第1章-闭环控制的直流调速系统

第1章闭环控制的直流调速系统1.1直流调速系统用的可控直流电源1.2静止式可控整流器供电的V-M系统

1.3单闭环直流调速系统的稳态分析和设计1.4单闭环直流调速系统的动态分析1.5比例积分控制规律和无静差调速系统1.6动态校正-用PI调节器设计系统1.7电压负反馈直流调速系统2024/2/71.1.1直流电动机的调速方法

直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为：

n--转速（r/min）；U--电枢电压（V）；I--电枢电流（A）；R--电枢回路总电阻（）；--励磁磁通（Wb）；Ke--由电机结构决定的电动势常数。对应三种调速方法1.1直流调速系统用的可控直流电源2024/2/7调节电动机转速有三种方法：

调节电枢供电电压。对于一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。减弱励磁磁通。减弱磁通能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。改变电枢回路电阻。改变电阻只能有级调速。2024/2/71.1.2可控直流电源旋转变流机组。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压。---三种主要形式2024/2/71.1.3旋转变流机组供电的直流调速系统

图1：旋转变流机组供电的直流调速系统(G-M系统)原理图

励磁电流设备名称工作过程机械特性2024/2/7图2：G-M系统的机械特性

2024/2/71.2.1V-M系统

图3：晶闸管-电动机调速系统（V-M系统）原理图

晶闸管可控整流器触发装置设备名称工作过程1.2静止式可控整整流器供电的V-M系统2024/2/71.2.2V-M系统的主要问题

V—M系统本质上是带R、L、E负载的晶闸管可控整流电路，4个主要问题：1）触发脉冲相位控制；2）电流脉动及其波形的连续与断续；3）晶闸管—电动机系统的机械特性；4）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。2024/2/71）触发脉冲相位控制图4：V-M系统主电路的等效电路图

瞬时电压平衡方程式可以写成：

E--电动机反电动势(V)；id--整流电流瞬时值(A)L--主电路总电感(H)；R--主电路等效电阻()

对ud0进行积分，即得理想空载整流电压平均值Ud0。Ud02024/2/7一般的全控整流电路，当电流波形连续时，Ud0可以表示为：式中：

—触发脉冲控制角；Um—交流电源线电压峰值（V）；m—交流电源一周内整流电压脉波数。当0<

<

/2时，Ud0>0，整流状态，电功率从交流侧输送到直流侧；当

/2<

<

max时，Ud0<0，有源逆变状态，电功率反向传送。Ud02024/2/72）电流脉动及其波形的连续与断续

a.电感量大，且负载也足够大时，电流连续（脉动）b.电感量小，且负载轻时，电流断续图5：V—M系统的电流波形抑制电流脉动的主要措施：设置平波电抗器；增加整流电路相数。

2024/2/73）晶闸管—电动机系统的机械特性

当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为式中:---电机在额定磁通下的电动势系数。

图6：电流连续时V-M系统的机械特性2024/2/7当电流连续时，特性硬；当电流断续时，特性很软，呈显著的非线性。

cf.完整的V-M系统机械特性，分为电流连续区和电流断续区2024/2/74）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数

采用锯齿波触发器移相时的特性:考虑静态特性考虑动态过程2024/2/7考虑动态过程，可把晶闸管触发与整流装置看成是一个纯滞后环节。用单位阶跃函数表示滞后，则晶闸管触发与整流装置的输入-输出关系为：

按拉氏变换的位移定理，晶闸管装置的传递函数为：

考虑静态特性，求放大倍数:

简化2024/2/7为了简化，将该指数函数按台劳级数展开：考虑到

Ts

很小，可忽略高次项，则传递函数便近似成一阶惯性环节。a)准确的

b）

近似的晶闸管触发与整流装置动态结构框图

2024/2/71.3.1转速控制的要求和调速指标

对于调速系统转速控制的要求有以下三方面：调速稳速加、减速调速系统的两个稳态性能指标调速范围静差率为了进行定量的分析，针对前两项要求定义两个调速指标：调速范围和静差率。合称为调速系统的稳态性能指标。

调速范围和静差率的定义；不同转速下的静差率；静差率和机械特性硬度的关系与区别；直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系。1.3单闭环直流调速系统的稳态分析和设计2024/2/71、调速范围

生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母D表示，即

其中：nmin

和nmax

一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速。2024/2/72、静差率负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落，与理想空载转速之比，称作静差率s

，静差率用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度。或式中:

nN=n0-nN

静差率和机械特性硬度的关系：静差率与机械特性硬度的区别：2024/2/7图:不同转速下的静差率

静差率和机械特性硬度的关系：特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。

静差率与机械特性硬度的区别：对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。2024/2/73、直流变压调速系统中调速范围、

静差率和额定速降之间的关系

调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统静差率，应以最低速时所能达到的数值为准。调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。

2024/2/71.3.2开环调速系统及其存在的问题

举例:某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其额定数据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻R=0.18

，电动机电动势系数Ce=0.2V·min/r。如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个要求，系统的额定速降最多能有多少？2024/2/7解:

当电流连续时，V-M系统的额定速降为

开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为

如果要求D=20，s≤5%，则有

2024/2/71.3.3闭环调速系统的组成及其静特性

带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图如下：调速系统开环机械特性:放大器:电压比较环节:电力电子变换器测速反馈环节2024/2/7系统稳态结构框图K为开环放大系数，Ce为电动机环节放大系数，

2024/2/7闭环直流调速系统的静特性方程式：

用稳态结构图法求n2024/2/71.3.4开环系统、闭环系统静特性的关系

开环时:闭环时:在同样的负载扰动下，两者的转速降落空载转速相同时的静差率最低速静差率的要求相同时的调速范围cf.问题：为什么闭环系统能够减少稳态速降？2024/2/7闭环系统能够减少稳态速降的本质：

结论:闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。2024/2/71.3.5反馈控制规律

（闭环调速系统的三个基本性质）

1）被调量偏差控制

2）抵抗扰动,服从给定

3）系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度

NEXT2024/2/71.3.6闭环直流调速系统稳态参数的计算

sp1-1某晶闸管整流装置供电的转速负反馈单闭环有静差调速系统的调速范围是1500~150r/min，系统开环速降为80r/min，若要求静差率由10%降到5%，则系统的开环系数如何变化？sp1-2某直流调速系统，其额定数据如下：60kW，220V，305A，1000r/min，Ra=0.05，电枢回路总电阻R=0.18

，如果要求调速范围D=20，静差率s<=5%，问开环系统能否满足要求？2024/2/71.3.7限流保护—电流截止负反馈

问题的提出：起动的冲击电流——直流电动机全电压起动时，会产生很大的冲击电流。堵转电流——电动机堵转时，电流将远远超过允许值。有两类生产机械要求限制电流:一类，快速启动和制动的生产机械。另一类，经常在堵转状态下工作的生产机械，如挖土机。解决办法：引入电流截止负反馈---按照反馈原理，引入电流负反馈，保持电流不超过允许值。而且，这种办法只在启动和堵转时存在，正常运行时取消，保持静特性有较好的硬度。2024/2/7电流截止负反馈环节的工作原理：a）利用独立直流电源作比较电压b)利用稳压管产生比较电压IdRs>Ucom，二极管导通，Ui=IdRs

–Ucom，加到放大器;IdRs<Ucom，二极管截至，Ui消失；截至电流：Idcr=Ucom/Rs

电流截止负反馈环节

I/O特性2024/2/7当Id

≤

Idcr

时，电流负反馈被截止，静特性:当Id

Idcr时，引入了电流负反馈，静特性:稳态结构框图带电流截止的负反馈闭环直流调速系统的稳态结构框图2024/2/7静特性带电流截止的负反馈闭环直流调速系统的静特性电流负反馈被截止的CA段，就是闭环调速系统本身的静特性.电流负反馈起作用后，相当于图中的AB段。2024/2/71)

IdbL应小于电机允许的最大电流，一般取：

IdbL=（1.5~2）IN2)

从调速系统的稳态性能上看，希望稳态运行范围足够大，截止电流应大于电机的额定电流，一般取：

Idcr≥（1.1~1.2）IN电流截止负反馈环节参数设计练习：SP1-32024/2/7SP1-3带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环有静差调速系统，已知：最大给定电压Unm=15v。直流电机额定数据如下：30kW，220V，160A，1000r/min，Ra=0.1，电枢回路总电阻R=0.4

，Ks=40。电流检测：当主电流最大时，整定电流检测输出电压为10v。要求调速范围D=50，静差率s=10%，堵转电流Idbl≤1.5IN，截止电流Idcr≥1.2IN（1）画系统的静态结构图，写出静特性方程（2）求转速反馈系数和电流反馈系数（3）求调节器放大系数Kp（4）求稳压管的稳压值。2024/2/71.4.1单闭环直流调速系统的动态数学模型

建立系统动态数学模型的基本步骤：1）根据系统中各环节的物理规律，列出描述该环节动态过程的微分方程；2）求出各环节的传递函数；3）组成系统的动态结构图并求出系统的传递函数。如何建立单闭环直流调速系统的动态数学模型

NEXT1.4单闭环直流调速系统的动态分析2024/2/7Step1.求出各环节的传递函数

--电力电子器件的传递函数

--直流电动机的传递函数

--控制环节的传递函数

--检测环节的传递函数Step2.系统的动态结构图

--闭环调速系统的动态结构框图Step3.求出系统的传递函数

--调速系统的开环传递函数

--调速系统的闭环传递函数2024/2/7(IdL为负载电流；为电机额定励磁下的转矩系数(N·m/A))；两个方程：方程1：动态电压方程为：方程2：电机轴上的动力学方程：

：额定励磁下的感应电动势;：额定励磁下的电磁转矩，(Id为电枢电流);：包括电机空载转矩在内的负载转矩(N·m)，GD2：电力拖动系统折算到电机轴上的飞轮惯量(N·m2).求直流电动机的传递函数直流电动机等效电路如图：2024/2/7—电枢回路电磁时间常数(s);—电力拖动系统机电时间常数(s).由方程1

由方程2

a)电压电流间的结构框图b)电流电动势间的结构框图

定义下列时间常数：2024/2/7整个直流电动机的动态的结构框图动态结构图的变换和简化(两种情况）:

IdL≠

0IdL=0+2024/2/7闭环调速系统的动态结构框图带比例放大器的闭环直流调速系统可以近似看作是一个三阶线性系统.2024/2/7开环传递函数

(其中：K=Kp

Ks

/Ce

)闭环传递函数(设IdL=0)调速系统的开环传递函数2024/2/71.4.2单闭环直流调速系统的稳定条件

闭环直流调速系统的特征方程为：

稳定条件是：2024/2/7a)原理图b)阶跃输入时的输出特性c)Bode图积分调节器的传递函数为：1.5.1积分调节器

1.5比例积分控制规律和无静差调速系统2024/2/7采用积分调节器，控制电压Uc是转速偏差电压

Un的积分：

积分调节器的I/O动态过程：1.5.2转速的积分控制规律a.阶跃输入时b.负载变化时2024/2/7*有静差调速系统

*积分控制无差调速系统

比例与积分控制的比较(突加负载过程)2024/2/7令,

1.5.3比例积分控制规律

输入输出关系:PI调节器的传递函数:PI调节器2024/2/7无静差直流调速系统示例1.5.4无静差直流调速系统及其稳态参数计算2024/2/7当Id

<

Idcr时，无静差直流调速系统的稳态结构图

带电流截止的无静差直流调速系统的静特性2024/2/7稳态参数计算稳态时

Un=0，因而Un=Un*，转速反馈系数—电动机调压时的最高转速(r/min)；—相应的最高给定电压(V)。U*nmaxnmax电流截止环节的参数根据其电路和截止电流值Idcr计算出。稳态抗扰误差分析

比例控制时\积分控制时\比例积分控制时

2024/2/7电力拖动自动控制系统中，最常用的是PI调节器的串联校正系统设计工具：典型伯德图

系统设计要求：SP1-4：PI调节器动态校正1.6.1基本思路

=30°～60°GM

>6dB

1.6动态校正-用PI调节器设计系统2024/2/7SP1-4：PI调节器动态校正（静态性能指标）已知单闭环负反馈直流调速系统，其额定数据如下：2.2kW，220V，12.5A，1500r/min，Ra=1，采用V-M系统，主电路总电阻R=2.9

，主电路总电感L=40mH，Ks=75,GD2=1.5N·m2，Unm*=10V。

如果要求调速范围D=20，静差率s=5%，问：（1）该系统能否稳定运行，其临界开环系数为多少？（2）如系统不能稳定运行，对其进行动态校正。2024/2/7电压反馈信号为：Uu=γUd

1.7.1系统原理图1.7电压负反馈直流调速系统2024/2/71.7.2系统稳态结构框图静特性方程：

cf.带转速负反馈系统：

2024/2/71.加电流正反馈的电压负反馈直流调速系统原理图1.7.3电流正反馈和补偿控制规律

2024/2/7

2.稳态结构图&静特性方程电流正反馈产生电压负反馈产生2024/2/73.无静差的条件是：根据电流反馈系数的大小，可以决定补偿的强弱：全补偿，欠补偿，过补偿，

补偿控制是一种参数配合控制，一般采用欠补偿。2024/2/74.比较:补偿和反馈控制的静特性1--电压负反馈加电流正反馈，全补偿；2--电压负反馈加电流正反馈，欠