電力拖動自動控制系統電力拖動自動控制系統全書分為四大部分，分別講述:第一部分：電力拖動直流調速系統；第二部分：電力拖動交流調速系統；第三部分：電力拖動伺服系統；第四部分：電力拖動自動控制系

統數字化設計。

第1章

交、直流調速系統

緒論內容概要*電力拖動及其自動控制系統電力拖動自動控制系統的特點電力拖動自動控制系統的發展概況與發展趨勢本章講述：內容概要*電力拖動及其自動控制系統電力拖動自動控制系統的特點電力拖動自動控制系統的發展概況與發展趨勢本章講述：電力拖動及其自動控制系統電力拖動自動控制系統中除了電動機、傳動機構、以及工作機械外，還有在電源與電動機之間配置的自動控制裝置，其設備組合示意圖如圖1-1所示。圖1-1電力拖動自動控制系統的設備組成情況示意圖*

依據圖1-1按照閉環結構形式所組成的電力拖動自動控制系統如圖1-2所示。可以看出，電力拖動自動控制系統由電動機及其負載、電力電子電能變換電路、控制器及信息檢測器等按照負反饋原則而構成的。*圖1-2電力拖動自動控制系統閉環組成圖*

電動機分為兩大類，即直流電動機和交流電動機。交流電動機分為兩大類，即異步電動機（也稱為感應電動機）和同步電動機。電力電子變換電路由半導體電力電子開關器件構成。*

對于直流調速系統而言是采用半控型晶閘管(SCR)器件組成的整流電路（或采用全控器件構成的直流PWM變換電路）；對于現代交流調速系統而言，采用電力電子全控型器件(IGBT、IEGT、IGCT)組成的逆變電路。*

電力拖動自動控制系統有多種分類方法，其中，按被控物理量來分類有利于與其他自動控制系統相區別。其物理概念清晰，能夠反映電力拖動自動控制系統本身特征。電力拖動自動控制系統可歸納成如圖1-3所示的分類圖。電力拖動自動控制系統的分類：*

圖1-3電力拖動自動控制系統分類*1.電力拖動自動控制系統的反饋控制規律（1）反饋控制系統的功能反饋控制系統的功能是：抑制擾動，跟隨給定。它能有效地抑制一切被負反饋通道所包圍的前向通道上的擾動作用，對于給定作用的變化則是嚴格跟蹤。但是在反饋通道上的測速反饋系數發生變化，它非但不能得到反饋控制系統的抑制，反而會造成被調量的誤差。其結構圖1-4所示：電力拖動自動控制系統的特點*圖1-4電力拖動自動控制系統的設備組成情況示意圖*

如果產生給定電壓的電源發生波動，反饋控制系統無法產生跟隨作用。因此，高精度的調速系統必須有更高精度的給定穩壓電源。

反饋檢測裝置的誤差是反饋控制系統無法克服的。（2）系統的精度依賴于給定和反饋檢測的精度*

電力拖動自動控制系統的主要特征就是它的轉矩-轉速控制特性，可用運動方程式來描述，如下所示。2.轉矩-轉速控制特性是電力拖動自動控制系統的基本特征旋轉運動方程式：（1-1）*式中

機械轉動慣量(Kg·m2)；

轉子的機械角速度(rad/s)；

轉子的機械轉角(rad)；

電磁轉矩(N·m)；

負載轉矩(N·m)；

阻轉矩阻尼系數；

扭轉彈性轉矩系數。*

忽略阻尼轉矩和扭轉彈性轉矩，則運動控制系統的基本運動方程式可簡化為：（1-2）

若采用工程單位制，則式（1-2）的第1行應改寫為：（1-3）*式中

轉動慣量，習慣稱飛輪力矩(N·m2)，

；n轉子的機械轉速(r/min)，

。直線運動方程式：（1-4）式中F拖動力(N)；

拖動阻力(N)；慣性力為。*

如圖0-5所示，與電力拖動自動控制系統的相關學科有：電機與電力拖動基礎、電力電子學（電力電子技術）、計算機控制技術、信號檢測與處理技術等。除此之外，電力拖動自動控制系統的研究和技術開發是以計算機仿真技術和計算機輔助設計作為工具的。3.電力拖動自動控制系統的學科特點*

圖1-5電力拖動自動系統與其相關學科*1.電力拖動調速系統的發展概況和趨勢1）直流調速系統20世紀60年代以前是以旋轉變流機組供電的直流調速系統為主（見圖1-6）。20世紀60年代以后以晶閘管組成的直流供電系統逐步取代了直流機組和水銀整流器。20世紀80年代末期全數字控制的直流調速系統迅速取代了模擬控制的直流調速系統。電力拖動自動控制系統的發展概況與發展趨勢*圖1-6直流發動機-直流電動機系統*2）交流調速系統

交流電動機，特別是鼠籠型異步電動機，具有結構簡單、制造容易、價格便宜、堅固耐用、轉動慣量小、運行可靠、很少維修、使用環境及結構發展不受限制等優點。在早期只有一些調速性能差、低效耗能的調速方法，繞線式異步電動機轉子外串電阻調速方法（見圖1-8）如下。*圖1-8繞線式異步電動機轉子外串電阻調速方法*

鼠籠式異步電動機定子調壓調速方法（利用自耦變壓器變壓調速；利用飽和電抗器變壓調速；利用晶閘管交流調壓器調壓調速）如圖1-9所示。還有變極對數調速方法（見圖1-10）及后來的電磁（轉差離合器）調速方法（見圖1-11）等。*圖1-8鼠籠式異步電動機定子調壓調速方法*圖1-10變極對數調速方法原理圖圖1-11電磁轉差離合器調速系統*3）現代交流調速的發展趨勢高性能交流調速系統的進一步研究與技術開發；新型拓撲結構功率變換器的研究與技術開發；PWM模式的改進和優化；中壓變頻裝置（我國稱為高壓變頻裝置）的開發研究。*

隨著交流調速技術的迅速發展，交流伺服系統在伺服系統中成為主導方面。

感應式異步電動機交流位置伺服系統具有良好的發展前景，是未來伺服技術的發展方向之一。2.電力拖動調速系統的發展概況和趨勢*3.電力拖動自動控制系統的網絡控制

近年來，工業控制網絡技術廣泛地應用于工業生產中，工業控制系統由原來單一、獨立的控制系統發展到復雜、集成的工業控制網，構成多層的開放自動化系統結構（見圖1-16）。*圖1-16開放式的三層網絡結構*

在設備層，基于CAN的DeviceNet網絡（見圖1-17）可以不經過I/O模塊接口而直接通過單一纜線將底層設備與控制器連接，可以在不切斷網絡電源的條件下自由地接入或移去設備。

在控制層，ControlNet也是現在CAN的基礎上產生和發展起來的，ControlNet網絡（見圖1-18）將I/O網絡和對等關系信息網絡的功能結合起來。*

在信息層，通過采用TCP/IP協議的EtherNet網絡（見圖1-19），高層的計算機系統可以直接獲取底層數據。*

圖1-17設備層典型組態圖

圖1-18控制層典型組態圖*圖1-19信息層典型組態圖*本章結束！*

第二章

開/閉環控制的直流調速系統

直流調速部分內容概要開環直流調速系統及其數學模型；閉環控制的直流調速系統。本章講述：*2.1開環控制的直流調速系統及其數學模型

2.1.1晶閘管整流器—直流電動機調速系統

圖2-1示出了晶閘管整流器-直流電動機調速系統（staticWard-Leonardsystem，

簡稱V-M系統）的原

理框圖

圖2-1晶閘管整流器-電動機調速

系統（V-M系統）原理圖*

通過調節觸發裝置GT的控制電壓

來移動觸發脈沖的相位，可以改變可控整流電路的平均輸出直流電壓

。

在理想情況下，

和

之間呈線性關系：

平均整流電壓；控制電壓；

晶閘管整流器放大倍數。*（2-1）

整流器的相位控制方式及工作情況

圖2-1所示的V-M系統，通過調節控制電壓

，可以移動觸發裝置GT輸出脈沖的相位，即可方便地改變可控整流電路VT輸出瞬時電壓

的波形，其等效電路如下圖2-2所示。由圖可得到瞬時電壓平衡方程式

（2-2）

電動機反電動勢；

整流電流瞬時值；

主電路總電感。

圖2-2V-M系統主電路的等效電路圖

*

用觸發脈沖的觸發控制角α控制整流電壓的平均值

是晶閘管整流器的特點。對于一般的全控整流電路，當電流波形連續時，可用下式表示：（2-3）*

當電流波形連續時，不同整流電路的平均整流電壓如表2-1所示。表2-1不同整流電路的整流電壓波峰值、脈沖數及平均整流電壓*注：U2為整流變壓器二次側額定相電壓的有效值。電流脈動及其波形的連續與斷續

圖2-2所示是一個帶R-L-E負載的可控整流系統，以單相全控橋式電路為例，其輸出電壓和電流波形如圖2-3所示。當整流變壓器二次側額定相電壓的瞬時值

大于反電動勢

時，晶閘管才可能被觸發導通。

圖2-3帶R-L-E負載單相全控橋式整流

電路的輸出電壓和電流波形

導通后如果

降低到

以下，靠電感作用可以維持電流

繼續流通。由于電壓波形的脈動，造成了電流波形的脈動。*

脈動的電流波形使V-M系統主電路可能出現電流連續和斷續兩種情況。當V-M系統主電路有足夠大的電感量，而且電動機的負載電流也足夠大時，整流電流便具有連續的脈動波形，如圖2-4a所示。當電感較小或電動機的負載電流較輕時，電流波形斷續，如圖2-4b所示。*

圖2-4V-M系統的電流波形

a)電流連續b)電流斷續

*

在V-M系統中，脈動電流會增加電動機的發熱，同時也產生脈動轉矩，對生產機械不利。實際應用中希望盡量避免發生電流斷續。

采用抑制電流脈動的措施，主要有：增加整流電路相數，或采用多重化技術；設置電感量足夠大的平波電抗器。*

平波電抗器的電感量一般按低速輕載時保證電流連續的條件來選擇，通常首先給定最小電流

，再利用它計算所需的總電感量（以mH為單位），減去電樞電感，即得平波電抗應有的電感值。對于三相橋式整流電路：（2-4）

對于三相半波整流電路：（2-5）

對于單相橋式全控整流電路:（2-6）

一般取

為電動機額定電流的

。

晶閘管整流器-電動機系統的機械特性當電流波形連續時，V-M系統的機械特性方程式為(2-7)

電動機在額定磁通下的電動勢系數，;改變觸發移相控制角

可得到不同的

，相應的機械特性為一族平行的直線，如圖2-5所示。

圖2-5電流連續時V-M系統的

機械特性（箭頭方向表示

增大）

*電流斷續時的機械特性可用下列方程組表示：(2-8)(2-9)式中

為阻抗角，

；

為一個電流脈沖的導通角。*

圖1-6繪出了完整的V-M系統機械特性，其中包含了整流狀態

和逆變狀態

、電流連續區和電流斷續區。

圖2-6V-M系統機械特性

*晶閘管整流器運行中存在的問題晶閘管整流器直流電流存在的問題如下：1）晶閘管是半控型開關器件，只能單向導電，給電動機的可逆運行帶來困難。*2）晶閘管對過電壓、過電流和過高的

與

都十分敏感，其中任一指標超過允許值都可能在很短的時間內損壞晶閘管。3）晶閘管在較低速度運行時，晶閘管的導通角很小，使得系統的功率因數也隨之減少，在交流側會產生較大的諧波電流，引起電網電壓的畸變，被稱為“電力公害”。*2.1.2直流PWM變換器-直流電動機調速系統

隨著全控型電力電子器件的全面應用，出現了脈寬調制變換器-直流電動機調速系統，稱直流PWM調速系統（簡稱PWM-M系統）。*

與V-M系統相比，直流PWM調速系統在很多方面有較大的優越性：主電路簡單，需要的電力電子器件少；開關頻率高，電流容易連續，諧波少，電動機損耗及發熱都較小；低速性能好，穩速精度高，調速范圍寬；*

由于有上述優點，直流PWM調速系統的應用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態性能系統中，已經取代了V-M系統。*1）PWM變換器的工作狀態和電壓、電流波形PWM變換器的作用是：用脈沖寬度調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以調節電動機轉速。PWM變換器電路有多種形式，總體上可分為不可逆與可逆兩大類，本章著重分析不可逆PWM變換器.*

圖2-7a是簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統主電路原理圖，其中電力電子開關器件為IGBT（也可用其他全控型開關器件），這樣的電路又稱直流降壓斬波器。

圖2-7b中繪出了穩態時電樞兩端的電壓波形

和平均電壓

。同時繪出了穩態時電樞電流

的脈動波形，其平均值等于負載電流

。*

圖2-7簡單的不可逆PWM變換器-直流電動機系統

a)電路原理圖b)電壓和電流波形

US—直流電源電壓C—濾波電容器VT—電力電子開關器件

VD—續流二極管M—直流電動機

當0≤

≤

時，

為正，VT飽和導通，電源電壓

通過VT加到直流電動機電樞兩端。當

≤

時，

為負，VT關斷，電樞電路中的電流通過續流二極管VD續流，直流電動機電樞電壓近似等于零。

*定義改變占空比(0≤

≤1),即可改變直流電動機電樞平均電壓，實現直流電動機的調壓調速。若令

為PWM電壓系數，則在不可逆PWM變換器中（2-11）

*（2-10）各種不同狀態下的電壓和電流波形如下圖所示。*

圖2-8有制動電流通路的不可逆PWM變換器-直流電動機系統

a)電路原理b)一般電動狀態的電壓、電流波形

c)制動狀態的電壓、電流波形

d)輕載電動狀態的電流波形

不同工作狀態下電流回路圖表2-2二象限不可逆PWM變換器在不同工作狀態下的導通器件和電流回路與方向

采用不同形式的PWM變換器，系統的機械特性也不一樣，其關鍵之處在于電流波形是否連續。對于帶制動電流通路的不可逆電路，電流方向可逆，無論是重載還是輕載，電流波形都是連續的，因而機械特性關系式比較簡單，現在就分析這種情況。

2）直流PWM調速系統的機械特性

*

對于帶制動電流通路的不可逆電路（見圖2-8），電壓平衡方程式分兩個階段：

式中R、L——電樞電路的電阻和電感。*（2-12）（2-13）

按電壓方程求一個周期內的平均值，即可導出機械特性方程式。平均值方程可寫成：

則機械特性方程式為：*（2-14）（2-15）用轉矩表示為

式中

電動機在額定磁通下的轉矩系數，

；

對于帶制動作用的不可逆電路，0≤γ≤1，可以得到圖2-9所示的機械特性，位于第I、II象限。*（2-16）

圖2-9直流PWM調速系統（電流連續）的機械特性

機械特性曲線*

對于電動機在同一方向旋轉時電流不能反向的電路，輕載時會出現電流斷續現象，平均電壓方程式（2-14）便不能成立，機械特性方程要復雜得多。在理想空載時，

，理想空載轉速會翹到

。這種情況類似于V-M系統在電流斷續區的機械特性，是一段非線性的曲線。當負載大到一定程度時，電流開始連續，才具有式（2-15）或式（2-16）的線性特性*

開環直流調速系統的數學模型就是晶閘管整流器（或直流PWM變換器）-直流電動機系統的數學模型。這里稱為直流調速系統廣義被控對象數學模型。3）開環直流調速系統的廣義數學模型*

圖2-10旋轉電樞系統和勵磁系統。

*

由圖2-10可知，他勵直流電動機系統可分為旋轉電樞系統和勵磁系統。本小節的任務就是建立這兩個部分的數學模型。*旋轉電樞系統組成：電樞回路；晶閘管整流器（或直流PWM變換器）；旋轉機械（負載）等…

旋轉電樞系統的廣義被控對象數學模型

*電樞回路的數學模型他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路如圖2-11所示。

圖2-11他勵直流電動機在額定勵磁下的等效電路

*

圖中

，

為電樞回路總電阻；整流器內阻；

電樞電阻；

為濾波電抗器電阻；L為電樞回路總電感(H)；

為晶閘管整流電路輸出的直流空載電壓；

為電動機的反電動勢；

為整流直流電流。*設電樞回路電流連續，則電樞回路的微分方程式為

（2-17）在零初始條件下，兩邊取拉氏變換得將上式中的

移到等式左邊，并進行整理得到

（2-18）

*由式（1-18）可得電壓與電流間的傳遞函數為

式中，

為電樞回路的電磁時間常數(s)。*（2-19）將式(2-19)繪制成動態結構圖形式，如圖2-12所示。

圖2-12電樞電壓與電流間的動態結構圖

*轉矩方程和運動方程及兩者的統一方程

在電機學中，已經建立了直流電動機的運動方程和轉矩方程

（2-20）式中為電機軸上的飛輪慣量（

）。*

額定勵磁下的負載轉矩和電磁轉矩，以及轉速和反電動勢之間的關系分別為

（2-21）

（2-22）

（2-23）式中，

為負載轉矩；

為電磁轉矩；

為電機額定勵磁下的轉矩系數；

轉矩常數；負載電流；電樞電流。將式(1-23)代入式(1-20)可得(2-24)再將式(1-21)和式(1-22)代入式(1-24)中，整理后得(2-25)在零初始條件下，對式(1-25)兩側取拉氏變換，則有(2-26)*式（1-26）等號右側項的分子分母均乘以R，并整理可得

（2-27）式中，

稱為電樞回路的機電時間常數（s）。依據式(1-27)，可求得電流與電動勢間的傳遞函數

（2-28）*式(2-28)、式(2-23)繪制成動態結構圖如圖2-13所示。

圖2-13電樞電流與電動勢間的動態結構圖

*電力電子變換器的動態數學模型

晶閘管-電動機調速系統（V-M系統）的原理圖

圖2-14晶閘管-電動機系統（V-M系統）原理圖

圖中VT是晶閘管可控整流電路，GT是觸發器。*

把晶閘管觸發器和整流電路看成一個環節，當進行閉環調速系統分析和設計時，需要求出這個環節的放大系數和傳遞函數。輸出量與輸入量之間的放大系數

可以通過實測特性或根據裝置的參數估算而得到，一般依據下式確定。

（2-29）晶閘管數學模型：*放大系數的計算方法---參數估算法：例如：當觸發器控制電壓的調節范圍為0~10V時，對應整流器輸出電壓

的變化范圍如是0~220V時，則可估算得到

*

在動態過程中，可把晶閘管觸發器與整流電路看成一個純滯后環節，其滯后效應是由晶閘管的失控時間所引起的。不同整流電路的失控時間不一樣，表2-3例舉除了不同類型的失控時間。*表2-3各種整流電路的失控時間

用單位階躍函數表示滯后，則輸入-輸出關系為

（2-31）式中，

為純滯后時間，為

的單位階躍函數。利用拉氏變換的位移定理，可求出晶閘管觸發器與整流電路的傳遞函數為

（2-32）晶閘管觸發器與整流器的輸入-輸出關系*

式(2-32)中包含指數函數

，它使系統成為非最小相位系統，分析和設計都比較麻煩。將該指數函數按泰勒級數展開，則式(2-32)變成

（2-33）

*忽略高次項，則傳遞函數便近似成為一階線性環節

（2-34）相應的得到晶閘管觸發器與整流電路的動態結構圖如圖2-17所示

圖2-17晶閘管觸發器與整流電路的動態結構圖

a)準確的b)近似的

*PWM-直流電動機調速系統中PWM變換器的數學模型不可逆PWM變換器——直流電動機系統結構圖如下：

圖2-18不可逆PWM變換器-直流電動機系統*經分析可得到PWM變換器的結構框圖如下所示

圖2-19PWM控制器與變換器的框圖

*結合PWM變換器工作情況可以得到PWM變換器的放大系數即為

（2-35）PWM變換器采用的是高頻自關斷功率器件（IGBT、IGCT等），因此在動態過程中，沒有失控狀態，僅有關斷延時時間，最大的時延為一個開關周期T。因此，PWM變換器的數學模型可寫成：*（2-36）式(2-36)用流圖來表示即為圖2-20所示

圖2-20PWM變換器動態結構圖

*

額定勵磁狀態下直流電動機的動態結構圖

將圖2-12和圖2-13合并得到圖2-21所示的額定勵磁狀態下的直流電動機動態結構圖。圖2-21額定勵磁狀態下直流電動機的動態結構框圖*

將擾動量

的綜合點前移、電動勢反饋點后移，再作等效變換，可得到圖2-22a所示的動態結構圖。當空載時，

，結構框圖可簡化成圖2-22b。

圖2-22直流電動機動態結構框圖的變換和簡化

a)b)*

由圖2-22b可以看到，額定勵磁下的直流電動機是一個二階線性環節，其特征方程為：經過分析可知，如果

則特征方程的兩個根為兩個負實數，突加給定時，轉速呈單調變化；如果

則特征方程有一對具有負實部的共軛解，此時直流電動機是一個二階振蕩環節，電機在運行過程中帶有振蕩的性質。*

將圖2-21與圖2-17合并或者將圖2-21與圖2-20合并，可獲得額定勵磁狀態下旋轉電樞系統的動態結構圖，如圖2-23所示。額定勵磁狀態下旋轉電樞系統的動態結構圖*圖2-23額定勵磁狀態下旋轉電樞系統的動態結構圖

a)額定勵磁狀態下，晶閘管-直流電動機系統的動態結構圖

b)額定勵磁狀態下，PWM-直流電動機系統的動態結構圖

*

磁通

為變量時，參數

、

就不再是常數。為了分析問題方便，應使

在反電動勢方程和電磁轉矩方程中凸現出來，即為

（2-37）

（2-38）隨著

的變化，

、

也隨著變化。弱磁狀態下直流調速系統的廣義被控對象數學模型*

依據圖2-23以及式(2-37)、式(2-38)可得到弱磁狀態下的模型結構圖，如圖2-24所示。弱磁狀態下的模型結構圖

圖2-24弱磁狀態下直流調速系統廣義被控對象動態結構圖

*

由圖2-24可以知道，在弱磁狀態下，在直流電動機的數學模型中就包含了非線性環節。且其機電時間常數為：

（2-39）*

他勵直流電動機勵磁回路與電樞回路各自獨立（見圖2-10），在電氣上沒有聯系。勵磁回路的數學模型通常分為兩種情況來考慮。

4）他勵直流電動機勵磁回路的

數學模型及其動態結構圖

*忽略磁場回路渦流影響時的數學模型

勵磁繞組回路的數學模型：電動機勵磁電流

和勵磁電壓

間的關系為慣性環節，其時間常數較大（最大時間常數可達幾秒），所以在系統中一般看成是大慣性環節，其傳遞函數為

（2-40）*式中，電動機勵磁回路電阻；

電動機勵磁回路電感

勵磁回路時間常數。將式（2-40）繪制成動態結構圖，如圖2-25所示。

圖2-25勵磁繞組回路模型的動態結構圖

*觸發器與整流電路的數學模型將式（2-41）繪制成動態結構圖，如圖2-26所示。（2-41）

圖2-26勵磁觸發器-整流電路動態結構圖

a)準確的b)近似的

*勵磁系統數學模型的動態結構圖

將圖2-25和圖2-26合并，即得到勵磁系統數學模型的動態結構圖，如圖2-27所示。

圖2-27忽略磁場回路渦流影響時的動態模型結構圖

*

考慮磁場回路渦流及磁化曲線非線性影響時的數學模型：

當電動機磁場回路損耗很小時，忽略渦流影響。近似認為勵磁電流

的變化能夠反映磁通

的變換，但是當電動機磁場回路存在較大渦流時，則勵磁電流只有一部分產生磁通

，而另一部分就是渦流。此時磁場回路的等效電路如圖2-28所示。

圖2-28磁場回路等效電路圖

*根據磁場回路的等效電路，則有

（2-42）

式中，

為渦流阻尼時間常數。一般勵磁電感

遠遠大于勵磁繞組漏感

，所以可以忽略

，于是有

（2-43）式中，

為考慮渦流后的勵磁回路時間常數。*由勵磁回路的等值電路可知故（2-44）

磁通

和產生它的電流

之間的關系是由電動機的磁化曲線來描述的，如圖2-29所示。

圖2-29電動機磁化曲線

*

由于電動機的磁化曲線的非線性，根據電動機磁場回路

、

、

、

各量之間的相互關系，可以得到勵磁系統的動態結構圖，如圖2-30所示。

圖2-30考慮渦流及磁化曲線非線性影響時勵磁系統數學模型的動態結構圖

*2.2閉環控制的直流調速系統

在直流調速系統中，被調節量是轉速，所構成的是轉速反饋控制的直流調速系統，如圖2-31所示。

圖2-31轉速負反饋的閉環直流調速系統原理框圖

2.2.1 轉速單閉環直流調速系統的控制結構及其相應的自動控制系統

調速的任務就是控制和調節電動機的轉速，由圖2-32可知，在額定勵磁狀態下，直流調速系統的被控量應是直流電動機的轉速n。*

圖2-32采用速度反饋控制的單閉環直流調速系統的動態結構框圖

*

依據圖2-32，將n作為被控量，并對n進行閉環控制（設置轉速n的調節器及n的負反饋通道），即可得到轉速單閉環調速系統動態結構圖，如圖2-32所示。*

上述單閉環調速系統還不具備實際應用的可能性，主要問題是調速系統在起動或堵轉時電樞電流過大而得不到必需的自動限制。*

為此在圖2-33a的基礎上設置電流截止負反饋環節，如圖2-34所示。電流截止負反饋作用只在起動和堵轉時存在，在正常運行時必須取消。這種當電流大到一定程度時才出現的電流負反饋，叫做電流截止負反饋。*

圖2-33轉速單閉環直流調速系統

a)V-M單閉環直流調速系統組成框圖b)PWM-M單閉環直流調速系統組成框圖

*

圖2-34電流截止負反饋閉環直流調速系統的原理框圖

*

額定勵磁狀態下的直流電動機電樞電流

與直流電動機的電磁轉矩成正比，所以通過控制電樞電流

就能達到對轉矩的控制。因此依據圖2-32所示的轉速閉環控制動態結構圖，在轉速環內引入電樞電流負反饋，設置電樞電流調節器，構成電流閉環控制系統，如圖2-35所示。2.2.2轉速電流雙閉環直流調速系統

的控制結構及其相應的自動控制系統*

圖2-35轉速、電流雙閉環直流調速系統的動態結構圖

*

對應圖2-35可以畫出相應的轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成框圖，如圖2-36所示。

圖2-36轉速、電流雙閉環直流調速系統的組成框圖*

2.2.3 他勵直流電動機勵磁閉環控制系統

勵磁電流的閉環控制結構圖

圖2-37勵磁電流閉環控制系統

a)勵磁電流閉環控制動態結構圖b)勵磁電流閉環控制系統原理框圖

磁通閉環控制結構及其相應的控制系統圖

圖2-38磁通閉環控制結構及其物理系統

a)磁通閉環控制結構圖b)磁通閉環控制系統框圖

2.2.4直流電動機雙域閉環控制系統（先升壓后弱磁調速系統）

對于一些生產機械，如連軋機主傳動、機床主傳動等要求調壓和弱磁配合控制的雙域調速方式，即在基速以下保持額定磁通不變，只調節電樞電壓；在基速以上則保持電樞電壓為額定值，減弱磁通升速。這就是直流電動機雙域調節系統。其控制特性如圖2-39所示。*

圖2-39直流電動機雙域控制特性

*分類：（1）獨立控制勵磁的雙域調速系統（2）非獨立控制勵磁的雙域調速系統*（1）獨立控制勵磁的雙域調速系統

圖2-40獨立勵磁的雙域調速系統

（2）非獨立控制勵磁的雙域調速系統

圖2-41非獨立控制勵磁的雙域調速系統

本章結束！*

第三章

閉環直流調速系統穩態分析和計算

直流調速部分內容概要調速系統的穩態調速指標；單閉環直流調速系統的穩態分析；轉速、電流雙閉環調速系統的穩態分析。本章講述：*3.1.1轉速控制的要求

任何一臺需要對轉速進行控制的設備，對其調速系統的性能都有一定的要求，歸納起來，有以下四個方面：

3.1調速系統的穩態調速指標*1、調速：在一定的最高轉速和最低轉速范圍內，分檔地（有級）或平滑地（無級）調節轉速；2、穩速：以一定的精度在所需轉速上穩定進行。3、加、減速：頻繁起動、制動的設備要求加速、減速盡量快，以提高生產率；不宜經受劇烈速度變化的機械則要求起動、制動盡量平穩。*4、抑制擾動：突加或突減負載時轉速降落或升高應盡量小，轉速恢復到設定轉速的時間應盡量短。*3.1.2穩態調速指標1、調速范圍

電動機所提供的最高轉速

和最低轉速

之比稱為調速范圍，用英文字母D表示，即式中，

、

一般指電動機在額定負載時的最高和最低轉速，對于少數負載很輕的機械，例如精密磨床，也可用實際負載時的最高和最低轉速。*（3-1）2、靜差率

當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應的轉速降落

與理想空載轉速

之比，稱為靜差率

，即（3-2）或用百分數表示為（3-3）*

由定義可知，靜差率表示調速系統在負載變化時轉速的穩定程度，它和機械特性的硬度有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定度就越高。*

必須注意，靜差率和機械特性的硬度有聯系，又有區別。一般調壓調速系統在不同轉速下的機械特性是互相平行的直線，如圖3-1中的特性①和②互相平行，兩者硬度是一樣的，額定速降

；但是它們的靜差率卻不同，因為理想空載轉速不一樣。*

圖3-1不同轉速下的靜差率

*

因此，調速范圍D和靜差率s這兩項指標不是彼此孤立的，必須同時使用才有意義。*

通常，調速系統的靜差率指標，主要是指最低轉速時的靜差率，如式（3-4）所示：（3-4）

調速系統的調速范圍，是指在最低轉速時還能滿足靜差率要求的轉速變化范圍。脫離了對靜差率的要求，任何調速系統都可以達到極寬的調速范圍；脫離了調速范圍，要滿足給定的靜差率也是相當容易的。*3、調壓調速系統中D、s和

之間的關系

在直流電動機調壓調速系統中，

就是電動機的額定轉速

，若額定負載時的轉速降落為

，則系統的靜差率是式（3-4）所表示的靜差率。而額定負載時的最低轉速為（3-5）*考慮到式（3-4），式（3-5）可以寫成調速范圍則為將式（3-6）帶入式（3-7），得式中

為額定轉速。（3-6）（3-7）（3-8）*

式（3-8）表達了調速范圍D、靜差率s和額定速降

之間應滿足的關系。對于一個調速系統，其特性硬度或

值是一定的，如果對靜差率s的要求越嚴，系統允許的調速范圍D就越小。調速范圍是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。*【例3-1】某直流調速系統電動機額定轉速為

，額定速降

，當要求靜差率s≤30%和s≤20%時，計算允許的調速范圍。解：如果要求靜差率s≤30%，

如果要求靜差率s≤20%，則調速范圍只有

須知，在實際中，許多需要無級調速的生產機械常常對靜差率提出較嚴格的要求，不允許有很大的靜差率。*【例3-2】某V-M直流調速系統的直流電動機的額定值為60kW，220V，305A，1000r/min，主回路總電阻

，電樞電阻

，要求D=20，s≤5%。開環調速系統能否滿足要求？解：已知系統當電流連續時開環系統機械特性連續段在額定轉速時的靜差率為*

可見在額定轉速時不能滿足s≤5%的要求。如果要滿足D=20，s≤5%的要求，則：

由以上計算結果可知，開環直流調速系統的額定速降太大，不能滿足D=20，s≤5%的要求。*

調速范圍和靜差率是一對相互制約的性能指標，如果既要提高調速范圍，又要降低靜差率，唯一的方法是減少負載所引起的轉速降落

。但是在轉速開環的直流調速系統中，

是無法改變。解決矛盾的有效途徑是采用反饋控制技術，構成轉速閉環的控制系統，才能減小轉速降落，降低靜差率，擴大調速范圍。*

對圖2-32所示為轉速單閉環直流調速系統的動態結構圖進行分析，可以得到圖3-2所示的轉速單閉環直流調速系統的穩態結構圖。

3.2單閉環直流調速系統的穩態分析和計算*

圖3-2采用比例調節器的轉速單閉環調速系統的穩態結構框圖

a)閉環調速系統穩態結構圖

b)只考慮轉速給定作用時的閉環系統穩態結構圖

c)只考慮負載擾動作用時的閉環系統穩態結構圖

3.2.1ASR為比例調節器時的轉速單閉環直流調速系統穩態分析與計算1.閉環系統的靜態方程

依據圖3-2a所示的穩態結構圖，當ASR為比例調節器時，轉速負反饋單閉環直流調速系統中各環節的穩態關系如下：*輸入比較環節：比例調節器：電力電子變換器：直流調速系統的開環機械特性方程式：測速反饋環節：（3-9）（3-10）（3-11）（3-12）（3-13）*

各式中，Kp為比例調節器的比例系數；Ks為電力電子變換器的變換系數；

為轉速反饋系數（

）；

為電力電子變換器理想空載輸出電壓（V）。*

將上述5個關系式中消去中間變量，整理后，即得轉速負反饋閉環直流調速系統的穩態特性方程式（或稱靜態特性方程式）（3-14）*

式中，

為閉環系統的開環放大系數，即開環增益；

為閉環系統的理想空載轉速；

為閉環系統的穩態速降。*2.閉環調速系統的穩態分析和計算（1）穩態速降

轉速開環系統的穩態速降：

把圖3-2a所示的轉速閉環系統的反饋回路在調節器反饋輸入端處斷開，就得到了開環系統，式（3-12）所表示的機械特性方程式可寫成（3-15）*式中，

為開環系統的理想空載轉速；

為開環系統的穩態速降。*轉速閉環系統的穩態速降為

式(3-16)表明，轉速閉環后將使同一負載下穩態速降降低到開環系統的

倍。

式(3-16)還說明了ASR為比例調節器的單閉環直流調速系統是有靜差調速系統，靜差大小為

，并且表明，靜差

只能減小而不能消除，這是因為系統的開環放大倍數

不可能為無窮大()。（3-16）*（2）調速范圍

如果電動機最高轉速是額定轉速

，對靜差率要求為s，則閉環系統的調速范圍為（3-17）式中*

式(3-17)表明，如果開環/閉環系統所要求的靜差率相同，則閉環系統調速范圍為開環系統的(1+K)倍。由此可見，提高閉環系統的開環放大倍數是減小系統靜態速降、擴大調速范圍的有效措施。系統的開環放大倍數越大，靜態速降就越小，在同樣靜差率下，其調速范圍就越寬。*（3）穩態特性計算舉例【例3-3】某一轉速單閉環直流調速系統，已知①直流電動機技術數據：p=45kw，Un=220V，IN=226A,nN=1750r/min。②

系統電樞回路總電阻

。③晶閘管變流裝置的移相控制信號

在0～7V范圍內調節時，對應的整流電壓

在0～250V范圍內變化。④轉速反饋系數

⑤設計要求的穩態調速指標：D=10；s=0.05。根據給出的技術數據，對系統進行穩態參數計算。*1)由式(3-16)得出滿足要求的穩態速降2)根據要求的靜態速降，確定系統的開環放大倍數K。因為所以其中，所以*3)根據系統要求的開環放大倍數K來確定比例調節器的比例系數

。因為所以式中，觸發器及晶閘管變流裝置的電壓放大倍數Ks為所以*

計算結果表明，只要調節器的比例系數

Kp≥11.36，閉環系統就能夠滿足所需要的穩態性能指標。*

3.開環系統機械特性與閉環系統靜特性的關系

圖3-3中，設原始工作點為A，負載電流為

，當負載增大到

時，開環系統的轉速必然降到

點所對應的

點，閉環后，由于反饋調節作用，電壓可升到

，使工作點變成B。*

這樣，在閉環系統中，每增加一點負載，就相應提高一點電樞電壓，因而就改換了一條機械特性。閉環系統的靜特性就是這樣在許多開環機械特性上各取一個相應的工作點，如圖3-3中的A、B、C、D、…,再由這些工作點連接而形成的。*

圖3-3閉環系統的靜特性與開環機械特性比較

*

通過靜特性分析看出，閉環調速系統的開環放大倍數K值越大，其靜特性就越硬，穩態速降就越小。在保證所要求的靜差率下其系統的調速范圍就越大。*3.2.2ASR采用比例積分調節器時的轉速單閉環直流調速系統1.穩態結構框圖

圖3-4 ASR采用PI調節器時的轉速單閉環直流調速系統的穩態結構框圖

*

系統達到穩態時

，有

，即

，于是可知，閉環系統的穩態速降近似為

，因而有2.穩態特性方程（3-18）

式中，

為轉速反饋系數

，它的值可由下式確定。（3-19）

式中，

為電動機最高轉速(r/min)；

為對應

的最大給定電壓(V)。*因開環放大倍數不可能無窮大，因此采用PI調節器的轉速單閉環直流調速系統實際上的穩態特性曲線并非為水平線，而是有一定傾斜，如圖3-5實線所示。3.穩態特性曲線

圖3-5采用PI調節器的轉速單閉環調速系統穩態特性曲線

*

為了解決調速系統起動和堵轉時電流過大問題，必須有自動限制電樞電流，因此應該引入電流負反饋，又因為這種作用只應在起動和堵轉時存在，在正常運行時應將其取消，稱這種電流負反饋叫做電流截止負反饋。3.2.3帶電流截止負反饋的轉速單閉環直流調速系統穩態分析*1.電流截止負反饋環節的框圖

圖3-6電流截止負反饋環節的輸入/輸出特性

*

圖3-6表明：當輸入信號時，輸入和輸出為線性關系；當

為負值時，輸出恒為零。這是一個非線性環節（兩段線性環節）。*2.電流截止負反饋環節的框圖

圖3-7帶電流截止負反饋的單閉環調速系統的穩態結構圖

*圖中

表示電流負反饋信號，

表示轉速負反饋信號，ASR為PI調節器。*1)當Id≤Idcr時，由于

為負值，電流負反饋被截止。因此可寫出靜特性方程為2)當Id>Idcr時，

為正值，電流負反饋起作用，穩態時，PI調節器輸入偏差電壓為零，即因此3.穩態特性方程（3-20）（3-21）（3-22）*

電流截止負反饋的轉速單閉環調速系統的穩態特性曲線，如圖3-8所示。4.穩態特性曲線

圖3-8帶電流截止負反饋的單閉環調速系統的穩態特性曲線

當Id≤Idcr時，系統的轉速是無靜差的，靜特性是平直的。當Id>Idcr時，AB段的穩態特性則很陡，穩態速降很大。這種兩段式的特性常被稱為下垂特性或挖土機特性，*電動機堵轉時，

，將其代入式（3-22）得（3-23）*應小于電動機的允許最大電流（1.5~2.5），另一方面，從正常運行特性這一段看，希望有足夠的運行范圍，截止電流應大于電動機的額定電流，例如取。這些就是設計電流截止負反饋環節參數的依據。*【例3-4】帶有電流截止負反饋的轉速負反饋單閉環直流調