第一章_单闭环直流调速系统

Spring2011华南理工大学第一章单闭环直流调速系统Spring20112华南理工大学内容提要本章着重讨论基本的单闭环控制系统及其分析与设计方法。1.1直流调速系统的构成1.2单闭环调速系统的稳态分析与设计1.3单闭环调速系统的动态分析与设计1.4无静差调速系统1.5电压反馈电流补偿控制的调速系统Spring20113华南理工大学1.1直流调速系统的构成1.1.1由旋转变流机组供电的直流调速系统在直流调速系统中主要采用变电压调速,最早的直流调速系统是曾在50年代获得广泛使用的由旋转变流机组供电的直流调速系统，简称G-M系统。图1－1旋转变流机组供电的直流调速系统（G－M系统）M3GEGM+(-)-(+)U放大装置电源+-ifn生产机械+-Spring20114华南理工大学采用变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性如下图：图1－2G－M系统的机械特性正向电动状态正向制动状态-Tl-Te0反向电动状态反向制动状态nn1n2n3TlTe-nSpring20115华南理工大学由图1-2可见G-M系统可以在允许的转矩范围内四象限运行，无论是正转减速还是反转减速时都能实现回馈制动，可满足调速性能方面的要求。但是，这种系统至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因而有旋转部分多，设备占地面积大，安装必须打地基，运行噪音大、费用昂贵、效率低、维护不方便等缺点。Spring20116华南理工大学1.1.2晶闸管－电动机直流调速系统50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的相继出现，使变流技术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管－电动机调速系统，简称V-M系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。Spring20117华南理工大学V-M系统的简单原理图如下:图１-３晶闸管－电动机直流调速系统（Ｖ-Ｍ系统）图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。GTUdMLUcCUdUSpring20118华南理工大学1.2单闭环调速系统的稳态分析与设计1.2.1V-M系统的开环机械特性对于图1-3所示的V-M开环调速系统，当电流连续时,其主回路的电压平衡方程式为:(1-1)式中——电动机反电动势；——主电路总的等效电阻，包括整流装置内阻、电动机电枢电阻和平波电抗器电阻；——理想空载整流电压的平均值，对一般全控式整流电路，当电流波形连续时，ERdURIEUddSpring20119华南理工大学式中——从自然换相点算起的触发脉冲控制角；——α=0时的整流电压波形峰值；——交流电源一周内的整流电压脉波数。将和式(1-2)代入式(1-1)经整理可得V-M系统的开环机械特性方程式为cossinmUmUmdmUmnCEe(1-2)Spring201110华南理工大学(1-3)式中——理想空载转速，为额定磁通下的电动势与转速比，改变控制角α，可得不同的；——对应负载电流时的转速降落。edCUn0nnRImUmCRIUCndmedde0)cossin(1)(1eC0ndeICRndIISpring201111华南理工大学改变控制角，可得一族平行直线，如图1-4中实直线所示和G-M系统的特性很相似。上述结论表明，只要电流连续，晶闸管可控整流器就可以看成是一个线性的可控电压源。当电流断续时，机械特性方程要复杂得多，这里不再讨论。图1-4V-M系统的开环机械特性（箭头表示α增大的效果）n分界线Id连续区0Spring201112华南理工大学1.2.1.1调速系统的两个稳态指标调速范围生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫调速范围，用字母D表示，即静差率当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值所对应的转速降落与理想空载转速之比，称为静差率即maxnminnnnDminmaxNn0nSpring201113华南理工大学或用百分数表示,显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化下转速的稳定度的。它与机械特性的硬度有关,特性越硬，静差率越小，稳速精度越高。然而，静差率与机械特性的硬度又是有区别的。同样硬度的机械特性，理想空载转速越低，静差率S越大，转速的相对稳定性越差。0nnsN%1000nnsNSpring201114华南理工大学1.2.2转速负反馈单闭环调速系统的组成及其静特性1.2.2.1系统的组成转速负反馈单闭环调速系统，其原理图示于图1－5。图１－5转速负反馈单闭环调速系统AGTUnUnUcMTGUtUfnSpring201115华南理工大学1.2.2.2系统的工作原理及其静特性概念改变转速给定电压的大小，就可改变电动机的转速，实现平滑调速。如图1－6所示，设电动机在决定的特性上的点1处以转速稳定运行，这时负载电流控制电压整流平均电压，当电动机轴上的负载转矩加大时有如下自动调节过程：RIIEnTddLdcfinnnfinUUUUUU)(aU1dU1ddII1ccUU1ddUULT1nSpring201116华南理工大学图1－6闭环系统静特性与开环机械特性的关系Idn12345Ud1Ud2Ud3Ud4B(开环机械特性）A（闭环机械特性）Spring201117华南理工大学上述自动调节作用表明，增加或减小负载，就相应地提高或降低整流电压，因而得到一条新的开环机械特性。按上述工作原理在每条开环机械特性上取一个相应的工作点，再将这些点集合起来，就是闭环系统的静特性，也就是说，闭环调速系统的静特性实际上是由许多机械特性上的不同运行点集合而成，可视为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。闭环系统能减小稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压。Spring201118华南理工大学1.2.2.3系统的静特性方程为便于分析,先作如下假定：（1）忽略各种非线性因素，认为各环节的输入输出关系是线性的。（2）假定只工作在V－M系统开环机械特性的连续段。（3）忽略直流电源和电位器的内阻，且认为电动机的磁场不变。Spring201119华南理工大学根据各环节的稳态输入、输出关系，画出闭环系统的稳态结构图，如图1－7（a）所示。图1-7（a）闭环调速系统运用结构图运算方法将给定作用和扰动作用看成两个独立的输入量，先按它们分别作用下的系统（图1-12b和c）求出各自的输出与输入关系，再进行线性叠加。静特性方程如下：KpKs1Ce+-nUnUnE+--IdRfnUcUdUnURIdSpring201120华南理工大学（1-4）图1-7(b)只考虑给定作用Ｕn时的系统图1-7(c)只考虑扰动作用－ＩdR时的系统bobedenspespednspnnKCRIKCUKKCKKCRIUKKn)1()1()/1(KpKs1Ce+-nUnUUfnnKs1Ce+-KpUfnnE-IdRSpring201121华南理工大学1.2.3开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较比较一下V－M闭环系统的静特性与开环系统的机械特性，就能看出闭环控制的突出优点。若断开反馈回路，则系统的开环机械特性为(1-5)式中和分别表示开环系统的理想空载转速和静态速降，比较式（1－4）和式（1－5）可得以下结论:oknknSpring201122华南理工大学（1）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬得多。（2）若理想空载转速相同，即，则闭环系统的静差率小得多。(3)若要求的静差率一定，则闭环系统的调速范围将大大提高。(4)要使系统具有上述三项优点，闭环系统必须设置放大器。okobnnSpring201123华南理工大学1.2.4闭环调速系统的基本性质转速闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，具有以下具体特征，也就是反馈控制的基本规律。(1)应用比例调节器的闭环系统是有静差的(2)闭环系统对于给定输入绝对服从(3)闭环系统具有较强的抗扰性能Spring201124华南理工大学抗扰性能是反馈控制系统最突出的特征。然而，闭环系统对给定电源和反馈检测装置的扰动量无能为力。因此,提高给定电源和反馈检测装置的精度对提高闭环系统的调速精度起着决定性的作用。图1-8自动调速系统的给定作用和扰动作用KpKs1Ce+-nUnUUcUdUfnnE+-RId励磁变化电阻变化交流电源电压波动Kp变化扰动作用Spring201125华南理工大学1.2.5转速负反馈单闭环调速系统稳态参数计算稳态参数计算是自动控制系统设计的第一步，它决定控制系统的基本构成，然后通过动态参数设计使系统臻于完善。它包括以下各参数的计算:(1)额定负载时调速系统的稳态速降;(2)根据求出系统应具有的开环放大系数K;(3)闸管装置的放大系数;(4)计算测速反馈环节的放大系数和电位器(5)计算比例调节器的放大系数和参数。bnbnsK2PRSpring201126华南理工大学1.2.6闭环调速系统中的电流截止负反馈环节及其特性1.2.6.1调速系统的限流保护问题有两类生产机械要求限制电动机电流。(1)一类是快速起动和制动的生产机械。为了实现快速起动,采用转速负反馈的单闭环调速系统的给定信号多半采用突加方式，这时，由于电动机和生产机械的惯性大,转速不可能立即建立起来,反馈电压仍为零,差不多是其稳态工作值的(1+K)倍,而放大器和晶闸管整流装置的惯性都很小，整流电压一下子就达到它的最高值,对电动机来说相当于全压起动,其起动电流高达额定电流的几十倍。Spring201127华南理工大学(2)另一类是经常在堵转状态下工作的生产机械，例如挖土机,轧钢机的推床、压下装置等。在上述两种情况下，若不采取限流保护措施，则电动机的起动电流和堵转电流会大大超过电动机的最大允许电流值。这样大的冲击电流对电动机的换向十分不利，尤其对于过载能力低的晶闸管来说，更是不能允许的。Spring201128华南理工大学1.2.6.2电流截止负反馈环节为了解决单闭环调速系统起动和堵转时电流过大的问题，在系统中引入电流截止负反馈，即当电流大到一定程度时才出现的电流负反馈。其典型电路如图1-9所示。(a)用直流电源作为比较电压(b)用稳压管产生比较电压图1－9电流截止负反馈环节MfiU接放大器cRcomUVDdIMfiU接放大器cRbrUdIVSTSpring201129华南理工大学1.2.6.3带电流截止负反馈环节的单闭环调速系统的稳态结构图和静特性电流截止负反馈环节的输入输出特性如图1-10所示。图１－10电流截止负反馈环节的输入输出特性comCdURI0fiUSpring201130华南理工大学将电流截止负反馈环节与系统其它部分联在一起，即可得带电流截止负反馈的单闭环调速系统，稳态结构图如图1-11所示。图１－11带电流截止负反馈环节的单闭环调速系统稳态结构图KpKs1Ce+-nUnUUcUdUfnnE+-RIdRcfiUcomUSpring201131华南理工大学由图1-11可推导出该系统的静特性方程。当时，电流负反馈被截止，(1-6)其相应的静特性相当于图1-11中的-A段，它是单闭环调速系统本身的静特性,比较硬。dcdIIbobdeenSpnnIKCRKCUKKn)1()1(obnSpring201132华南理工大学当时，电流负反馈起作用。(1-7)其静特性对应图1-20中的A-B段。dcdII'')1()1()()1()()1()1(bobdecSpecomnSpedcomcdeSpenSpnnIKCRKKRKCUUKKKCRIURIKCKKKCUKKnSpring201133华南理工大学bn0dIdblIdcI0n'obnAB图1