1、电气学院 2017 年 4 月 - 1 -第一章 闭环控制的直流调速系统第一节 可控直流电源电动机系统暨直流驱动单元1对于要求在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。改变（电阻）只能有级调速；减弱（磁通）虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。2调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源。3常用的可控直流电源有以下三种： 旋转变流机组 用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器
2、用静止式的可控整流器，以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，以产生可变的平均电压。4简称为 G-M 的系统，具有四象限连续运行的功能，国际上通称 Ward-Leonard 系统。5晶闸管-电动机调速系统（简称 V-M 系统） ，图中 VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压 Udo ，从而实现平滑调速。6用触发脉冲的相位角（控制角） 控制整流电压的平均值 Ud0是晶闸管整流器的特点。 Ud0与触发脉冲相位角（控制角） 的关系因整流电路的形式而
3、异；不同整流电路的整流电压值整 流 电 路 单 相 全 波 三 相 半 波 三 相 全 波 六 相 半 波 Um 2* 2 26 2 2 3 6 6 Ud0 cos9. cos17.2U cos4.2 cos35.12U 7在 V-M 系统中，脉动电流会产生脉动的转矩，对生产机械不利，同时也增加电机的发热。为了避免或减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措施，主要是： 设置平波电抗器； 增加整流电路相数； 采用多重化技术。8平波电抗器的计算 单相桥式全控整流电路 min287.dIUL 三相半波整流电路 in246.1dI 三相桥式整流电路 min293.0dIUL9晶闸管触发与整流装置动态结构：
4、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电气学院 2017 年 4 月 - 2 -1)()(sTKsUWSctdoS9脉冲宽度调制（PWM）变换器的作用是：用 PWM 调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、幅值一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电动机转速。10采用脉冲宽度调制（PWM）的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流 PWMM 调速系统11可逆 PWM 变换器直流电动机的主电路有多种形式，最常用的是桥式，也称为 H 形主电路。12H 形主电路的 PWMM 系统，电路中 A、
5、B 两点间电压的极性随开关器件栅极驱动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，现代最常用的是双极式控制的可逆 PWM 变换器电动机系统。13双极式控制可逆 PWM 变换器的输出平均电压为12)12(则 ：设 调 压 系 数 ：如 果 设 占 空 比 ： SdonSonSoSondUTtUtt14双极式控制可逆 PWM 变换器电动机系统即 PWMM 系统调速时， 的可调范围为 01， 10.5 时， 为正，电机正转； 当 0.5 时， 为负，电机反转； 当 = 0.5 时， = 0 ，电机停止。15双极式控制方式的不足之处是：在工作过程中，4 个开关器件可能都处于开关
6、状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间应设置逻辑延时环节。16对于 PWM 变换器电动机系统中的滤波电容，其作用除滤波外，还有当电机制动时吸收运行系统动能的作用。由于直流电源靠二极管整流器供电，电机制动时不可能回馈电能，只好对滤波电容充电，这将使电容两端电压升高，称作“泵升电压”电力电子器件的耐压限制着最高泵升电压，因此电容量就不可能很小，一般几千瓦的调速系统所需的电容量达到数千微法。在大容量或负载有较大惯量的系统中，为了限制电容器过高的泵升电压，这时，可以采用下图中的镇流电阻 Rb 来消耗掉部分动能。分流电路靠开关器件 VTb 在
7、泵升电压达到允许数值时接通。整 流 电 路 形 式 最 大 失 控 时 间 Tsmax（ s） 平 均 失 控 时 间 Ts（ ms） 单 相 半 波 单 相 桥 式 （ 全 波 ） 三 相 半 波 三 相 桥 式 、 六 相 半 波 20 1 6.7 3. 10 5 3. 1.67 电气学院 2017 年 4 月 - 3 -第二节 单闭环直流调速系统17对于调速系统的转速控制的基本要求有以下三个方面（1）调速在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节转速；（2）稳速以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；（3）加、减速
8、频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。18某直流调速系统电动机额定转速为 1430 r/min，额定速降 n N = 115r/min，当要求静差率 30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率 20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解： 357014%30。 。）（时 ：要 求 SnDSN1822 。 。）（时 ：要 求 %640543010 。时 ， 静 差 率 ：希 望 NnDSD192-2；1。4调速系统的调速范围是 1000100 r/min，要求静差率 S=2%，那麽系统允许的稳态
9、转速降是多少？解： 。）（则 ： ；根 据 给 定 条 件 ： 04129810SDnN202-3；1。5 某一调速系统，在额定负载下，最高转速为 n 0max=1500r/min ，最低转速为n 0min=150r/min，带额定负载时的速度降落 ，且在不同转速下额定速降不变，试问mi/15rnN系统的调速范围有多大？系统的静差率是多少？解： %105148015max0min0iax0 。）（或 ： ；。根 据 静 差 率 的 定 义 ， ；根 据 给 定 条 件 ， NNNDnSS电气学院 2017 年 4 月 - 4 -212-4；1。6 直流电动机： min/1430,02.,378
10、,20,74 rnRAIVUkWP NaNNN 晶闸管整流器内阻 .SR系统采用降压调速，当生产机械要求静差率 S=20%，求系统的调速范围有多大？如果要求静差率 S=30%，则系统的调速范围又有多大？解： 357014%30182211547038/470232。；要 求 。；要 求 ）（ 。 。 。速 度 降 落 ：首 先 求 取 额 定 负 载 下 的 DSnSrpmCRI rpVnUNeNopae22-1例题 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 ，电动机电动势系数18.0R。如果要求调速
11、范围 D = 20，静差率 5%，采用开环调速能否满足？若要满足这个rpmVCe/2.0要求，系统的额定速降最多能有多少？ 解： min/6329501 %80.6495.702019.5.741%55.27401835/20rSDnDSnrpmCRIrpNcl NNeNoe 。）（要 求 反 馈 ：， 满 足 这 个 要 求 需 要 负开 环 系 统 不 能 满 足 要 求则要 求 ；要 求 ）（ 。 。 速 度 降 落 ：首 先 求 取 额 定 负 载 下 的 电气学院 2017 年 4 月 - 5 -22-2。2-5；1.7 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，采用 V-M 系统，已知电
12、动机额定数据如下：。求： 180/2.0min;/10,35,20,60 。； RrpVCrnAIVUkWP eNNNN 当电流连续时，在额定负载下的转速降落 开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率 额定负载下的转速降落为多少，才能满足 D = 20，静差率 S5%的要求解： min/6329501%5210745.20183/200 rSDnSrpCRInrpmNclNNeoe 。）（要 求 馈 ：满 足 这 个 要 求 需 要 负 反 。 。 速 度 降 落 ：首 先 求 取 额 定 负 载 下 的 22-3。尔例 2-12-2 某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，采用 V-M 系统，
13、已知电动机额定数据如下：。180/2.0in;/10,3,2,60 。； RrpmVCrnAIVUkWP eNNNN且已知晶闸管与触发装置的放大倍数 转速负反馈系数、SK5为满足 D = 20，静差率 S5%的要求： 开环系统能否满足要求？ 接成转速负反馈单闭环系统，为满足要求，计算放大器的电压放大系数！解：电气学院 2017 年 4 月 - 6 -94.501.324.36.7min/6。051。%521027405.18。3/20。0 SePclNopNcl NNeopeKCnrSDnSrpmCRInrm、 、 、 、 、 、22-4。尔例 2-12-22-3 某龙门刨床工作台拖动采用直流
14、电动机，采用 V-M 系统，已知电动机额定数据如下：。 180/2.0min;/10,35,20,60 。； RrpVCrnAIVUkWP eNNNN且已知晶闸管与触发装置采用三相桥式电路，放大倍数 转速负反馈系数、3SK，电枢回路总电感 ，整个系统的飞轮惯量rpmV/15.H6.2L 22Nm7GD为满足 D = 20，静差率 S5%的要求：(1) 开环系统能否满足要求？(2) 接成转速负反馈单闭环系统，为满足要求，计算放大器的电压放大系数！(3) 判断系统的稳定性解：电气学院 2017 年 4 月 - 7 -KTsT sCRGDsLKCnrSDnSrpmCRInrpmcrlSlmSemlS
15、ePclNopNcl NNeoe 67012.980167.0167. .531075932.8.016)4( 94.5.34.1036.271min/6。25。)3( %5210741052)2( .8。351/0。220、 、 、 、 、 、 、 、22-5。参李已知转速负反馈单闭环系统参数：电动机额定数据：。 10/12.0min;/1750,26,0,45 。； RrpmVCrnAIVUkWP eNNNN且已知晶闸管与触发装置采用三相桥式电路，放大倍数 转速负反馈系数，36SK，为满足 D = 10，静差率 S0。05%的要求，进行静态计算： Kop、Kp。rpmV/06.解：电气学院
16、 2017 年 4 月 - 8 -817.02./06.34719/.83.12.06.95.7)1(eSPclNopopeNclCKnRI rpmsDn23根据自动控制原理，反馈控制的闭环系统是按被调量的偏差进行控制的系统，只要被调量出现偏差，它就会自动产生纠正偏差的作用。调速系统中由负载引起的的转速降落是转速偏差，显然，引入转速闭环负反馈将使调速系统应该能够大大减少转速降落。24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。 25在反馈控制的闭环直流调速系统中，与电动机同轴安装一
17、台测速发电机 TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压 Un ，与给定电压 U*n 相比较后，得到转速偏差电压 Un ，经过放大器 A，产生电力电子变换器 UPE 的控制电压 Uc ，用以控制电动机转速 n。26转速负反馈单闭环有静差直流调速系统中各环节的稳态关系如下： nUCRIUEKf edLeactSdnPtfn测 速 反 馈 环 节 ： ：调 速 系 统 开 环 机 械 特 性可 控 调 压 装 置 ：调 节 器 ：放 大 器电 压 比 较 环 节 ： 00*27转速负反馈单闭环有静差直流调速系统的静特性方程式 cll eSPedLSPennKRICK0* )/1()/1(eSP
18、ONclcl OPeNOenmSl CKIU/)()(0*28闭环系统静性可以比开环系统机械特性硬得多电气学院 2017 年 4 月 - 9 -opOPcloplNclOPOPNopclDKSnK)1(1;29采用比例放大器（调节器） ，使得闭环系统的开环放大系数 KOP值越大，系统的稳态性能越好。然而， KOp =常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。只有 KOP = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。30系统中，除给定信号外，作用在控制系统各环节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做“扰动作用”
19、 。 30-12-7；2。1 转速闭环调速系统的调速范围是 1500150 r/min，要求静差率 S5 %，那麽系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是 100 r/min，则闭环系统的开环放大倍数是多少？解： 67.189.70189.510NclopOPNclnKSD ）（则 ： ；根 据 给 定 条 件 ：30-22-7；2。1 转速闭环调速系统的调速范围是 1500150 r/min，要求静差率 S2 %，那麽系统允许的静态速降是多少？如果开环系统的静态速降是 100 r/min，则闭环系统的开环放大倍数是多少？解： 679.310.10.82510NclopOPNclnK
20、SD ）（则 ： ；根 据 给 定 条 件 ：31为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，使电流不超过允许值或能够保持设定值而基本不变。具体实施方案：采用电流截止负反馈或转速-电流双闭环控制系统。32对于一个自动控制系统来说，稳定性是它能否正常工作的首要条件，是必须保证的。对于电气学院 2017 年 4 月 - 10 -转速负反馈单闭环有静差直流调速系统，存在临界放大系数 Kcr,当 KOP Kcr 时，系统将不稳定；crOP lSlmSSlmKT
21、T 2)(33例题 晶闸管可控整流器供电的 V-M 系统。已知数据如下：电动机： min/10,5.,20,10 rnRAIVUkWNaNNN 晶闸管可控整流器：三相桥式可控整流电路，整流变压器 Y/Y 联结，二次线电压 U2l = 230V，电压放大系数 KS = 44；电枢回路总电阻： R = 1.0；测速发电机：永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min；若生产机械要求调速范围 D=10，静差率 5%，试计算调速系统的稳态参数解： rpmCRIn rpVUrsDneNopaeNcl 7.28519.0/192.0in/6.5910)(14.20/58. 3.6.eSOPNclPCK33-12-9；2。5 晶闸管可控整流器供电的 V-M 系统。已知数据如下：电动机： min/150,.,5.12,. rnRAIVUkWNaNNN 晶闸管可控整流器：内阻 ，电压放大系数 KS = 35； 0.recR电枢回路电抗电阻： RL = 0。8；若生产机械要求调速范围 D=20，静差率 s10%， 计算开环系统的静态速降和调速要求所允许的闭环静态速降； 采用转速负反馈组成闭环系统，试画出系统的原理图和静态结构图 调整该系统的参数，使得 时，转速负反馈系数 =？NdnnIVU,15* 计算放大器的放大倍数解：
