直流調(diào)速系統(tǒng) 第三章 《自動(dòng)控制技術(shù)（第二版）》

全國高級(jí)技工學(xué)校電氣自動(dòng)化設(shè)備安裝與維修專業(yè)教材自動(dòng)控制技術(shù)主編：李國偉孫華（第二版）78直流調(diào)速系統(tǒng)第三章7980第三章3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理3－２

直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源3－３

晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征3－４

反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析3－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理第三章81學(xué)習(xí)目標(biāo)１.了解直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理。２.熟悉直流調(diào)速系統(tǒng)三種可控直流電源的原理和特點(diǎn)。３.掌握晶閘管—直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征。４.掌握反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。５.熟悉電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析。823－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理83直流電動(dòng)機(jī)具有良好的啟、制動(dòng)性能，適宜在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷揚(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用。由直流電動(dòng)機(jī)的速度公式ｎ＝（Ｕ－ＩａＲａ）／（ＫｅΦ）可以看出，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有以下三種：改變電源電壓Ｕ調(diào)速（簡稱調(diào)壓調(diào)速）；改變電樞回路電阻Ｒａ調(diào)速（簡稱串電阻調(diào)速）；改變勵(lì)磁電流以改變主磁通Φ調(diào)速（簡稱弱磁調(diào)速）。下面分別予以介紹。3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理84直流電動(dòng)機(jī)改變電源電壓調(diào)速的機(jī)械特性，如圖３－１所示。這種調(diào)速方法的主要特點(diǎn)是：一、改變電源電壓調(diào)速（１）調(diào)速范圍廣，可以從低速一直調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，速度變化平滑，通常稱為無級(jí)調(diào)速。（２）調(diào)速過程中沒有附加能量損耗。電壓降低后，機(jī)械特性硬度不變，故穩(wěn)定性好。（３）因端電壓不能超過額定電壓，故轉(zhuǎn)速只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)。（４）所需設(shè)備較復(fù)雜，耗電大，聲音及干擾也較大，成本較高。圖３－１直流電動(dòng)機(jī)改變電源電壓調(diào)速的機(jī)械特性3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理85一、改變電源電壓調(diào)速在晶閘管變流技術(shù)被廣泛應(yīng)用之前，直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)壓調(diào)速一般采用直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)組來實(shí)現(xiàn)。目前，在許多大型的龍門刨床、重型機(jī)床、軋鋼機(jī)中，該系統(tǒng)仍有采用。他勵(lì)發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的工作原理如圖３－２所示，三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生直流電壓供給直流電動(dòng)機(jī)，改變發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢Ｅ隨之改變，即達(dá)到了調(diào)壓調(diào)速的目的。圖３－２他勵(lì)發(fā)電機(jī)－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)工作原理圖３－３并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路圖圖３－４串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路圖3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理86二、改變電樞回路電阻調(diào)速該方法通過在電樞回路中串入調(diào)速電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速目的，其接線如圖３－３和圖３－４所示。3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理87圖３－５并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線圖３－６串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線二、改變電樞回路電阻調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性如圖３－５和圖３－６所示，該調(diào)速方法的特點(diǎn)是：3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理88二、改變電樞回路電阻調(diào)速（１）所需設(shè)備較簡單、成本低，因此在小功率直流電動(dòng)機(jī)中用得較多。在２０世紀(jì)７０年代以前，由于晶閘管調(diào)壓技術(shù)尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流電動(dòng)機(jī)中也采用電樞回路串電阻調(diào)速，如城市電車、礦用電力機(jī)車、蓄電池運(yùn)輸車等。（２）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且為有級(jí)調(diào)速。特性曲線較軟，即負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速變化較大。（３）在調(diào)速電阻上有較大的能量損耗，經(jīng)濟(jì)性能較差。3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理89三、改變主磁通調(diào)速當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)的電源電壓及負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，如使主磁通減小，則電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)增高，故這種調(diào)速方法也稱為弱磁調(diào)速。對(duì)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)而言，可在勵(lì)磁回路中串聯(lián)附加電阻ＲＰ１，如圖３－７ａ所示。對(duì)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)而言，則可在勵(lì)磁回路中并聯(lián)磁場分路電阻ＲＰ１，如圖３－７ｂ所示。圖３－７直流電動(dòng)機(jī)弱磁調(diào)速電路ａ）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中串電阻ｂ）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中并電阻3－１

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速原理90三、改變主磁通調(diào)速這種調(diào)速方法的特點(diǎn)是：（１）由于調(diào)速是在勵(lì)磁回路中進(jìn)行，功率較小，故能量損耗小、控制方便。（２）可以得到平滑的無級(jí)調(diào)速，但轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速往上調(diào)，不能在額定轉(zhuǎn)速以下進(jìn)行調(diào)速，故往往只作為輔助調(diào)速，與前面兩種調(diào)速方法組合使用。（３）一般來講，弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍較窄，而且當(dāng)磁通減小太多時(shí)，由于電樞磁場對(duì)主磁場的影響加大而使電動(dòng)機(jī)換向困難，容易產(chǎn)生較大火花，從而造成危害。另外，還必須考慮到電樞機(jī)械強(qiáng)度的影響。因此，對(duì)一般的直流電動(dòng)機(jī)而言，最高轉(zhuǎn)速通?？刂圃趦杀额~定轉(zhuǎn)速的范圍內(nèi)。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源第三章91圖３－８旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（Ｇ－Ｍ系統(tǒng)）原理圖3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源92調(diào)壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)中使用的主要方法，而調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專門的可控直流電源。常用的可控直流電源包括旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、靜止可控整流器、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器。下面分別介紹各種可控直流電源以及由其供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組是用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。圖３－８所示為旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源93一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組交流電動(dòng)機(jī)Ｍ１（異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)Ｇ，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)Ｍ２供電，調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流ｉｆ即可改變其輸出電壓Ｕｄ，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速ｎ。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡稱Ｇ－Ｍ系統(tǒng)。為了供電給直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組，通常專門設(shè)置一臺(tái)直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)ＧＥ，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可另外單用一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)調(diào)速性能要求不高時(shí)，ｉｆ可由勵(lì)磁電源供電，要求較高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都應(yīng)通過放大裝置進(jìn)行控制。Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的放大裝置多采用電機(jī)型放大器（如交磁放大機(jī)）和磁放大器。需要進(jìn)一步提高放大系數(shù)時(shí)還可增設(shè)電子放大器作為前級(jí)放大。如果改變ｉｆ的方向，則Ｕ的極性和ｎ的轉(zhuǎn)向都跟著改變，所以Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的可逆運(yùn)動(dòng)是很容易實(shí)現(xiàn)的。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源94一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖３－９所示為采用旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電時(shí)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性。由圖可見，無論正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速時(shí)，系統(tǒng)都能夠?qū)崿F(xiàn)回饋制動(dòng)，因此Ｇ－Ｍ系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)四象限運(yùn)行的系統(tǒng)。圖３－９Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在２０世紀(jì)５０年代曾被廣泛使用。由于該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低，且安裝時(shí)需打地基，運(yùn)行有噪聲，維護(hù)不方便，到了２０世紀(jì)６０年代逐漸被更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器所代替。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源95二、靜止可控整流器靜止可控整流器是用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，來獲得可調(diào)的直流電壓。在靜止可控整流方面，離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且還縮短了響應(yīng)時(shí)間，但汞弧整流器造價(jià)較高，維護(hù)麻煩，特別是水銀如果泄漏，會(huì)污染環(huán)境，危害人體健康。１９５７年晶閘管的問世，２０世紀(jì)６０年代成套晶閘管整流裝置的出現(xiàn)，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性變革，自此變流技術(shù)進(jìn)入晶閘管時(shí)代。目前，晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡稱Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源96二、靜止可控整流器圖３－１０所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的簡單原理圖，圖中Ｖ代表晶閘管可控整流器，它可以是單相、三相，也可以是半波、全波、半控、全控等類型。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓Ｕｄ，實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。圖３－１０晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（Ｖ－Ｍ系統(tǒng)）簡單原理圖3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源97二、靜止可控整流器與旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上有很大提高，而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖３－１１可見，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在１×１０４以上，其門極電流可以直接用晶體三極管來控制，不再像直流電動(dòng)機(jī)那樣需要較大功率放大裝置。在控制作用的快速性方面，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，大大提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。圖３－１１各種變流裝置技術(shù)性能的比較3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源98二、靜止可控整流器晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先，由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向流通，所以造成系統(tǒng)可逆運(yùn)行困難。由半控整流電路構(gòu)成的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（圖３－１２ａ）；全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動(dòng)機(jī)工作在反轉(zhuǎn)制動(dòng)狀態(tài)，因而能夠獲得二象限運(yùn)行（圖３－１２ｂ）；需要實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行時(shí)（圖３－１２ｃ），只能用正、反兩組全控整流電路，所用變流設(shè)備將增加一倍。圖３－１１各種變流裝置技術(shù)性能的比較3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源99二、靜止可控整流器其次，晶閘管的過電壓、過電流能力很小，任何一項(xiàng)指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)留有足夠的余量。只有元件質(zhì)量過關(guān)，裝置設(shè)計(jì)合理，保護(hù)設(shè)施齊備，晶閘管裝置的運(yùn)行才能十分可靠。最后，當(dāng)系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，會(huì)引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管調(diào)速的設(shè)備在電網(wǎng)中容量占比較大，就會(huì)造成上述“電力公害”現(xiàn)象。在這種情況下，必須增設(shè)無功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源100三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器是用恒定直流電源或可控整流電源供電，利用直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。在干線鐵道、電力機(jī)車、工礦電力機(jī)車、城市電車和地鐵電力機(jī)車等電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電源供電。直流斬波器是將電壓值固定的直流電，轉(zhuǎn)換為電壓值可變的直流電的裝置。過去多用切換電阻來控制電車的啟動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，電能在電阻中損耗很大?，F(xiàn)在多采用晶閘管來控制直流電壓，大大降低了電能損耗。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源101三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器采用晶閘管的直流斬波器其基本原理如圖３－１３ａ所示。在這里，晶閘管ＶＴ不受相位控制，工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)ＶＴ被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓Ｕｓ加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)ＶＴ關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管ＶＤ續(xù)流，如此反復(fù)。圖３－１３采用晶閘管的直流斬波器原理圖和電樞端電壓波形ａ）原理圖ｂ）電壓波形3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源102三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器電樞端電壓波形ｕ＝ｆ（ｔ）如圖３－１３ｂ所示，如同是電源電壓Ｕｓ在一段時(shí)間（Ｔ－ｔｏｎ）內(nèi)被斬?cái)嗪笮纬傻摹＿@樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為Ｕｄ０＝ｔｏｎＵｓ／Ｔ＝ρＵｓ

（３－１）Ｔ———晶閘管的開關(guān)周期；ｔｏｎ———晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間；ρ———占空比。式中晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門極觸發(fā)信號(hào)來使它關(guān)斷。若要關(guān)斷，必須在陽、陰極間施加反向電壓，這就需要一種附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源103三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器受晶閘管關(guān)斷時(shí)間的限制，由普通晶閘管構(gòu)成的斬波器的開關(guān)頻率只能是１００～２００Ｈｚ。為了縮小裝置的體積，可用逆導(dǎo)晶閘管代替普通晶閘管，開關(guān)頻率也可適當(dāng)提高，達(dá)到３００Ｈｚ。直流斬波器的平均輸出電壓Ｕｄ０可以通過改變主晶閘管的導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)。圖３－１４所示為幾種常用控制方式的電壓、電流波形。圖３－１４直流斬波器的控制方式ａ）脈沖寬度調(diào)制ｂ）脈沖頻率調(diào)制ｃ）兩點(diǎn)式控制3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源104三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器脈沖寬度調(diào)制（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡稱ＰＷＭ）的脈沖周期Ｔ不變，只改變主晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間ｔｏｎ，即可改變脈沖的寬度，如圖３－１４ａ所示。脈沖頻率調(diào)制（ｐｕｌｓｅｆｒｅｑｕｅｎｃｙｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ，簡稱ＰＦＭ）的導(dǎo)通時(shí)間不變，只改變開關(guān)頻率ｆ或開關(guān)周期Ｔ，也就是只改變晶閘管關(guān)斷的時(shí)間，如圖３－１４ｂ所示。兩點(diǎn)式控制是當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使ＶＴ觸發(fā)導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓達(dá)到某一最大值時(shí)，使ＶＴ關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間都是不確定的，如圖３－１４ｃ所示。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源105三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器由普通晶閘管或逆導(dǎo)晶閘管構(gòu)成的斬波開關(guān)頻率不高，因而輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。此外，附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路也增加了裝置的體積和復(fù)雜性。為了適應(yīng)大功率開關(guān)電路的要求，２０世紀(jì)７０年代以來，研究者們研制出了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的“全控式”電力電子器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（ＧＴＯ）、電力晶體管（ＧＴＲ）、電力場效應(yīng)管（Ｐ—ＭＯＳＦＥＴ）等。全控式器件的關(guān)斷時(shí)間短，因而由它們構(gòu)成的斬波器的工作頻率可以提高到１～４ｋＨｚ，甚至達(dá)到２０ｋＨｚ。用全控式器件實(shí)行開關(guān)控制時(shí)，多用脈沖寬度調(diào)制的控制方式，形成近年來應(yīng)用日益廣泛的直流電機(jī)脈沖寬度調(diào)制調(diào)速系統(tǒng)，即ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)。3－2直流調(diào)速系統(tǒng)的可控直流電源106三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器與Ｖ－Ｍ系統(tǒng)相比，ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：（１）ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就足以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容量連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)１∶１００００左右。電流波形比Ｖ－Ｍ系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。（２）開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電動(dòng)機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，快速響應(yīng)性能好。動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)。（３）電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。因受到器件容量的限制，故直流ＰＷＭ調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征第三章1073－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征108一、觸發(fā)脈沖相位控制如圖３－１０所示在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，調(diào)節(jié)給定電壓，即移動(dòng)觸發(fā)裝置ＧＴ輸出脈沖的相位，能夠很方便地改變整流器的輸出電壓Ｕｄ，如果把整流裝置內(nèi)部的電阻壓降、器件正向壓降和變壓器漏抗引起的換相壓降都移到整流裝置外面，當(dāng)作負(fù)載電路壓降的一部分，那么整流電壓便可用其理想空載瞬時(shí)值ｕｄ０或平均值Ｕｄ０來代替，相當(dāng)于用圖３－１５所示的等效電路代替圖３－１０所示的實(shí)際主電路。圖３－１５Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路的等效電路3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征109一、觸發(fā)脈沖相位控制此時(shí)瞬時(shí)電壓平衡方程式可寫作Ｌ———主電路總電感；Ｒ———主電路總的等效電阻，包括整流裝置內(nèi)阻、電動(dòng)機(jī)電樞電阻和平波電抗器電阻；Ｅ———電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢；ｉｄ———整流電流瞬時(shí)值。式中ｕｄ０進(jìn)行積分即得理想空載整流電壓的平均值Ｕｄ０。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓平均值是晶閘管整流器的主要特點(diǎn)。Ｕｄ０與觸發(fā)脈沖相位α的關(guān)系因整流電路的形式而異。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征110對(duì)于一般全控式整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，α———從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角；Ｕｍ———α＝０時(shí)的整流電壓波形的峰值；ｍ———交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。式中對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值見表３－１。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征111在１０００ｋＷ以上的大功率調(diào)速系統(tǒng)中，常采用雙三相橋構(gòu)成十二相整流電路，兩組橋交流電源分別由整流變壓器的兩套二次繞組提供，一套接成△形，另一套接成Ｙ形，使輸出相電壓相位錯(cuò)開３０°，共同構(gòu)成ｍ＝１２的整流電路，如圖３－１６所示，以進(jìn)一步減小輸出電流的脈動(dòng)分量。圖３－１６雙三相橋組成的十二相整流電路ａ）雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器Ｌｄｂ）雙橋串聯(lián)由于這種十二相整流電壓結(jié)構(gòu)的特殊性，式（３－３）不再適用。對(duì)于圖３－１６ａ所示的雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器電路，對(duì)于圖３－１６ｂ所示的雙橋串聯(lián)電路，3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征112二、電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施整流電路的脈波數(shù)ｍ＝２，３，６，１２，…，其數(shù)目總是有限的，比直流電動(dòng)機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少得多。因此，除非主電路電感Ｌ＝∞，否則Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總比Ｇ－Ｍ系統(tǒng)嚴(yán)重。這樣一來，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)方面的問題：一是脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利；二是脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量，流入電源后對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電動(dòng)機(jī)發(fā)熱量。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征113二、電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施因此，在應(yīng)用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮抑制電流脈動(dòng)的問題，其主要措施有兩個(gè)：一是增加整流電壓的相數(shù)；二是設(shè)置平波電抗器。平波電抗器的電感量一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來選擇，通常給定最小電流Ｉｄｍｉｎ（以Ａ為單位），再利用它計(jì)算所需的總電感量（以ｍＨ為單位）。對(duì)于單相橋式全控整流電路有對(duì)于三相半波整流電路有對(duì)于三相橋式整流電路有式中，Ｉｄｍｉｎ一般可取電動(dòng)機(jī)額定電流的５％～１０％。3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征114二、電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施由于電流波形的脈動(dòng)，可能存在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，這也是Ｖ－Ｍ系統(tǒng)不同于Ｇ－Ｍ系統(tǒng)的一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)Ｖ－Ｍ系統(tǒng)主電路串接的電抗器有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流也足夠大時(shí)，整流電流的波形便可能是連續(xù)的，如圖３－１７ａ所示。當(dāng)電感較小而且負(fù)載較輕時(shí)，一相導(dǎo)通電流上升時(shí)電感中的儲(chǔ)能較少，在電流下降而下一相尚未被觸發(fā)之前，電流已衰減到零，便產(chǎn)生波形斷續(xù)的現(xiàn)象，如圖３－１７ｂ所示。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)方程帶來一種非線性的因素，造成機(jī)械特性的非線性，一般應(yīng)盡量避免。圖３－１７Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的電流波形ａ）電流連續(xù)ｂ）電流斷續(xù)3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征115三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為式中Ｃｅ———電動(dòng)機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢轉(zhuǎn)速比，Ｃｅ＝ＫｅΦ。式（３－９）中，改變控制角α可得一簇平行直線，如圖３－１８所示。機(jī)械特性上平均電流較小時(shí)電流波形可能斷續(xù)，式（３－９）不再適用。上述結(jié)論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成線性可控電壓源。當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。圖３－１８Ｖ－Ｍ系統(tǒng)電流連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征116三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性圖３－１９所示為Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機(jī)械特性，其中包含了整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。由圖可見，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈非線性，理想空載轉(zhuǎn)速較高。一般分析調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，只要主電路電感足夠大，就可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延伸的虛線作為系統(tǒng)的特性。圖３－１９Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的完整機(jī)械特性3－3晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的特征117三、Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的機(jī)械特性對(duì)于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣近似偏離實(shí)際較遠(yuǎn)，可以改為另一段較陡的直線來逼近斷續(xù)段特性，如圖３－２０所示，這相當(dāng)于把總電阻Ｒ換成一個(gè)更大的等效電阻Ｒ′，其數(shù)值可以從實(shí)測的斷續(xù)段特性上計(jì)算出來。嚴(yán)重時(shí)Ｒ′可達(dá)實(shí)際電阻Ｒ的幾十倍。圖３－２０斷續(xù)段特性的近似計(jì)算3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析第三章1183－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析119一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺(tái)需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)控制性能都有一定的要求。例如，精密機(jī)床要求加工精度達(dá)到百分之幾毫米甚至幾微米；重型銑床的進(jìn)給部分需要在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，快速移動(dòng)時(shí)最高速達(dá)到６００ｍｍ／ｍｉｎ，而精加工時(shí)最低速只有２ｍｍ／ｍｉｎ，最高速和最低速相差３００倍；點(diǎn)位式數(shù)控機(jī)床要求定位精度達(dá)到幾微米，速度跟蹤誤差約低于定位精度的１／２。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析120一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)又如，在軋鋼工業(yè)中，年產(chǎn)數(shù)百萬噸鋼錠的大型現(xiàn)代化初軋機(jī)，其軋輥電動(dòng)機(jī)容量達(dá)到幾千千瓦，在不到１ｓ的時(shí)間內(nèi)需要完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全部過程；軋制薄鋼帶的高速冷軋機(jī)最高軋速達(dá)到３７ｍ／ｓ以上，而成品厚度誤差不大于１％；在造紙工業(yè)中，日產(chǎn)新聞紙４００ｔ以上的高速造紙機(jī)，卷紙速度達(dá)到１０００ｍ／ｍｉｎ，要求穩(wěn)速誤差小于±００１％；等等。所有這些要求，都是生產(chǎn)設(shè)備量化的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過一定折算，可以轉(zhuǎn)化成電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)的依據(jù)。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析121對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求，歸納起來，有以下三個(gè)方面：調(diào)速———在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分擋（有級(jí)）或平滑地（無級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。穩(wěn)速———以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能的干擾下不允許有過大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。加、減速———頻繁啟、制動(dòng)的設(shè)備要求盡量快地加、減速以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求啟、制動(dòng)盡量平穩(wěn)。以上三個(gè)方面有時(shí)都需要具備，有時(shí)只要求具備其中一項(xiàng)或兩項(xiàng)。特別是調(diào)速和穩(wěn)速兩項(xiàng)，常常在各種場合下都會(huì)遇到。為了進(jìn)行定量分析，針對(duì)這兩項(xiàng)要求定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，即調(diào)速范圍和靜差率。這兩項(xiàng)指標(biāo)合在一起稱為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析122生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速ｎｍａｘ和最低轉(zhuǎn)速ｎｍｉｎ之比稱為調(diào)速范圍，用字母Ｄ表示，即：１.調(diào)速范圍其中，ｎｍａｘ和ｎｍｉｎ一般是指電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速要求，對(duì)于少數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如，精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。２.靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落Δｎｎｏｍ，與理想空載轉(zhuǎn)速ｎ０之比，稱為靜差率Ｓ，即：或用百分?jǐn)?shù)表示為：3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析123顯然，靜差率是用來衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的，它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)。特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，如圖３－２１中的特性ａ和ｂ，兩者的硬度相同，額定速降相等；但它們的靜差率卻不同，因?yàn)槔硐肟蛰d轉(zhuǎn)速不一樣。圖３－２１不同轉(zhuǎn)速下的靜差率3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析124根據(jù)公式（３－１１），由于ｎ０ａ＞ｎ０ｂ，所以Ｓａ＜Ｓｂ。這就是說，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空載轉(zhuǎn)速越低，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。若理想空載轉(zhuǎn)速ｎ０為１０００ｒ／ｍｉｎ時(shí)降落１０ｒ／ｍｉｎ，只占１％；在ｎ０為１００ｒ／ｍｉｎ時(shí)降落１０ｒ／ｍｉｎ，卻占１０％；如果ｎ０只有１０ｒ／ｍｉｎ，降落１０ｒ／ｍｉｎ時(shí)，電動(dòng)機(jī)就會(huì)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可見，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)考慮才有意義。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析125３.調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在直流電動(dòng)機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，常以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速ｎｎｏｍ為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為Δｎｎｏｍ，則按照以上的分析結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即：Ｓ＝Δｎｎｏｍ／ｎｎｏｍｉｎ由于ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍｉｎ－Δｎｎｏｍ＝Δｎｎｏｍ／Ｓ－Δｎｎｏｍ＝（１－Ｓ）Δｎｎｏｍ／Ｓ，而調(diào)速范圍為：Ｄ＝ｎｍａｘ／ｎｍｉｎ＝ｎｎｏｍ／ｎｍｉｎ將上面的ｎｍｉｎ計(jì)算式代入，得：Ｄ＝Ｓｎｎｏｍ／［Δｎｎｏｍ（１－Ｓ）］

（３－１３）3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析126３.調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系公式（３－１３）表示調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或Δｎｎｏｍ值是一定的。因此，由式（３－１３）可見，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)，也就是說，要求Ｓ越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速ｎｎｏｍ＝１４３０ｒ／ｍｉｎ，額定速降Δｎｎｏｍ＝１１５ｒ／ｍｉｎ，當(dāng)要求靜差率Ｓ≤３０％時(shí)，允許的調(diào)速范圍是：Ｄ≤１４３０×０.３／［１１５×（１－０.３）］≈５.３如果要求Ｓ≤２０％，則調(diào)速范圍只有：Ｄ≤１４３０×０.２／［１１５×（１－０.２）］≈３.１3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析127二、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問題在如圖３－１０所示的Ｖ－Ｍ系統(tǒng)中，僅用觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，是開環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，如果對(duì)靜差率要求不高的話，它也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速。但是，許多無級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率提出一定的要求。例如，龍門刨床，由于毛坯表面不平，加工時(shí)負(fù)載常有波動(dòng)，但為了保證加工精度，速度卻不容許有較大的變化，一般要求調(diào)速范圍Ｄ為２０～４０，靜差率Ｓ＜５％。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)同時(shí)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷。根據(jù)工藝要求，須使調(diào)速范圍Ｄ＝１０，保證靜差率Ｓ＜０.５％。128例如，某龍門刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用Ｚ２—９３型直流電動(dòng)機(jī)（額定功率６０ｋＷ、額定電壓２２０Ｖ、額定電流３０５Ａ、額定轉(zhuǎn)速１０００ｒ／ｍｉｎ），要求Ｄ＝２０，Ｓ≤５％。如果使用Ｖ－Ｍ系統(tǒng)，已知主回路總電阻Ｒ＝０.１８Ω，電動(dòng)機(jī)Ｃｅ＝０.２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，則當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，其在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為：開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為：這已大大超過了５％的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速時(shí)的情況了。如果要滿足Ｄ＝２０，Ｓ≤５％的要求，由公式（３－１３）可知：將額定速降從２７５ｒ／ｍｉｎ降低到２.６３ｒ／ｍｉｎ以下，開環(huán)系統(tǒng)本身是無能為力的，但可通過采用閉環(huán)反饋控制來實(shí)現(xiàn)。129三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)ＴＧ，從而引出被調(diào)量（與轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋電壓Ｕｎ）與對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速下的給定電壓Ｕ*ｎ相比較后，得到偏差電壓ΔＵｎ，經(jīng)過放大器Ｋｐ，產(chǎn)生觸發(fā)裝置ＧＴ的控制電壓Ｕｃｔ，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這就組成了反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖如圖３－２２所示。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。轉(zhuǎn)速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。圖３－２２采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析130三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性下面分析該閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。為了突出主要矛盾，先作如下假定：（１）忽略各種非線性因素，假定各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的。（２）假定只工作在Ｖ－Ｍ系統(tǒng)機(jī)械特性的連續(xù)段。（３）忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。這樣，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下。電壓比較環(huán)節(jié)：ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－Ｕｎ放大器：Ｕｃｔ＝ＫｐΔＵｎ晶閘管整流器與觸發(fā)裝置：Ｕｄ０＝ＫｓＵｃｔＶ－Ｍ系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性：ｎ＝（Ｕｄ０－ＩｄＲ）／Ｃｅ測速發(fā)電機(jī)：Ｕｎ＝αｎ3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析131三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量。整理后，即得轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：式中，Ｋ＝ＫｐＫｓα／Ｃｅ為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測速發(fā)電機(jī)輸出端把反饋回路斷開后，從放大器輸入起直到測速發(fā)電機(jī)輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各個(gè)環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。須注意，這里是以１／Ｃｅ＝ｎ／Ｕｄ０作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同。故定名為“靜特性”。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析132四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較比較一下開環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出閉環(huán)反饋控制的優(yōu)越性。如果斷開反饋回路，則上述系統(tǒng)的開環(huán)機(jī)械特性為：而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫成：式中，ｎ０ｏｐ和ｎ０ｃｌ分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；Δｎｏｐ和Δｎｃｌ分別表示開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。比較式（３－１５）和式（３－１６）不難得出以下結(jié)論。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析133四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較（１）閉環(huán)系統(tǒng)靜特性可以比開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為：它們的關(guān)系是：顯然，當(dāng)Ｋ值較大時(shí)，Δｎｃｌ比Δｎｏｐ小得多，也就是說，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。（２）ｎ０相同的開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，后者的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為：當(dāng)ｎ０ｏｐ＝ｎ０ｃｌ時(shí)，有：3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析134四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較（３）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是ｎｎｏｍ，對(duì)最低速靜差率的要求也相同，那么，由式（３－１３）可得出，開環(huán)時(shí)：閉環(huán)時(shí)：再考慮式（３－１７），可得：需要指出的是，式（３－１９）的條件是開環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的ｎｎｏｍ相同，而式（３－１８）的條件是ｎ０相同，兩式在數(shù)量上略有差別。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析135四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較（４）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)越性，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即Ｋ要足夠大。在閉環(huán)系統(tǒng)中，引入轉(zhuǎn)速反饋電壓Ｕｎ后，若要使轉(zhuǎn)速偏差小，ΔＵｎ＝Ｕ*ｎ－Ｕｎ就必須控制得很低，所以必須設(shè)置放大器，才能獲得足夠的控制電壓Ｕｃｔ。但在開環(huán)系統(tǒng)中，由于Ｕ*ｎ和Ｕｃｔ是屬于同一數(shù)量級(jí)的電壓，可以把Ｕ*ｎ直接當(dāng)作Ｕｃｔ來控制，放大器便是多余的了。仍以前面引用的龍門刨床為例進(jìn)行計(jì)算。已知Δｎｏｐ＝２７５ｒ／ｍｉｎ，要滿足Ｄ＝２０，Ｓ≤５％的要求，須有Δｎｃｌ≤２.６３ｒ／ｍｉｎ，由式（３－１７）可知：136四、開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的比較若已知Ｖ－Ｍ系統(tǒng)的參數(shù)為Ｃｅ＝０.２Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，Ｋｓ＝３０，α＝０.０１５Ｖ·ｍｉｎ／ｒ，則：即只要放大器的放大系數(shù)大于或等于４６，閉環(huán)系統(tǒng)即能滿足所要求的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。把以上四個(gè)特點(diǎn)概括起來，可得出以下結(jié)論：閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開環(huán)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，提高調(diào)速范圍。為此所付出的代價(jià)是，需增設(shè)檢測和反饋裝置以及電壓放大器。在開環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速就會(huì)下降。閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有下降，反饋電壓就反映出來，通過比較和放大，提高晶閘管裝置的輸出電壓Ｕｄ，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，使得轉(zhuǎn)速又有所回升。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析137在圖３－２３中，設(shè)原始工作點(diǎn)為Ａ，負(fù)載電流為Ｉｄ１，當(dāng)負(fù)載電流增大到Ｉｄ２時(shí)，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必然降到Ａ′點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值。而在閉環(huán)系統(tǒng)中，由于反饋調(diào)節(jié)作用，電壓可升到Ｕｄ２，使工作點(diǎn)變成Ｂ，穩(wěn)態(tài)速降比開環(huán)系統(tǒng)小得多。這樣在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加或減少一點(diǎn)負(fù)載，就相應(yīng)地提高或降低一點(diǎn)整流電壓，因而就改變一條機(jī)械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是這樣在許多開環(huán)機(jī)械特性各取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ），再由這些點(diǎn)連接而成，如圖３－２３所示。圖３－２３閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系由此看來，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，它能夠隨負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電壓。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析138五、反饋控制規(guī)律轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有反饋控制的基本規(guī)律。１.被調(diào)量有靜差具有比例放大器的閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)是有靜差的。從上一節(jié)對(duì)靜特性的分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)Ｋ對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能影響很大。Ｋ越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣，穩(wěn)態(tài)性能就越好。然而，由于設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器（Ｋｓ＝常數(shù)），所以穩(wěn)態(tài)速差只能減小，不可能消除，原因是閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為：只有Ｋ＝∞才能使Δｎｃｌ＝０，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)稱為有靜差調(diào)速系統(tǒng)。這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量偏差的變化實(shí)現(xiàn)控制作用的。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析139２.抵抗擾動(dòng)與服從給定閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效地加以抑制。除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)上一切會(huì)引起被調(diào)量變化的因素都稱為擾動(dòng)作用。前面只討論了負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速降落這一種擾動(dòng)作用，除此之外，交流電源電壓的波動(dòng)、電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化、放大器輸出電壓的漂移、溫升引起的主電路電阻增大等因素都和負(fù)載變化一樣會(huì)引起被調(diào)量轉(zhuǎn)速的變化，因而都是調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)作用。作用在前向通道上的任何一種擾動(dòng)作用的影響都會(huì)被測速發(fā)電機(jī)檢測出來，通過反饋控制，減小它們對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析140２.抵抗擾動(dòng)與服從給定圖３－２４所示的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上畫出了各種擾動(dòng)作用，其中代表電流Ｉｄ的箭頭表示負(fù)載擾動(dòng)，其他指向各方框的箭頭分別表示會(huì)引起該環(huán)節(jié)放大系數(shù)變化的擾動(dòng)作用。圖３－２４自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用此圖清楚地表明：凡是被反饋包圍的加在控制系統(tǒng)前向通道上的擾動(dòng)作用對(duì)被調(diào)量的影響都會(huì)受到反饋控制的抑制。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析141２.抵抗擾動(dòng)與服從給定抗擾性能是反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)最突出的特征。正因?yàn)橛羞@一特征，在設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，一般只考慮一種主要擾動(dòng)，例如，在調(diào)速系統(tǒng)中只考慮負(fù)載擾動(dòng)。按照克服負(fù)載擾動(dòng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，則其他擾動(dòng)也就自然都受到抑制。由圖３－２４還可看到，給定作用如果有細(xì)微的變化，被調(diào)量都會(huì)立即隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种?。因此，反饋控制系統(tǒng)一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定信號(hào)，對(duì)給定信號(hào)的任何變化都將完全響應(yīng)。3－4反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析142３.系統(tǒng)精度依賴于給定和反饋檢測精度閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)對(duì)給定穩(wěn)壓電源和被調(diào)量檢測裝置中的擾動(dòng)無能為力。因此，控制系統(tǒng)精度依賴于給定穩(wěn)壓電源和反饋量檢測元件的精度。如果給定穩(wěn)壓電源發(fā)生了不應(yīng)有的波動(dòng)，則被調(diào)量也要跟著變化。反饋控制系統(tǒng)無法鑒別是正常的調(diào)節(jié)給定電壓還是給定穩(wěn)壓電源的變化。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)需要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。3－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析第三章1433－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析144被調(diào)量的負(fù)反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本反饋形式，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來說就是要用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，再采用前面所述的控制與校正方法，以獲得比較滿意的靜、動(dòng)態(tài)性能。但是，要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測裝置，在模擬控制中多采用測速發(fā)電機(jī)。安裝測速發(fā)電機(jī)時(shí)，必須使它的軸和主電動(dòng)機(jī)的軸嚴(yán)格同心，使它們能平穩(wěn)地同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)于維護(hù)工作增添了不少負(fù)擔(dān)。此外，測速反饋信號(hào)中含有各種交流紋波，會(huì)給調(diào)試和運(yùn)行帶來麻煩。因此，人們會(huì)想到，對(duì)于調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)，能否考慮省掉測速發(fā)電機(jī)取而代之以其他更方便的反饋方式。電壓反饋和電流補(bǔ)償控制正是用來解決這個(gè)問題的。3－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析145一、電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)如果忽略電樞壓降，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電樞兩端電壓近似成正比，所以電壓負(fù)反饋基本上能夠代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)，其原理如圖３－２５ａ所示。在這里作為反饋檢測元件的只是一個(gè)起分壓作用的電位器，它比測速發(fā)電機(jī)要簡單得多。電壓反饋信號(hào)Ｕｎ＝γＵｄ，γ稱作電壓反饋系數(shù)。圖３－２５電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)ａ）原理圖ｂ）結(jié)構(gòu)圖ｃ）～ｅ）拆分的結(jié)構(gòu)圖3－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析146圖３－２５ｂ所示為電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖，它和圖３－２２的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不同的地方僅在于負(fù)反饋信號(hào)的取出處。電壓負(fù)反饋取自電樞端電壓Ｕｄ，為了在結(jié)構(gòu)圖上把Ｕｄ顯示出來，把電阻Ｒ分成兩個(gè)部分，即：Ｒ＝Ｒｒｅｃ＋ＲａＲｒｅｃ———晶閘管整流裝置的內(nèi)阻（含平波電抗器電阻）；Ｒａ———電樞電阻。Ｕｄ０－ＩｄＲｒｅｃ＝ＵｄＵｄ－ＩｄＲａ＝Ｅ式中因而147利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算規(guī)則，可將圖３－２５ｂ分解為如圖３－２５ｃ，ｄ，ｅ所示的三個(gè)部分，先分別求出每部分的輸入輸出關(guān)系，再疊加起來，即得電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式：從方程式可以看出，電壓負(fù)反饋把被反饋包圍的整流裝置的內(nèi)阻等引起的靜態(tài)速降減小到１／（ｌ＋Ｋ），由電樞電阻引起的速降ＲａＩｄ／Ｃｅ仍和開環(huán)系統(tǒng)一樣。這一點(diǎn)在結(jié)構(gòu)圖上也是很明顯的。因?yàn)殡妷贺?fù)反饋系統(tǒng)實(shí)際上只是一個(gè)自動(dòng)調(diào)壓系統(tǒng)，擾動(dòng)量ＩｄＲａ不在反饋環(huán)包圍之內(nèi)，電壓反饋對(duì)由它引起的速降當(dāng)然就無能為力了。同樣，對(duì)于電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁電流變化所造成的擾動(dòng)，電壓反饋也無法克服。因此，電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)速降比同等放大系數(shù)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要大一些，穩(wěn)態(tài)性能要差一些。在實(shí)際系統(tǒng)中，為了盡可能減小靜態(tài)速降，電壓負(fù)反饋的兩根引出線應(yīng)該盡量靠近電動(dòng)機(jī)電樞兩端。3－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分析148二、電流正反饋和補(bǔ)償控制規(guī)律僅采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)固然可以省去一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)，但是，由于它不能彌補(bǔ)電樞壓降所造成的轉(zhuǎn)速降落，調(diào)速性能不如轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)。在采用電壓負(fù)反饋的基礎(chǔ)上，再增加一些簡單的措施，使系統(tǒng)能夠接近轉(zhuǎn)速反饋系統(tǒng)的性能是完全可以的，電流正反饋便是這樣的一種措施。圖３－２６所示為附加電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖。圖３－２６帶電流正反饋的電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖3－5電壓反饋電流補(bǔ)償控制的調(diào)速系統(tǒng)分