第一章 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)(2010 0901 ok)

E-mail:zhq0027@126.com參考文獻☆陳伯時，《電力拖動自動控制系統(tǒng)---運動控制系統(tǒng)》

第3版，機械工業(yè)出版社，2004☆王兆安，《電力電子技術(shù)》,機械工業(yè)出版社，2003☆夏德黔，《自動控制原理》,機械工業(yè)出版社，1999☆馬曉亮，《大功率交-交變頻調(diào)速及矢量控制技術(shù)》

第2版，電氣自動化新技術(shù)叢書機械工業(yè)出版社，2006☆廖曉鐘，《電力電子技術(shù)與電氣傳動》

北京理工大學出版社，2000.1第一篇直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)補充:直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)

DCVariableSpeedSystemandServoSystem數(shù)學模型MathematicalModel電力拖動PowerDrive負載轉(zhuǎn)矩LoadTorque

恒轉(zhuǎn)矩負載ConstantTorque

通風機負載

FanningMachine

恒功率負載ConstantPower機械特性MechanicalCharacteristic

制動Brake

能耗制動DynamicBraking

反接制動PlugBraking

回饋制動RegenerativeBraking第一篇直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)小結(jié):A.直流電機的電力拖動運動方程B.直流電機的負載轉(zhuǎn)矩特性①恒轉(zhuǎn)矩負載特性②通風機負載特性③恒功率負載特性C.他勵直流電動機的機械特性D.直流電動機的制動①能耗制動；②反接制動③回饋制動（再生發(fā)電制動）第一篇直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)第一篇直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)主要研究內(nèi)容：直流調(diào)速方法直流調(diào)速電源直流調(diào)速控制第一篇直流調(diào)速系統(tǒng)和隨動系統(tǒng)直流電動機具有良好起、制動性能，宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速和快速正反向電力拖動領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用。由于直流拖動控制系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，而且從控制角度看，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順序，應(yīng)該首先很好地掌握直流拖動控制系統(tǒng)。根據(jù)直流電動機轉(zhuǎn)速方程

直流調(diào)速方法nUIaRKe式中

—

轉(zhuǎn)速（r/min）；

—

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)決定的電動勢常數(shù)。有三種方法調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速：

（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓U。

（2）減弱勵磁磁通。（3）改變電樞回路電阻R。直流調(diào)速方法（1）調(diào)壓調(diào)速（VariableVoltageVariableSpeed）nn0OIILUNU1U2U3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線工作條件：保持勵磁=N；

保持電阻R=Ra調(diào)節(jié)過程：改變電壓UN

U

Un，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線平行下移。（2）調(diào)阻調(diào)速（VariableresistanceVariableSpeed）nn0OIILRaR1R2R3nNn1n2n3調(diào)阻調(diào)速特性曲線工作條件：保持勵磁

=N

；

保持電壓U=UN；調(diào)節(jié)過程：

增加電阻Ra

R

Rn，n0不變；調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速下降，機械特性曲線變軟。（3）調(diào)磁調(diào)速（ReduceMagneticVariablespeed）nn0OTeTL

N

1

2

3nNn1n2n3調(diào)壓調(diào)速特性曲線工作條件：保持電壓U=UN

；

保持電阻R=Ra；調(diào)節(jié)過程：減小勵磁N

n，n0調(diào)速特性：轉(zhuǎn)速上升，機械特性曲線變軟。三種調(diào)速方法性能與比較

對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有級調(diào)速；減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的弱磁升速。

因此，自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主,以弱磁調(diào)速為配合調(diào)壓方案。第1章單閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)本章提要1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的主要問題1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題1.4單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計1.5單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)分析與設(shè)計1.6

單閉環(huán)有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)的其他方案1.7

無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)1.1直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源A.旋轉(zhuǎn)變流機組(RotatingConverter,1920-1950)

用交流電動機和直流發(fā)電機組成機組，獲得可調(diào)的直流電壓。B.水銀整流器（IgnitronRectifier,1950-1957）C.靜止式可控整流器(SiliconControlledRectifier,1960-)

用靜止式的可控整流器獲得可調(diào)的直流電壓。D.直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器(PWM,2000-)

用恒定直流電源或不控整流電源供電，利用電力電子開關(guān)器件斬波或進行脈寬調(diào)制，產(chǎn)生可變的平均電壓。1.1.1旋轉(zhuǎn)變流機組(Generator-Motor)旋轉(zhuǎn)變流機組和由它供電直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）原理

G-M系統(tǒng)工作原理由原動機（柴油機、交流異步或同步電動機）拖動直流發(fā)電機G實現(xiàn)變流，由G給需要調(diào)速的直流電動機M供電，調(diào)節(jié)G的勵磁電流if即可改變其輸出電壓U，從而調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速n。

這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱G-M系統(tǒng)，國際上通稱Ward-Leonard系統(tǒng)。n第I象限第IV象限OTeTL-TLn0n1n2第II象限第III象限

G-M系統(tǒng)機械特性

G-M系統(tǒng)工作原理

G-M系統(tǒng)工作原理優(yōu)點：能實現(xiàn)四象限運轉(zhuǎn)，即可逆運行缺點：設(shè)備多，體積大，成本高，效率低，有振動和噪音，維護麻煩，響應(yīng)時間慢，放大倍數(shù)低結(jié)論：響應(yīng)時間長，放大倍數(shù)低，后被替代1.1.2水銀整流器水銀整流器優(yōu)點：響應(yīng)時間快，放大倍數(shù)大缺點：容量小，成本高，維護麻煩，萬一泄漏，污染環(huán)境，危害健康結(jié)論：沒有得到推廣1.1.3靜止式可控整流器晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理

V-M系統(tǒng)工作原理晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（簡稱V-M系統(tǒng)，又稱靜止的Ward-Leonard系統(tǒng)）圖中VT是晶閘管可控整流器，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓Uc

來移動觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ud

，從而實現(xiàn)平滑調(diào)速。

V-M系統(tǒng)與G-M系統(tǒng)比較

晶閘管整流裝置在經(jīng)濟性和可靠性上都有很大提高，且在技術(shù)性能上也顯示出較大優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在104以上，其門極電流可以直接用晶體管來控制，不再像直流發(fā)電機那樣需要較大功率放大器。在控制作用的快速性上，變流機組是秒級，而晶閘管整流器是毫秒級，這將大大提高系統(tǒng)動態(tài)性能。

V-M系統(tǒng)的問題由于晶閘管單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)可逆運行造成困難。晶閘管對過電壓、過電流和過高的du/dt與di/dt

都十分敏感，若超過允許值會在很短的時間內(nèi)損壞器件，設(shè)計時留有2-3倍余量。處于深度調(diào)速狀態(tài)（低速運行），可控硅導通角小，系統(tǒng)功率因數(shù)很低，產(chǎn)生高次諧波電流，由諧波與無功功率引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備，造成“電力公害”，應(yīng)增加無功補償和諧波濾波裝置。三種變流裝置比較響應(yīng)時間（秒）機組水銀可控硅功率放大倍數(shù)三種變流裝置性能比較1.1.4直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器在干線鐵道電力機車、工礦電力機車、城市有軌和無軌電車和地鐵電機車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵或復勵電動機，由恒壓直流電網(wǎng)供電，過去用切換電樞回路電阻來控制電機的起動、制動和調(diào)速，在電阻中耗電很大。

a.直流斬波器基本結(jié)構(gòu)直流斬波器-電動機系統(tǒng)原理圖和電壓波形

a）原理圖b）電壓波形圖tOuUsUdTton+MUsLVDM+--VT

b.斬波器基本控制原理原理圖中，VT表示電力電子開關(guān)器件，VD表示續(xù)流二極管。當VT導通時，直流電源電壓Us加到電動機上；當VT關(guān)斷時，直流電源與電機脫開，電動機電樞經(jīng)VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖b，好像是電源電壓Us在ton時間內(nèi)被接上，又在T–

ton

時間內(nèi)被斬斷，故稱“斬波”。這樣，電動機得到平均電壓為

c.輸出電壓計算式中T—晶閘管的開關(guān)周期；

ton

—開通時間；

—占空比，

=ton/T=tonf其中,

f為開關(guān)頻率。

d.斬波電路器件為了節(jié)能并實行無觸點控制，現(xiàn)在多用電力電子開關(guān)器件，如快速晶閘管、GTO、IGBT等。采用簡單的單管控制時，稱作直流斬波器，后來逐漸發(fā)展成采用各種脈沖寬度調(diào)制開關(guān)的電路，脈寬調(diào)制變換器（PWM-PulseWidthModulation）。

e.斬波電路三種控制方式根據(jù)對輸出電壓平均值進行調(diào)制的方式不同而劃分，有三種控制方式：T不變，變ton—脈沖寬度調(diào)制（PWM）；ton不變，變T—脈沖頻率調(diào)制（PFM）；ton和T都可調(diào)，改變占空比—混合型(兩點式)。f.PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（1）主電路線路簡單，需用的功率器件少；（2）開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；（3）低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，可達1:10000左右；（4）若與快速響應(yīng)的電機配合，則系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；PWM系統(tǒng)的優(yōu)點（續(xù)）（5）功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；（6）直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高；三種可控直流電源，V-M系統(tǒng)在20世紀60~70年代得到廣泛應(yīng)用，目前主要用于大容量系統(tǒng)。直流PWM調(diào)速系統(tǒng)作為一種新技術(shù)，發(fā)展迅速，應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的系統(tǒng)中，已取代V-M系統(tǒng)成為主要的直流調(diào)速方式。1.2晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）主要問題本節(jié)討論V-M系統(tǒng)的幾個主要問題：（1）觸發(fā)脈沖相位控制問題；（2）電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）抑制電流脈動的措施；（4）晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性；（5）晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。OOOOO1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制在可控整流電路中，調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，即可很方便地改變可控整流器VT輸出瞬時電壓ud

的波形，以及輸出平均電壓Ud

的數(shù)值。Ud0IdE等效電路分析

如果把整流裝置內(nèi)阻移到裝置外邊，看成是其負載電路電阻的一部分，那么，整流電壓便可以用其理想空載瞬時值ud0和平均值Ud0來表示，相當于用圖示等效電路代替實際的整流電路。

V-M系統(tǒng)主電路等效電路圖

1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制

式中

—電動機反電動勢（V）；

—整流電流瞬時值（A）；

—主電路總電感（H）；

—主電路等效電阻（）。

R=Rrec+Ra+RL。EidLR

瞬時電壓平衡方程1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制對ud0進行積分，即得理想空載整流電壓平均值Ud0

。

用觸發(fā)脈沖的相位角

控制整流電壓的平均值Ud0是晶閘管整流器的特點。

Ud0與觸發(fā)脈沖相位角

的關(guān)系因整流電路的形式而異，對于一般的全控整流電路，當電流波形連續(xù)時，Ud0=f()可用下式表示1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制

式中—從自然換相點算起的觸發(fā)脈沖控制角；—

=

0時的整流電壓波形峰值（V）；

—交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。對于不同的整流電路，它們的數(shù)值見表1-1。Umm整流電壓的平均值計算1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制表1-1不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈波數(shù)及平均整流電壓*U2

是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制整流與逆變狀態(tài)：

1、當0<</2時，Ud0>0，晶閘管裝置處于整流狀態(tài)，電功率從交流側(cè)輸送到直流側(cè)；

2、當/2<<max

時，Ud0<0，裝置處于有源逆變狀態(tài)，電功率反向傳送。

為避免逆變顛覆，應(yīng)設(shè)置最大的移相角限制。相控整流器的電壓控制曲線如下圖

1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制相控整流器電壓控制曲線

O逆變顛覆限制

通過設(shè)置控制電壓限幅值，來限制最大觸發(fā)角。1.2.1觸發(fā)脈沖相位控制1.2.2電流脈動及其波形連續(xù)與斷續(xù)由于電流波形脈動，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個特點。當V-M系統(tǒng)主電路有足夠大電感量，而電動機負載也足夠大時，整流電流便具有連續(xù)脈動波形。當電感量較小或負載較輕時，在某一相導通后電流升高階段里，電感中儲能較少；等到電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，于是，便造成電流波形斷續(xù)情況。V-M系統(tǒng)主電路的輸出V-M系統(tǒng)的電流波形a）電流連續(xù)b）電流斷續(xù)OuaubucaudOiaibicictEUdtOuaubucaudOiaibicicEUdudttudidid1.2.3抑制電流脈動的措施在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利，同時也增加電機的發(fā)熱。為了避免或減輕這種影響，須采用抑制電流脈動的措施，主要是：設(shè)置平波電抗器；增加整流電路相數(shù)；采用多重化技術(shù)。（1）平波電抗器的設(shè)置與計算單相橋式全控整流電路三相半波整流電路三相橋式整流電路（1-6）（1-8）（1-7）1.2.3抑制電流脈動的措施（2）多重化整流電路

如圖電路為由2個三相橋并聯(lián)而成的12脈波整流電路，使用了平衡電抗器來平衡2組整流器的電流。并聯(lián)多重聯(lián)結(jié)的12脈波整流電路M1.2.3抑制電流脈動的措施1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的機械特性方程式為

式中Ce—電機在額定磁通下的電動勢系數(shù),Ce=KeN

。（a）電流連續(xù)情況改變控制角，得一族平行直線，這和G-M系統(tǒng)特性很相似。圖中電流較小部分畫成虛線，表明這時電流波形可能斷續(xù)。說明：只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個線性的可控電壓源。電流連續(xù)時V-M系統(tǒng)機械特性

△n=Id

R/CenIdILO1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

當電流斷續(xù)時，由于非線性因素，機械特性方程要復雜得多。以三相半波整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)為例，電流斷續(xù)時機械特性須用下列方程組表示

式中；—一個電流脈波的導通角。（b）電流斷續(xù)情況1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

（c）電流斷續(xù)機械特性計算當阻抗角值已知時，對于不同控制角，可用數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)時的機械特性。對于每一條特性，求解過程都計算到=2/3為止，因為角再大時，電流便連續(xù)了。對應(yīng)于=2/3的曲線是電流斷續(xù)區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

完整V-M系統(tǒng)機械特性（d）V-M系統(tǒng)機械特性1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

（5）V-M系統(tǒng)機械特性的特點完整V-M系統(tǒng)機械特性，分為電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū),可見：當電流連續(xù)時，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。1.2.4晶閘管-電動機系統(tǒng)的機械特性

1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)在進行調(diào)速系統(tǒng)的分析和設(shè)計時，可以把晶閘管觸發(fā)和整流裝置當作系統(tǒng)中的一個環(huán)節(jié)來看待。應(yīng)用線性控制理論進行直流調(diào)速系統(tǒng)分析或設(shè)計時，須事先求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。實際觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的,只能在一定工作范圍內(nèi)近似看成線性環(huán)節(jié)。如有可能，最好先用實驗方法測出該環(huán)節(jié)輸入-輸出特性。設(shè)計時，希望整個調(diào)速范圍的工作點都落在特性近似線性范圍之中，并有一定調(diào)節(jié)余量。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)a.晶閘管觸發(fā)和整流裝置的放大系數(shù)的計算

晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性率決定，計算方法是 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性測定

1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)如果不可能實測特性，只好根據(jù)裝置的參數(shù)估算。例如：設(shè)觸發(fā)電路控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為

Uc=0~10V

相對應(yīng)的整流電壓的變化范圍是

Ud=0~220V

可取Ks

=220/10=22b.晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)估算1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)c.晶閘管觸發(fā)和整流裝置傳遞函數(shù)在動態(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)與整流裝置看成是一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)是由晶閘管失控時間引起。晶閘管一旦導通后，控制電壓的變化在該器件關(guān)斷以前就不再起作用，直到下一相觸發(fā)脈沖來到時才能使輸出整流電壓發(fā)生變化，這就造成整流電壓滯后于控制電壓狀況。1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)u2udUctta10Uc1Uc2a1tt000a2a2Ud01Ud02TSOOOO（1）晶閘管觸發(fā)與整流失控時間分析晶閘管觸發(fā)與整流裝置的失控時間1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)顯然，失控時間是隨機的，它的大小隨發(fā)生變化的時刻而改變，最大可能的失控時間就是兩個相鄰自然換相點之間的時間，與交流電源頻率和整流電路形式有關(guān)，由下式確定

（2）最大失控時間計算式中

—交流電流頻率（Hz）；

—

一周內(nèi)整流電壓的脈沖波數(shù)。fm1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)

（3）Ts

值的選取

相對于整個系統(tǒng)的響應(yīng)時間來說，Ts不大，在一般情況下，可取其統(tǒng)計平均值Ts

=Tsmax/2，并認為是常數(shù)。也有人主張按最嚴重情況考慮，取Ts=Tsmax

。表1-2列出不同整流電路失控時間。表1-2各種整流電路的失控時間（f=50Hz）1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)用單位階躍函數(shù)表示滯后，則晶閘管觸發(fā)與整流裝置輸入-輸出關(guān)系為按拉氏變換的位移定理，晶閘管裝置的傳遞函數(shù)為

（4）傳遞函數(shù)求取1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)由于式中包含指數(shù)函數(shù)，它使系統(tǒng)成為非最小相位系統(tǒng)，分析和設(shè)計都比較麻煩。為了簡化，先將該指數(shù)函數(shù)按臺勞級數(shù)展開，則變成：

1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)（5）近似傳遞函數(shù)考慮到Ts

很小，可忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成一階慣性環(huán)節(jié)。

1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)（6）晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)Uc(s)Ud0(s)Uc(s)Ud0(s)a)準確的b）近似的晶閘管觸發(fā)與整流裝置動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖ssss返回目錄1.2.5晶閘管觸發(fā)和整流裝置放大系數(shù)和傳遞函數(shù)1.3直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主要問題全控型電力電子器件問世后，出現(xiàn)采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）高頻開關(guān)控制方式形成的脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，簡稱直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)，即直流PWM調(diào)速系統(tǒng)。主要研究內(nèi)容：

PWM變換器的工作狀態(tài)和波形直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的機械特性PWM控制與變換器的數(shù)學模型電能回饋與泵升電壓的限制1.3.1PWM變換器工作狀態(tài)和電壓、電流波形

PWM變換器的作用是：用PWM調(diào)制方法，把恒定直流電源電壓調(diào)制成頻率一定、寬度可變脈沖電壓系列，從而改變平均輸出電壓大小，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速。

PWM變換器電路有多種形式，主要分為不可逆與可逆兩大類，下面分別闡述其工作原理。1.不可逆PWM變換器（1）簡單不可逆PWM變換器簡單不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)主電路原理圖如圖所示，功率開關(guān)器件可以是任意一種全控型開關(guān)器件，這樣的電路又稱直流降壓斬波器。

簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)

VDUs+UgCVTidM+__Ea）主電路原理圖

M?主電路結(jié)構(gòu)21UdOtUg圖中：

Us—直流電源電壓

C—濾波電容器

M—直流電動機VD—續(xù)流二極管VT—功率開關(guān)器件VT的柵極由脈寬可調(diào)的脈沖電壓系列Ug驅(qū)動。?主電路結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)與波形在一個開關(guān)周期內(nèi)，當0≤

t<ton時，Ug為正，VT導通，電源電壓通過VT加到電動機電樞兩端；當ton

≤

t<T時，Ug為負，VT關(guān)斷，電樞失去電源，經(jīng)VD續(xù)流。U,iUdEidUsttonT0

電壓和電流波形O電機兩端得到的平均電壓為

式中=ton

/T為PWM波形的占空比，輸出電壓方程

改變（0≤

<1

）即可調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，若令=Ud/Us為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中

=

（2）有制動的不可逆PWM變換器電路在簡單不可逆電路中電流不能反向，因而沒有制動能力，只能作單象限運行。需要制動時，必須為反向電流提供通路，如圖1-17a所示雙管交替開關(guān)電路。當VT1

導通時，流過正向電流+id，VT2

導通時，流過–

id

。應(yīng)注意，這個電路還是不可逆的，只能工作在第一、二象限，因為平均電壓Ud并沒有改變極性。圖1-17a有制動電流通路的不可逆PWM變換器主電路結(jié)構(gòu)M+﹣VD2Ug2Ug1VT2VT1VD1E4123CUs+MVT2Ug2VT1Ug1Ｕｄ工作狀態(tài)與波形一般電動狀態(tài)

一般電動狀態(tài)，始終為正值（其正方向示于圖1-17a中）。設(shè)ton為VT1的導通時間，則一個工作周期有兩個工作階段：在0≤

t≤

ton期間，Ug1為正，VT1導通，Ug2為負，VT2關(guān)斷。此時，電源電壓Us加到電樞兩端，電流id沿圖中的回路1流通。一般電動狀態(tài)（續(xù)）在ton

≤

t≤

T期間，Ug1和Ug2都改變極性，VT1關(guān)斷，但VT2卻不能立即導通，因為id沿回路2經(jīng)二極管VD2續(xù)流，在VD2兩端產(chǎn)生的壓降給VT2施加反壓，使它失去導通可能。

因此，實際上是由VT1和VD2交替導通，

雖然電路中多了一個功率開關(guān)器件，但并沒有

被用上。工作狀態(tài)與波形U,iUdEidUsttonT0O輸出波形：一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形與簡單的不可逆電路波形（圖1-17b）完全一樣。圖1-17b一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形工作狀態(tài)與波形制動狀態(tài)

在制動狀態(tài)中，id為負值，VT2就發(fā)揮作用了。這種情況發(fā)生在電動運行過程中需要降速的時候。這時，先減小控制電壓，使Ug1的正脈沖變窄，負脈沖變寬，從而使平均電樞電壓Ud降低。但是，由于機電慣性，轉(zhuǎn)速和反電動勢E還來不及變化，因而造成EUd

的局面，很快使電流id反向，VD2截止，VT2開始導通。工作狀態(tài)與波形

制動狀態(tài)的一個周期分為兩個工作階段：在0≤

t≤

ton

期間，VT2關(guān)斷，－id

沿回路4經(jīng)VD1續(xù)流，向電源回饋制動，與此同時，VD1兩端壓降鉗住VT1使它不能導通。在ton

≤

t≤

T期間，Ug2變正，于是VT2導通，反向電流id

沿回路3流通，產(chǎn)生能耗制動作用。

因此，在制動狀態(tài)中，VT2和VD1輪流導通，

而VT1始終是關(guān)斷的，此時的電壓和電流波形示于

圖1-17c。工作狀態(tài)與波形圖1-17c制動狀態(tài)的電壓﹑電流輸出波形U,iUdE-idUsttonT04444333VT2VT2VT2VD1VD1VD1VD1tUg工作狀態(tài)與波形0

輕載電動狀態(tài)

有一種特殊情況，即輕載電動狀態(tài)，這時平均電流較小，以致在關(guān)斷后經(jīng)續(xù)流時，還沒有到達周期T，電流已經(jīng)衰減到零，此時，兩端電壓也降為零，便提前導通了，使電流方向變動，產(chǎn)生局部時間的制動作用。工作狀態(tài)與波形

輕載電動狀態(tài)，一個周期分成四個階段：第1階段，VD1續(xù)流，電流–

id

沿回路4流通第2階段，VT1導通，電流id沿回路1流通第3階段，VD2續(xù)流，電流id沿回路2流通第4階段，VT2導通，電流–

id沿回路3流通工作狀態(tài)與波形

在1、4階段，電動機流過負方向電流，電機工作在制動狀態(tài)；在2、3階段，電動機流過正方向電流，電機工作在電動狀態(tài)。因此，在輕載時，電流可在正負方向之間脈動，平均電流等于負載電流，其輸出波形見圖1-17d。工作狀態(tài)與波形圖1-17d輕載電動狀態(tài)的電流波形4123TtonU,iUdEidUsttonT04123OidtOt4t2工作狀態(tài)與波形小結(jié)表1-3二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態(tài)下的導通器件和電流回路與方向2.橋式可逆PWM變換器可逆PWM變換器主電路有多種形式，常用橋式（亦稱H形）電路，如圖1-18所示。這時，電動機M兩端電壓極性隨開關(guān)器件柵極驅(qū)動電壓極性變化而改變，其控制方式有雙極式、單極式、受限單極式等多種，這里只分析雙極式控制的可逆PWM變換器。+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT3132AB4MVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4

橋式可逆PWM變換器

H形主電路結(jié)構(gòu)雙極式控制方式（1）正向運行第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug1、

Ug4為正，VT1

、VT4導通，Ug2、

Ug3為負，VT2

、

VT3截止，電流id

沿回路1流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug1、

Ug4為負，VT1

、VT4截止，VD2

、

VD3續(xù)流，并鉗位使VT2

、

VT3保持截止，電流id沿回路2流通，電動機M兩端電壓UAB=–Us

；雙極式控制方式（續(xù)）（2）反向運行第1階段，在0≤

t≤

ton

期間，Ug2、

Ug3為負，VT2

、VT3截止，VD1

、VD4

續(xù)流，并鉗位使VT1

、VT4截止，電流–id

沿回路4流通，電動機M兩端電壓UAB=+Us

；第2階段，在ton

≤

t≤

T期間，Ug2、

Ug3為正，VT2

、VT3導通，Ug1、

Ug4為負，使VT1

、VT4保持截止，電流–

id

沿回路3流通，電動機M兩端電壓UAB=–

Us

；輸出波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(1)正向電動運行波形U,iUdEid+UsttonT0-UsO(2)反向電動運行波形輸出平均電壓雙極式控制可逆PWM變換器的輸出平均電壓為

如果占空比和電壓系數(shù)定義與不可逆變換器中相同，則在雙極式控制的可逆變換器中 =2

–

1

注意：這里計算公式與不可逆變換器中公式就不一樣。調(diào)速范圍調(diào)速時，的可調(diào)范圍為0~1，–1<<+1。

當>0.5時，為正，電機正轉(zhuǎn)當<0.5時，為負，電機反轉(zhuǎn)當=0.5時，=0，電機停止注意當電機停止時電樞電壓并不等于零，而是正負脈寬相等的交變脈沖電壓，因而電流也是交變的。這個交變電流的平均值為零，不產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，徒然增大電機損耗，這是雙極式控制的缺點。但它也有好處，在電機停止時仍有高頻微振電流，從而消除正、反向時靜摩擦死區(qū)，起“動力潤滑”作用。性能評價雙極式控制橋式可逆PWM變換器有下列優(yōu)點：1）電流一定連續(xù)；2）可使電機在四象限運行；3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)；4）低速平穩(wěn)性好，系統(tǒng)調(diào)速范圍可達1:20000左右；5）低速時，每個開關(guān)器件驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證器件的可靠導通；

性能評價（續(xù)）

雙極式控制方式不足之處：在工作過程中，4個開關(guān)器件可能都處于開關(guān)狀態(tài)，開關(guān)損耗大，而且在切換時可能發(fā)生上、下橋臂直通事故，為防止直通，在上、下橋臂驅(qū)動脈沖之間，應(yīng)設(shè)置邏輯延時。1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性由于采用脈寬調(diào)制，嚴格地說，即使在穩(wěn)態(tài)情況下，脈寬調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速也都是脈動的，所謂穩(wěn)態(tài)，是指電機的平均電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相平衡的狀態(tài)，機械特性是平均轉(zhuǎn)速與平均轉(zhuǎn)矩（電流）關(guān)系。采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣。對于帶制動電流通路的不可逆電路和雙極式控制的可逆電路，電流的方向是可逆的，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在分析這種情況。1.3.2直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性對于帶制動電流通路的不可逆電路，電壓平衡方程式分兩個階段

式中的R、L分別為電樞電路的電阻和電感。

帶制動的不可逆電路電壓方程（0≤t<ton）（1-21）（ton

≤t<T）（1-22）對于雙極式控制的可逆電路，只在第二個方程中電源電壓由0改為–Us

，其他均不變。于是，電壓方程為(0≤

t<ton)(1-23)

雙極式可逆電路電壓方程(ton

≤

t<T)(1-24)

機械特性方程

按電壓方程求一個周期內(nèi)的平均值，即可導出機械特性方程式。無論是上述哪一種情況，電樞兩端在一個周期內(nèi)的平均電壓都是Ud

=

Us，只是與占空比的關(guān)系不同，分別為式（1-18）和式（1-20）。

平均電流和轉(zhuǎn)矩分別用Id

和Te表示，平均轉(zhuǎn)速n=E/Ce，而電樞電感壓降的平均值Ldid

/dt在穩(wěn)態(tài)時應(yīng)為零。于是，無論是上述哪一組電壓方程，其平均值方程都可寫成

(1-25)機械特性方程

(1-26)或用轉(zhuǎn)矩表示

(1-27)式中Cm

—電機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)

Cm=KmN

；n0—理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比

n0=Us

/Ce

。機械特性方程n–Id,–TeOn0ss0.5n0s0.25n0sId

,Te

=1

=0.75

=0.5

=0.25

PWM調(diào)速系統(tǒng)機械特性圖1-20脈寬調(diào)速系統(tǒng)的機械特性曲線（電流連續(xù)）說明圖中所示機械特性曲線是電流連續(xù)時脈寬調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能；圖中僅繪出第一、二象限機械特性，它適用于帶制動作用的不可逆電路，雙極式控制可逆電路的機械特性與此相仿，擴展到第三、四象限；對于電機在同一方向旋轉(zhuǎn)時電流不能反向的電路，輕載時會出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象，把平均電壓抬高，在理想空載時，Id

=0，理想空載轉(zhuǎn)速會翹到n0s＝Us

/Ce

；中、小容量脈寬調(diào)速系統(tǒng)，IGBT得到普遍應(yīng)用，其開關(guān)頻率達到20kHz左右，最大電流脈動量在額定電流5%以下，轉(zhuǎn)速脈動量不到額定空載轉(zhuǎn)速萬分之一，可忽略不計。1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學模型圖1-21繪出了PWM控制器和變換器的框圖，其驅(qū)動電壓都由PWM控制器發(fā)出，PWM控制與變換器的動態(tài)數(shù)學模型和晶閘管觸發(fā)與整流裝置基本一致。按照上述對PWM變換器工作原理和波形的分析，不難看出，當控制電壓改變時，PWM變換器輸出平均電壓按線性規(guī)律變化，但其響應(yīng)會有延遲，最大的時延是一個開關(guān)周期T。UcUgUdPWM控制器PWM變換器圖1-21PWM控制與變換器的框圖

1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學模型因此PWM控制與變換器（簡稱PWM裝置）也可以看成是一個滯后環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)可以寫成（1-28）式中Ks—PWM裝置的放大系數(shù)；

Ts—PWM裝置的延遲時間，Ts

≤

T0

。

1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學模型當開關(guān)頻率為10kHz時，T=0.1ms，在一般的電力拖動自動控制系統(tǒng)中，時間常數(shù)這么小的滯后環(huán)節(jié)可以近似看成是一個一階慣性環(huán)節(jié)，因此,（1-29）與晶閘管裝置傳遞函數(shù)完全一致。

1.3.3PWM控制與變換器的數(shù)學模型CC+1.3.4電能回饋與泵升電壓的限制

PWM變換器的直流電源通常由交流電網(wǎng)經(jīng)不可控的二極管整流器產(chǎn)生，并采用大電容C濾波，以獲得恒定的直流電壓，電容C同時對感性負載的無功功率起儲能緩沖作用。

泵升電壓產(chǎn)生的原因

對于PWM變換器中的濾波電容，其作用除濾波外，還有當電機制動時吸收運行系統(tǒng)動能的作用。由于直流電源靠二極管整流器供電，不可能回饋電能，電機制動時只好對濾波電容充電，這將使電容兩端電壓升高，稱作“泵升電壓”。

電力電子器件的耐壓限制著最高泵升電壓，因此電容量就不可能很小，一般幾千瓦的調(diào)速系統(tǒng)所需的電容量達到數(shù)千微法。在大容量或負載有較大慣量的系統(tǒng)中，不可能只靠電容器來限制泵升電壓，這時，可以采用下圖中的鎮(zhèn)流電阻Rb來消耗掉部分動能。分流電路靠開關(guān)器件VTb

在泵升電壓達到允許數(shù)值時接通。泵升電壓限制泵升電壓限制電路過電壓信號UsRbVTbC+對于更大容量的系統(tǒng)，為了提高效率，可以在二極管整流器輸出端并接逆變器，把多余的能量逆變后回饋電網(wǎng)。當然，這樣一來，系統(tǒng)就更復雜了。儲能增量:電容選擇為:泵升電壓限制（續(xù)）PWM系統(tǒng)的優(yōu)越性主電路線路簡單，需用的功率器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電機損耗及發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)抗擾能力強；功率開關(guān)器件工作在開關(guān)狀態(tài)，導通損耗小，當開關(guān)頻率適當時，開關(guān)損耗也不大，因而裝置效率較高；直流電源采用不控整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)比相控整流器高。返回目錄本節(jié)提要轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性開環(huán)系統(tǒng)機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較反饋控制規(guī)律調(diào)速系統(tǒng)的限流保護---電流截止負反饋1.4單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析與設(shè)計1.4.1轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標

任何一臺需要控制轉(zhuǎn)速的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對調(diào)速性能都有一定的要求。

歸納起來，對于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求有以下三個方面：1.控制要求1）調(diào)速---在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2）穩(wěn)速---以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，在各種干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動，以確保產(chǎn)品質(zhì)量；3）加、減速---頻繁起、制動的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起，制動盡量平穩(wěn)。2.調(diào)速指標a.調(diào)速范圍：生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D表示，即其中nmin

和nmax

一般都指電動機額定負載時的轉(zhuǎn)速，對于少數(shù)負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的轉(zhuǎn)速。

b.靜差率：當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落nN

，與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，稱作靜差率s

，即或用百分數(shù)表示

（1-32）

（1-33）

式中nN=n0-nN

2.調(diào)速指標0TeNTen0an0bab?

nNa

?

nNb

nO不同轉(zhuǎn)速下的靜差率c.靜差率與機械特性硬度的區(qū)別靜差率和機械特性硬度是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機械特性互相平行。對于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低時，靜差率越大，轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定度也就越差。2.調(diào)速指標例如：在1000r/min時降落10r/min，只占1%；在100r/min時同樣降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min時，再降落10r/min，就占100%，這時電動機已經(jīng)停止轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)速全部降落完了。

因此，調(diào)速范圍和靜差率這兩項指標并不是彼此孤立的，必須同時提才有意義。調(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標應(yīng)以最低速時所能達到的數(shù)值為準。d.靜差率與機械特性硬度的區(qū)別（續(xù)）2.調(diào)速指標e.調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系

設(shè)：電機額定轉(zhuǎn)速nN為最高轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降落為nN，則按照上面分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時的靜差率，即于是，最低轉(zhuǎn)速為

2.調(diào)速指標而調(diào)速范圍為

將上面的式代入nmin，得

2.調(diào)速指標或

調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對于同一個調(diào)速系統(tǒng)，nN

值一定，如果對靜差率要求越嚴，即要求s值越小時，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。結(jié)論

一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。2.調(diào)速指標2.調(diào)速指標f.調(diào)速的平滑性

例1.某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為nN

=1430r/m，額定速降nN

=115r/min，當要求靜差率s≤30%時，允許多大的調(diào)速范圍？如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍是多少？如果希望調(diào)速范圍達到10，所能滿足的靜差率是多少？3.調(diào)速指標實例解:要求s≤30%時，調(diào)速范圍為若要求s≤20%，則調(diào)速范圍只有若調(diào)速范圍達到10，則靜差率只能是3.調(diào)速指標實例1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題若可逆直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)是開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)節(jié)控制電壓就可以改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果負載的生產(chǎn)工藝對運行時的靜差率要求不高，這樣的開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)都能實現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級調(diào)速，可以找到一些用途。但是，許多需要調(diào)速的生產(chǎn)機械常常對靜差率有一定的要求。在這些情況下，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)往往不能滿足要求。

例2.

某龍門刨床工作臺拖動采用直流電動機，采用Z2-93型V-M系統(tǒng)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW，220V，305A，1000r/min，主電路總電阻R=0.18

，電動機電動勢系數(shù)Ce=0.2V·min/r。如果要求調(diào)速范圍D=20，靜差率s≤

5%，采用開環(huán)調(diào)速能否滿足？若要滿足這個要求，系統(tǒng)的額定速降最多能有多少？1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題解當電流連續(xù)時，V-M系統(tǒng)的額定速降為開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時靜差率為

這已大大超過5%要求，更不必談?wù){(diào)到最低速了。1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題

如果要求

D=20，s

≤

5%，則由式（1-29）可知

由上例可以看出，開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降是275r/min，而生產(chǎn)工藝的要求卻只有2.63r/min，相差幾乎百倍！

由此可見，開環(huán)調(diào)速已不能滿足要求，需采用反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來解決這個問題。1.4.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及其存在的問題1.4.3單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性根據(jù)自動控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進行控制的系統(tǒng)，只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降落正是由負載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，引入轉(zhuǎn)速閉環(huán)將使調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。

帶轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖+-AMTG+-+-+-UtgUdIdn+--+Un?Un

U*nUcUPE+-MTGIdUnUd０Uctg3～單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成調(diào)節(jié)原理在反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，與電動機同軸安裝一臺測速發(fā)電機TG，從而引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負反饋電壓Un

，與給定電壓U*n

相比較后，得到轉(zhuǎn)速偏差電壓Un

，經(jīng)過放大器A，產(chǎn)生電力電子變換器UPE的控制電壓Uc

，用以控制電動機轉(zhuǎn)速n。

UPE的組成圖中，UPE是由電力電子器件組成的變換器，其輸入接三組（或單相）交流電源，輸出為可控的直流電壓，控制電壓為Uc

。UcUd0u~ACDCUd0Uc

UPE的組成（續(xù)）

目前，組成UPE電力電子器件有如下幾種選擇方案：對于中、小容量系統(tǒng)，多采用由IGBT或P-MOSFET組成的PWM變換器對于較大容量的系統(tǒng)，可采用其他電力電子開關(guān)器件，如GTO、IGCT等對于特大容量的系統(tǒng)，則常用晶閘管觸發(fā)與整流裝置穩(wěn)態(tài)分析條件下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性，以確定它如何能夠減少轉(zhuǎn)速降落。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的，或者只取其線性工作段。2）忽略控制電源和電位器的內(nèi)阻。轉(zhuǎn)速負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)各環(huán)節(jié)穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：

電壓比較環(huán)節(jié)

放大器電力電子變換器

調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)機械特性

測速反饋環(huán)節(jié)

穩(wěn)態(tài)關(guān)系穩(wěn)態(tài)關(guān)系（續(xù)）以上各關(guān)系式中

—放大器的電壓放大系數(shù)；

—電力電子變換器的電壓放大系數(shù)；

—轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（V·min/r）；

—UPE的理想空載輸出電壓（V）；

—

電樞回路總電阻。KpKsRUd0

從上述五個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35）

靜特性方程靜特性方程（續(xù)）

式中，閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K為它相當于在測速反饋電位器輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速反饋輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨的放大系數(shù)的乘積。電動機環(huán)節(jié)放大系數(shù)為注意閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動機轉(zhuǎn)速與負載電流（或轉(zhuǎn)矩）間的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。靜特性方程（續(xù)）KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++-IdR-UnKs閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖1-25a轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖圖1-25b只考慮給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)圖1-25c只考慮擾動作用-IdR時的閉環(huán)系統(tǒng)U*nKpKs

1/CeUc?Un

n

Ud0Un+-+KpKs

1/Ce-IdR

nUd0+-E閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖圖中各方塊內(nèi)的符號代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。運用結(jié)構(gòu)圖運算法同樣可以推出式（1-35）所表示的靜特性方程式，方法如下：將給定量和擾動量看成兩個獨立輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)求出各自的輸出與輸入關(guān)系式，由于已認為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來，即得系統(tǒng)的靜特性方程式（1-35）閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖1.4.4開環(huán)機械特性和閉環(huán)靜特性比較

比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機械特性為

(1-36)

而閉環(huán)時的靜特性可寫成

(1-37)

（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開環(huán)系統(tǒng)機械特性硬得多。在同樣的負載擾動下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為和它們的關(guān)系是

(1-38)

系統(tǒng)特性比較系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（2）如果比較同一的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。

閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為

和當n0op=n0cl

時，（1-39）（3）當要求靜差率一定時，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動機的最高轉(zhuǎn)速都是nmax，而對最低速靜差率的要求相同，那么：開環(huán)時， 閉環(huán)時， 再考慮式（1-38），得(1-40)

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）系統(tǒng)特性比較（續(xù)）（4）要取得上述三項優(yōu)勢，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。

上述三項優(yōu)點若要有效，都取決于一點，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。把以上四點概括起來，可得下述結(jié)論：

閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價是，須增設(shè)電壓放大器以及檢測與反饋裝置。

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）例3.

在例1中，龍門刨床要求

D=20，s≤5%，

已知Ks=30，=0.015V·min/r，

Ce=0.2V·min/r，

如何采用閉環(huán)系統(tǒng)滿足此要求？

系統(tǒng)特性比較（續(xù)）解在上例中已經(jīng)求得

Δnop=275r/min但為了滿足調(diào)速要求，須有

Δncl=2.63r/min由式（1-38）可得≥系統(tǒng)特性比較（續(xù)）代入已知參數(shù)，則得即只要放大器的放大系數(shù)等于或大于46，閉環(huán)系統(tǒng)就能滿足所需的穩(wěn)態(tài)性能指標?！菹到y(tǒng)特性比較（續(xù)）系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程開環(huán)系統(tǒng)

Id

n例如：在圖1-26中工作點從AA′

閉環(huán)系統(tǒng)Id

nUnUn

nUd0Uc例如：在圖1-26中工作點從ABn0OIdId1Id3Id2Id4ABCA′D閉環(huán)靜特性開環(huán)機械特性圖1-26閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機械特性的關(guān)系Ud4Ud3Ud2Ud1系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實質(zhì)在于它的自動調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負載的變化而相應(yīng)地改變電樞電壓，以補償電樞回路電阻壓降。結(jié)論：開環(huán)系統(tǒng)反映內(nèi)在規(guī)律，不反映轉(zhuǎn)速、電流的靜態(tài)關(guān)系；閉環(huán)系統(tǒng)則只是閉環(huán)作用的結(jié)果，它只表示靜態(tài)關(guān)系，不反映動態(tài)過程。系統(tǒng)調(diào)節(jié)過程1.4.5反饋控制規(guī)律轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，各種不另加其他調(diào)節(jié)器的基本反饋控制系統(tǒng)都服從于這些規(guī)律。

1.被調(diào)量有靜差從靜特性分析中可以看出，由于采用了比例放大器，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)K值越大，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，Kp=常數(shù)，穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，卻不可能消除。因為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

只有K=，才能使ncl=0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量的偏差進行控制的。2.抵抗擾動,服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它能有效地抑制一切被負反饋環(huán)所包圍的前向通道上的擾動作用，但對給定作用的變化則唯命是從。擾動—除給定信號外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會引起輸出量變化的因素都叫做“擾動作用”。

調(diào)速系統(tǒng)的擾動源負載變化的擾動（使Id變化）交流電源電壓波動的擾動（使Ks變化）電動機勵磁的變化的擾動（造成Ce變化

）放大器輸出電壓漂移的擾動（使Kp變化）溫升引起主電路電阻增大的擾動（使R變化）檢測誤差的擾動（使變化）。圖1-27中，各種擾動作用都在穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖上表示出來，所有這些因素最終都要影響到轉(zhuǎn)速。擾動作用與影響圖1-27閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動作用

勵磁變化Id變化電源波動Kp變化電阻變化檢測誤差KpKs

1/CeU*nUc?UnEnUd0Un++--

R

抗擾能力反饋控制系統(tǒng)對被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動都有抑制功能。例如：UsUd0nUnUn

nUd0Uc

抗擾能力（續(xù)）

但是，如果在反饋通道上的測速反饋系數(shù)受到某種影響而發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會增大被調(diào)量的誤差。例如：UnUn

Uc

Ud0n

因此，反饋控制系統(tǒng)所能抑制的只是被反饋環(huán)包圍的前向通道上的擾動。給定作用與眾不同的是，在反饋環(huán)外的給定作用，如圖1-27中的轉(zhuǎn)速給定信號，它的些微變化都會使被調(diào)量隨之變化，絲毫不受反饋作用的抑制。

結(jié)論

反饋控制系統(tǒng)的規(guī)律是：一方面能夠有效地抑制一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對給定信號的任何變化都是唯命是從的。3.系統(tǒng)的精度依賴于給定和反饋檢測精度給定精度---由于給定決定系統(tǒng)輸出，輸出精度自然取決于給定精度。如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是對給定電壓的正常調(diào)節(jié)還是不應(yīng)有的電壓波動。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。檢測精度---反饋檢測裝置的誤差也是反饋控制系統(tǒng)無法克服的，因此檢測精度決定了系統(tǒng)輸出精度。例４．用線性集成電路運算放大器作為電壓放大器的轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)如圖所示，主電路是晶閘管可控整流器供電的V-M系統(tǒng)。已知數(shù)據(jù)如下：電動機：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻Ra=0.5Ω；

晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓U2l=230V，電壓放大系數(shù)Ks=44；V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R=1.0Ω；４.反饋控制實例測速發(fā)電機：永磁式，額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min；

直流穩(wěn)壓電源：±15V。

若生產(chǎn)機械要求調(diào)速范圍D=10，靜差率5%