王振臣主編-機床電氣控制技術(shù)第5版完整課件-第五章

1、 第五章第五章 直流電動機直流電動機 調(diào)速控制系統(tǒng)調(diào)速控制系統(tǒng) 前 言 許多生產(chǎn)機械都有調(diào)速要求，在相當長的電力拖動歷史中 ，凡要求平滑調(diào)速且調(diào)速性能指標較高時，直流電動機調(diào)速系 統(tǒng)一直占有絕對的統(tǒng)治地位，而交流電動機調(diào)速系統(tǒng)只能占仆 從的位置。隨著相關(guān)技術(shù)與學(xué)科的迅速發(fā)展，使得高性能的交 流調(diào)速技術(shù)得到了人們的重視，并不斷搶占直流調(diào)速的傳統(tǒng)應(yīng) 用領(lǐng)域。但直流調(diào)速多年來形成的成熟理論確是現(xiàn)代交流調(diào)速 技術(shù)的基礎(chǔ)。所以，在電力拖動自動控制的體系性理論及學(xué)習(xí) 中，將直流調(diào)速技術(shù)放在核心位置仍是不二的選擇。 本章介紹直流調(diào)速系統(tǒng)中常用的可控直流電源，給出了速 度負反饋閉環(huán)調(diào)整的概念。重點介紹了性能優(yōu)

2、良的轉(zhuǎn)速、電流 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與工作原理。對轉(zhuǎn)速可逆直流調(diào)速 系統(tǒng)則做了簡要介紹。圖5-0為熱連軋板材生產(chǎn)線，主拖動多為 大功率直流電動機系統(tǒng)。 圖5-0 熱連軋生產(chǎn)線 提綱提綱 直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識 反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng)反饋控制直流調(diào)速系統(tǒng) 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)無靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)簡介直流可逆調(diào)速系統(tǒng)簡介 5.1直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識 直流電動機優(yōu)點：直流電動機優(yōu)點： 轉(zhuǎn)矩易于控制，具有良好的起制動性能，在相當長的時間內(nèi)，一直在高性能調(diào)速 領(lǐng)域占有絕對的統(tǒng)治地位。此外，直流調(diào)速技術(shù)方面的理論相對成熟，其研究方法和 許多基本結(jié)論很容易在其它調(diào)速領(lǐng)域內(nèi)推廣，所

3、以直流調(diào)速一直是研究調(diào)速技術(shù)的主 流。 電動機電動機 直流電動機直流電動機 交流電動機交流電動機 交流調(diào)速系統(tǒng)交流調(diào)速系統(tǒng) 直流調(diào)速系統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng) 由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論上和實踐上都比較成熟，而且從控制角度來看， 它又是交流拖動控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此，為了保持由淺入深的教學(xué)順序，本章將對 直流調(diào)速的基本理論做較詳細的介紹。 5.15.1直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識直流調(diào)速的基礎(chǔ)知識 （5-1） e K IRU n 式中： n電機轉(zhuǎn)速（r/min） I R Ke U電樞電壓（V） 電樞電流（A） 電樞回路總電阻（ ） 勵磁磁通（Wb） 由電機結(jié)構(gòu)決定的結(jié)構(gòu)常數(shù) 在穩(wěn)定運轉(zhuǎn)時，直流電動機的轉(zhuǎn)速與其它參量

4、的關(guān)系 ： 由（由（5-1）式可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種：）式可知，直流電動機的調(diào)速方法有三種： 1. 改變電樞回路電阻改變電樞回路電阻R 2. 改變勵磁磁通改變勵磁磁通 3. 改變電樞外加電壓改變電樞外加電壓U 對于要求大范圍無級調(diào)速的系統(tǒng)來 說，改變電樞回路總電阻的方案難以 實現(xiàn) 改變電動機磁通的方案雖然可以平滑 調(diào)速，但調(diào)速范圍不可能很大 調(diào)電樞端電壓U的方法調(diào)速，此時 電動機磁通應(yīng)為最大值(額定值)且保 持不變，以求得充分發(fā)揮電動機的負 載能力。而在額定轉(zhuǎn)速(基速)以上時， 因電樞端電壓U已不允許再增加，可采 用減弱磁通的方法使電動機的轉(zhuǎn)速進 一步提高，從而提高整個系統(tǒng)的速度 調(diào)

5、節(jié)范圍 調(diào)速范圍寬、簡 單易行、負載適應(yīng)性 廣，是當今直流電動 機調(diào)速的主要方法。 GT為晶閘管觸發(fā)裝置， V為晶閘管整流器，合 起來為一可控直流電源 。可控直流電源給直流 電動機電樞供電組成直 流調(diào)速系統(tǒng)。這類直流 調(diào)速系統(tǒng)簡稱V-M系統(tǒng) 工作原理：工作原理： 改變GT的輸入信號大小，就可改變GT輸出脈沖的相位，晶閘管在不同的相位 處開始導(dǎo)通，使整流器輸出的電壓平均值Ud大小變化，進而改變電動機的轉(zhuǎn)速。 和傳統(tǒng)的G-M系統(tǒng)相比，晶閘管可控直流電源的功率放大倍數(shù)高出旋轉(zhuǎn)變流機組 兩到三個數(shù)量級，而系統(tǒng)反應(yīng)速度也要高出二個數(shù)量級以上。 晶閘管整流 5.1.15.1.1可控變流裝置可控變流裝置 圖

6、5-1 晶閘管整流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng) + +_ + _ L V GT Ud M 直流斬波器 工作原理：工作原理： 圖5-2a中，當VT被觸發(fā)導(dǎo)通時，電源電壓Us加到電動機電樞上；當VT在控制 信號作用下，通過強迫關(guān)斷電路關(guān)斷時，電源與電動機電樞斷開，電動機經(jīng)二極 管VD續(xù)流，此時，圖中A、B兩點間電壓接近零。若使VT反復(fù)通斷，就得到A、B 間電壓波形如圖5-2b。常用的是周期T不變，改變導(dǎo)通時間ton,進而改變輸出直流 電壓平均值，最終完成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，這種方式稱脈沖寬度調(diào)制，此時系統(tǒng)簡稱 PWM調(diào)速系統(tǒng)。目前，由于全控型電力電子器件的發(fā)展，線路被優(yōu)化，性能更優(yōu) 越。 圖 5 - 2 斬波器

7、電動機系統(tǒng)的原理圖和電壓波形圖 a) 電路原理圖 b) 電壓波形圖 + - Us Ug VD VT M A B + - 0t Us Ud T ton a)b) UAB, Ud 5.1.2 5.1.2 轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標 1.調(diào)速范圍 生產(chǎn)機械要求電動機所提供的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速 范圍。常用字母D來表示。 min max n n D （5-2） 這里 、 通常指電動機帶上額定負載時的轉(zhuǎn)速值。 max n min n 2.靜差率 系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的變化主要由負載變化引起，反映負載變化對轉(zhuǎn)速影響的一個指標 被定義為靜差率。其定義為：調(diào)速系統(tǒng)在額定負載下的轉(zhuǎn)

8、速降落與理想空載轉(zhuǎn)速 之比。靜差率用字母S表示： 00 10 n n n nn S nom （5-3） 調(diào)速 穩(wěn)速 速度變化率 靜差率百分數(shù)表示： %100 0 n n S nom 對一般系統(tǒng)來說，S越小時說明系統(tǒng)轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好。而對同一系統(tǒng) 而言，靜差率不是定值，電動機工作速度降低時，靜差率就會變大。請看圖5-3。 結(jié)論：結(jié)論：調(diào)速系統(tǒng)只要在調(diào)速范圍的最低 工作轉(zhuǎn)速時滿足靜差率要求，則其在整個調(diào) 速范圍內(nèi)都會滿足靜差率要求。 給出了系統(tǒng)兩條穩(wěn)定工作特性，對應(yīng)于 電樞上兩個不同的外加電壓。對于調(diào)壓調(diào) 速來說，兩條特性是平行的，即在負載相 同時，兩種情況下轉(zhuǎn)速降落值應(yīng)是相同的 ，若是額定負

9、載，兩者的速降均為 。而 根據(jù)靜差率S的定義，因 ，顯然 有S1Ucom 時，二極管導(dǎo)通，電流負反饋信 號Ui即可加到放大器上去；當 IdRsIdcr時，電流負反饋起作用，此時系統(tǒng)同時有 轉(zhuǎn)速負反饋和電流負反饋，靜特性為： （1）當IdIdcr時，電流負反饋被截止，系統(tǒng)只是單純的轉(zhuǎn) 速負反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其靜特性方程為： )1 ( )( )1 ()1 ( * KCe RI UIR KCe KK KCe UKK n d comds spnsp d sspcomnsp I KCe RRKK KCe UUKK )1 ( )( )1 ( )( * （5-14） n0-A段 A-B段 直到電動機轉(zhuǎn)速為零

10、，當堵轉(zhuǎn)時，電流為Idb1， 此電流稱為堵轉(zhuǎn)電流堵轉(zhuǎn)電流。 圖5-10 帶電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 n 0 n 0 dcr I d I dbl I 0 n A B 在式（5-14）中，令n=0 得， ssp comnsp db RKKR UUKK I )( * 1 一般 ，因此 RRKK ssp s comn db R UU I * 1 （5-15） 為保證系統(tǒng)有盡可能寬的正常運行段，取臨界截止電流略大于電動機的額定電 流，通常取Idcr=(1.01.2)Inom；而堵轉(zhuǎn)電流應(yīng)小于電動機的最大允許電流，通常取 Idb1=(1.52)Inom。 需要說明的是需要說明的是，電流截

11、止負反饋，不僅在電動機處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)起作用，而且在 起、制動過程中也能起限制起、制動電流的作用。當動態(tài)過程將近結(jié)束時通過電流 反饋環(huán)節(jié)調(diào)整電流下降至Idcr，使得電動機過渡到n0-A段工作。 比較電壓比較電壓U Unom nom的選取： 的選取： 圖5-9電流截止負反饋中，比較電壓Ucom 是由比較電源取出，如圖5-11采用穩(wěn)壓管獲取 比較電壓的線路更為簡單，而且更容易辦到 。 穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值Udw相當于比較電壓，當 反饋信號IdRs低于穩(wěn)壓值Udw時，反饋回路 只能通過極小的漏電流，電流負反饋被截 止，當IdRs大于Udw時，穩(wěn)壓管被反向擊穿 ，反饋回路有反饋電流通過，得到下垂特 性。 缺點：

12、缺點：用該線路省掉了比較電源，但臨界截止電流的調(diào)整不夠方便，且因穩(wěn)壓管 穩(wěn)壓值的分散性，選取合適穩(wěn)壓值的穩(wěn)壓管也常有一些困難。 Back 圖5-11 用穩(wěn)壓管作比較電源的電流截止負反饋 + _ M + _ d U d I s R + _ VS 至放大器 5.3 無靜差直流調(diào)速系統(tǒng) 有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng) 無靜差系統(tǒng)無靜差系統(tǒng) 采用一般按比例放大的放大器的自動調(diào)速系統(tǒng) ，盡管放大倍數(shù)很大，但畢竟為有限值，所以在負 載改變后，它不可能維持被調(diào)量完全不變，這種系 統(tǒng)稱為有靜差系統(tǒng)有靜差系統(tǒng) 就是系統(tǒng)的被調(diào)量在穩(wěn)態(tài)時完全等于系統(tǒng)的給定量 ，其偏差為零，這就是說，在無靜差系統(tǒng)中，電動 機轉(zhuǎn)速在穩(wěn)態(tài)時與負載

13、無關(guān)，只取決于給定量。 系統(tǒng)正是靠誤差進行調(diào)節(jié) ，系統(tǒng)的正常工作是依靠偏差來維持 。 要想使偏差為零，系統(tǒng)又能正常工作，必須使用有積分作用的調(diào)節(jié)器。 5.3.15.3.1比例（比例（P P）、積分（）、積分（I I）、比例積分（）、比例積分（PIPI）調(diào)節(jié)器）調(diào)節(jié)器 1. 比例調(diào)節(jié)器P 如圖5-12所示的比例調(diào)節(jié)器有 兩個輸入信號，它們采用電壓并聯(lián) ，在放大器輸入端電流相減的方式 完成運算。A點為虛地點 當我們對A點列寫電流運算式時，可有下 列結(jié)果： 集成運算放大器具有開環(huán)放大倍數(shù)高、輸入電阻大、輸出電阻小、漂移小、線 性度好等優(yōu)點，所以它在模擬量控制系統(tǒng)中作為調(diào)節(jié)器的基本元件得到了廣泛應(yīng)用。

14、 運算放大器配以適當?shù)姆答伨W(wǎng)絡(luò)就可組成比例、積分、比例積分比例、積分、比例積分等調(diào)節(jié)器，可得 到不同的調(diào)節(jié)規(guī)律，滿足控制系統(tǒng)的要求。 圖5-12 比例調(diào)節(jié)器線路圖 A in U + + _ 1 R 0 R bal R 0 R _ f U sc U 0 i 1 i f i + _ 由 可得 0i 100 R U R U R U sc f in )( 0 1 finsc UU R R U p k R R 0 1 令 ，可得 )( finpsc UUkU （5-16） 在此式中，沒有考慮運算放大器輸入與輸出間的反相關(guān)系，實際上，這里的kp 可看成是輸出與輸入之間的絕對值之比。 在采用比例調(diào)節(jié)器比例調(diào)

15、節(jié)器的調(diào)速系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)器的輸出是觸發(fā)裝置的控制電壓 Uct，且Uct=kp（Un*-Un）=kp Un。只要電動機在運行，Uct就不能為零，也 就是調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓Un不能為零，這是此類調(diào)速系統(tǒng)有靜差的根本有靜差的根本 原因原因。 2. 積分調(diào)節(jié)器I 積分調(diào)節(jié)器又稱I調(diào)節(jié)器。 由虛地點A的假設(shè)可以很容易得到： dtU CR idt C U insc 0 11 dtUin 1 （5-17） 式中： 積分時間常數(shù) CR0 由上式（5-17）可見，積分調(diào)節(jié)器輸出電壓Usc與輸入電壓Uin的積分成正比正比。當 然，這里暫也不考慮輸入與輸出兩者的反極性關(guān)系。 圖5-13 積分調(diào)節(jié)器線路圖 A in

16、U + + _ bal R 0 R sc U 0 i i _ + C 當Usc的初始值為零時，在階躍輸入下，對式（5-17）進行積分運算，得積分 調(diào)節(jié)器的輸出時間特性（見圖5-14a）： t U U in sc (5-18) 圖5-14 積分調(diào)節(jié)器輸入輸出特性 a)積分調(diào)節(jié)器階躍輸入時的輸出特性 b)積分調(diào)節(jié)器的輸出保持特性 in U sc U in U scm U 0 t 0 t 0 t ct U ct U n U 0 t 0 t a)b) 當Uin突加的初瞬，由于電容尚未充電以及其兩端電壓不能突變，相 當于電容短路，使放大器輸出全部電壓都反饋到輸入端，由于這是強烈 的負反饋，在其作用下，使

17、Usc開始時為零，然后電容充電，電容兩端電 壓Uc升高，負反饋逐漸減弱，Usc開始增長。因為電容充電電流接近為恒 定值，所以Uc及Usc都接近線性增長。其上升斜率決定于Uin/。積分時間 常數(shù)越大，Usc增長越慢。顯然，調(diào)速系統(tǒng)中加入積分調(diào)節(jié)器后系統(tǒng)的反 應(yīng)速度會變慢。 如果采用積分調(diào)節(jié)器積分調(diào)節(jié)器時，因其輸出積分的保持作用（圖5-14b），則在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 工作時，盡管調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓 ,而其輸出Uct仍可是不為 零的某一電壓，而這一電壓正是維持該運行狀態(tài)所必要的電壓值。積分的保持作用積分的保持作用 是系統(tǒng)無靜差的根本原因是系統(tǒng)無靜差的根本原因。 0 * nnn UUU 工作原理：工作原理：

18、 3. 比例積分調(diào)節(jié)器PI 把比例和積分兩種控制規(guī)律結(jié)合起來 ，使系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)精度高，又有足夠快的反 應(yīng)速度。 在不計輸入和輸出的反相關(guān)系 利用A點的虛地： 10 ii 0 0 R U i in ， dtUUkU ininpsc 1 （5-19） 式中， R0C1 PI調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)； PI調(diào)節(jié)器的比例放大系數(shù)。 01 RRkp dti C RiUsc 111 1 dtU CR U R R inin 00 1 1 1 1 圖5-15 比例積分調(diào)節(jié)器 線路圖 A in U + + _ 1 R bal R 0 R sc U 0 i i _ + 1 C , 由式（5-19）可知，在輸入電壓Uin（

19、階躍函數(shù)）的初瞬，輸出電壓有一躍變， 以后隨時間的延續(xù)線性增長，變化規(guī)律如圖5-16所示： 輸出電壓Usc由兩部分組成： 第一部分為輸入Uin的比例放大部分, 在輸入電壓加上的初瞬，電容C1相當于 短路，此時只相當于比例調(diào)節(jié)器，輸出 電壓Usc=KpUin，輸出電壓毫不遲延地跳 到KpUin值，因而調(diào)節(jié)速度快。 第二部分是積分部分 隨著C1被 充電，Usc不斷上升，上升快慢取決于 dtU CR in 0 1 比例積分調(diào)節(jié)器特點：比例積分調(diào)節(jié)器特點： 1） 有比例調(diào)節(jié)功能，就有了較好的動態(tài)響應(yīng)特性，良好的快速性，彌補了積分 調(diào)節(jié)的延緩作用； 2） 有積分調(diào)節(jié)功能，只要輸入端有微小的信號，積分就進

20、行，積累過程，如圖 5-22。在積分過程中，如果輸入信號變?yōu)榱?，其輸出有保持過程，如圖5-20b所示。這 種積累、保持特性，能在控制系統(tǒng)中能夠消除穩(wěn)態(tài)誤差。 圖5-16 比例積分調(diào)節(jié)器的輸入 輸出特性 5.3.2 5.3.2 采用采用PIPI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng)調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)自動調(diào)速系統(tǒng) 定義：定義：在一個調(diào)節(jié)系統(tǒng)中引入了比例積分調(diào)節(jié)器組成的反饋控制系統(tǒng)能夠消除誤差， 維持被調(diào)量不變，這樣的調(diào)節(jié)系統(tǒng)為無無靜靜差調(diào)節(jié)系統(tǒng)差調(diào)節(jié)系統(tǒng)。 系統(tǒng)的被調(diào)量是 電動機的轉(zhuǎn)速，這里 比例積分調(diào)節(jié)器在系 統(tǒng)中起調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的作 用，因此也叫做速度速度 調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)器。 電動機的轉(zhuǎn)速實際值n 通過測速發(fā)電機得到的

21、反饋電壓Un反映出來，把Un反饋 到系統(tǒng)的輸入端與速度給定信號Un* 相比較，把差值Un=Un*-Un 作為速度調(diào)節(jié)器的 輸入。 圖5-17 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) L + + _ + _ M + _ _ G + + + _ * n U n U ct U 1 RP 2 RP 1 R 0 R d U d I bal R 0 R 1 C 當電動機起動時，接通速度給定電壓Un* （相對電動機轉(zhuǎn)速n1），開始 時電動機轉(zhuǎn)速為零，即Un=0, 速度調(diào)節(jié)器輸入電壓Un=Un*是很大的。此 時，若無限流環(huán)節(jié)，則電動機電樞電流會在很短的時間內(nèi)升高到一個很大 的值上，為避免起動電流的沖擊，系統(tǒng)仍需加電流

22、負反饋來做限流保護。 在電流負反饋環(huán)節(jié)的作用下，電樞電流達到某一最大值后不再升高。隨著 起動過程的延續(xù)，轉(zhuǎn)速迅速上升，當電動機轉(zhuǎn)速上升到給定轉(zhuǎn)速n1 時， 速度反饋電壓Un正好與給定Un*相等。也就是此時速度調(diào)節(jié)器的輸入信號 Un=0。 電動機起動時系統(tǒng)的工作過程：電動機起動時系統(tǒng)的工作過程： 負載突變時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程：負載突變時系統(tǒng)的調(diào)節(jié)過程： 假定系統(tǒng)已在穩(wěn)定運行，對應(yīng)的負載電流為I1，在某一時刻突然將負載 加大到I2，由于電動機軸上轉(zhuǎn)矩突然失去平衡，電動機轉(zhuǎn)速開始下降產(chǎn)生一 個轉(zhuǎn)速偏差n，如圖 5-18b所示，這時速度反饋電壓Un相應(yīng)減少，因給定量 未變，從而使調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓Un=

23、(Un*-Un)0。 （1 1）比例輸出的調(diào)節(jié)作用）比例輸出的調(diào)節(jié)作用 比例輸出是沒有慣性的，由于產(chǎn)生偏差 n(Un)使晶閘管整流輸出電壓增加了Ud01， 如圖5-18c曲線1所示。這個電壓增量使電動機 轉(zhuǎn)速很快回升，速度偏差愈大，比例調(diào)節(jié)的作 用愈強，Ud01就愈大，電動機轉(zhuǎn)速回升也愈 快。當轉(zhuǎn)速回到原來轉(zhuǎn)速n1 以后，Ud01也相 應(yīng)減少到零。 （2 2）積分調(diào)節(jié)的作用：）積分調(diào)節(jié)的作用： 當負載增加時，電動機轉(zhuǎn)速降低，調(diào)節(jié) 器輸入出現(xiàn)偏差電壓Un，積分作用下，晶 閘管整流器輸出電壓也要升高。積分作用產(chǎn) 生的電壓增量Ud02對應(yīng)于調(diào)節(jié)器對輸入偏差 電壓Un的積分。偏差愈大，電壓Ud02增長

24、 速度愈快，即偏差最大時，電壓增長速度最 快。開始時 Un 很小，Ud02增長很慢，在調(diào) 節(jié)后期n減小了，Ud02增加的也慢了。一直 到Un 等于零時Ud02才不再繼續(xù)增加，在這 以后就一直保持這個值不變，如圖5-18c曲線 2所示。 圖5-18 負載變化時調(diào)解過程曲線 （3 3）比例作用與積分作用的合成效果）比例作用與積分作用的合成效果 圖5-18c曲線3為其合成效果曲線。從這里可以看出，晶閘管整流電壓增長的速度 與偏差Un相對應(yīng)，只要存在偏差, 電壓就要增長，而且電壓增長的數(shù)值是積累的。 因為Ud0=Unt，所以整流電壓最后值不但取決于偏差值的大小，還取決于偏差存 在的時間。在調(diào)節(jié)的開始和

25、中間階段，比例調(diào)節(jié)起主要作用，它首先阻止n 的繼續(xù) 增大，并能使轉(zhuǎn)速回升。在調(diào)節(jié)的后期轉(zhuǎn)速偏差 n很小了，比例調(diào)節(jié)的作用不顯著 了，而積分調(diào)節(jié)作用上升到主導(dǎo)地位，最后依靠它來完全消滅偏差n。因此不論負 載怎樣變化，積分調(diào)節(jié)的作用是一定要把負載變化的影響完全補償?shù)?，使轉(zhuǎn)速回到原 來的轉(zhuǎn)速為止。這就是無差調(diào)節(jié)的基本道理無差調(diào)節(jié)的基本道理。 （4 4）調(diào)節(jié)過程結(jié)束）調(diào)節(jié)過程結(jié)束 電動機轉(zhuǎn)速又回升到給定轉(zhuǎn)速n1。速度調(diào)節(jié)器的輸入偏差電壓Un=0。但速度調(diào) 節(jié)器的輸出電壓Uct，由于積分的保持作用，穩(wěn)定在一個大于負載增大前的Uct1的新 值上。晶閘管整流輸出電壓Ud0等于調(diào)節(jié)過程前的數(shù)值Ud01加上比例

26、和積分兩部分的 增量Ud01和Ud02。調(diào)節(jié)結(jié)束后晶閘管整流輸出電壓Ud0穩(wěn)定在Ud02上，如圖5-18d所 示。 5.3.3 5.3.3 帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)帶有速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 在單閉環(huán)系統(tǒng)中，為了限制電樞電流 不超過最大允許電流可以采用電流截止負 反饋環(huán)節(jié)。但電流截止負反饋環(huán)節(jié)只是在 超過臨界電流Idcr值以后，靠強烈的負反 饋作用限制電流的沖擊，并不能很理想地 控制電流的動態(tài)波形。帶電流截止負反饋 的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流和轉(zhuǎn)速波 形如圖5-19所示。 由圖可見，在整個起動過程中，電 樞電流只在一點達到了最大允許電流Idm ，而在

27、其余的時間里，電樞電流均小于 Idm，這使得電動機的動態(tài)加速轉(zhuǎn)矩無法 保持在最大值上，因而加速過程必然拖 長。 圖 5-19 帶電流截止負反饋的的 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)起動時的電流 和轉(zhuǎn)速波形 t o nId, dm I dcr I dL I n 1. 最佳過渡過程的概念 電動機的最大轉(zhuǎn)矩有一個極限值，充分利用電動機這個極限值，使過渡過程時 間最短，獲得最高生產(chǎn)率的過渡過程叫做限制極值轉(zhuǎn)矩的最佳過渡過程限制極值轉(zhuǎn)矩的最佳過渡過程。 dt dnJ MM edm 375 2 375 )( 375 22 GD IIC J MeM dt dn edmMdm 即 電動機機電時間常數(shù) Me M CC RGD T

28、 375 2 盡量保持最大轉(zhuǎn)矩不變，對于調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)來說也就是保持電動機工作于最大 允許電流Idm上。在Idm不變的情況下，電動機是怎樣加速的呢？ 于是 eM edm MeM edmM CT RII RCCT IIC dt dn)()( （5-20） 式中 電動機加速度 Mdm電動機最大電磁轉(zhuǎn)矩 J2 電動機飛輪慣量 Idm 電動機最大允許電流 Ie 電動機負載電流 TM 機電時間常數(shù) R 電樞回路總電阻 CM=KM電動機轉(zhuǎn)矩常數(shù) Ce=Ke電動機電動勢常數(shù) dt dn 積分得 t CT RII n eM edm )( （5-21） 速度變化規(guī)律： 即n按線性增長線性增長，當速度n上升到穩(wěn)定值

29、時，加速度應(yīng)為零，即dn/dt=0, 此時 電動機電流Id應(yīng)等于負載電流Ie，即動態(tài)加速電流為零。 由dt CT RII n em edm )( 當電動機以最大恒加速升速時，晶閘管整流器輸出的整流電壓平均值Udo變化 規(guī)律： RInCU dmed 0 但實際系統(tǒng)，由于電樞回路電感的 存在電樞電流不可能立即從零上升到最 大值Idm，在起動過程結(jié)束，轉(zhuǎn)速升到 給定轉(zhuǎn)速時電樞電流同樣不可能由最大 電流Idm一下子降到穩(wěn)態(tài)電流Ie上。實際 過渡過程中各量變化關(guān)系圖5-21所示。 如果電樞回路電感值相對很小，在 電流變化時的影響不計，上式是成立的 。這就是說IdmR為常數(shù)，Ce為常數(shù)，即 Udo也應(yīng)與n

30、一樣變化而為一線性增長。 最佳過渡過程中各量變化關(guān)系圖5-20。 圖5-20 最佳條件下各量變化曲線 線 圖5-21 實際系統(tǒng)過渡過程各量變化曲線 綜上分析，要實現(xiàn)最佳過渡過程，必須滿足下列要求滿足下列要求： （1）電動機在起動過程中，電樞電流應(yīng)一直保持在最大容許電流值Idm上，而 在過渡過程結(jié)束時，要立即下降到穩(wěn)態(tài)值即負載電流值Ie上。 （2）電動機轉(zhuǎn)速n是按照線性上升（即恒最大加速度上升）到給定轉(zhuǎn)速n*，加 速度的大小除與動態(tài)加速電流（Idm-Ie）成正比外，還與表示電機慣性的機電時間 常數(shù)TM成反比。 （3）為了在起動過程中使電樞電流Id立刻由零升到最大允許值Idm，晶閘管整流 器輸出的

31、整流電壓平均值Ud0必須立即為Idm R ，以后按線性上升。在上升的過程 中應(yīng)始終保持 ，以保證得到最大的dn/d t值。到轉(zhuǎn)速n達到給定 穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速n*時，又要立刻下降到穩(wěn)態(tài)所需要的值Udo上。 RInCU dmed 0 2. 雙閉環(huán)系統(tǒng)的組成及其工作原理 把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當 作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用 電流調(diào)節(jié)器的輸出去控制晶 閘管整流器的觸發(fā)裝置。從 閉環(huán)結(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán) 在里面，叫做內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速調(diào) 節(jié)環(huán)在外邊，叫做外環(huán)。這 樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉 環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。 圖中，速度調(diào)節(jié)器ASR 和電流調(diào)節(jié)器ACR均采用了 帶有輸出限幅環(huán)節(jié)的比例積 分（PI）調(diào)節(jié)器。 圖5-22 轉(zhuǎn)速、電流雙閉

32、環(huán)系統(tǒng) * n U n U L + _ M + G ct U d U d I _ ASRACR + + _ _ TA GT i U i U n 圖5-23 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài) 結(jié)構(gòu)圖 E n * n U n U ct U ASRACR + + _ _ i U i U s K 0d U d I RId R + _ e C 1 所以速度反饋系數(shù) 與電流反饋系數(shù)們 可分別計算為： max n U nm （5-22） dm im I U * （5-23） 式中， Unm*電機最高轉(zhuǎn)速時所需的系統(tǒng)給定電壓 Uim*速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅壓，其值與電樞最大容許電流相對應(yīng)。 由圖5-23可看出，雙閉

33、環(huán)系統(tǒng)在穩(wěn)定工作時，兩個調(diào)節(jié)器均不應(yīng)飽和，各量之 間滿足下列關(guān)系： 0 * nnUU nn edii IIUU * s ene s de s d ct K RIUC K RInC K U U * 0 系統(tǒng)工作過程參量圖系統(tǒng)工作過程參量圖： （1 1）起動過程）起動過程 （2 2）負載變化過程）負載變化過程 圖5-24 起動過程中各參量變化曲線 圖5-25 負載變化時各參量變化曲線 （3 3）靜特性）靜特性 Back 圖5-26 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性 o n dm I d I 1 n 2 n d I 5.4 直流可逆調(diào)速系統(tǒng)簡介 5.4.15.4.1電樞反接可逆線路電樞反接可逆線路

34、電樞反接就是按照控制要求改變電樞外接電源的電壓極性，常用的有幾種不 同的方法 。 1.直流PWM可逆線路 圖5-27 可逆PWM直流調(diào)速系統(tǒng)主電路原理圖 +U s Ug4 MM Ug3 VD1 VD2 VD3 VD4 Ug1 Ug2 VT 1 VT 2VT 4 VT 3 13 2 AB 4 MM VT1 Ug1 VT2 Ug2 VT3 Ug3 VT4 Ug4 1）正向運行： 第1階段：在 期間， 為正，VT1、VT4導(dǎo)通，電流 沿回路1流通， 為負，VT2、VT3截止，電動機M兩端電壓 第2階段，在 期間， 為負，VT1 、VT4截止，VD2 、VD3續(xù)流， 并鉗位使VT2 、VT3保持截止，

35、電流 沿回路2流通 ，電動機M兩端電壓 ,電樞兩端電壓均值為正。 其余各量如圖5-28a所示。 sAB UU sAB UU on tt 0 Ttton d i d i 41gg UU 、 32gg UU、 32gg UU、 2）反向運行： 第1階段，在 期間， 為負，VT2 、VT3截止，VD1 VD4 續(xù)流，并鉗位使 VT1 、VT4截止，電流 沿回路4流通，電動 機M兩端電壓 ； 第2階段，在 期間， 為正，VT2 、VT3導(dǎo)通， 為負，使VT1 、VT4保持截止，電流 沿回路3流通，電動機M兩 端電壓 ；電樞兩端電壓均值為負。 其余各量如圖5-28b所示。 on tt 0 32gg UU

36、、 Ttton d i sAB UU 32gg UU、 41gg UU 、 d i sAB UU 圖5-28 可逆PWM 直流調(diào)速系統(tǒng)波形圖 a) 正向運行波形圖 b) 反向運行波形圖 U,i Ud E d +U t ton -U s O U,i d i +Us ton T -U s U,i U d E id U s tton T -U s O a)b) + - - - 2.采用兩組晶閘管整流器反并聯(lián)的可逆線路 若設(shè) I 組為正向晶閘管整流 器，則 II 組即為反向晶閘管整 流器，它們可分別為電樞回路 提供不同方向的電流。當 I 組 整流工作時，輸出的整流電壓 Ud的極性如圖所示，給電樞提 供

37、的電流方向如實線所示；當 II 組整流工作時，提供的電樞 回路電流方向就會如虛線所示 方向。 圖5-29 兩組整流器反并聯(lián) 可逆線路 M + + _ _ d U d U d I d I （ 正 組 ） （ 反 組 ） 反并聯(lián)電路在控制上有較嚴格的要求，一般情況下都不允許兩組整流器都工作在整 流狀態(tài)，否則的話就會造成電源短路。 圖5-30 反并聯(lián)可逆線路主電路原理圖 L M 1c L 2c L 3c L 4c L 反并聯(lián)主電路 我們重點介紹一下反并聯(lián)可逆線路反并聯(lián)可逆線路： 在反并聯(lián)線路中，存在的一個重要問題就是如何處理環(huán)流問題。 所謂環(huán)流環(huán)流就是指不流過電動機或其它負載，而直接在兩組晶閘管之間

38、流通的短 路電流。 環(huán)流的存在，加大了系統(tǒng)的損耗，降低了系統(tǒng)的效率，所以一般應(yīng)設(shè)法消除。 在有環(huán)流系統(tǒng)中，大多采用交叉反并聯(lián)的連接方式，而在其它系統(tǒng)，一般采用普 通反并聯(lián)連接方式。 環(huán)流環(huán)流 穩(wěn)態(tài)環(huán)流穩(wěn)態(tài)環(huán)流：指可逆線路工作在一定 控制角的穩(wěn)定工作狀態(tài)所存在的環(huán) 流 。 動態(tài)環(huán)流動態(tài)環(huán)流：指系統(tǒng)工作于過渡過程 中，也就是控制角在變化過程中所 產(chǎn)生的環(huán)流，該環(huán)流在穩(wěn)態(tài)工作中 并不存在。 （不做討論） 直流平均環(huán)流直流平均環(huán)流：在有環(huán)流系統(tǒng) 中，當整流組輸出的整流電壓 平均值大于逆變組輸出的逆變 電壓平均值時即產(chǎn)生該種環(huán)流。 脈動環(huán)流脈動環(huán)流：它的產(chǎn)生是由于在 有環(huán)流系統(tǒng)中，整流組與逆變 組輸出的

39、電壓瞬時值不等，當 順著晶閘管的導(dǎo)通方向出現(xiàn)正 的電壓差時，所產(chǎn)生的脈動式 的電流 。 5.4.2 采用 配合工作制的有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng) 工作原理：工作原理： 由電力電子變流理論可知，在反并聯(lián)可逆連接線路中，只要設(shè)法保 證當一組工作于整流狀態(tài)時，另一組讓其處于逆變工作壯態(tài)，且使整流 組的觸發(fā)角 與逆變組的逆變角 在量值上相等（采用相同觸發(fā)器）， 于是整流輸出電壓與逆變輸出電壓平均值相等且極性相反，這樣直流平 均環(huán)流將不會產(chǎn)生。按此原理組成的反并聯(lián)無直流平均環(huán)流的可逆調(diào)速 系統(tǒng)見圖5-37。 主電路采用兩組三相晶閘管 整流器反并聯(lián)的線路，存在兩條 脈動環(huán)流通路，每條環(huán)流通路需 兩個限制環(huán)流電

40、抗器，其中一個 因流過較大的負載電流而飽和， 只有另一個起限制環(huán)流的作用， 這樣，共需四個限制環(huán)流電抗器 Lc1Lc4。 因限制環(huán)流電抗器 流過負載電流而飽和 ，為抑制電樞電流的 脈動及防止電流斷續(xù) ，電樞中還要串入一 個體積比較大的平波 電抗器Ld。 AR為反號器 ，其作用是保證 正、反組觸發(fā)器 得到的控制信號 大小相等，極性 相反，即圖中 ctct UU 用兩個繼電器來進行給定電壓 Un*極性的切換，給定信號極性不 同時，對應(yīng)電動機的不同轉(zhuǎn)動方 向。 圖5-31 采用配合工作制的有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) * n U n U L M G ct U ASR ACR + + _ _ GTF i U i

41、 U n + _ KF KR GTR TM VF VR TA AR -1 ctU 1c L 2c L 3c L 4c L 控制線路采用典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)典型的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)系統(tǒng)。速度調(diào)節(jié)器 和電流調(diào)節(jié)器均需設(shè)置雙向輸出限幅，以限制最大動態(tài)電流和 最小觸發(fā)角 min 與最小逆變角 min 。在選擇合適的觸發(fā)器配合 關(guān)系時，就能做到使正組的觸發(fā)角 與反組的逆變角 相等， 即前面提到的 配合關(guān)系。 工作過程：工作過程： 的配合關(guān)系只是指控制角的工作狀態(tài)。 實際上，當正組工作于整流工作狀態(tài)時，反向組直流平均電流為零，嚴 格地說，它只是處于“待逆變狀態(tài)”。當需要制動時，因控制角的改變， 使Ud

42、of和Udor同時降低，一旦電動機反電動勢 時，整流組電 流被截止，逆變組才能真正投入逆變狀態(tài)，使電動機在能量回饋電網(wǎng)的過 程中實現(xiàn)制動降速。 當逆變組回饋電能時，另一組也是工作于“待整流狀態(tài)”。所以，在這 種 的配合工作制下，電動機的電流可以很方便地按正反兩個方向平滑 過渡，在任何時候，實際上只有一組晶閘管裝置在工作，另一組則處于等 待工作狀態(tài)。 dofdor UUE 通過切換Un*的極性,本系統(tǒng)可以在運行中進行正反向的相互切換。 切換過程切換過程 ： 當突然Un*從正極性變?yōu)樨摌O性電壓時，系統(tǒng)先是正向制動正向制動，使轉(zhuǎn)速下降到零， 然后反方向起動反方向起動，完成起動過程后，系統(tǒng)穩(wěn)定運行于某

43、一反方向的轉(zhuǎn)速值上。 制動過程制動過程：當發(fā)出反向指令后，Un*突然變負，速度反饋信號與給定電壓極性相同 了，速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出迅速改變極性且為限幅值，此時電流沒來得及變化，Ui 仍為正極性電壓，在 Uim*與 Ui 同為正極性電壓的作用下，ACR的輸出 Uct 迅速反 向且達負限幅值 Uctm ，在其作用下使正組VF由原來的整流狀態(tài)很快變成逆 變狀態(tài)，且逆變角 f=min ，同時反組VR由原“待逆變狀態(tài)”轉(zhuǎn)為“待整流狀態(tài)” 。此時在電樞回路中，VF輸出電壓改變極性，而反電勢仍為原極性，迫使 Id 迅速 下降， Id 的迅速減小使電樞電路中電感 L 兩端感應(yīng)出很大的電壓 ,其極性是力圖阻

44、止 Id 下降的。這時 ，由電感L釋放的磁場能量維持原來的正向電 流，大部分能量通過VF的逆變狀態(tài)回饋電網(wǎng)，而反組VR盡管觸發(fā)信號在整流區(qū)， 但并不能真正輸出整流電流。 隨著磁場能量的減少， Id逐漸減少到零。 E dt dI L d dordof UU 通常將制動的這個子階段稱作本組逆變階段本組逆變階段，有些書上稱其為本橋逆變本橋逆變。理由 是在這一階段中投入逆變工作的仍是原來處于整流工作的一組裝置。 IdL Id n Idm O O IIIIII t4t3t2t1 t t IVVVI t5t6 -Idm -IdL n * -n * 采用 配合工作制的有環(huán)流可逆直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)波形圖 它組制

45、動階段又可分成三個子階段： l它組建流子階段； l它組逆變子階段； l反向減流子階段。 d0rd0f d d d UUE t I L 當主電路電流下降過零時，本組逆變終止，第 I 階段結(jié)束，轉(zhuǎn)到反組VR 工 作，開始通過反組制動。從這時起，直到制動過程結(jié)束，統(tǒng)稱“它組制動階 段”。 （1）Id 過零并反向，直至到達 - Idm 以前，ACR并未脫離飽和狀態(tài)，其 輸出仍為 - Ucm 。這時，VF和 VR 輸出電壓的大小都和本組逆變階段一樣，但 由于本組逆變停止，電流變化延緩， LdI/dt 的數(shù)值略減，使 反組VR由“待整流”進入整流，向主電路提供 Id 。 由于反組整流電壓 Ud0r 和反電

46、動勢 E 的極性相同，反向電流很快增長， 電機處于反接制動狀態(tài)，轉(zhuǎn)速明顯地降低，因此，又可稱作“它組反接制動狀 態(tài)”。 （2） 當反向電流達到 Idm 并略有超調(diào)時，ACR輸出電壓 Uc 退出飽 和，其數(shù)值很快減小，又由負變正，然后再增大，使VR回到逆變狀態(tài)，而 VF 變成待整流狀態(tài)。此后，在ACR的調(diào)節(jié)作用下，力圖維持接近最大的 反向電流 Idm ，因而 0 d d d t I L d0rd0f UUE 電機在恒減速條件下回饋制動，把動能轉(zhuǎn)換成電能，其中大部分通 過 VR 逆變回饋電網(wǎng)，這一階段稱作“它組回饋制動階段”或“它組逆 變階段”。 這個階段所占的時間最長，是制動過程中的主要階段。

47、當轉(zhuǎn)速下降得很低，無法再維持 Idm時，電流立即衰減，進入下 一階段。 （3） 在電流衰減過程中，電感 L上的感應(yīng)電壓 LdI/dt 支持 著反向電流，并釋放出存儲的磁能，與電動機斷續(xù)釋放出的動 能一起通過VR逆變回饋電網(wǎng)。 若給定信號為零，在Id 的作用下，轉(zhuǎn)速出現(xiàn)一定大小的負 值后， 隨著Id 的減小，經(jīng)幾次衰減震蕩后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在零上 ； 若給定信號為一定大小的負值，則轉(zhuǎn)速變負 后，ASR仍不 退飽和，在電流環(huán)的作用下維持 Idm ，電動機處于反向起動狀 態(tài)。 系統(tǒng)的突出優(yōu)點： 切換時電流無死區(qū)，快速性好； 缺點： 存在脈動環(huán)流，額外加限制脈動環(huán)流電抗器。 5.4.3 5.4.3 無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) 無環(huán)流可逆無環(huán)流可逆 調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速系統(tǒng) 邏輯控制 無環(huán)流系統(tǒng)： 錯位控制 無環(huán)流系統(tǒng)： （略） 采用的無環(huán)流控制方法：當一組整流裝置工作 時，用邏輯電路封鎖另一組整流裝置的觸發(fā)脈 沖，使其根本不能導(dǎo)通，這樣，無論是直流平 均環(huán)流還是瞬時脈動環(huán)流都不存在了。 采用的仍是配合控制，工