1、第第6章章 直流调速控制系统直流调速控制系统 本章主要介绍转速单闭环负反馈直流调速系统和转速、电流双闭环直流调速系统的结构组成、控制原理和性能分析。6.1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统6.2 电流、转速双闭环直流调速系统电流、转速双闭环直流调速系统6.1 单闭环直流调速系统单闭环直流调速系统6.1.16.1.1直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念直流电动机的转速方程式 调节直流电动机转速有三种方法，一是改变电枢供电电压U调速,即在额定转速以下改变电枢电压调速。二是改变励磁磁通调速，即额定状态下减小磁通，电机升速。三是改变电枢回路电阻R调速，即电枢回路串接不同值的电阻，获得不同的
2、电机转速。6.1.26.1.2直流调速系统的主要性能指标直流调速系统的主要性能指标 所有的可控生产设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如，在机械加工工业中，精密机床要求的加工精度达百分之几毫米；重型铣床的进给机构需要在很宽的范围内调速，其最高进给速度可达600 mm/min，而精加工时最低进给速度只有2 mm/min；又如，巨型轧钢设备，需要轧钢机的轧辊在不到一秒的时间内就得完成从正转到反转的全部过程，而且操作频繁；轧制板材的轧钢机的定位系统，其定位精度要求不大于0.01mm。再如，高速造纸机，抄纸速度可达到1000m/min，要求稳速误差小于0.01%。这些例子说明直流调速系统的生产
3、设备对直流电动机在稳定性、调速的快速性和准确性方面都提出具体的较严格的要求。1.稳态性能指标稳态性能指标 直流调速系统的稳态性能指标有调速范围和静差率。调速范围是指电动机在额定负载下，运行的最高转速与最低转速之比，用D表示，即 电力拖动系统可分为：调速范围小的系统，一般指D3；调速范围中等的系统，一般指3D50；调速范围宽的系统，一般指D50。现代电力拖动控制系统的调速范围可以做到D10000。静差率是指当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定负载所引起的转速降落与理想空载转速之比，用表示，即或用百分数表示为 一般所说静差率的要求是指系统最低速时能达到的静差率指标。所规定的调速范围，
4、是指在最低速时满足静差率要求下所能达到的最大范围。静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转速变化的程度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的变化程度越小，稳定度越高。2.动态指标动态指标 电力拖动控制系统在动态过程中的性能指标称做动态指标。动态性能指标分跟随性能指标和抗扰性能指标。其中跟随性能指标具体包括上升时间超调量 调节时间等，抗扰性能指标具体包括动态速降恢复时间图6-1 系统抗扰动态过程示意图 最大动态降落是指系统稳定运行时，突加一定数值的阶跃扰动（例如额定负载扰动）后引起的输出量的最大降落 最大动态降落常用百分数表示，即 调速系统突加负载扰动时的动态降落称为动态速降，用
5、表示。表示从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到原稳态值的5%（或2%）范围之内所需的时间，定义为恢复时间，用表示。恢复时间 一般来说，对于调速系统，其动态指标以抗扰性能为主，跟随性能为次。6.1.3 6.1.3 转速单闭环直流调速系统的组成结构和控制原理转速单闭环直流调速系统的组成结构和控制原理1.组成结构组成结构图6-2 转速负反馈调速系统原理框图2.2.控制原理控制原理 通过检测环节（测速发电机TG和电阻RP2）实时检测电机转速，并转换成与转速成正比的负反馈电压Ufn，与转速给定电压Ugn比较后，得到偏差电压Un，经放大器放大后产生触发器CF的控制电压Uc，用以控制电动机的转速。根据反馈控制
6、理论，闭环反馈控制系统是按被控量的偏差进行控制的系统，只要被控量出现偏差，它就会自动调节以减小这一偏差。具体的调节过程是：负载加重导致电机转速瞬间下降，反馈电压也按比例减小，而给定电压不变，这样偏差电压增大，放大器的输出即控制电压 也增大，晶闸管整流电路的导通时间增加，使得整流输出后加在电动机电枢回路上的电压 增大，电枢电流 和电磁转矩都得以加强，从而使电机转速回升。如图6-3所示。负载减小时，单闭环控制系统自动调节转速的过程正好相反，如图6-4所示。图6-3负载增大时的调速过程图6-4负载减小时的调速过程6.1.4 6.1.4 转速单闭环直流调速系统的性能分析转速单闭环直流调速系统的性能分析
7、1.静态指标静态指标系统中各环节的稳态输入输出关系如下。电压比较环节：运算放大器：晶闸管整流器及触发装置：UM系统的开环机械特性：转速检测环节：图6-5 转速负反馈单闭环调速系统的稳态框图化简结构图，可得到系统的静特性方程式为式中，K=KpKs /Ce，为闭环系统的开环放大系数，它是系统中各个环节单独放大系数的乘积；为闭环系统的理想空载转速；为闭环系统的稳态速降。6.1.5 6.1.5 转速单闭环系统静特性的优点转速单闭环系统静特性的优点如果将闭环系统的反馈回路断开，即令，则系统就变成了开环系统，其机械特性方程式为式中，和分别表示开环系统的理想空载转速和稳态速降。闭环系统的静特性与开环系统的机
8、械特性相比，有如下优点。（1）闭环系统的静特性比开环系统机械特性硬得多。（2）闭环系统的静差率比开环系统的小得多。当=时，则有（3）当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高。如果电动机的最高转速都是，且对最低转速静差率的要求相同，则有开环系统：闭环系统：综合分析闭环系统的上述三条优越性能，不难看出闭环系统必须设置放大器，而且开环放大系数K=KpKs /Ce值要足够大。实际上，无论是开环系统还是闭环系统，给定电压Ugn和触发装置的控制电压Uc都是属于同一数量级的电压。在开环系统中，Ugn直接作为Uc来控制，因而不须设置放大器；而在闭环系统中，引入转速反馈电压Ufn后，若要使转速偏差小
9、，Un=Ugn-Ufn就必须压得很低，甚至低到使触发整流装置不能正常工作的程度,所以必须设置放大器，才能获得足够的控制电压Uc。3.转速转速单闭环控制电路的特点单闭环控制电路的特点（1）采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的。（2）被调量紧紧跟随给定量的变化。电动机转速能在一定范围内调节，被控量（转速）仅跟随给定信号而变化。（3）对包围在闭环中前向通路上的各种扰动有较强的抑制作用。当系统给定电压不变时，该控制系统对被包围在系统前向通道上的各种扰动都有抑制作用。如放大器的增益、交流电源电压波动、负载变化，被控电动机磁场变动等干扰因素引起的转速变化有抑制能力。如图6-6所示。图6-6 反馈控制系统
10、给定作用与扰动作用（4）反馈控制系统对给定信号和检测装置所产生的扰动无法抑制。由图6-6可以看出，给定电压的细微变化，都会引起转速的变化，而不受反馈的抑制。如果给定电源发生了不应有的波动，则转速也随之变化。此外，对反馈检测元件本身的误差，反馈控制也是无法抑制的，调整的结果反而使电动机转速离开了原应保持的数值。因此，对于高精度的控制系统还必须有高精度的检测元件作保证。6.2 电流、转速双闭环直流调速系统电流、转速双闭环直流调速系统6.2.1 6.2.1 转速、电流双环调速系统的组成1.1.组成结构组成结构图6-7 转速、电流双环调速系统的组成框图图6-8 转速、电流双环调速系统原理结构图2.控制
11、原理控制原理 为了实现输出的无静差，双闭环中的调节器设计为比例积分调节器。图6-9 积分调节器电路原理图及输入、输出特性 积分调节器（简称调节器）输入输出之间的表达式为积分调节器的传递函数为当不考虑输入输出之间的相位关系时，为阶跃输入时，在零初始条件下，积分调节器的输出表达式为 积分调节器具有以下特点：（1）积累作用 只要输入信号不为零（其特性不变），积分调节器的输出就一直增长，只有输入信号为零时，输出才停止增长，但保持恒值输出。直流调速系统根据控制的需要，在调节器设有输出限幅装置，当输出电压上升到限幅值时，输出停止上升，并保持在限幅上。（2）记忆作用 积分输入信号衰减为零时，输出并不为零，而
12、是始终保持在输入信号为零前的那个输出瞬时值上，这种记忆作用可以使系统在偏差电压为零时保持恒速运行，使积分控制得到无静差结果。（3）延缓作用 当积分调节器的输入信号为阶跃信号，但其输出却不能随之跳变，而是逐渐积分线性增长。这种延缓作用，会使系统控制的快速性变差。当负载突增时，无静差调速系统的动态过程曲线如图6-10所示。当调速系统的转速出现偏差时，偏差电压 就上升，电动机的转速也随之上升，从而使转速偏差减小。只要转速偏差存在，即积分调节器就继续进行调节，一直至 为止，系统保持恒速运行，从而得到无静差调速系统。无静差系统突加负载的动态过程图6-10 积分调节器的缺点是具有延缓作用，在控制的快速性上
13、不如比例调节器。如果系统既要求无静差又要响应快，则可以把比例控制和积分控制两种规律结合起来，构成比例积分调节器，这种控制方式就是常用的比例积分控制。图6-11 比例积分调节器电路原理图及输入输出特性输入输出之间的表达式为调节器的传递函数为 在零初始条件下，输入阶跃信号，可得调节器的输出时间表达式为图6-12 采用调节器的负反馈无静差调速系统原理图图6-13采用 调节器系统的动态过程 所谓“无静差”，只是理论上的无静差，因为只有放大器的放大系数为无穷大，所以才使系统静差 。但实际上，运算放大器的放大系数虽然很大，但还是有限值。因此系统仍存在着很小的静差，只是在一般精度要求下该静差可以忽略不计而已
14、。6.2.2 6.2.2 双闭环直流调速系统的性能分析双闭环直流调速系统的性能分析（1）电流环分析电流环的给定信号是转速调节器的输出信号；电流环的，稳态时应有或者反馈信号是电流负反馈信号 电流环的另一个作用是限制最大电流。由于限幅的原因，ST的最大输出只能是限幅值。在调整电流检测器的电位器，以确定电流反馈系数时，反馈信号等于，即或时，应使在电动机电流为最大允许电流环还有一个作用，就是在系统启制动过程中维持电动机的电流等于最大给定值，以加快过渡过程。1.1.双闭环直流调速系统的静特性分析双闭环直流调速系统的静特性分析（2）转速环分析）转速环分析转速环的给定信号为，其反馈信号是转速负反馈信号稳态时
15、有 或 此式表明：当系统给定信号一定时，靠转速调节器维持电动机的转速恒定，使之不受负载扰动等影响。其调节过程如下：但是，当系统负载过大时，其负载转矩如果比电动机电流为最大允许值所能产生的电磁转矩还大，此时电动机就要堵转，即转速n要降为零。0=Ugn,值过大。作用。这时的系统变为具有最大给定电流=靠电流环的限流调节过程，使=。其限流调节过程如下：这时速度调节器输入偏差Un=Ugn-要饱和，失去调节/的恒流调节系统，调节过程中不断下降，最终有的下垂段，如图6-14转速、电流双环调速系统静特性图中虚线AB段，图中实线是理想情况。这样可以得到静特性图6-14 转速、电流双环调速系统静特性图2双闭环直流
16、调速系统的启动过程分析双闭环直流调速系统的启动过程分析双环系统启动过程可将突加给定的启动过程分为三个阶段。（1）电流上升阶段（2）恒流升速阶段（3）转速调节阶段 图6-15（1）当饱和时，相当于转速环开环，系统表现为恒值电流调节的而电流内环则表现为电流随动系统。（2）第二阶段的恒流升速实现了在电流受限条件下的“最短时间控制”，或称“时间最优控制”，因而能够充分发挥电动机的过载能力，使启动过程尽可能最快，接近于理想的启动过程。（3）在第三阶段中，只有转速超调才能使 退出饱和，然后才能使系统达到稳态。即双闭环调速系统的动态响应必有超调。单环系统；当 不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系
17、统，双闭环调速系统启动过程有以下三个特点。3 3双闭环直流调速系统的动态性能和两个调节器的作用双闭环直流调速系统的动态性能和两个调节器的作用一般来说，双闭环调速系统具有比较满意的动态性能。(1)动态跟随性能 双闭环调速系统在启动和升速过程中，能够在电流受过载能力约束条件下，表现出很快的动态跟随性能。在减速过程中，由于主电路电流的不可逆性，跟随性能差。对于电流内环来说，也要求有好的跟随性能。(2)动态抗干扰性能 抗负载扰动 负载扰动作用在电流环之后，因此只能靠转速调节器来产生抗扰作用。要求电流环具有良好的跟随性能就可以了。抗电网电压扰动 在双环系统中，电网电压扰动包含在电流环内，这样交流电网电压
18、对转速的扰动不必等到转速变化才调节，而是在电流 变化后即可调节。这样扰动量和被控量之间少了电动机这个大惯性环节，因此双环系统对电网电压扰动调节及时，它所引起的动态速降也就小得多。2.2.两个调节器的作用两个调节器的作用（1）转速调节器的作用 它使转速跟随给定值对负载变化起抗扰作用；其输出限幅值决定最大电流。（2）电流调节器的作用 它在转速调节过程中使电流跟随其给定值变化，启动时保证获得允许的最大电流；对电网电压波动起及时抗扰作用；当电机过载，甚至于堵转时，限制电枢电流的最大值 ，从而起到快速的安全保护作用，如果故障消失，系统能够自动恢复正常。变化，稳态时无静差；6.2.3 双双闭环直流调速系统
19、的典型参数计算闭环直流调速系统的典型参数计算例6-1 某一双闭环调速系统的最大给定电压的限幅值输出的限幅值 均为10V。电动机额定电压=220V，额定电流=20A，=1000r/min，电枢回路电阻=1，电枢回路最大电流=40A，=20，和均为 调节器。试求：额定转速(1)和(2)堵转时=?=?=?=?解解:(1)(2)计算堵转时各量 习习 题题 66-1 什么叫调速范围？什么叫静差率？调速范围与最小静差率和静态速降间有什么关系？6-2 直流调速系统有哪些主要的动态性能指标？6-3 试概述单闭环转速负反馈系统的主要特点。改变给定电压能否改变电动机的转速？为什么？如果测速机励磁发生变化，系统有无克服这种扰动的能力？6-4 为什么加负载后，电动机的转速会降低？它的实质是什么？而在加入转速负反馈后，能减少静态速降，其原因是什么？6-5 比例积分调节器具有哪些特点？6-6 为什么积分控制的调速系统是无静差的？在转速单闭环调速系统中，当积分调节器的输入偏差电压时，输出电压是多少？这决定于哪些因素？
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