1、機電傳動控制機電傳動控制授課教師：沈君華授課教師：沈君華聯系電話：聯系電話：1338178309813381783098E-mailE-mail：直流傳動控制系統知識要點：直流傳動控制系統知識要點：u 直流電動機調速范圍的基本概念，調速范圍直流電動機調速范圍的基本概念，調速范圍DD和轉速變化率和轉速變化率（靜差度）（靜差度）S S的關系；的關系；u 負載特性的特點和分類；負載特性的特點和分類；u 單閉環有靜差調速系統：閉環的基本概念和作用；常用的反饋單閉環有靜差調速系統：閉環的基本概念和作用；常用的反饋形式和特點；形式和特點；u 單閉環有靜差調速系統的組成。單閉環有靜差調速系統的組成。第十一章

2、第十一章 直流傳動控制系統直流傳動控制系統11.1自動調速系統主要性能指標000nnnnnSeeen 機電傳動控制系統調速方案的選擇，主要是根據生產機械對調速系統提出的調根據生產機械對調速系統提出的調速技術指標來決定的速技術指標來決定的，技術指標有靜態指標和動態指標。一、靜態技術指標一、靜態技術指標1靜差度靜差度S速度穩定性指標。靜差度表示出生產機械運行時轉速穩定的程度。用S 表示，即：其中： 靜態速降。 當負載變化時，生產機械轉速的變化要能維持在一定范圍之內，即要求靜差度S 小于一定數值。由 可知：電動機的機械特性愈硬，則靜差度愈小，轉速的相對穩定性就愈高。在一個調速系統中，如果在最低轉速運

3、行時能滿足靜差度的要求，則在其他轉速時必能滿足要求。000nnnnnSee11.1自動調速系統主要性能指標一、靜態技術指標一、靜態技術指標2. 調速范圍調速范圍D 在額定負載下允許的最高轉速nemax和在保證生產機械對轉速變化率要求的前提下所能達到的最低轉速nemin 之比稱為調速范圍，用D表示，即：minmaxeennD 采用機械和電氣聯合調速時，如D是指生產機械的調速范圍，若以Dm代表機械調速范圍，De代表電氣調速范圍，則De = D/Dm 。3. 3. 調速的平滑性調速的平滑性 調速的平滑性，通常是用兩個相鄰調速級的轉速差來衡量的。在一定的調速范圍內，可以得到的穩定運行轉速級數越多，調速

4、的平滑性就越高，若級數趨近于無窮大，即表示轉速連續可調，稱為無極調速。11.1自動調速系統主要性能指標一、靜態技術指標一、靜態技術指標)1 ()1 ()1 (22max22max0202max02maxminmaxSnSnSSnnnnnnnnnnnDeeeeeeeeee如圖11.1 所示是調速系統在高速和低速時電動機對應的兩條機械特性曲線。圖11.1 調速系統在高速和低速時電動機 對應的兩條機械特性曲線則： 上式表示出最高速度、最低速度、靜態速降和靜差度四者之間的關系。 通常最高速度由系統中所使用電動機的額定轉速決定；靜差度S 和調速范圍D 由生產機械的要求決定。當上述三個參數確定后，則要求靜

5、態速降是一個定值。11.1自動調速系統主要性能指標二、動態技術指標二、動態技術指標 生產機械由電動機拖動，在調速過程中，從一種穩定速度變化到另一種穩定速度運轉（啟動、制動過程僅是特例而已），由于有電磁慣性和機械慣性，過程不能瞬時完成，而需要一段時間，即要經過一段過渡過程，或稱動態過程。 生產機械對自動調速系統動態品質指標的要求除除過渡過程時間外，還有最大超調量、振蕩次數等，如圖11.2 所示是以被調量轉速n為例，系統從n1改變到n2時的過渡過程。圖11.2 速度變化的過渡過程1. 1. 最大超調量最大超調量 超調量太大，達不到生產工藝上的要求，但太小，則會使過渡過程過于緩慢，不利于生產率的提高

6、等，一般Mp為10%35%。%10022maxnnnMP11.1自動調速系統主要性能指標二、動態技術指標二、動態技術指標圖11.2 速度變化的過渡過程2. 過渡過程時間過渡過程時間T 從輸入控制（或擾動）作用于系統開始直到被調量n 進入（0.05 0.02）n2穩定值區間時為止（并且以后不再越出這個范圍）的一段時間，叫作過渡過程時間。3. 3. 振蕩次數振蕩次數 N N在過渡過程時間內,被調量n 在其穩定值上下擺動的次數，圖中所示為1 次。上述三個指標是衡量一個自動調速系統過渡過程品質好壞的主要指標品質好壞的主要指標。11.1自動調速系統主要性能指標二、動態技術指標二、動態技術指標如圖11.3

7、 所示是三種不同調速系統被調量從x1改變為x2時的變化情況。圖11.3 三種不同調速系統的過渡過程 系統系統1 1 的被調量要經過很長時間才能跟上控制量的變化，達到新的穩定值；系統系統2 2 的被調量雖變化很快，但要經過幾次振蕩才能停在新的穩定值上。這兩個系統都不能令人滿意，系統系統3 3 的動態性能才是較理想的。不同的生產機械對動態指標的要求不盡相同，如龍門刨床、軋鋼機等可允許有一次振蕩，而造紙機則不允許有振蕩的過渡過程。三個系統的動態性能比較如下表所示。三個系統的動態性能比較如下表所示。系統超調量過渡過程時間T振蕩次數N性能10長無不好2大中多不好3小短中好11.211.2晶閘管電動機直流

8、傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統一、有靜差轉速負反饋調速系統一、有靜差轉速負反饋調速系統單閉環直流調速系統常分為有靜差調速系統和無靜差調速系統兩類： 有靜差調速系統：有靜差調速系統：單純由被調量負反饋組成的按比例控制按比例控制的單閉環系統屬有靜差的自動調節系統，簡稱有靜差調速系統； 無靜差調速系統：無靜差調速系統：單純由被調量負反饋組成的而按積分（或比例積分）控制按積分（或比例積分）控制的系統，屬無靜差的自動調節系統，簡稱無靜差調速系統；1 1轉速負反饋調速系統基本組成轉速負反饋調速系統基本組成圖11.4 有靜差調速系統的基本組成（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）（）

9、11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統一、有靜差轉速負反饋調速系統一、有靜差轉速負反饋調速系統1 1轉速負反饋調速系統基本組成轉速負反饋調速系統基本組成 由系統的結構分析可知：（1）系統的調速方法是改變外加電壓調速；（2）系統的反饋信號是被控制對象n 本身；（3）反饋電壓和給定電壓的極性相反，即U =Ug Uf 。 因此，該系統稱轉速負反饋調速系統轉速負反饋調速系統。2 2工作原理工作原理（1）穩態（Ug、Uf 不變）（2）調速（Uf 不變，改變Ug的大小）Ug U = Ug Uf Uk Ud n Ug U = Ug Uf Uk Ud n U = Ug Uf不

10、變Uk不變不變Ud不變n不變即當Ug、Uf 不變時，電動機的轉速不變，這種狀態稱為穩態。即：改變Ug的大小可改變電動機的轉速，這種狀態稱為調速。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統一、有靜差轉速負反饋調速系統一、有靜差轉速負反饋調速系統2 2工作原理工作原理（1）穩態（Ug、Uf 不變）（2）調速（Uf 不變，改變Ug的大小）Ug U = Ug Uf Uk Ud n Ug U = Ug Uf Uk Ud n U = Ug Uf不變Uk不變不變Ud不變n不變即當Ug、Uf 不變時，電動機的轉速不變，這種狀態稱為穩態。即：改變Ug的大小可改變電動機的轉速，這種狀

11、態稱為調速。（3）穩速（Ug不變、負載變化使Uf 變化）當負載增加使nUfU= UgUfUk Ud n 當負載減小使nUfU= UgUfUk Ud n 即：當負載發生變化使速度發生變化后，系統通過反饋能維持速度基本不變，這種狀態稱為穩速。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統ffeaegGnnKCRIKCUKn0)1 ()1 (nnICRCUKnaeegG0一、有靜差轉速負反饋調速系統一、有靜差轉速負反饋調速系統3 3靜特性分析靜特性分析（1）分析靜特性的目的：）分析靜特性的目的：找到減小靜態速降、擴大調速范圍，提高系統性能的途徑。（2）靜特性的含義：）靜特性

12、的含義：靜特性表示出電動機的轉速與負載電流之間的大小關系。閉環系統的靜特性：閉環系統的靜特性：開環系統的靜特性：開環系統的靜特性：ecfPCKKKK2式中：KG=K2KP從放大器輸入端到可控整流電路輸 出端的電壓放大倍數； 閉環系統的開環放大倍數Ce=KeRRX+Ra 電樞回路總電阻Kcf：反饋電壓放大系數（3）靜特性包括：）靜特性包括：11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統KnKCUKnegGf1)1 (00一、有靜差轉速負反饋調速系統一、有靜差轉速負反饋調速系統3 3靜特性分析靜特性分析（4）分析與結論：）分析與結論：在給定電壓一定時，有在給定電壓一定時，

13、有 即閉環系統的理想空載轉速降低到開環時的1/（1+ K）倍，為了使閉環系統獲得與開環系統相同的理想空載轉速，閉環系統所需要的給定電壓Ug要是開環系統的（1+K）倍，因此，僅有轉速負反饋的單閉環系統在運行中，若突然失去轉速負反饋，就可能造成嚴重的事故。如果將系統閉環與開環的理想空載轉速調得一樣，即如果將系統閉環與開環的理想空載轉速調得一樣，即KnIKCRnaef1)1 ( 即在同樣負載電流下，閉環系統的轉速降僅是開環系統轉速降的1/(1+ K) 倍，從而大大提高了機械特性的硬度，使系統的靜差度減少。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統DKSKnSnSnSnD

14、SnSnDNfNfN)1 ()1 (1)1 ()1 (22max22max22max一、有靜差轉速負反饋調速系統一、有靜差轉速負反饋調速系統3 3靜特性分析靜特性分析（4）分析與結論：）分析與結論：在最大運行轉速在最大運行轉速n nmax 和低速時最大允許靜差度和低速時最大允許靜差度S S 不變的情況下，開環系統和閉環系統的調不變的情況下，開環系統和閉環系統的調速范圍分別為速范圍分別為開環：開環：閉環：閉環：即閉環系統的調速范圍為開環系統的即閉環系統的調速范圍為開環系統的(1+K)(1+K)倍。倍。 由上可見，提高系統的開環放大倍數由上可見，提高系統的開環放大倍數K K 是減小靜態轉速降落、擴

15、大調速范圍的有是減小靜態轉速降落、擴大調速范圍的有效措施。系統的放大倍數越大，準確度就越高，靜差度就越小，調速范圍就越大。效措施。系統的放大倍數越大，準確度就越高，靜差度就越小，調速范圍就越大。結論：結論：11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統1 1電壓負反饋系統電壓負反饋系統具有電壓負反饋環節的調速系統如圖11.5 所示。圖11.5 電壓負反饋環節的調速系統（1 1）電壓負反饋調速系統與轉速負反饋調速系統的區別）電壓負反饋調速系統與轉速負反饋調速系統的區別反饋信號不同

16、，前者為被控制量的間接量電壓，后者為被控制量本身；檢測元件不同，前者為電位器，后者為測速發電機。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統1 1電壓負反饋系統電壓負反饋系統（2）工作原理 圖中Ug是給定電壓，Uf 是電壓負反饋的反饋量，它是從并聯在電動機電樞兩端的電位計RP上取出來的，所以，電位計RP是檢測電動機端電壓大小的檢測元件，Uf 與電動機端電壓U成正比，Uf 與U的比例系數用表示，稱為電壓反饋系數 =Uf /U因U =Ug Uf，Ug和Uf 極性相反，故為電壓負反

17、饋。穩速和調速的工作過程與轉速負反饋相同。在給定電壓Ug一定時，其調整過程如下：負載 n I a U f U U k n U U d同理：負載減小時，引起同理：負載減小時，引起n n 上升，通過調節可使上升，通過調節可使n n 下降，趨于穩定。下降，趨于穩定。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統2 2電流正反饋與電壓負反饋的綜合反饋系統電流正反饋與電壓負反饋的綜合反饋系統 具有電壓負反饋和電流正反饋的調速系統如下圖（11.6）所示：（1 1）系統特點）系統特點RV為電

18、壓負反饋檢測元件，UV直接反映電動機電樞兩端電壓的大小，稱電壓反饋；RI為電流正反饋檢測元件，UI直接反映電動機電樞電流的大小，稱電流反饋。系統的總反饋電壓Uf =UV UI，而U =Ug Uf =Ug UV +UI。因為UV的極性與給定電壓Ug的極性相反，稱電壓負反饋；UI的極性與給定電壓Ug的極性相同，稱電流正反饋。要使系統穩定運行，系統總的反饋特性必須呈現出負反饋的性質。因此，調節UI、UV的大小，保證Uf =UV UI 0。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統二、有靜差的電流正反饋與電壓負反饋自動調速系統

19、3 3電流正反饋與電壓負反饋的綜合反饋系統電流正反饋與電壓負反饋的綜合反饋系統（2 2）工作原理）工作原理在給定電壓Ug一定時，其調整過程如下： n nIa UV U =Ug-UV+UI UK Ud U UI同理：負載減小時，引起n 上升，通過調節可使n 下降，趨于穩定。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統三、帶電流截止負反饋的轉速負反饋調速系統三、帶電流截止負反饋的轉速負反饋調速系統1 1電流截止負反饋的作用電流截止負反饋的作用 電流截止負反饋的作用：過載保護。 電流正反饋可以改善電動機運行特性，而電流負反饋會使U 隨著負載電流的增加而減少，使電動機的速度

20、迅速降低。 如果電動機的速度在負載過分增大時也不會降下來，這就會使電樞過流而燒壞。本來采用過流保護繼電器也可以保護這種嚴重過載，但是過流保護繼電器，要觸頭斷開，電動機斷電方能保護，而采用電流負反饋作用為保護手段，則不必切斷電動機的電路，只是使它的速度暫降下來，一旦過負載去掉后，它的速度又會自動升起來，這樣有利于生產。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統三、帶電流截止負反饋的轉速負反饋調速系統三、帶電流截止負反饋的轉速負反饋調速系統2 2基本方法基本方法 當負載正常，電樞電流在一定范圍內，電流截止負反饋不起作用； 當負載增加使電樞電流超過一定數值時，電流負反饋

21、開始起作用，減小電動機電樞外加電壓，轉速下降； 當負載繼續增加使電樞電流超過一定值時，電流負反饋足夠強，它足以將給定信號的絕大部分抵消掉，使電動機速度降到零，電動機停止運轉，從而起到保護作用。即這種反饋可以人為地造成“堵轉”，防止電樞電流過大而燒壞電動機。因為只有當電流大到一定程度反饋才起作用，故稱電流截止負反饋。這種特性因它常被用于挖土機上，故又稱“挖土機特性”。11.211.2晶閘管電動機直流傳動控制系統晶閘管電動機直流傳動控制系統三、帶電流截止負反饋的轉速負反饋調速系統三、帶電流截止負反饋的轉速負反饋調速系統2 2基本方法基本方法具有電流截止負反饋保護的調速系統的結構框圖如圖所示。圖11