第1章直流调速系统精.ppt

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1、第1章直流调速系统第1页，本讲稿共131页1-1 直流调速系统的基本概念直流调速系统的基本概念一、直流调速主要的调速方法 1、直流他励电动机供电原理图图1-1直流他励电动机供电原理图第2页，本讲稿共131页 为为电电源源空空载载电电压压；为为电电动动机机电电枢枢电电压压；E为为电电枢枢电电动动势势；R为为电电枢枢回回路路总总电电阻阻，n 转转速速，单单位位r/min；为为励励磁磁磁磁通通；Ke为为电电动动机机结结构构决决定定的的电电动动势系数。势系数。2.直流他励电动机转速方程式中：第3页，本讲稿共131页3、直流他励电动机的调速方法(1)电枢回路串电阻调速特点：损耗较大、有级调速，机械特性较

2、软。(2)弱磁调速 特点：只能弱磁，调速范围小(3)变电枢电压调速特点：机械特性上下平移、可平滑地调节转速n，但只能降压调速。是主要的调速方式。第4页，本讲稿共131页工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围。图1-2 调压和调磁时的机械特性 第5页，本讲稿共131页二、调压调速的关键装置-可控直流电源常用的可控直流电源有以下三种：1、旋转变流机组2、静止可控整流器3、直流斩波器和脉宽调制变换器第6页，本讲稿共131页1、旋转变流机组-用交流电动机拖动直流发电机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。第7页，本讲稿共131页组组成成：由由 M拖拖 动动=G=G给给=M供供电电直直流流励励磁

3、磁发发电电机机GE给给=G和和=M励磁。励磁。原原理理：调节调节U改变改变转速转速n变化。改变化。改变方向，变方向，n转向转向跟着改变。跟着改变。特特点点：设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。第8页，本讲稿共131页2、静止可控整流器-利用静止的可控整流器(如晶闸管可控整流器)，获得可调的直流电压。（V-M系统）第9页，本讲稿共131页晶闸管整流器可以是单相、三相或多相；电路形式可以是半波、全波、半控、全控等类型；通过调节触发电路的移相电压，可改变整流电压Ud，实现平滑调速。优点:整流装置效率高、体积小、成本低、无噪声。缺点:可逆难；过电压、过电流能力差；谐波电流大。组组

4、成成：原原理理：第10页，本讲稿共131页3、直流斩波器和脉宽调制变换器、直流斩波器和脉宽调制变换器用恒定直流电源用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的平均电压。换器产生可变的平均电压。第11页，本讲稿共131页 VT工作于开关状态。VT通时，U加到M；VT断时，U与M断开，M经VD续流，两端电压接近于零。平均电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节，从而调节M的转速。优点:运行稳定、效率高、静动态性能好；缺点:容量不大原理：第12页，本讲稿共131页1、系统组成三、开环V-M系统的机械特性 2.调节原理调节

5、调节 改变移相角改变移相角改变改变 改变改变。第13页，本讲稿共131页3.开环系统机械特性晶闸管整流器可看成是一个线性的可控电压源特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。电流连续时：电流断续时：第14页，本讲稿共131页其其中中：为为转转速速降降，越越小小，机械特性的硬度越大。机械特性的硬度越大。取取决决于于电电枢枢回回路路电电阻阻R及所加的负载大小。及所加的负载大小。第15页，本讲稿共131页机械特性的近似处理方法：(1)在电流连续段：把特性曲线与纵轴的直线交点n0作为理想空载转速。(2)在断续特性比较显著的情况下，可以改用在断续特性比较显著的情况下，可以改用另一段较陡的直线来逼近

6、断续段特性。或直另一段较陡的直线来逼近断续段特性。或直接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。接用连续段特性的延长线来逼近断续段特性。n 一般可近似的只考虑连续段。一般可近似的只考虑连续段。(2)在在断断续续特特性性比比较较显显著著的的情情况况下下，可可以以改改用用另另一一段段较较陡陡的的直直线线来来逼逼近近断断续续段段特特性性。或或直直接接用用连连续续段段特特性性的的延延长长线线来逼近断续段特性。来逼近断续段特性。一般可近似的只考虑连续段。一般可近似的只考虑连续段。第16页，本讲稿共131页1-2 1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统单闭环转速负反馈有静差直流调速系统一、开环存在的问题

7、：某某一一车车床床的的拖拖动动电电动动机机的的额额定定转转速速 ，要要求求 ，由开环系统决定的，由开环系统决定的要要求求S0.1，问问开开环环V-M系系统统能能否否满满足足要要求求？如如不不满满足要求，怎么办？足要求，怎么办？问题的提出n解：要求：解：要求：D=?n而满足而满足S0.1的的 D=?n满足满足D、S的的n分析：因为分析：因为 ，所以要引入负反馈。所以要引入负反馈。?n=第17页，本讲稿共131页二、系统的组成及静特性二、系统的组成及静特性(1)(1)原理框图原理框图 1、系统的组成第18页，本讲稿共131页(2)各环节介绍 第19页，本讲稿共131页(d)d)速度检测环节速度检测

8、环节 ：测速机：测速机反馈线路反馈线路 求出求出(反馈系数反馈系数);单位单位第20页，本讲稿共131页n直流他励电动机的两个独立的电路：一个是电枢回路，另一个是励磁回路。第21页，本讲稿共131页动态关系：动态关系：稳态关系：第22页，本讲稿共131页（2）对负载波动等扰动信号的调节）对负载波动等扰动信号的调节稳速过程稳速过程：n基本不受负载波动等扰动输入的影响基本不受负载波动等扰动输入的影响（1）对给定信号的调节）对给定信号的调节调速过程调速过程：改变：改变 ,则则n 改变改变 例如：例如：2、系统的自动调节过程 第23页，本讲稿共131页3、闭环系统的机械特性、闭环系统的机械特性(1)闭

9、环系统机械特性的定性分析 第24页，本讲稿共131页(2)闭环系统的机械特性的定量分析闭环系统的机械特性的定量分析 系统结构图系统结构图 第25页，本讲稿共131页系统中各环节的稳态输入输出关系如下：系统中各环节的稳态输入输出关系如下：电压比较环节电压比较环节 放大器放大器 晶闸管整流器及触发装置晶闸管整流器及触发装置 V-M系统开环机械特性系统开环机械特性 转速检测环节转速检测环节 第26页，本讲稿共131页 单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图 第27页，本讲稿共131页由系统稳态结构图得到系统的静特性方程由系统稳态结构图得到系统的静特性方程为为为闭环系

10、统的开环放大系数为闭环系统的开环放大系数 为闭环系统的理想空载转速为闭环系统的理想空载转速 为闭环系统的稳态速降为闭环系统的稳态速降。式中：第28页，本讲稿共131页三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较 1 1、开环系统的机械特性、开环系统的机械特性 断开转速反馈回路（令断开转速反馈回路（令 ，则，则K K=0=0）则得开环机则得开环机械特性为械特性为：2 2、闭环系统的静特性、闭环系统的静特性：第29页，本讲稿共131页(1)(1)闭闭环环静静特特性性比比开开环环机机械械特特性性硬硬得得多多。在在同同样样的的负负载载下下，两两者者的的稳稳态

11、速降分别为：态速降分别为：关系是(2)闭闭环环系系统统的的静静差差率率比比开开环环系系统统的的静静差差率率小小得得多多。闭闭环环系系统统和和开环系统的静差率分别为开环系统的静差率分别为当 时 比较后得出结论：第30页，本讲稿共131页如果电机的最高速都是如果电机的最高速都是nnom，且对最低速的静差率要求相同，且对最低速的静差率要求相同，(4)闭环系统必须设置放大器。闭环系统必须设置放大器。(3)当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可大大提高。闭环时闭环时 所以所以 则开环时第31页，本讲稿共131页闭环系统可以获得比开环系统硬得多的静特性，且闭环系统的开环放大系数越大，静特性就越硬，在保

12、证一定静差率要求下其调速范围越大，但必须增设转速检测与反馈环节和放大器。第32页，本讲稿共131页例1-1龙门刨床工作台采用Z2-93型直流电动机，VAr/min、kWRa=0.05Ks=30晶闸管整流器的内阻Rrec=0.13要求要求D=20，s5%问题第33页，本讲稿共131页解解（1）设系统满足）设系统满足D=20，检验系统是否满足检验系统是否满足s5%？第34页，本讲稿共131页（2）那么同时满足）那么同时满足D=20，s5%的的可见只要放大器的放大系数大于或等于可见只要放大器的放大系数大于或等于46，转速，转速负反馈闭环系统就能满足要求。负反馈闭环系统就能满足要求。(在上述在上述闭环

13、条件下，如何判断系统能否正常工作？闭环条件下，如何判断系统能否正常工作？)（3）采用负反馈，则开环放大系数）采用负反馈，则开环放大系数K为：得：得：课后作业：第35页，本讲稿共131页四、反馈控制规律四、反馈控制规律改变给定改变给定 ，转速，转速n 随之变化。即被调量总是紧紧跟随给随之变化。即被调量总是紧紧跟随给定信号变化的。定信号变化的。2、被调量紧紧跟随给定量变化3、闭环系统对反馈环内 主通道上的一切扰动作用都能有效抑制 1、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的只有当只有当K=时时ncl=0。而比例控制的而比例控制的Kncl0。闭环系统的稳态速降为第36页，本讲稿共131页扰动：当给定

14、不变时，把引起被调量转速发生变化的所有因素称为扰动。扰动因素扰动因素：交流电源电压波动、电机励磁电流的变化、：交流电源电压波动、电机励磁电流的变化、放大器放大系数的飘移、温度变化引起的主电路电阻的放大器放大系数的飘移、温度变化引起的主电路电阻的变化、负载变化等等，如下图所示。变化、负载变化等等，如下图所示。第37页，本讲稿共131页结论：反馈环内且作用在控制系统主通道上的各种扰动，通过反馈控制作用可减小它们对转速的影响。第38页，本讲稿共131页4、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无、反馈控制系统对给定电源和检测装置的扰动是无法抑制的法抑制的 当给定电源发生不应有的波动时，转速会随之变

15、化。因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量反馈控制系统无法抑制由反馈检测环节本身误差引起的被调量的偏差。为此，高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件的偏差。为此，高精度的系统还必须有高精度的反馈检测元件作保证。作保证。第39页，本讲稿共131页五、系统的稳态参数计算 例1-2直流调速系统如下图所示，根据给定的技术数据对系统进行静态参数计算。已知数据如下：第40页，本讲稿共131页4.测速发电机：永磁式直流测速发电机，Pnom=23.1W、Unom=110/V、Inom=0.21/A、nnom=1900/r/min。1.电动机电动机：额

16、定数据为：额定数据为Pnom=10kW、Unom=220V、Inom=55A、nnom=1000r/min，电枢电阻电枢电阻Ra=0.5。2.晶闸管装置：三相全控桥式整流电路，变压器Y/Y接法，二次线电压U2l=230V，触发整流环节的放大系数Ks=44。3.V-D系统系统：主回路总电阻：主回路总电阻R=1.0/。5.生产机械生产机械：要求调速范围：要求调速范围D=10，静差率静差率s5%。第41页，本讲稿共131页解：解：1.为满足为满足D=10，s5%，额定负载时调速系统的稳态速降应额定负载时调速系统的稳态速降应为为 2.根据根据ncl，确定系统的开环放大系数确定系统的开环放大系数K 式中

17、式中第42页，本讲稿共131页测速反馈系数测速反馈系数包含测速发电机的电势转速比包含测速发电机的电势转速比Cetg和电位器和电位器RP2的分压系数的分压系数2，即即 根据测速发电机的数据，根据测速发电机的数据，本系统直流稳压电源为本系统直流稳压电源为15V，最大转速给定为最大转速给定为12V时，对时，对应电动机的额定转速，即应电动机的额定转速，即 =12V时，时，n=1000 r/min，测速，测速发电机与电动机直接硬轴联接。发电机与电动机直接硬轴联接。3.计算测速反馈环节的参数第43页，本讲稿共131页当系统处于稳态时，近似认为当系统处于稳态时，近似认为 ，则则 电位器电位器RP2的选择方法

18、如下的选择方法如下：当测速发电机输出最高电压，且其电：当测速发电机输出最高电压，且其电流约为额定值的流约为额定值的20%时，测速发电机电枢压降对检测信号的线时，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。性度影响较小。则则此时此时RP2所消耗的功率为所消耗的功率为 第44页，本讲稿共131页 为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以为了使电位器不过热，实选功率应为消耗功率的一倍以上，故选上，故选RP2为为10W、1.5k的可调电位器。的可调电位器。4、计算放大器的电压放大系数、计算放大器的电压放大系数 实取实取P20。如果取放大器输入电阻如果取放大器输入电阻020/k，则则P2020

19、/k400/k。第45页，本讲稿共131页六、限流保护六、限流保护电流截止负反馈电流截止负反馈起动或堵转时：通过自动限流环节，使起动或堵转时：通过自动限流环节，使 正常运行时：限制电枢电流的环节自动取消。正常运行时：限制电枢电流的环节自动取消。3.措施的实现措施的实现(一一)为使为使,可采用电流负反馈。可采用电流负反馈。1.问题的提出2.解决措施全压起动：会产生很大的冲击电流，对于M和KP不利。生产机械的堵转，电流很大。第46页，本讲稿共131页限流原理限流原理 系统原理图系统原理图 ：第47页，本讲稿共131页结构图结构图 第48页，本讲稿共131页从静特性方程知：正常运行时，电流负反馈的存

20、在将使系统的静差大大增加。静特性方程静特性方程 存在的问题：第49页，本讲稿共131页(二二)为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节，可采用电流截止为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节，可采用电流截止负反馈。负反馈。带电流截止负反馈的调速系统原理图带电流截止负反馈的调速系统原理图 第50页，本讲稿共131页图中电流反馈信号取自小电阻图中电流反馈信号取自小电阻Rs两端，两端，IdRs正比于电枢电流，设正比于电枢电流，设Idcr为临界截止电流，为临界截止电流，Ucom=IdcrRs为比较电压。为比较电压。当当IdRsUcom（即即IdIdcr）时，二极管导通，电流调时，二极管导通，电流调节器

21、的输入偏差电压节器的输入偏差电压 为为 ，系统静特，系统静特性较软。性较软。当当IdRsUcom（即即IdIdcr）时，二极管截止，电流负反馈被切断，此时系时，二极管截止，电流负反馈被切断，此时系统就是转速闭环调速系统，其静特性很硬。统就是转速闭环调速系统，其静特性很硬。调节Ucom的大小，即可改变临界截止电流Idcr的大小。第51页，本讲稿共131页其限流原理为：系统的静态结构图第52页，本讲稿共131页根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性根据电流截止负反馈的特性和结构图可推出系统的静特性方程：当方程：当IdRsUcom时，电流截止负反馈不起作用。时，电流截止负反馈不起作用。系

22、统的静特性方程：系统的静特性方程：对应于图1-17的n0-A段第53页，本讲稿共131页当当IdRsUcom时，即电流截止负反馈起作用时，即电流截止负反馈起作用。图1-17对应于图1-17的A-B段 第54页，本讲稿共131页两段相比有如下特性：两段相比有如下特性：(1)n0，因因为为Ucom与与 作作用用一一致致，因因而而提提高高了了 。-A段段因因电流负反馈被截止而不存在。电流负反馈被截止而不存在。(2)n n，因为电流负反馈起作用时，相当于在主电路因为电流负反馈起作用时，相当于在主电路中串入一个大电阻中串入一个大电阻KpKsRs，因此稳态速降极大，特性急剧下因此稳态速降极大，特性急剧下垂

23、。这样的两段式静特性通常称为垂。这样的两段式静特性通常称为“挖土机特性挖土机特性”。当系统堵转时，当系统堵转时，n=0，则则 第55页，本讲稿共131页一般KpKsRsR，所以 电电动动机机运运行行于于n0-A段段，希希望望有有足足够够宽宽的的运运行行范范围围。一一般般取取Idcr1.2Inom，即即 式中式中为电动机过载系数，一般为为电动机过载系数，一般为1.52。由上二式可得 上述关系可作为设计电流截止负反馈环节参数的依据。第56页，本讲稿共131页电流截止环节的其他电路：利用稳压管电流截止环节的其他电路：利用稳压管VST产生比较电压的产生比较电压的原理见图（原理见图（a）；）；采用封锁运

24、算放大器的原理见图（采用封锁运算放大器的原理见图（b）ab第57页，本讲稿共131页第三节第三节 其它反馈形式在调速系统中的应用其它反馈形式在调速系统中的应用 一、电压负反馈调速系统一、电压负反馈调速系统 实现转速负反馈须有测速发电机。从实现转速负反馈须有测速发电机。从 可知：如果忽略电枢压降，则电动机的转速可知：如果忽略电枢压降，则电动机的转速n近似正比于电近似正比于电枢两端电压枢两端电压 。可采用电压负反馈代替转速负反馈，维持可采用电压负反馈代替转速负反馈，维持转速转速n基本不变。基本不变。第58页，本讲稿共131页由图可见，反馈检测元件是起分压作用的电位器由图可见，反馈检测元件是起分压作

25、用的电位器RP2。电压反馈信号电压反馈信号Uu=Ud，为电压反馈系数。为电压反馈系数。第59页，本讲稿共131页为了分析方便，把电枢总电阻分成两部分，即为了分析方便，把电枢总电阻分成两部分，即R=Rn+Ra，Rn为晶闸管整流装置的内阻（含平为晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻），波电抗器电阻），Ra为电枢电阻。由此可得为电枢电阻。由此可得 第60页，本讲稿共131页其稳态结构图如下图所示：第61页，本讲稿共131页电压负反馈调速系统的静特性方程式为电压负反馈调速系统的静特性方程式为 式中K=KpKs由方程知，电压负反馈把反馈环包围的整流装置内阻引起的稳态速降减小到1/（1+K）。扰动量Id

26、Ra不包围在反馈环内，由它引起的稳态速降得不到抑制。为此引入电流正反馈，以补偿电枢电阻引起的稳态速降。第62页，本讲稿共131页二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统二、电压负反馈带电流补偿的调速系统 原理图第63页，本讲稿共131页第四节第四节 转速负反馈无静差直流调速系统转速负反馈无静差直流调速系统一、无静差调速系统的控制规律一、无静差调速系统的控制规律 1.积分调节器及其控制规律积分调节器及其控制规律 积分时间常数积分时间常

27、数第64页，本讲稿共131页PIPI调节器的比例放大系数为调节器的比例放大系数为 ，积分时间常数为，积分时间常数为2、比例积分调节器及其控制规律、比例积分调节器及其控制规律 第65页，本讲稿共131页3.有差系统和无差系统控制规律的比较有差系统和无差系统控制规律的比较 无差系统的控制规律无差系统的控制规律 要使系统无差，则要采用积分控制。考虑要使系统无差，则要采用积分控制。考虑到快速性，工程上通常采用到快速性，工程上通常采用PI调节器。调节器。有差系统的控制规律第66页，本讲稿共131页二、带二、带PIPI调节器的无静差直流调速系统调节器的无静差直流调速系统 1、系统的组成框图系统采用转速负反

28、馈和系统采用转速负反馈和电流截止负反馈，速度电流截止负反馈，速度调节器（调节器（ASR）为为PI调节调节器。器。第67页，本讲稿共131页 2、无静差的实现、无静差的实现 稳稳态态时时，PI调调节节器器输输入入偏偏差差电电压压Un=0。当当负负载载由由TL1增增至至TL2时时，转转速速下下降降，Un下下降降使使偏偏差差电电压压 不不为为零零，PI调节器进入调节过程调节器进入调节过程。整流装置的交流侧电流与直流侧电流成正比。当电流大于截止电流时，则稳压管被击穿导通，负反馈电压Ui使晶体管VT导通，而使电流降低下来。第68页，本讲稿共131页 3、电流检测电路、电流检测电路 电流截止反馈信号电流截

29、止反馈信号Ui也可以由交流侧的电流互感器测得，也可以由交流侧的电流互感器测得，再经桥式整流后输出的直流信号。再经桥式整流后输出的直流信号。第69页，本讲稿共131页第五节第五节 转速、电流双闭环调速系统转速、电流双闭环调速系统 电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流，而不能维持电流截止负反馈只能在整个启动过程中限制最大电流，而不能维持最大电流，影响启动快速性（即启动时间最大电流，影响启动快速性（即启动时间ts较长）。较长）。一、问题的提出 第70页，本讲稿共131页二、解决问题的措施二、解决问题的措施实现理想的启动实现理想的启动1、理想启动过程理想启动波形如下图示，整个启动过程中，启动

30、电流一直保持最大允许值，此时电动机以最大转矩启动，转速以直线规律上升；启动结束后，电流从最大值下降为负载电流值且保持不变，转速维持给定转速不变。第71页，本讲稿共131页（2）稳态运行时，转速负反馈外环起主要作用，使转速随转速给定电压的变化而变化，电流内环跟随转速外环调节电机的电枢电流以平衡负载电流。2、实现理想启动过程的方法采用转速电流双闭环负反馈调速系统。（1）启动时，让转速外环饱和不起作用，电流内环起主要作用，调节启动电流保持最大值，使转速线性变化，迅速达到给定值；第72页，本讲稿共131页三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理三、转速电流双闭环调速系统的组成及工作原理转速、电流双闭

31、环直流调速系统原理图。（一）系统的组成第73页，本讲稿共131页ASR输出限幅值为输出限幅值为U*im，它它决定决定了主回路中的最大了主回路中的最大允许电流允许电流Idm。1、设置了电流调节器ACR和转速调节器ASR。2、ACR和电流检测-反馈回路构成了电流环，电流环为内环（副环）；ASR和转速检测-反馈环节构成了转速环，转速环为外环（又称主环）。ASR和ACR均为PI调节器，其输入输出设有限幅电路。ACR输出限幅值为Uctm，它限制了晶闸管整流器输出电压Udm的最大值。第74页，本讲稿共131页（二）系统的工作原理（二）系统的工作原理 双闭环调速系统的稳态结构图。双闭环调速系统的稳态结构图。

32、第75页，本讲稿共131页1、以、以ACR为核心的电流环为核心的电流环作用是稳定电流作用是稳定电流稳态时，稳态时，Ui=-U*i+Ui=-U*i+Id=0，即即Id=U*i/。其中其中为电流反馈系数。为电流反馈系数。当当U*i一定时，由于电流负反馈的作用，使输出电流保持在一定时，由于电流负反馈的作用，使输出电流保持在U*i/数值上。当数值上。当Id U*i/时，调节过程如下时，调节过程如下：最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。最终保持电流稳定。当电流下降时，也有类似的调节过程。第76页，本讲稿共131页2.以以ASR为核心的转速环为核心的转速环作用是稳定转速作用是稳定转速。稳态

33、时，稳态时，Un=U*n-n=0，即即n=U*n/。其中其中为转速反馈为转速反馈系数。当系数。当U*n一定时，转速一定时，转速n将稳定在将稳定在U*n/数值上。数值上。当当nU*n/时，其自动调节过程如下：时，其自动调节过程如下：最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。最终保持转速稳定。当转速上升时，也有类似的调节过程。第77页，本讲稿共131页双闭环系统的静特性具有近似理双闭环系统的静特性具有近似理想的想的“挖土机特性挖土机特性”（见图中实线）（见图中实线）四、双闭环调速系统的静特性及稳态参数计算1、双闭环调速系统的静特性 启动时，突加阶跃U*n，ASR饱和，输出限幅值U*im且

34、不变，转速环相当于开环。电流负反馈起恒流调节作用，转速线性上升，获得极好的下垂特性，如图中的AB段虚线。当当转转速速达达到到给给定定值值且且略略有有超超调调时时，ASR退退饱饱和和，转转速速负负反反馈馈起起调调节节作作用用，使使转转速速保保持持恒恒定定，即即n=U*n/保保持持不不变变。见见图图中中n0-A段虚线。段虚线。第78页，本讲稿共131页2、双闭环调速系统的稳态工作点和稳态参数计算、双闭环调速系统的稳态工作点和稳态参数计算 当当ASR和和ACR都不饱和且系统处于稳态时，各变量间的关系为都不饱和且系统处于稳态时，各变量间的关系为 转速反馈系数转速反馈系数 电流反馈系数电流反馈系数 其中

35、其中 U*nm和和 U*im是最大转速给定电压及转速调节器的输是最大转速给定电压及转速调节器的输出限幅电压。出限幅电压。第79页，本讲稿共131页（二）双 闭 环调 速 系统 的 起动特性第80页，本讲稿共131页启动特性如图所示。动态响应分为三个阶段。启动特性如图所示。动态响应分为三个阶段。1、启动过程的第一阶段（电流上升）、启动过程的第一阶段（电流上升）原因：启动时，最大，ASR的输出很快达到限幅值 。此时，作为电流环的给定电压，其输出电流迅速上升，当 时，开始上升，由于ACR的调节作用，很快使 。标志电流上升过程结束。状态：状态：ASR达到饱和状态，不再起调节作用。因达到饱和状态，不再起

36、调节作用。因 ，Ui比比Un增长快，增长快，ACR不饱和，起主要调节作用。不饱和，起主要调节作用。特征关系：特征关系：为电流闭环的整定依据为电流闭环的整定依据关键位置：关键位置：A：时，时，n 开始升速；开始升速；时，快速启动。时，快速启动。B:第81页，本讲稿共131页2、启动过程的第二阶段（恒流升速）、启动过程的第二阶段（恒流升速）原因：随着转速上升，电流将从原因：随着转速上升，电流将从Idm回落。但由于回落。但由于ACR的的无静差调节作用，使无静差调节作用，使 ，即电流保持最大值，即电流保持最大值Idm。转转速线性上升，接近理想的启动过程。速线性上升，接近理想的启动过程。状态：状态：AS

37、R保持饱和，保持饱和，ACR保持线性调节状态。保持线性调节状态。特征关系：特征关系：，Uct线性上升。线性上升。关键位置：关键位置：C:第82页，本讲稿共131页状态：ASR退出饱和，速度环开始调节，n跟随 变化；ACR保持在不饱和状态，Id紧密跟随 变化 3、启动过程的第三阶段（转速趋于稳定）原因：当转速上升到原因：当转速上升到 时，时，。但此时电枢。但此时电枢电流仍保持最大值，电动机转速继续上升，从而出现了转速超电流仍保持最大值，电动机转速继续上升，从而出现了转速超调现象。调现象。当转速n大于 时，ASR退出饱和。经ASR的调节，最终使n保持在n*的数值上。而ACR调节使dLdII=第83

38、页，本讲稿共131页特征关系：稳态时，调节器输入/输出电压：关键位置：D：n为峰值；E：稳态。可以看出：ASR在电动机启动过程的第一阶段由不饱和到饱和、第二阶段处于饱和状态、第三阶段从退饱和到线性调节状态；而ACR始终处于线性调节状态。第84页，本讲稿共131页五、双闭环调速系统中两个调节器的作用（一）ACR的作用：1、起电流调节作用。（1）启动时，在ASR的饱和作用下，经ACR调节，使电枢电流保持允许的最大值Idm，加快过渡过程，实现快速起动。（2）通过设置ASR的饱和限幅值，依靠ACR的调节作用，可限制最大电枢电流，2、当电网波动时，通过、当电网波动时，通过ACR的调节，使电网电压的波动几

39、乎不对转的调节，使电网电压的波动几乎不对转速产生影响。速产生影响。3、在电机过载甚至堵转时，一方面限制过大的电流，起到快速保护作用；、在电机过载甚至堵转时，一方面限制过大的电流，起到快速保护作用；另一方面，使转速迅速下降，实现了另一方面，使转速迅速下降，实现了“挖土机挖土机”特性。特性。第85页，本讲稿共131页（二）转速调节器的作用：1、起转速调节作用。（1）使转速n跟随给定电压 变化。（2）稳态运行时，稳定转速。使转速保持在 的数值上，无静差。2、在负载变化（或各环节产生扰动）而使转速出现偏差时，靠ASR的调节作用来消除转速偏差，保持转速恒定。3、ASR的输出限幅值决定了系统允许的最大电流

40、，作用于ACR，以获得较快的动态响应。第86页，本讲稿共131页六、双环调速系统动态性能的改进六、双环调速系统动态性能的改进转速微分负反馈转速微分负反馈双双环环系系统统有有转转速速超超调调，且且抗抗扰扰性性能能也也有有限限制制。在在ASR上上引引入入转转速速微微分分负负反反馈馈，可可抑抑制制超超调调、降降低低动动态态速速降降，提提高高抗抗扰扰性性能能。电电路路上上增增加加了了电电容容Cdn和和电电阻阻Rdn，在在转转速速负负反反馈馈的的基基础础上上叠叠加加上上一一个个转转速速微微分分负负反反馈馈。只只要要有有转转速速超超调调和和动动态态速速降降的的趋趋势势，微微分分负负反反馈馈就就开开始进行调

41、节。始进行调节。第87页，本讲稿共131页第七节第七节 可逆调速系统可逆调速系统一、可逆运行及可逆电路一、可逆运行及可逆电路 可逆运行可逆运行电磁转矩可逆电磁转矩可逆电磁转矩电磁转矩 可逆，可逆，而转矩方向由磁场方向和电枢电压的极性共同决定。而转矩方向由磁场方向和电枢电压的极性共同决定。（1）电枢可逆调速系统：）电枢可逆调速系统：励磁磁场方向不变，改变电枢电压极励磁磁场方向不变，改变电枢电压极性实现可逆运行；性实现可逆运行；（2）磁场可逆调速系统：）磁场可逆调速系统：电枢电压极性不变，改变励磁电流方向电枢电压极性不变，改变励磁电流方向实现可逆运行。实现可逆运行。与此对应，与此对应，V-M系统的

42、可逆电路有两种方式：系统的可逆电路有两种方式：（1）电枢反接可逆电路；）电枢反接可逆电路；（2）励磁反接可逆电路。）励磁反接可逆电路。第88页，本讲稿共131页（一）电枢反接可逆电路（一）电枢反接可逆电路1、两组晶闸管装置供电的可逆电路、两组晶闸管装置供电的可逆电路 1）当正组晶闸管装置）当正组晶闸管装置VF向电动机供电时，提供正向电枢电向电动机供电时，提供正向电枢电流流Id，电动机正转；，电动机正转；2）当反组晶闸管装置）当反组晶闸管装置VR向电动机供电时，提供反向电枢电流向电动机供电时，提供反向电枢电流-Id，电动机反转。，电动机反转。图1-38 电枢反接两套晶闸管反并联可逆线路第89页，

43、本讲稿共131页2、两组晶闸管装置供电的可逆线路的两种形式：、两组晶闸管装置供电的可逆线路的两种形式：1）反反并并联联：两两组组晶晶闸闸管管由由同同一一个个交交流流电电源源供供电电，且且要要有有四四个个限限制环流的电抗器；制环流的电抗器；（a）反并联可逆线路第90页，本讲稿共131页（2）交叉连接：两组晶闸管由两个独立的交流电源供）交叉连接：两组晶闸管由两个独立的交流电源供电，只要两个限制环流的电抗器（两台整流变压器或一台整流变电，只要两个限制环流的电抗器（两台整流变压器或一台整流变压器的两个二次绕组）。压器的两个二次绕组）。（b）交叉连接可逆线路电枢可逆线路的特点是：切换速度快、控制灵活。是

44、可逆系统的主要型式。在要求频繁、快速正反转的可逆系统中得到广泛应用。第91页，本讲稿共131页（二）励磁反接可逆电路（二）励磁反接可逆电路 电枢用一组晶闸管供电并调速，而励磁绕组由两组晶闸管反并联供电，可采电枢用一组晶闸管供电并调速，而励磁绕组由两组晶闸管反并联供电，可采用反并联或交叉连接来改变励磁电流的方向。用反并联或交叉连接来改变励磁电流的方向。特点是：励磁反接所需的晶闸管容量小，但励磁反向过程慢。特点是：励磁反接所需的晶闸管容量小，但励磁反向过程慢。主要适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统，主要适用于对快速性要求不高，正、反转不太频繁的大容量可逆系统，例如卷扬机、电力

45、机车等。例如卷扬机、电力机车等。（a）电枢电路 （b）励磁反接可逆线路图1-40 两组晶闸管供电的励磁反接可逆线路第92页，本讲稿共131页二、两组晶闸管电枢可逆电路的正向电动、回馈制动和反二、两组晶闸管电枢可逆电路的正向电动、回馈制动和反向电动运行向电动运行（一）电动机的运行状态：（一）电动机的运行状态：1、正向电动：电磁转矩方向与转速方向相同，转速为正；、正向电动：电磁转矩方向与转速方向相同，转速为正；2、回馈制动：电磁转矩的方向与转速方向相反，电机将动、回馈制动：电磁转矩的方向与转速方向相反，电机将动能转换为电能输出且将其回送给电网；能转换为电能输出且将其回送给电网；3、反向电动：电磁转

46、矩方向与转速方向相同，转速、反向电动：电磁转矩方向与转速方向相同，转速方向为负。磁通恒定时，电磁转矩方向就是电枢电方向为负。磁通恒定时，电磁转矩方向就是电枢电流方向，转速方向就是反电动势的方向。流方向，转速方向就是反电动势的方向。第93页，本讲稿共131页（二）两组晶闸管电枢可逆电路的正向电动、回馈制动（二）两组晶闸管电枢可逆电路的正向电动、回馈制动和反向电动运行和反向电动运行 1.电机的正向电动运行：电机的正向电动运行：正组正组VF给给M供电，供电，VF整流，输出整流电压上整流，输出整流电压上正下负，正下负，M吸收能量正吸收能量正向电动运行；向电动运行；（a）VF整流正向电动运行 第94页，

47、本讲稿共131页 回馈制动时，切换到反组。回馈制动时，切换到反组。VR工作工作于逆变状态，输出于逆变状态，输出 。M的反电势的反电势极性未变，极性未变，降低，当降低，当略大于略大于|时，产生反向电流时，产生反向电流-Id而实现回馈制而实现回馈制动，能量经动，能量经VR回馈到电网；回馈到电网；n 2、电机的回馈制动运行（b）VR逆变回馈制动第95页，本讲稿共131页 3、电机的反向电动运行：、电机的反向电动运行：当当电电机机减减速速到到0后后，反反组组VR给给M供供电电，VR整整流流，输输出出整整流流电电压压，M吸吸收收能量而反向电动运行。能量而反向电动运行。图1-42 V-M系统正组整流电动运

48、行和反组逆变回馈制动（c）VR整流反向电动运行第96页，本讲稿共131页表中各量的极性均以正向电动运行时为表中各量的极性均以正向电动运行时为“+”。表表1-1 V-M系统可逆线路的工作状态系统可逆线路的工作状态第97页，本讲稿共131页三、三、可逆调速系统中的环流分析可逆调速系统中的环流分析（一一）环环流流的的利利弊弊及及其其种种类类 环环流流的的定定义义：指指不不流流过过负负载载，而而只只在在两两组组晶晶闸闸管管间间流流通通的的短短路路电电流。如图所示的流。如图所示的IcIc 。图图1-43 反并联可逆线路中的环流反并联可逆线路中的环流Id 负载电流负载电流 I c环流环流 Rrec整流装置

49、内阻整流装置内阻 第98页，本讲稿共131页2.环流的优缺点环流的优缺点优优点点：适适度度的的环环流流能能使使V-M系系统统保保持持电电流流连连续续，避避免免电电流流断断续续对对系系统统静静、动动态态性性能能的的影影响响；可可逆逆系系统统中中的的少少量量环环流流，可可保保证证电电流无换向死区加快过渡过程。流无换向死区加快过渡过程。缺点：加重晶闸管和变压器的负担；太大时会损坏晶闸管。缺点：加重晶闸管和变压器的负担；太大时会损坏晶闸管。3.环流的种类环流的种类环流可以分为两大类：环流可以分为两大类：（1）静静态态环环流流。当当晶晶闸闸管管装装置置在在一一定定的的控控制制角角下下稳稳定定工工作作时时

50、，可可逆逆线线路路中出现的环流叫静态环流。中出现的环流叫静态环流。静态环流又可分为：静态环流又可分为：直直流流平平均均环环流流：由由于于两两组组晶晶闸闸管管装装置置间间存存在在正正向向直直流流电电压压差差而而产生的环流称为直流平均环流。产生的环流称为直流平均环流。第99页，本讲稿共131页 瞬时脉动环流：由于整流电压和逆变电压瞬时值不相等而产生的瞬时脉动环流：由于整流电压和逆变电压瞬时值不相等而产生的环流称为瞬时脉动环流。环流称为瞬时脉动环流。（2）动态环流。稳态运行时不存在，而只在系统处于过渡过）动态环流。稳态运行时不存在，而只在系统处于过渡过程中出现的环流，叫做动态环流。程中出现的环流，叫