出关系的特点总结结论积分调节器的输出是输入累积与输入当前值的和，当输入为零后，输出并不为零。时域输入输出关系：传递函数：PI控制器的模拟电路实现如下图：比例积分直流调速系统分析结论①积分局部消除静差②比例局部加快响应③

确定调节器的参数是关键六、调速系统中常用的电平检测器(P27)一、系统的组成及静特性

(1)原理框图

1、系统的组成第二节单闭环直流调速系统转速负反响晶闸管直流调速系统的组成比较环节+比例调节器给定电位器测速电机触发电路电源及晶闸管电路电动机电流载止比较电路(a)给定环节——产生控制信号：由高精度直流稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。(b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、PI运放器组成(2)各环节介绍(d)速度检测环节：测速机反馈线路求出(反馈系数);单位(c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大GT：单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器;整流装置：单相、三相、半控、全控.

(e)直流电动机环节直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回路，另一个是励磁回路。

动态关系：

稳态关系：

（2）对负载波动等扰动信号的调节——稳速过程：

n基本不受负载波动等扰动输入的影响（1）对给定信号的调节——调速过程：改变,则n改变

例如：2、系统的自动调节过程3、闭环系统的机械特性(1)闭环系统机械特性的定性分析

(2)闭环系统的机械特性的定量分析

①系统结构图

②系统中各环节的稳态输入输出关系如下：

电压比较环节

放大器

晶闸管整流器及触发装置

V-M系统开环机械特性

转速检测环节

③单闭环转速负反响调速系统的稳态结构图由系统稳态结构图得到系统的静特性方程为为闭环系统的开环放大系数为闭环系统的理想空载转速为闭环系统的稳态速降。式中：三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较1、开环系统的机械特性

断开转速反馈回路（令，则K=0）则得开环机械特性为：2、闭环系统的静特性：(1)闭环静特性比开环机械特性硬得多。在同样的负载下，两者的稳态速降分别为：关系是

(2)闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为当

时

比较后得出结论：如果电机的最高速都是nnom，且对最低速的静差率要求相同，

(4)闭环系统必须设置放大器。(3)当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可大大提高。

闭环时

所以

则开环时闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性，且闭环系统的开环放大系数越大，静特性就越硬，在保证一定静差率要求下其调速范围越大，但必须增设转速检测与反响环节和放大器。结论第三节转速、电流双闭环调速系统

电流截止负反响只能在整个启动过程中限制最大电流，而不能维持最大电流，影响启动快速性〔即启动时间ts较长〕。一、问题的提出二、解决问题的措施——实现理想的启动1、理想启动过程理想启动波形如以下图示，整个启动过程中，启动电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速以直线规律上升；启动结束后，电流从最大值下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。〔2〕稳态运行时，转速负反响外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。2、实现理想启动过程的方法采用转速电流双闭环负反响调速系统。〔1〕启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速到达给定值；三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理转速、电流双闭环直流调速系统原理图。〔一〕系统的组成ASR输出限幅值为U*im，它决定了主回路中的最大允许电流Idm。1、设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。2、ACR和电流检测-反响回路构成了电流环，电流环为内环〔副环〕；ASR和转速检测-反响环节构成了转速环，转速环为外环〔又称主环〕。ASR和ACR均为PI调节器，其输入输出设有限幅电路。ACR输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压Udm的最大值。〔二〕系统的工作原理双闭环调速系统的稳态结构图。

1、以ACR为核心的电流环——作用是稳定电流稳态时，ΔUi=-U*i+Ui=-U*i+βId=0，即Id=U*i/β。其中β为电流反响系数。当U*i一定时，由于电流负反响的作用，使输出电流保持在U*i/β数值上。当Id>U*i/β时，调节过程如下：最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。

2.以ASR为核心的转速环——作用是稳定转速。稳态时，ΔUn=U*n-αn=0，即n=U*n/α。其中α为转速反馈系数。当U*n一定时，转速n将稳定在U*n/α数值上。当n<U*n/α时，其自动调节过程如下：最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。双闭环系统的静特性具有近似理想的“挖土机特性〞〔见图中实线〕四、双闭环调速系统的静特性及稳态参数计算1、双闭环调速系统的静特性

启动时，突加阶跃U*n，ASR饱和，输出限幅值U*im且不变，转速环相当于开环。电流负反响起恒流调节作用，转速线性上升，获得极好的下垂特性，如图中的AB段虚线。当转速到达给定值且略有超调时，ASR退饱和，转速负反响起调节作用，使转速保持恒定，即n=U*n/α保持不变。见图中n0-A段虚线。2、双闭环调速系统的稳态工作点和稳态参数计算

当ASR和ACR都不饱和且系统处于稳态时，各变量间的关系为转速反馈系数

电流反馈系数

其中U*nm和

U*im是最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压。〔二〕双闭环调速系统的起动特性启动特性如下图。动态响应分为三个阶段。1、启动过程的第一阶段〔电流上升〕原因：启动时，最大，ASR的输出很快达到限幅值。此时，作为电流环的给定电压，其输出电流迅速上升，当时，开始上升，由于ACR的调节作用，很快使。标志电流上升过程结束。状态：ASR到达饱和状态，不再起调节作用。因，Ui比Un增长快，ACR不饱和，起主要调节作用。特征关系：为电流闭环的整定依据关键位置：A：

时，n开始升速；时，快速启动。

B:

2、启动过程的第二阶段〔恒流升速〕原因：随着转速上升，电流将从Idm回落。但由于ACR的无静差调节作用，使，即电流保持最大值Idm。转速线性上升，接近理想的启动过程。状态：ASR保持饱和，ACR保持线性调节状态。

特征关系：

，Uct线性上升。

关键位置：C:

状态：ASR退出饱和，速度环开始调节，n跟随变化；ACR保持在不饱和状态，Id紧密跟随变化3、启动过程的第三阶段（转速趋于稳定）

原因：当转速上升到时，。但此时电枢电流仍保持最大值，电动机转速继续上升，从而出现了转速超调现象。当转速n大于时，，ASR退出饱和。经ASR的调节，最终使n保持在n*的数值上。而ACR调节使dLdII=特征关系：稳态时，调节器输入/输出电压：

关键位置：D：n为峰值；E：

稳态。

可以看出：ASR在电动机启动过程的第一阶段由不饱和到饱和、第二阶段处于饱和状态、第三阶段从退饱和到线性调节状态；而ACR始终处于线性调节状态。

五、双闭环调速系统中两个调节器的作用（一）ACR的作用：1、起电流调节作用。（1）启动时，在ASR的饱和作用下，经ACR调节，使电枢电流保持允许的最大值Idm，加快过渡过程，实现快速起动。（2）通过设置ASR的饱和限幅值，依靠ACR的调节作用，可限制最大电枢电流，2、当电网波动时，通过ACR的调节，使电网电压的波动几乎不对转速产生影响。3、在电机过载甚至堵转时，一方面限制过大的电流，起到快速保护作用；另一方面，使转速迅速下降，实现了“挖土机〞特性。（二）转速调节器的作用：1、起转速调节作用。（1）使转速n跟随给定电压变化。（2）稳态运行时，稳定转速。使转速保持在的数值上，无静差。2、在负载变化〔或各环节产生扰动〕而使转速出现偏差时，靠ASR的调节作用来消除转速偏差，保持转速恒定。3、ASR的输出限幅值决定了系统允许的最大电流，作用于ACR，以获得较快的动态响应。六、双环调速系统动态性能的改进——转速微分负反响双环系统有转速超调，且抗扰性能也有限制。在ASR上引入转速微分负反响，可抑制超调、降低动态速降，提高抗扰性能。电路上增加了电容Cdn和电阻Rdn，在转速负反响的根底上叠加上一个转速微分负反响。只要有转速超调和动态速降的趋势，微分负反响就开始进行调节。第四节晶闸管-电动机可逆直流调速系统一、可逆运行及可逆电路可逆运行→电磁转矩可逆→电磁转矩可逆，而转矩方向由磁场方向和电枢电压的极性共同决定。〔1〕电枢可逆调速系统：励磁磁场方向不变，改变电枢电压极性实现可逆运行；〔2〕磁场可逆调速系统：电枢电压极性不变，改变励磁电流方向实现可逆运行。与此对应，V-M系统的可逆电路有两种方式：〔1〕电枢反接可逆电路；〔2〕励磁反接可逆电路。〔一〕电枢反接可逆电路

1、两组晶闸管装置供电的可逆电路1〕当正组晶闸管装置VF向电动机供电时，提供正向电枢电流Id，电动机正转；2〕当反组晶闸管装置VR向电动机供电时，提供反向电枢电流-Id，电动机反转。图1-38电枢反接两套晶闸管反并联可逆线路2、两组晶闸管装置供电的可逆线路的两种形式：1〕反并联：两组晶闸管由同一个交流电源供电，且要有四个限制环流的电抗器；〔a〕反并联可逆线路〔2〕交叉连接：两组晶闸管由两个独立的交流电源供电，只要两个限制环流的电抗器〔两台整流变压器或一台整流变压器的两个二次绕组〕。

〔b〕交叉连接可逆线路电枢可逆线路的特点是：切换速度快、控制灵活。是可逆系统的主要型式。在要求频繁、快速正反转的可逆系统中得到广泛应用。〔二〕励磁反接可逆电路

电枢用一组晶闸管供电并调速，而励磁绕组由两组晶闸管反并联供电，可采用反并联或交叉连接来改变励磁电流的方向。特点是：励磁反接所需的晶闸管容量小，但励磁反向过程慢。主要适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统，例如卷扬机、电力机车等。

〔a〕电枢电路〔b〕励磁反接可逆线路图1-40两组晶闸管供电的励磁反接可逆线路二、两组晶闸管电枢可逆电路的正向电动、回馈制动和反向电动运行〔一〕电动机的运行状态：1、正向电动：电磁转矩方向与转速方向相同，转速为正；2、回馈制动：电磁转矩的方向与转速方向相反，电机将动能转换为电能输出且将其回送给电网；3、反向电动：电磁转矩方向与转速方向相同，转速方向