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

統(tǒng)數(shù)字化設(shè)計。

第1章

交、直流調(diào)速系統(tǒng)

緒論內(nèi)容概要*電力拖動及其自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)的特點電力拖動自動控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢本章講述：內(nèi)容概要*電力拖動及其自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)的特點電力拖動自動控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢本章講述：電力拖動及其自動控制系統(tǒng)電力拖動自動控制系統(tǒng)中除了電動機、傳動機構(gòu)、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(shè)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(tǒng)的設(shè)備組成情況示意圖*

依據(jù)圖1-1按照閉環(huán)結(jié)構(gòu)形式所組成的電力拖動自動控制系統(tǒng)如圖1-2所示?？梢钥闯觯娏ν蟿幼詣涌刂葡到y(tǒng)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(gòu)成的。*圖1-2電力拖動自動控制系統(tǒng)閉環(huán)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(yīng)電動機）和同步電動機。電力電子變換電路由半導(dǎo)體電力電子開關(guān)器件構(gòu)成。*

對于直流調(diào)速系統(tǒng)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(gòu)成的直流PWM變換電路）；對于現(xiàn)代交流調(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)相區(qū)別。其物理概念清晰，能夠反映電力拖動自動控制系統(tǒng)本身特征。電力拖動自動控制系統(tǒng)可歸納成如圖1-3所示的分類圖。電力拖動自動控制系統(tǒng)的分類：*

圖1-3電力拖動自動控制系統(tǒng)分類*1.電力拖動自動控制系統(tǒng)的反饋控制規(guī)律（1）反饋控制系統(tǒng)的功能反饋控制系統(tǒng)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(shù)發(fā)生變化，它非但不能得到反饋控制系統(tǒng)的抑制，反而會造成被調(diào)量的誤差。其結(jié)構(gòu)圖1-4所示：電力拖動自動控制系統(tǒng)的特點*圖1-4電力拖動自動控制系統(tǒng)的設(shè)備組成情況示意圖*

如果產(chǎn)生給定電壓的電源發(fā)生波動，反饋控制系統(tǒng)無法產(chǎn)生跟隨作用。因此，高精度的調(diào)速系統(tǒng)必須有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。

反饋檢測裝置的誤差是反饋控制系統(tǒng)無法克服的。（2）系統(tǒng)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(tǒng)的主要特征就是它的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性，可用運動方程式來描述，如下所示。2.轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速控制特性是電力拖動自動控制系統(tǒng)的基本特征旋轉(zhuǎn)運動方程式：（1-1）*式中

機械轉(zhuǎn)動慣量(Kg·m2)；

轉(zhuǎn)子的機械角速度(rad/s)；

轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)角(rad)；

電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；

負載轉(zhuǎn)矩(N·m)；

阻轉(zhuǎn)矩阻尼系數(shù)；

扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩系數(shù)。*

忽略阻尼轉(zhuǎn)矩和扭轉(zhuǎn)彈性轉(zhuǎn)矩，則運動控制系統(tǒng)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(yīng)改寫為：（1-3）*式中

轉(zhuǎn)動慣量，習(xí)慣稱飛輪力矩(N·m2)，

；n轉(zhuǎn)子的機械轉(zhuǎn)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(tǒng)的相關(guān)學(xué)科有：電機與電力拖動基礎(chǔ)、電力電子學(xué)（電力電子技術(shù)）、計算機控制技術(shù)、信號檢測與處理技術(shù)等。除此之外，電力拖動自動控制系統(tǒng)的研究和技術(shù)開發(fā)是以計算機仿真技術(shù)和計算機輔助設(shè)計作為工具的。3.電力拖動自動控制系統(tǒng)的學(xué)科特點*

圖1-5電力拖動自動系統(tǒng)與其相關(guān)學(xué)科*1.電力拖動調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢1）直流調(diào)速系統(tǒng)20世紀60年代以前是以旋轉(zhuǎn)變流機組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)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(tǒng)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(shù)字控制的直流調(diào)速系統(tǒng)迅速取代了模擬控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。電力拖動自動控制系統(tǒng)的發(fā)展概況與發(fā)展趨勢*圖1-6直流發(fā)動機-直流電動機系統(tǒng)*2）交流調(diào)速系統(tǒng)

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

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

隨著交流調(diào)速技術(shù)的迅速發(fā)展，交流伺服系統(tǒng)在伺服系統(tǒng)中成為主導(dǎo)方面。

感應(yīng)式異步電動機交流位置伺服系統(tǒng)具有良好的發(fā)展前景，是未來伺服技術(shù)的發(fā)展方向之一。2.電力拖動調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展概況和趨勢*3.電力拖動自動控制系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)控制

近年來，工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)技術(shù)廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，工業(yè)控制系統(tǒng)由原來單一、獨立的控制系統(tǒng)發(fā)展到復(fù)雜、集成的工業(yè)控制網(wǎng)，構(gòu)成多層的開放自動化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)（見圖1-16）。*圖1-16開放式的三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)*

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

在控制層，ControlNet也是現(xiàn)在CAN的基礎(chǔ)上產(chǎn)生和發(fā)展起來的，ControlNet網(wǎng)絡(luò)（見圖1-18）將I/O網(wǎng)絡(luò)和對等關(guān)系信息網(wǎng)絡(luò)的功能結(jié)合起來。*

在信息層，通過采用TCP/IP協(xié)議的EtherNet網(wǎng)絡(luò)（見圖1-19），高層的計算機系統(tǒng)可以直接獲取底層數(shù)據(jù)。*

圖1-17設(shè)備層典型組態(tài)圖

圖1-18控制層典型組態(tài)圖*圖1-19信息層典型組態(tài)圖*本章結(jié)束！*

第二章

開/閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

直流調(diào)速部分內(nèi)容概要開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型；閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)。本章講述：*2.1開環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)及其數(shù)學(xué)模型

2.1.1晶閘管整流器—直流電動機調(diào)速系統(tǒng)

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

簡稱V-M系統(tǒng)）的原

理框圖

圖2-1晶閘管整流器-電動機調(diào)速

系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖*

通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓

來移動觸發(fā)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(guān)系：

平均整流電壓；控制電壓；

晶閘管整流器放大倍數(shù)。*（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(tǒng)，通過調(diào)節(jié)控制電壓

，可以移動觸發(fā)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(tǒng)主電路的等效電路圖

*

用觸發(fā)脈沖的觸發(fā)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(xù)時，可用下式表示：（2-3）*

當電流波形連續(xù)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(shù)及平均整流電壓*注：U2為整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。電流脈動及其波形的連續(xù)與斷續(xù)

圖2-2所示是一個帶R-L-E負載的可控整流系統(tǒng)，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(cè)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(fā)導(dǎo)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(dǎo)通后如果

降低到

以下，靠電感作用可以維持電流

繼續(xù)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(tǒng)主電路可能出現(xiàn)電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況。當V-M系統(tǒng)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(xù)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(xù)，如圖2-4b所示。*

圖2-4V-M系統(tǒng)的電流波形

a)電流連續(xù)b)電流斷續(xù)

*

在V-M系統(tǒng)中，脈動電流會增加電動機的發(fā)熱，同時也產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，對生產(chǎn)機械不利。實際應(yīng)用中希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。

采用抑制電流脈動的措施，主要有：增加整流電路相數(shù)，或采用多重化技術(shù)；設(shè)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(xù)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(yīng)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(tǒng)的機械特性當電流波形連續(xù)時，V-M系統(tǒng)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(shù)，;改變觸發(fā)移相控制角

可得到不同的

，相應(yīng)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(xù)時V-M系統(tǒng)的

機械特性（箭頭方向表示

增大）

*電流斷續(xù)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(dǎo)通角。*

圖1-6繪出了完整的V-M系統(tǒng)機械特性，其中包含了整流狀態(tài)

和逆變狀態(tài)

、電流連續(xù)區(qū)和電流斷續(xù)區(qū)。

圖2-6V-M系統(tǒng)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(guān)器件，只能單向?qū)щ?，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(nèi)損壞晶閘管。3）晶閘管在較低速度運行時，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)也隨之減少，在交流側(cè)會產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)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(diào)速系統(tǒng)

隨著全控型電力電子器件的全面應(yīng)用，出現(xiàn)了脈寬調(diào)制變換器-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，稱直流PWM調(diào)速系統(tǒng)（簡稱PWM-M系統(tǒng)）。*

與V-M系統(tǒng)相比，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)在很多方面有較大的優(yōu)越性：主電路簡單，需要的電力電子器件少；開關(guān)頻率高，電流容易連續(xù)，諧波少，電動機損耗及發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬；*

由于有上述優(yōu)點，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用日益廣泛，特別在中、小容量的高動態(tài)性能系統(tǒng)中，已經(jīng)取代了V-M系統(tǒng)。*1）PWM變換器的工作狀態(tài)和電壓、電流波形PWM變換器的作用是：用脈沖寬度調(diào)制的方法，把恒定的直流電源電壓調(diào)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(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)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(tǒng)主電路原理圖，其中電力電子開關(guān)器件為IGBT（也可用其他全控型開關(guān)器件），這樣的電路又稱直流降壓斬波器。

圖2-7b中繪出了穩(wěn)態(tài)時電樞兩端的電壓波形

和平均電壓

。同時繪出了穩(wěn)態(tài)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(tǒng)

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(guān)器件

VD—續(xù)流二極管M—直流電動機

當0≤

≤

時，

為正，VT飽和導(dǎo)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(guān)斷，電樞電路中的電流通過續(xù)流二極管VD續(xù)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(xiàn)直流電動機的調(diào)壓調(diào)速。若令

為PWM電壓系數(shù)，則在不可逆PWM變換器中（2-11）

*（2-10）各種不同狀態(tài)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(tǒng)

a)電路原理b)一般電動狀態(tài)的電壓、電流波形

c)制動狀態(tài)的電壓、電流波形

d)輕載電動狀態(tài)的電流波形

不同工作狀態(tài)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(tài)下的導(dǎo)通器件和電流回路與方向

采用不同形式的PWM變換器，系統(tǒng)的機械特性也不一樣，其關(guān)鍵之處在于電流波形是否連續(xù)。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(xù)的，因而機械特性關(guān)系式比較簡單，現(xiàn)在就分析這種情況。

2）直流PWM調(diào)速系統(tǒng)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(nèi)的平均值，即可導(dǎo)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(zhuǎn)矩表示為

式中

電動機在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)，

；

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(diào)速系統(tǒng)（電流連續(xù)）的機械特性

機械特性曲線*

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

，理想空載轉(zhuǎn)速會翹到

。這種情況類似于V-M系統(tǒng)在電流斷續(xù)區(qū)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(xù)，才具有式（2-15）或式（2-16）的線性特性*

開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型就是晶閘管整流器（或直流PWM變換器）-直流電動機系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。這里稱為直流調(diào)速系統(tǒng)廣義被控對象數(shù)學(xué)模型。3）開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的廣義數(shù)學(xué)模型*

圖2-10旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)。

*

由圖2-10可知，他勵直流電動機系統(tǒng)可分為旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)和勵磁系統(tǒng)。本小節(jié)的任務(wù)就是建立這兩個部分的數(shù)學(xué)模型。*旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)組成：電樞回路；晶閘管整流器（或直流PWM變換器）；旋轉(zhuǎn)機械（負載）等…

旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)的廣義被控對象數(shù)學(xué)模型

*電樞回路的數(shù)學(xué)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(nèi)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(shè)電樞回路電流連續(xù)，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(shù)為

式中，

為電樞回路的電磁時間常數(shù)(s)。*（2-19）將式(2-19)繪制成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖形式，如圖2-12所示。

圖2-12電樞電壓與電流間的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*轉(zhuǎn)矩方程和運動方程及兩者的統(tǒng)一方程

在電機學(xué)中，已經(jīng)建立了直流電動機的運動方程和轉(zhuǎn)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(zhuǎn)矩和電磁轉(zhuǎn)矩，以及轉(zhuǎn)速和反電動勢之間的關(guān)系分別為

（2-21）

（2-22）

（2-23）式中，

為負載轉(zhuǎn)矩；

為電磁轉(zhuǎn)矩；

為電機額定勵磁下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)；

轉(zhuǎn)矩常數(shù)；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(cè)取拉氏變換，則有(2-26)*式（1-26）等號右側(cè)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(shù)（s）。依據(jù)式(1-27)，可求得電流與電動勢間的傳遞函數(shù)

（2-28）*式(2-28)、式(2-23)繪制成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-13所示。

圖2-13電樞電流與電動勢間的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*電力電子變換器的動態(tài)數(shù)學(xué)模型

晶閘管-電動機調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）的原理圖

圖2-14晶閘管-電動機系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）原理圖

圖中VT是晶閘管可控整流電路，GT是觸發(fā)器。*

把晶閘管觸發(fā)器和整流電路看成一個環(huán)節(jié)，當進行閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)分析和設(shè)計時，需要求出這個環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和傳遞函數(shù)。輸出量與輸入量之間的放大系數(shù)

可以通過實測特性或根據(jù)裝置的參數(shù)估算而得到，一般依據(jù)下式確定。

（2-29）晶閘管數(shù)學(xué)模型：*放大系數(shù)的計算方法---參數(shù)估算法：例如：當觸發(fā)器控制電壓的調(diào)節(jié)范圍為0~10V時，對應(yīng)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(tài)過程中，可把晶閘管觸發(fā)器與整流電路看成一個純滯后環(huán)節(jié)，其滯后效應(yīng)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(shù)表示滯后，則輸入-輸出關(guān)系為

（2-31）式中，

為純滯后時間，為

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

（2-32）晶閘管觸發(fā)器與整流器的輸入-輸出關(guān)系*

式(2-32)中包含指數(shù)函數(shù)

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

（2-33）

*忽略高次項，則傳遞函數(shù)便近似成為一階線性環(huán)節(jié)

（2-34）相應(yīng)的得到晶閘管觸發(fā)器與整流電路的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2-17所示

圖2-17晶閘管觸發(fā)器與整流電路的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

a)準確的b)近似的

*PWM-直流電動機調(diào)速系統(tǒng)中PWM變換器的數(shù)學(xué)模型不可逆PWM變換器——直流電動機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如下：

圖2-18不可逆PWM變換器-直流電動機系統(tǒng)*經(jīng)分析可得到PWM變換器的結(jié)構(gòu)框圖如下所示

圖2-19PWM控制器與變換器的框圖

*結(jié)合PWM變換器工作情況可以得到PWM變換器的放大系數(shù)即為

（2-35）PWM變換器采用的是高頻自關(guān)斷功率器件（IGBT、IGCT等），因此在動態(tài)過程中，沒有失控狀態(tài)，僅有關(guān)斷延時時間，最大的時延為一個開關(guān)周期T。因此，PWM變換器的數(shù)學(xué)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(tài)結(jié)構(gòu)圖

*

額定勵磁狀態(tài)下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)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(tài)下的直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)圖。圖2-21額定勵磁狀態(tài)下直流電動機的動態(tài)結(jié)構(gòu)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(tài)結(jié)構(gòu)圖。當空載時，

，結(jié)構(gòu)框圖可簡化成圖2-22b。

圖2-22直流電動機動態(tài)結(jié)構(gòu)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(huán)節(jié)，其特征方程為：經(jīng)過分析可知，如果

則特征方程的兩個根為兩個負實數(shù)，突加給定時，轉(zhuǎn)速呈單調(diào)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(huán)節(jié)，電機在運行過程中帶有振蕩的性質(zhì)。*

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(tài)下旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-23所示。額定勵磁狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖*圖2-23額定勵磁狀態(tài)下旋轉(zhuǎn)電樞系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

a)額定勵磁狀態(tài)下，晶閘管-直流電動機系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

b)額定勵磁狀態(tài)下，PWM-直流電動機系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*

磁通

為變量時，參數(shù)

、

就不再是常數(shù)。為了分析問題方便，應(yīng)使

在反電動勢方程和電磁轉(zhuǎn)矩方程中凸現(xiàn)出來，即為

（2-37）

（2-38）隨著

的變化，

、

也隨著變化。弱磁狀態(tài)下直流調(diào)速系統(tǒng)的廣義被控對象數(shù)學(xué)模型*

依據(jù)圖2-23以及式(2-37)、式(2-38)可得到弱磁狀態(tài)下的模型結(jié)構(gòu)圖，如圖2-24所示。弱磁狀態(tài)下的模型結(jié)構(gòu)圖

圖2-24弱磁狀態(tài)下直流調(diào)速系統(tǒng)廣義被控對象動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*

由圖2-24可以知道，在弱磁狀態(tài)下，在直流電動機的數(shù)學(xué)模型中就包含了非線性環(huán)節(jié)。且其機電時間常數(shù)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(lián)系。勵磁回路的數(shù)學(xué)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(shù)學(xué)模型及其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*忽略磁場回路渦流影響時的數(shù)學(xué)模型

勵磁繞組回路的數(shù)學(xué)模型：電動機勵磁電流

和勵磁電壓

間的關(guān)系為慣性環(huán)節(jié)，其時間常數(shù)較大（最大時間常數(shù)可達幾秒），所以在系統(tǒng)中一般看成是大慣性環(huán)節(jié)，其傳遞函數(shù)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(shù)。將式（2-40）繪制成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-25所示。

圖2-25勵磁繞組回路模型的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*觸發(fā)器與整流電路的數(shù)學(xué)模型將式（2-41）繪制成動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-26所示。（2-41）

圖2-26勵磁觸發(fā)器-整流電路動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

a)準確的b)近似的

*勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

將圖2-25和圖2-26合并，即得到勵磁系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-27所示。

圖2-27忽略磁場回路渦流影響時的動態(tài)模型結(jié)構(gòu)圖

*

考慮磁場回路渦流及磁化曲線非線性影響時的數(shù)學(xué)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(chǎn)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(jù)磁場回路的等效電路，則有

（2-42）

式中，

為渦流阻尼時間常數(shù)。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(shù)。*由勵磁回路的等值電路可知故（2-44）

磁通

和產(chǎn)生它的電流

之間的關(guān)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(jù)電動機磁場回路

、

、

、

各量之間的相互關(guān)系，可以得到勵磁系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)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(tǒng)數(shù)學(xué)模型的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*2.2閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

在直流調(diào)速系統(tǒng)中，被調(diào)節(jié)量是轉(zhuǎn)速，所構(gòu)成的是轉(zhuǎn)速反饋控制的直流調(diào)速系統(tǒng)，如圖2-31所示。

圖2-31轉(zhuǎn)速負反饋的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

2.2.1 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的自動控制系統(tǒng)

調(diào)速的任務(wù)就是控制和調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速，由圖2-32可知，在額定勵磁狀態(tài)下，直流調(diào)速系統(tǒng)的被控量應(yīng)是直流電動機的轉(zhuǎn)速n。*

圖2-32采用速度反饋控制的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

*

依據(jù)圖2-32，將n作為被控量，并對n進行閉環(huán)控制（設(shè)置轉(zhuǎn)速n的調(diào)節(jié)器及n的負反饋通道），即可得到轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖2-32所示。*

上述單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)還不具備實際應(yīng)用的可能性，主要問題是調(diào)速系統(tǒng)在起動或堵轉(zhuǎn)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(chǔ)上設(shè)置電流截止負反饋環(huán)節(jié)，如圖2-34所示。電流截止負反饋作用只在起動和堵轉(zhuǎn)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(xiàn)的電流負反饋，叫做電流截止負反饋。*

圖2-33轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

a)V-M單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖b)PWM-M單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)組成框圖

*

圖2-34電流截止負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖

*

額定勵磁狀態(tài)下的直流電動機電樞電流

與直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩成正比，所以通過控制電樞電流

就能達到對轉(zhuǎn)矩的控制。因此依據(jù)圖2-32所示的轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，在轉(zhuǎn)速環(huán)內(nèi)引入電樞電流負反饋，設(shè)置電樞電流調(diào)節(jié)器，構(gòu)成電流閉環(huán)控制系統(tǒng)，如圖2-35所示。2.2.2轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)

的控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的自動控制系統(tǒng)*

圖2-35轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*

對應(yīng)圖2-35可以畫出相應(yīng)的轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖，如圖2-36所示。

圖2-36轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成框圖*

2.2.3 他勵直流電動機勵磁閉環(huán)控制系統(tǒng)

勵磁電流的閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖

圖2-37勵磁電流閉環(huán)控制系統(tǒng)

a)勵磁電流閉環(huán)控制動態(tài)結(jié)構(gòu)圖b)勵磁電流閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖

磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的控制系統(tǒng)圖

圖2-38磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)及其物理系統(tǒng)

a)磁通閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)圖b)磁通閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖

2.2.4直流電動機雙域閉環(huán)控制系統(tǒng)（先升壓后弱磁調(diào)速系統(tǒng)）

對于一些生產(chǎn)機械，如連軋機主傳動、機床主傳動等要求調(diào)壓和弱磁配合控制的雙域調(diào)速方式，即在基速以下保持額定磁通不變，只調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)系統(tǒng)。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(diào)速系統(tǒng)（2）非獨立控制勵磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)*（1）獨立控制勵磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)

圖2-40獨立勵磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)

（2）非獨立控制勵磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)

圖2-41非獨立控制勵磁的雙域調(diào)速系統(tǒng)

本章結(jié)束！*

第三章

閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析和計算

直流調(diào)速部分內(nèi)容概要調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標；單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析；轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析。本章講述：*3.1.1轉(zhuǎn)速控制的要求

任何一臺需要對轉(zhuǎn)速進行控制的設(shè)備，對其調(diào)速系統(tǒng)的性能都有一定的要求，歸納起來，有以下四個方面：

3.1調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標*1、調(diào)速：在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級）或平滑地（無級）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；2、穩(wěn)速：以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定進行。3、加、減速：頻繁起動、制動的設(shè)備要求加速、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機械則要求起動、制動盡量平穩(wěn)。*4、抑制擾動：突加或突減負載時轉(zhuǎn)速降落或升高應(yīng)盡量小，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到設(shè)定轉(zhuǎn)速的時間應(yīng)盡量短。*3.1.2穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標1、調(diào)速范圍

電動機所提供的最高轉(zhuǎn)速

和最低轉(zhuǎn)速

之比稱為調(diào)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(zhuǎn)速，對于少數(shù)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(zhuǎn)速。*（3-1）2、靜差率

當系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運行時，負載由理想空載增加到額定值所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落

與理想空載轉(zhuǎn)速

之比，稱為靜差率

，即（3-2）或用百分數(shù)表示為（3-3）*

由定義可知，靜差率表示調(diào)速系統(tǒng)在負載變化時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定程度，它和機械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。*

必須注意，靜差率和機械特性的硬度有聯(lián)系，又有區(qū)別。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速不一樣。*

圖3-1不同轉(zhuǎn)速下的靜差率

*

因此，調(diào)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(diào)速系統(tǒng)的靜差率指標，主要是指最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，如式（3-4）所示：（3-4）

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

之間的關(guān)系

在直流電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，

就是電動機的額定轉(zhuǎn)速

，若額定負載時的轉(zhuǎn)速降落為

，則系統(tǒng)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(zhuǎn)速為（3-5）*考慮到式（3-4），式（3-5）可以寫成調(diào)速范圍則為將式（3-6）帶入式（3-7），得式中

為額定轉(zhuǎn)速。（3-6）（3-7）（3-8）*

式（3-8）表達了調(diào)速范圍D、靜差率s和額定速降

之間應(yīng)滿足的關(guān)系。對于一個調(diào)速系統(tǒng)，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(tǒng)允許的調(diào)速范圍D就越小。調(diào)速范圍是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。*【例3-1】某直流調(diào)速系統(tǒng)電動機額定轉(zhuǎn)速為

，額定速降

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

如果要求靜差率s≤20%，則調(diào)速范圍只有

須知，在實際中，許多需要無級調(diào)速的生產(chǎn)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(diào)速系統(tǒng)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(huán)調(diào)速系統(tǒng)能否滿足要求？解：已知系統(tǒng)當電流連續(xù)時開環(huán)系統(tǒng)機械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時的靜差率為*

可見在額定轉(zhuǎn)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(jié)果可知，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的額定速降太大，不能滿足D=20，s≤5%的要求。*

調(diào)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(diào)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(zhuǎn)速降落

。但是在轉(zhuǎn)速開環(huán)的直流調(diào)速系統(tǒng)中，

是無法改變。解決矛盾的有效途徑是采用反饋控制技術(shù)，構(gòu)成轉(zhuǎn)速閉環(huán)的控制系統(tǒng)，才能減小轉(zhuǎn)速降落，降低靜差率，擴大調(diào)速范圍。*

對圖2-32所示為轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖進行分析，可以得到圖3-2所示的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖。

3.2單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和計算*

圖3-2采用比例調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

a)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

b)只考慮轉(zhuǎn)速給定作用時的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

c)只考慮負載擾動作用時的閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

3.2.1ASR為比例調(diào)節(jié)器時的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析與計算1.閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)方程

依據(jù)圖3-2a所示的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，當ASR為比例調(diào)節(jié)器時，轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：*輸入比較環(huán)節(jié)：比例調(diào)節(jié)器：電力電子變換器：直流調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)機械特性方程式：測速反饋環(huán)節(jié)：（3-9）（3-10）（3-11）（3-12）（3-13）*

各式中，Kp為比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ks為電力電子變換器的變換系數(shù)；

為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)（

）；

為電力電子變換器理想空載輸出電壓（V）。*

將上述5個關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負反饋閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程式（或稱靜態(tài)特性方程式）（3-14）*

式中，

為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)，即開環(huán)增益；

為閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；

為閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。*2.閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和計算（1）穩(wěn)態(tài)速降

轉(zhuǎn)速開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降：

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

為開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；

為開環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降。*轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為

式(3-16)表明，轉(zhuǎn)速閉環(huán)后將使同一負載下穩(wěn)態(tài)速降降低到開環(huán)系統(tǒng)的

倍。

式(3-16)還說明了ASR為比例調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是有靜差調(diào)速系統(tǒng)，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(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)

不可能為無窮大()。（3-16）*（2）調(diào)速范圍

如果電動機最高轉(zhuǎn)速是額定轉(zhuǎn)速

，對靜差率要求為s，則閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍為（3-17）式中*

式(3-17)表明，如果開環(huán)/閉環(huán)系統(tǒng)所要求的靜差率相同，則閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)速范圍為開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍。由此可見，提高閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)是減小系統(tǒng)靜態(tài)速降、擴大調(diào)速范圍的有效措施。系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)越大，靜態(tài)速降就越小，在同樣靜差率下，其調(diào)速范圍就越寬。*（3）穩(wěn)態(tài)特性計算舉例【例3-3】某一轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，已知①直流電動機技術(shù)數(shù)據(jù)：p=45kw，Un=220V，IN=226A,nN=1750r/min。②

系統(tǒng)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(nèi)調(diào)節(jié)時，對應(yīng)的整流電壓

在0～250V范圍內(nèi)變化。④轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

⑤設(shè)計要求的穩(wěn)態(tài)調(diào)速指標：D=10；s=0.05。根據(jù)給出的技術(shù)數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)進行穩(wěn)態(tài)參數(shù)計算。*1)由式(3-16)得出滿足要求的穩(wěn)態(tài)速降2)根據(jù)要求的靜態(tài)速降，確定系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K。因為所以其中，所以*3)根據(jù)系統(tǒng)要求的開環(huán)放大倍數(shù)K來確定比例調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)

。因為所以式中，觸發(fā)器及晶閘管變流裝置的電壓放大倍數(shù)Ks為所以*

計算結(jié)果表明，只要調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)

Kp≥11.36，閉環(huán)系統(tǒng)就能夠滿足所需要的穩(wěn)態(tài)性能指標。*

3.開環(huán)系統(tǒng)機械特性與閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系

圖3-3中，設(shè)原始工作點為A，負載電流為

，當負載增大到

時，開環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必然降到

點所對應(yīng)的

點，閉環(huán)后，由于反饋調(diào)節(jié)作用，電壓可升到

，使工作點變成B。*

這樣，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加一點負載，就相應(yīng)提高一點電樞電壓，因而就改換了一條機械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是這樣在許多開環(huán)機械特性上各取一個相應(yīng)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(huán)系統(tǒng)的靜特性與開環(huán)機械特性比較

*

通過靜特性分析看出，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)K值越大，其靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降就越小。在保證所要求的靜差率下其系統(tǒng)的調(diào)速范圍就越大。*3.2.2ASR采用比例積分調(diào)節(jié)器時的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)1.穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

圖3-4 ASR采用PI調(diào)節(jié)器時的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖

*

系統(tǒng)達到穩(wěn)態(tài)時

，有

，即

，于是可知，閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降近似為

，因而有2.穩(wěn)態(tài)特性方程（3-18）

式中，

為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)

，它的值可由下式確定。（3-19）

式中，

為電動機最高轉(zhuǎn)速(r/min)；

為對應(yīng)

的最大給定電壓(V)。*因開環(huán)放大倍數(shù)不可能無窮大，因此采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實際上的穩(wěn)態(tài)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(wěn)態(tài)特性曲線

圖3-5采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性曲線

*

為了解決調(diào)速系統(tǒng)起動和堵轉(zhuǎn)時電流過大問題，必須有自動限制電樞電流，因此應(yīng)該引入電流負反饋，又因為這種作用只應(yīng)在起動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運行時應(yīng)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(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析*1.電流截止負反饋環(huán)節(jié)的框圖

圖3-6電流截止負反饋環(huán)節(jié)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(guān)系；當

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

圖3-7帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖

*圖中

表示電流負反饋信號，

表示轉(zhuǎn)速負反饋信號，ASR為PI調(diào)節(jié)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(wěn)態(tài)時，PI調(diào)節(jié)器輸入偏差電壓為零，即因此3.穩(wěn)態(tài)特性方程（3-20）（3-21）（3-22）*

電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性曲線，如圖3-8所示。4.穩(wěn)態(tài)特性曲線

圖3-8帶電流截止負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性曲線

當Id≤Idcr時，系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速是無靜差的，靜特性是平直的。當Id>Idcr時，AB段的穩(wěn)態(tài)特性則很陡，穩(wěn)態(tài)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(zhuǎn)時，

，將其代入式（3-22）得（3-23）*應(yīng)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(yīng)大于電動機的額定電流，例如取。這些就是設(shè)計電流截止負反饋環(huán)節(jié)參數(shù)的依據(jù)。*【例3-4】帶有電流截止負反饋的轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)直流調(diào)