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第一章 直流调速系统及其仿真

第一章 直流调速系统及其仿真. 1-1 直流调速系统的基本概念. 1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统. 1-3 其它反馈形式在调速系统中的应用. 1-4 转速负反馈无静差直流调速系统. 1- 5 转速电流双闭环调速系统. 1- 6 三环调速系统. 1- 7 可逆调速系统. 1-1 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. 2.直流他励电动机转速方程. 式中：.

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第一章 直流调速系统及其仿真

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  1. 第一章 直流调速系统及其仿真 • 1-1 直流调速系统的基本概念 • 1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统 • 1-3 其它反馈形式在调速系统中的应用 • 1-4 转速负反馈无静差直流调速系统 • 1-5 转速电流双闭环调速系统 • 1-6三环调速系统 • 1-7 可逆调速系统

  2. 1-1 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

  3. 2.直流他励电动机转速方程 式中： 为电源空载电压； 为电动机电枢电压；E为电枢电动势；R为电枢回路总电阻，n 转速，单位r/min；Φ为励磁磁通；Ke为电动机结构决定的电动势系数。

  4. 3、直流他励电动机的调速方法 (1)电枢回路串电阻调速 (3)变电枢电压调速 特点： 损耗较大、有级调速，机械特性较软。 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。 (2)弱磁调速 特点： 只能弱磁，调速范围小

  5. 工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围。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

  6. 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 3、直流斩波器和脉宽调制变换器 2、静止可控整流器

  7. 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）。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）。

  8. 特点： 组成： 原理： 设备多、体积大、费用高、效率低、安装维护不便、运行有噪声。 调节→U改变→转速n变化。改变方向，n转向跟着改变。 由~M拖动=G→=G给=M供电→直流励磁发电机GE给=G和=M励磁。

  9. 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）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）

  10. 组成： 原理： 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。 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；

  11. 3、直流斩波器和脉宽调制变换器——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换器产生可变的平均电压。3、直流斩波器和脉宽调制变换器——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换器产生可变的平均电压。

  12. 原理： 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

  13. 三、开环V-M系统的机械特性 1、系统组成 2.调节原理 调节 →改变移相角α→改变 → 改变。

  14. 3.开环系统机械特性 电流连续时： 电流断续时： 特性很软，呈显著的非线性，理想空载转速翘得很高。 晶闸管整流器可看成是一个线性的可控电压源

  15. 其中： 为转速降， 越小，机械特性的硬度越大。 取决于电枢回路电阻R及所加的负载大小。

  16. 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。 • 一般可近似的只考虑连续段。 (2)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。 一般可近似的只考虑连续段。

  17. 解：要求：D=? 而满足S≤0.1的 D=? 满足D、 S的 分析：因为 ，所以要引入负反馈。 ? △n = 某一车床的拖动电动机的额定转速 ，要求 ，由开环系统决定的 要求S≤0.1，问开环V-M系统能否满足要求？如不满足要求，怎么办？ 1-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统 问题的提出 一、开环存在的问题：

  18. 二、系统的组成及静特性 1、系统的组成 (1)原理框图

  19. (2)各环节介绍 (a)给定环节——产生控制信号：由高精度直流 稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。 (b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、PI运放器组成

  20. (c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大(c)触发器和整流装置环节（组合体）--功率放大 GT：单结晶体管、锯齿波、正弦波触发器; 整流装置：单相、三相、半控、全控. (d)速度检测环节 ：测速机反馈线路 求出(反馈系数) ; 单位

  21. (e)直流电动机环节 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。

  22. 动态关系： 稳态关系：

  23. 2、系统的自动调节过程 （1）对给定信号的调节——调速过程：改变 , 则n 改变 （2）对负载波动等扰动信号的调节——稳速过程： n基本不受负载波动等扰动输入的影响 例如：

  24. (1)闭环系统机械特性的定性分析 3、闭环系统的机械特性

  25. (2) 闭环系统的机械特性的定量分析 ①系统结构图

  26. ②系统中各环节的稳态输入输出关系如下： 电压比较环节 放大器 晶闸管整流器及触发装置 V-M系统开环机械特性 转速检测环节

  27. ③ 单闭环转速负反馈调速系统的稳态结构图

  28. 由系统稳态结构图得到系统的静特性方程为 为闭环系统的开环放大系数 为闭环系统的理想空载转速 式中： 为闭环系统的稳态速降。

  29. 断开转速反馈回路（令 ，则K=0）则得开环机 械特性为： 三、闭环系统的静特性与开环系统机械特性的比较 1、开环系统的机械特性 2、闭环系统的静特性 ：

  30. 当 时 比较后得出结论： (1)闭环静特性比开环机械特性硬得多。在同样的负载下，两者的稳态速降分别为： 关系是 (2)闭环系统的静差率比开环系统的静差率小得多。闭环系统和开环系统的静差率分别为

  31. 则开环时 闭环时 所以 (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。 如果电机的最高速都是nnom，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。

  32. 结论 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。

  33. 例1-1 A 龙门刨床工作台采用Z2-93型直流电动机， r/min、 kW V Ra=0.05Ω Ks=30 问题 晶闸管整流器的内阻 Rrec=0.13Ω 要求D=20，s≤5% 问若采用开环V-M系统能否满足要求？ 若采用α=0.015V·min/r转速负反馈闭环系统，问放大器的放大系数为多大时才能满足要求？

  34. 解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s≤5%？解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s≤5%？

  35. （3）采用负反馈，则开环放大系数K为： 得： 课后 作业： （2）那么同时满足D=20，s≤5%的 可见只要放大器的放大系数大于或等于46，转速 负反馈闭环系统就能满足要求。(在上述 闭环条件下，如何判断系统能否正常工作？)

  36. 1、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的1、采用比例放大器的反馈控制系统是有静差的 闭环系统的稳态速降为 只有当K=∞时→Δncl=0。而比例控制的K≠∞→Δncl≠0。 改变给定 ，转速n 随之变化。即被调量总是紧紧跟随给 定信号变化的。 四、反馈控制规律 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

  37. 扰动：当给定 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：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变化、负载变化等等，如下图所示。

  38. 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。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。

  39. 4、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4、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 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作保证。 当给定电源发生不应有的波动时，转速会随之变化。因此高精度的调速系统需要高精度的稳压电源。

  40. 例1-2 五、系统的稳态参数计算 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：

  41. 1.电动机：额定数据为Pnom=10kW、Unom=220V、Inom=55A、 nnom=1000r/min ，电枢电阻Ra=0.5Ω。 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：主回路总电阻R=1.0/Ω。 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。 5.生产机械：要求调速范围D=10，静差率s≤5%。

  42. 解：1. 为满足D=10，s≤5%，额定负载时调速系统的稳态速降应为 2. 根据Δncl，确定系统的开环放大系数K 式中

  43. 3. 计算测速反馈环节的参数 测速反馈系数α包含测速发电机的电势转速比Cetg 和电位器RP2的分压系数α2，即 根据测速发电机的数据， 本系统直流稳压电源为15V，最大转速给定为12V时，对应电动机的额定转速，即 =12V时，n=1000 r/min，测速发电机与电动机直接硬轴联接。

  44. 当系统处于稳态时，近似认为，则 电位器RP2的选择方法如下：当测速发电机输出最高电压，且其电流约为额定值的20%时，测速发电机电枢压降对检测信号的线性度影响较小。 则 此时RP2所消耗的功率为

  45. 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RP2为10W、1.5kΩ的可调电位器。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RP2为10W、1.5kΩ的可调电位器。 4、计算放大器的电压放大系数 实取ＫP＝20。 如果取放大器输入电阻Ｒ0＝20/kΩ， 则Ｒ１＝ＫPＲ０＝20×20/kΩ＝400/kΩ。

  46. 1.问题的提出 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。 2.解决措施 正常运行时：限制电枢电流的环节自动取消。 3.措施的实现 (一)为使 ,可采用电流负反馈。 六、限流保护—电流截止负反馈 起动或堵转时：通过自动限流环节，使

  47. ①系统原理图 ： ②限流原理

  48. ③结构图

  49. ④静特性方程 存在的问题： 从静特性方程知：正常运行时，电流负反馈的存在将使系统的静差大大增加。

  50. ①带电流截止负反馈的调速系统原理图 (二)为在正常运行时自动取消电流负反馈限流环节，可采用电流截止负反馈。

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