《運動控制系統(tǒng)》PPT課件.ppt

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1、第1章 直流電機原理及單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng),1.1 基本電磁定律 1.2 直流電機的工作原理及類型 1.3 直流電機的模型 1.4 他勵直流電機的調(diào)速方法 1.5 開環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng),1.6 轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 1.7 無靜差調(diào)速系統(tǒng)和基本調(diào)節(jié)電路 1.8 其它反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng) 1.9 單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流截止負反饋 習題與思考題,1.1基本電磁定律 法拉第(Faraday)于1821 年發(fā)現(xiàn)了載流導體在磁場中受力的現(xiàn)象， 并首次使用模型表演了這種把電能轉換為機械能的過程。 在進行了大量的實驗研究以后， 1831 年， 他又發(fā)現(xiàn)了電磁感應定律。 在這一基本定律的指導下， 第二年， 皮克西(Pixi

2、i)利用磁鐵和線圈的相對運動， 再加上一個換向裝置， 制成了一臺原始的旋轉磁極式直流發(fā)電機。 這就是現(xiàn)代直流發(fā)電機的基礎。 雖然早在1833 年， 楞次(Lenz)已經(jīng)證明了電機的可逆原理， 但在1870 年以前， 直流發(fā)電機和電動機一直被看做是兩種不同的電機而獨立發(fā)展著。 ,18701890 年是直流電機發(fā)展的另一個重要階段。 1873 年， 海夫納阿爾泰涅克(Hefner Alteneck)發(fā)明了鼓形繞組， 提高了導線的利用率。 為加強繞組的機械強度， 減少銅線內(nèi)部的渦流損耗， 繞組的有效部分被放入鐵芯槽中。 1880 年愛迪生(Edison)提出采用疊片鐵芯， 進一步減少了鐵芯損耗， 降

3、低了繞組溫升。 鼓形電樞繞組和有槽疊片鐵芯結構一直沿用至今。 上述若干重大技術進步使直流電機的電磁負荷、 單機容量和輸出效率大為提高， 但換向器上的火花問題隨之上升為突出問題。 于是， 1884 年出現(xiàn)了換向極和補償繞組， 1885 年開始用碳粉制作電刷。 這些措施使火花問題暫告緩和， 反過來又促進了電磁負荷和單機容量的進一步提高。 ,在電機理論方面， 1886 年霍普金森兄弟(J =W, 稱為磁鏈。 若則 ev稱為速度電勢。 電機的工作原理就是磁場的大小及分布不變， 僅靠磁場和線圈有相對位移來產(chǎn)生變化磁通和感應電勢進行能量變換。 ,速度電勢也可以通過計算單根導體在磁場中運動的感應電勢來得到：

4、 ev=Bxlv （1-6）式中: Bx為導體所在位置的磁通密度（T）； l為導體的有效長度（m）； v為導體在垂直于磁力線方向的運動速度。 感應電勢的方向符合右手定則： 磁力線穿過掌心， 拇指指向?qū)w的運動方向， 四指表示感應電勢方向。 ,1.1.3電路定律 電路定律即基爾霍夫電流定律和電壓定律。 其中： i=0 （1-7）即任意電路中， 流入、 流出某一點的電流之和等于零; e=u （1-8） 即任意電路中， 沿某一方向環(huán)繞回路一周， 該回路內(nèi)所有電勢的代數(shù)和等于所有電壓降的代數(shù)和。 ,1.1.4安培定律 導體中通以電流i， 在磁場中將受到電磁力的作用， 若磁場與導體相互垂直， 則電磁力大

5、小為 F=Bxli （1-9） 式中: Bx為導體所在處的磁通密度; l為導體的有效長度； i為導體中的電流（A）； 這就是磁場對載流導體的作用力， 常稱為安培力， 式(1-9)表示的規(guī)律就稱為安培定律。 電磁力的方向由左手定則確定： 磁力線穿過手掌， 四指指向電流方向， 拇指表示電磁力方向。 ,1.2直流電機的工作原理及類型 1.2.1直流電機工作原理 如圖1-1所示， 在空間有一對固定的永久磁鐵， 在N極和S極之間有一個可以轉動的線圈， 線圈的首尾分別連接在兩個相互絕緣的半圓形銅質(zhì)換向片上， 它固定在轉軸上可以隨軸轉動， 并且軸也是絕緣的。 為了減小兩極之間的磁阻， 線圈安放在圓柱形鐵芯上

6、， 線圈、 鐵芯和換向片構成一個整體并隨軸轉動， 通稱為轉子。 為了把線圈與外電路接通， 換向片上放置了一對在空間靜止不動的電刷A和B。 電刷和磁極在空間靜止不動， 構成了電機的固定部分， 通稱為定子。 定子與轉子之間有空隙， 稱為空氣隙。 ,圖1-1直流電機工作原理,用直流電源向線圈供電， 電流方向如圖1-1所示， 電刷A接正極， 電刷B接負極。 由電磁力定律， 在導體與磁力線相互垂直的情況下， 電磁力的方向可用左手定則判斷。 在圖1-1所示瞬間， 電磁力的方向如圖所示， 在兩個磁力的作用下， 轉子沿逆時針方向轉動。 轉子轉動時， 線圈邊的位置將互換。 要使線圈連續(xù)轉動， 就必須確保N極下的

7、導體的電流方向總是流入的， S極下的導體的電流的方向總是流出的， 這樣轉子所產(chǎn)生的電磁轉矩才有可能是單方向。由于換向器與電刷的相互配合作用， 能使線圈不論轉到何處， 電刷A始終與運動在N極下的線圈邊接觸， 電刷B始終與運動在S極下的線圈邊接觸， 保證了電流總是由電刷A經(jīng)N極下導體流入， 再沿S極下導體經(jīng)電刷B流出， 從而使電磁力和電磁轉矩的方向始終保持不變， 電機沿逆時針方向連續(xù)轉動。,當ab轉到N極下時， cd在S極下， 電流由電源正極出發(fā)， 經(jīng)過電刷A， 流過線圈abcd， 經(jīng)過換向片和負電刷B流出。 ab導體中的電流方向是ab， cd導體中的電流方向為cd。 N極下導體的電流方向是流入的

8、， S極下導體的電流方向是流出的。 轉過180后， 電流經(jīng)正電刷A流入， 負電刷B流出， 此時cd導體中的電流方向為dc， 確保N極下導體的電流 方向是流入的； ab導體中的電流方向是ba， 這樣確保了S極下導體的電流方向總是流出的。 由此確保了轉子所受的電磁力矩的單方向性。 若改變電源的極性， 則電機反轉。 ,在圖1-1中， 去掉直流電源， 線圈通過外力拖動旋轉， 由于線圈切割磁力線， 根據(jù)法拉第電磁感應定律， 線圈邊中將產(chǎn)生感應電勢， 線圈的兩個邊分別位于N極和S極下， 整個線圈的電勢是兩個線圈邊電勢之和， 即為一個線圈邊電勢的兩倍。 當線圈逆時針轉動180時， 每個線圈邊中電勢方向發(fā)生改

9、變， 即線圈上的電勢是交變的。 由于換向器的作用， 電刷A始終與運動在N極下的線圈邊接觸， 所以電刷A總是正極； 電刷B始終與運動在S極下的線圈邊接觸， 所以電刷B總是負極， 故在A、 B之間所得到的是直流電勢。 ,在上述過程中， 電刷和換向器起到了將內(nèi)部繞組的交流轉化為外部直流的作用。 綜上所述， 可以得到如下結論： (1) 直流電機電樞繞組內(nèi)部的感應電勢和電流為交流， 而電刷外部的電壓和電流為直流。 (2) 對直流電動機而言， 電刷和換向器的相互配合實現(xiàn)了電刷外部的直流到電樞內(nèi)部的交流的轉換過程， 即逆變過程。 對直流發(fā)電機而言， 電刷和換向器的相互配合實現(xiàn)了電樞內(nèi)部的交流到電刷外部的直流

10、的轉換過程。 ,1.2.2直流電機的種類 直流電機的勵磁方式是指勵磁繞組的供電方式， 供電方式不同， 電機的性能也不同。 直流電機根據(jù)勵磁繞組和電樞繞組的連接方式不同， 可分為五類， 如圖1-2所示。 ,圖1-2直流電機種類,1. 他勵直流電機 這種直流電機的勵磁電流由獨立電源供給， 勵磁繞組和電樞繞組互不連接， 如圖1-2(a)所示， 多用于調(diào)速應用。 2. 并勵直流電機 并勵直流電機的勵磁繞組和電樞繞組是并聯(lián)的， 如圖1-2(b)所示， 勵磁繞組上所加的電壓就是電樞繞組兩端的電壓， 電源的供電電流是兩者電流之和。 并勵直流電機機械特性較硬， 基本上是一條直線。 ,3. 串勵直流電機 串勵直

11、流電機的勵磁繞組和電樞繞組是串聯(lián)的， 如圖1-2(c)所示， 勵磁電流等于電樞電流。 串勵直流電機的機械特性具有雙曲線特性， 隨著電磁轉矩（也就是負載）的變化， 轉速變化很大， 因此串勵直流電機不能空載運行， 以避免轉速過高， 造成事故。 ,4. 復勵直流電機 復勵直流電機有并勵和串勵兩個繞組， 并勵繞組和電樞并聯(lián)于同一個電源上， 串勵繞組和電樞繞組串聯(lián)， 如圖1-2(d)、 1-2(e)所示。 電樞繞組先與串勵繞組串聯(lián)， 然后再與并勵繞組并聯(lián)， 稱為長復勵直流電機； 電樞繞組先與并勵繞組并聯(lián)， 然后再與串勵繞組串聯(lián)， 稱為短復勵直流電機。 這兩種方式只是勵磁繞組中的電流稍有不同， 在電機性能

12、上并無多大差異。 復勵直流電機的機械特性介于并勵和串勵直流電機兩者之間， 比并勵直流電機軟， 比串勵直流電機硬。 ,5. 永磁直流電機 永磁直流電機采用永久磁鐵作為勵磁， 如圖1-2(f)所示， 可分為永磁有刷直流電機和永磁無刷直流電機。 從命名上看， 這兩種電機的主要差別是有刷和無刷； 從控制方法上看， 它們是兩種完全不同類型的電機。 嚴格來說， 永磁無刷直流電機是用電子換向裝置代替機械換向裝置的直流電機， 從控制電子換向裝置角度看， 它是同步電機的一種。 永磁直流電機可用于直流伺服電機， 其體積小， 結構簡單， 工作可靠， 目前從小功率到大功率均有應用。 永磁直流電機的機械特性類似于并勵直

13、流電機。 ,1.3直流電機的模型 電機每對磁極的電磁過程相同， 分析一對磁極的情況就可以知道其它對磁極的工作情況。 電刷通過換向器與位于幾何中線上的元件相接觸。 每個磁極下電樞導體的電勢方向都相同， 而不同磁極下導體的電勢方向相反。 因此， 可以對直流電機進行簡化： (1) 只畫一對磁極， 磁極軸線d-d稱為直軸。 (2) 不畫換向器， 把電刷放在幾何中線上， 與位于幾何中線的元件直接接觸， 幾何中線對應的軸線q-q稱為交軸。 (3) 每一個小圓圈代表一個繞組元件。 簡化后的直流電機模型如圖1-3所示。 ,圖1-3簡化的直流電機模型,式中： J為轉子本身的轉動慣量、 負載及減速器等向轉子軸折算

14、的轉動慣量之和； 為轉子的機械角速度。 從式（1-15）可知， 動態(tài)轉矩與轉子動態(tài)加速度成正比。 ,2. 電樞繞組中的反電勢及電壓平衡關系 直流電機轉子旋轉后， 電樞繞組的導體切割磁極的磁力線， 產(chǎn)生了感應電動勢， 感應電動勢方向與電源電壓的方向相反， 因此又稱為直流電機的反電勢。 電樞繞組每根導體的反電勢平均值為 e=Blv （1-16） 式中: v為電樞表面的線速度， 如果電樞直徑為D， 轉速為n， 則。 ,1.3.2直流電機的啟動 從機械方面看， 啟動時要求電動機產(chǎn)生足夠大的電磁轉矩來克服機組的靜止摩擦轉矩、 慣性轉矩以及負載轉矩(如果帶負載啟動的話)， 才能使機組在盡可能短的時間里從靜

15、止狀態(tài)進入到穩(wěn)定運行狀態(tài)。 從電路方面看， 啟動瞬間n=0， 由式（1-18）得E=0， 由式（1-19）可以得到 ,啟動電流Ist將達到很大的數(shù)值， 通常為額定電樞電流的數(shù)倍甚至更大， 使電機本身遭受很大電磁力的沖擊， 嚴重時還會損壞電機。 因此， 適當限制電機的啟動電流是必要的。 直流電機常用的啟動方法有直接啟動、 電樞回路串電阻啟動和降壓啟動三種。 這里所講的直接啟動只限于小容量電機。 所謂直接啟動， 是指不采取任何措施， 直接將靜止電樞投入額定電壓電網(wǎng)的啟動過程。 啟動時將啟動電阻Rst串入電樞回路， 以限制啟動電流， 啟動結束后將電阻切除。 串接啟動電阻后的啟動電流為,在實際工程中，

16、 可以根據(jù)具體需要選擇Rst的數(shù)值， 以有效限制啟動電流。 啟動電阻一般采用變阻器形式， 可為分段切除式， 也可以無級調(diào)節(jié)。 降壓啟動是通過降低端電壓來限制啟動電流的一種啟動方式。 降壓啟動對抑制啟動電流最有效， 能量消耗也比較少， 目前廣泛采用可控硅整流電源和PWM軟啟動控制方式， 其調(diào)節(jié)性能和經(jīng)濟性能都已經(jīng)很理想。 因此， 降壓啟動應用越來越多， 尤其是大容量直流電動機和各類直流電力電子傳動系統(tǒng)。 ,1.4他勵直流電機的調(diào)速方法 直流電機的調(diào)速具有以下優(yōu)點： 調(diào)速范圍寬， 可無級調(diào)速； 精度高， 額定負載與空載下， 轉速變化小， 機械特性硬， 動態(tài)性能好； 啟動、 制動快， 超調(diào)、 振蕩小

17、， 抗干擾（負載、 電源干擾）能力強， 動態(tài)轉速降小， 恢復時間短。 直流電機的四象限調(diào)速如圖1-4所示。 ,圖1-4直流電機的四象限調(diào)速,由式（1-20）可知， 他勵直流電機的調(diào)速方法有三種： (1) 改變電樞電阻， 即串電阻調(diào)速。 (2) 改變電樞電壓U。 (3) 減弱電機勵磁磁通。 ,1.4.1改變電樞回路電阻調(diào)速 在電樞回路中串聯(lián)附加電阻， 如圖1-5所示。 當開關沒有閉合時， 電樞回路總電阻為R=ra+R1+R2+R3， 通 過閉合S1、 S2和S3可以分別短接R1、 R2和R3， 三個開關 都短接后只剩下電樞電阻。 這種調(diào)速原理實際上是利用 電樞電流Ia在電阻上的壓降不同， 即轉速

18、降 不同而得到不同的轉速。 ,圖1-5改變電阻調(diào)速原理圖,當電機空載時， 電樞電流很小， 轉速降幾乎為零， 因此采用串電阻調(diào)速時， 無論串多大的電阻， 其空載時的轉速都相同。 串電阻調(diào)速的調(diào)速特性如圖1-6所示。 ,圖1-6串電阻調(diào)速的調(diào)速特性,這種調(diào)速方法最早采用， 一般由繼電器-接觸器控制電阻的接入或短接。 這種方法的突出優(yōu)點是設計、 安裝、 調(diào)整方便， 設備簡單， 投資少； 其缺點也十分明顯， 由圖1-6可見， 隨著串聯(lián)電阻的增大， 其機械特性變軟， 電阻能耗大， 只能進行有級調(diào)速。 串電阻調(diào)速電路簡單， 目前仍然在一些生產(chǎn)機械上應用。 ,1.4.2減弱電機勵磁磁通調(diào)速 改變電機的勵磁電

19、壓， 即可改變勵磁電流， 從而改變勵磁磁通。 實際應用中只采用減弱勵磁磁通來升速的方法， 這是由于電動機磁通在額定值時， 其鐵芯已接近飽和， 增磁的余量很小， 因而把這種調(diào)速方法稱為弱磁升速。 ,由公式可知， 減小使理想空載轉 速和轉速降均增加， 電機轉速升高。 由式（1-14）可知， 減弱磁通使電機的電磁轉矩Te=KmIa減小， 若負載轉矩不變， 必將導致電樞電流增大， 電樞電流的增大又將導致轉速降增大， 即機械特性變軟， 增大電機發(fā)熱。 這種調(diào)速法調(diào)速范圍不大， 一般只在額定轉速以上調(diào)速時才應用， 但在某些特殊場合也有通過調(diào)節(jié)勵磁穩(wěn)速的應用設備。 某電機改變磁通時的調(diào)速特性如圖1-7所示，

20、 從上至下， 四條曲線的磁通依次增大。 ,圖1-7改變磁通時的調(diào)速特性 （橫軸為電流， 縱軸為轉速）,1.4.3改變電樞電壓調(diào)速 改變電樞電壓， 可以改變電機的理想空載轉速， 而轉速降是不受影響的， 即電機的機械特性硬度不變。 改變電機的供電電壓， 其機械特性僅僅上下移動， 即為一組平行線。 三種調(diào)速方案中， 改變電樞電壓調(diào)速方式的機械特性最硬。 ,按最高轉速nmax和最低轉速nmin設計調(diào)速系統(tǒng)時， 需要強調(diào)的是， 對于非弱磁調(diào)速系統(tǒng)， 電機的最高轉速就是電機的額定轉速nN。 對于一般的調(diào)速系統(tǒng)而言， 希望調(diào)速范圍愈大愈好。 ,顯然， 靜差率這個指標表述的是負載變化時轉速的變化程度。 需要指

21、出的是， 在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中， Ce不變， 在高速運行和低速運行時轉速降是相同的， 而其對應的理想空載轉速卻不相同， 如圖1-8所示。 其靜差率也不相同， 低速時的靜差率大， 高速時的靜差率小， 因此一般來說靜差率s是指最低轉速時的靜差率， 只要低速時靜差率滿足要求， 高速時也會滿足要求。 ,圖1-8調(diào)壓調(diào)速時不同轉速的轉速降,事實上， 調(diào)速范圍和靜差率這兩個指標并不是相互孤立的， 必須同時應用才有意義。 一個系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指在最低轉速時滿足靜差率要求的轉速可調(diào)范圍。 脫離了靜差率指標要求， 任何系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍； 相反， 脫離了調(diào)速范圍， 任何系統(tǒng)都可以得到 極高的靜差率。 ,3

22、) 調(diào)速范圍D、 靜差率s和轉速降n之間的關系 為了便于在設計過程中衡量電機的機械特性是否滿足所設計系統(tǒng)的靜態(tài)指標要求， 把調(diào)速范圍D、 靜差率s和轉速降n之間的關系用數(shù)學式聯(lián)系起來， 有,2. 動態(tài)指標 動態(tài)指標包括跟隨性指標和抗擾性指標兩大類。 1) 跟隨性指標(單位階躍響應) 當給定信號不同時， 輸出的響應也不同， 通常以輸出量的初值為零、 給定信號為階躍信號的過渡過程為典型的跟隨過程。 與一般控制系統(tǒng)一樣， 穩(wěn)態(tài)誤差、 超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間都是越小越好。 具體的指標如下所述：,(3) 調(diào)節(jié)時間ts。 調(diào)節(jié)時間又稱過渡過程時間， 它反映了調(diào)節(jié)過程的快慢， 原則上應該是從給定輸入階躍變化開始到

23、輸出量完全穩(wěn)定下來為止這段時間。 實際應用中， 一般在穩(wěn)態(tài)值附近取2%5%的范圍作為誤差帶， 輸出響應曲線不超出此誤差帶所需的時間稱為調(diào)節(jié)時間ts。 上升時間tr、 超調(diào)量%、 調(diào)節(jié)時間ts三者的關系如圖1-9所示。 ,圖1-9跟隨性指標關系,2) 抗擾性指標 在調(diào)速系統(tǒng)中， 抗擾性指標一般用突加（卸）負載情況下系統(tǒng)的動態(tài)變化過程來表示，具體包括穩(wěn)態(tài)降落或升高、 恢復時間等。 (1) 動態(tài)降落或升高。 在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作過程中， 突加一定量的擾動， 如突加負載或突卸負載， 由此所引起的轉速變化用輸出量的原轉速穩(wěn)態(tài)值c1的百分數(shù)來表示。 輸出量在動態(tài)降落后逐漸恢復達到新的穩(wěn)態(tài)c2， 一般情況下原穩(wěn)態(tài)

24、和新穩(wěn)態(tài)的轉速值不相同， 兩者之差c1c2稱為穩(wěn)態(tài)降落或升高。 ,(2) 恢復時間。 從擾動（如突加負載或突卸負載）開始到輸出量達新的穩(wěn)態(tài)值的誤差范圍之內(nèi)所需要的時間定義為恢復時間tv。 突加負載時的動態(tài)過程和抗擾性指標關系如圖1-10所示。 圖中， tm為最大降落時間。,圖1-10突加負載時的動態(tài)過程和抗擾性指標關系,1.5開環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 直流電機調(diào)壓調(diào)速方案有三種： 旋轉變流機組、 晶閘管相控靜止整流、 直流脈寬調(diào)制。 1.5.1旋轉變流機組 旋轉變流機組就是用交流電機(同步電機或異步電機)作為原動機帶動直流發(fā)電機為直流電機調(diào)速提供可調(diào)電源。 其調(diào)壓原理為： 調(diào)節(jié)直流發(fā)電機的勵磁電壓，

25、即調(diào)節(jié)勵磁電流的大小， 從而實現(xiàn)可調(diào)直流電壓， 達到直流電機調(diào)速的目的。 ,為了供給可調(diào)的勵磁電壓， 還需要一臺直流勵磁發(fā)電機。 改變直流發(fā)電機勵磁電流的方向， 就改變了其輸出電壓的極性， 直流電機的轉向就發(fā)生改變， 也就是說這種調(diào)速系統(tǒng)可以實現(xiàn)電機的可逆運行。 其機械特性為一組平行的直線， 圖1-11顯示了旋轉變流機組供電的調(diào)速系統(tǒng)原理， 圖1-12顯示出其機械特性。 ,圖1-11旋轉變流機組供電的調(diào)速系統(tǒng)原理,圖1-12旋轉變流機組調(diào)速系統(tǒng)的機械特性,圖1-11中，JD為交流電動機， L為直流勵磁發(fā)電機， F為直流發(fā)電機， D為直流電機； S1S4為接觸器， S1、 S4閉合或S2、 S3

26、閉合可以調(diào)節(jié)直流發(fā)電機勵磁電壓的正負， 達 到控制勵磁電壓極性的目的； RP為電位器， 調(diào)節(jié)電位器即可調(diào)節(jié)直流發(fā)電機勵磁電壓的大小。 由圖1-11可以看出， 交流電動機帶動直流勵磁發(fā)電機和直流發(fā)電機工作， 這種供電方案需要兩臺與調(diào)速電機容量相當?shù)碾姍C和一臺較小的勵磁直流發(fā)電機， 所需設備多， 占用場地大， 費用高， 噪聲大。 在早期調(diào)速系統(tǒng)中一般應用這種方案， 目前已較少應用， 但旋轉變流機組在大功率直流電源供電系統(tǒng)中仍有應用價值。 ,1.5.2晶閘管相控靜止整流 從1960年開始， 晶閘管可控整流電源克服旋轉機組供電的缺點， 得到了廣泛的應用。 晶閘管變流技術通過控制晶閘管的導通角， 從而控

27、制其輸出整流電壓。 與旋轉機組相比其 噪音小， 晶閘管整流無旋轉部件， 因此又稱為晶閘管靜止變流裝置。 圖1-13為晶閘管靜止變流裝置供電的調(diào)速系統(tǒng)原理圖。 和旋轉機組相比， 晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟性和可靠性上有所提高， 而且在技術性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。 如在快速性指標中， 旋轉機組是秒級， 而晶閘管是毫秒級。,圖1-13晶閘管靜止變流裝置供電的調(diào)速系統(tǒng)原理圖,晶閘管靜止變流裝置的主要缺點是功率因數(shù)低， 諧波大， 是造成電力公害的主要原因之一。 晶閘管相控整流裝 置給電機供電， 此電壓為脈動電壓， 盡管大多數(shù)情況下在主電路中串有電感平波， 但電樞電流和轉速嚴格來說仍然是脈動的。 電流波

28、形的脈動存在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況， 當平波電感足夠大， 電機的負載電流也足夠大時， 輸出電流的波形是連續(xù)的； 相反， 電流是斷續(xù)的。 電流連續(xù)和斷續(xù)的機械特性是不相同的， 因此機械特性也分為兩種情況。 ,圖1-14晶閘管整流供電的電機系統(tǒng)機械特性,由圖可見， 電流連續(xù)時機械特性較硬， 為一條直線； 斷續(xù)時機械特性為非線性， 理想空載轉速升高， 機械特性較軟。 連續(xù)和斷續(xù)的分界線不是恒定的， 與電路參數(shù)和控制角有關。 一般來說， 控制角越大， 斷續(xù)區(qū)越大。 ,1.5.3直流脈寬調(diào)制 隨著自關斷/全控器件(GTR、 MOSFET、 IGBT)的成熟應用， 其開關頻率高（可達上百kHz）， 既可控

29、制導通又可控制關斷， 使得脈寬調(diào)制（PWM， Pulse Width Modulated）或直流斬波(Chopper)在調(diào)速系統(tǒng)中得到了應用。 其主要工作原理是： 把交流電通過二極管整流濾波， 得到不可調(diào)的直流電壓， 通過控制自關斷/全控器件的導通和關斷， 把不可調(diào)的直流電壓轉換成周期恒定、 脈沖寬度可調(diào)的脈沖， 此脈沖作為直流電機的電樞電壓， 調(diào)節(jié)脈沖寬度， 就調(diào)節(jié)了電樞平均電壓。 直流PWM原理如圖1-15所示， 輸出電壓平均值的計算如下：,圖1-15直流PWM原理,三種調(diào)壓調(diào)速方法中， 無論哪一種， 只要調(diào)節(jié)電壓， 就可以調(diào)節(jié)轉速。 由于控制電壓和輸出轉速之間只有正向聯(lián)系而沒有反向聯(lián)系，

30、 因而控制是單向的， 轉速無法影響控制電壓， 控制電壓直接給定產(chǎn)生。 在控制電壓不變時， 隨著負載的增加， 電機轉速下降。 對于對轉速穩(wěn)定性要求不高的生產(chǎn)機械， 可以采用開環(huán)調(diào)速。 由于其結構簡單， 因而大多數(shù)拖動電機都可以采用開環(huán)調(diào)速。 但對于對轉速穩(wěn)定性要求較高的生產(chǎn)機械， 則必須采用閉環(huán)調(diào)速。 ,1.6轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出轉速與負載有關， 在同樣的電樞電壓下， 負載變化， 輸出轉速會發(fā)生變化， 要想獲得在不同擾動下恒定的轉速是不可能的。 由控制原理可知， 要想穩(wěn)定哪個物理量， 就負反饋該物理量， 因此， 要穩(wěn)定轉速就應該反饋電機轉速， 構成轉速反饋調(diào)速系統(tǒng)。 ,1.6.

31、1系統(tǒng)組成 在直流電機軸上裝一臺測速發(fā)電機MG， 測量電機轉速， 得到與電機轉速成正比的電壓Un， 與給定 電壓比較后， 得到偏差電壓U， 經(jīng)放大器放大， 得到控制電壓uc， 該電壓控制變流裝置， 使其輸出電壓U與控制電壓成正比， 用以控制電機的轉速。 轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成如圖1-16所示。 ,圖1-16轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成,圖1-16中電力電子變流裝置可以是三種調(diào)壓調(diào)速方案中的任一種， 晶閘管整流可以采用單相、 三相或多相整流， 可以是半波、 全波、 半控、 全控等類型， 通過控制電壓產(chǎn)生移相控制脈沖， 觸發(fā)晶閘管。 PWM變換器可以是不可逆、 可逆的， 也可以是單極性、 雙極性等類型。

32、 ,1.6.2轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性 為了表示閉環(huán)系統(tǒng)電機轉速和負載電流的穩(wěn)態(tài)關系， 假設控制電壓uc與Ud成正比， 放大系數(shù)為Ks， 誤差放大 器放大系數(shù)為Kp， 測速發(fā)電機輸出電壓與轉速成正比， 比例系數(shù)為, 則 誤差放大器： 電力電子變流裝置： Ud=Ksuc 測速發(fā)電機： Un=n,電機轉速:,定義為閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)放大倍數(shù)， 上式可寫為 根據(jù)上述關系， 畫出轉速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖， 如圖1-17所示。 ,圖1-17轉速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結構圖,(1） 當放大系數(shù)K較大時， 閉環(huán)系統(tǒng)的轉速降大大減小， 在相同負載下， 閉環(huán)系統(tǒng)的轉速降只是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)。

33、 (2） 當理想空載轉速相同時， 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多， 在相同負載條件下， 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率只是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)。 (3） 當靜差率相同時， 閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍是開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍。 ,(4） 當給定電壓相同時， 閉環(huán)系統(tǒng)的空載轉速是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)， 也就是說閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速大大降低。 如果希望閉環(huán)系統(tǒng)和開環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉速相同， 則閉環(huán)系統(tǒng)的給定電壓必須是開環(huán)系統(tǒng)的(1+K)倍； 如果希望兩者給定電壓相同、 理想空載轉速相同， 則閉環(huán)系統(tǒng)必須設置放大器。 (5） 無論K有多大， 總不等于零， 也就是說， 只用放大器的轉速單閉環(huán)系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。,(6）

34、從控制理論可知， 閉環(huán)系統(tǒng)具有較強的抗干擾性能， 對于作用于被負反饋所包圍的前向通道上的一切擾動都可以有效抑制， 但對于前向通道以外的干擾則無能為力， 即對于給定信號和轉速測量所造成的誤差無法自動調(diào)整。 也就是說， 閉環(huán)系統(tǒng)的精度依賴于反饋檢測裝置的精度。 上述比較顯示， 閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性硬， 在靜差率相同的條件下， 閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍大大提高， 因此， 閉環(huán)系統(tǒng)大大優(yōu)于開環(huán)系統(tǒng)。 ,1.6.4轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)模型 1. 直流電機數(shù)學模型 在整個機電過渡過程中， 電氣過渡過程和機械過渡過程同時存在， 又互相影響。 直流電機的動態(tài)方程如下： ,式中： u、 ia、 E、 Te分別為動態(tài)過

35、程中電壓（V）、 電流（A）、 感應電動勢（V）、 電磁轉矩（Nm）的瞬時值； L為電樞電感（H）; TL為負載轉矩（Nm）； GD2為電動機以及其它部件的飛輪力矩（Nm）； n為轉子轉速（r/min）。,定義下列時間常數(shù)： 電樞回路電磁時間常數(shù) 電力拖動系統(tǒng)機電時間常數(shù) 得直流電動機的數(shù)學模型， 如圖1-18所示。 ,圖1-18直流電動機的數(shù)學模型(電流連續(xù)) (a) 直流電動機的數(shù)學模型(電流連續(xù))； （b）、 (c) 不考慮負載擾動的直流電動機模型,從圖1-18可見， 直流電機有兩個輸入量： 一個是理想的空載直流電壓Ud， 另一個是負載電流IL。 前者是控制輸入量， 后者是擾動輸入量。

36、如果不考慮擾動量， 把圖(a)中的IL(s)提到環(huán)路之前， 即得圖（b）， 從而得到不考慮負載擾動的直流電機的數(shù)學模型圖(c)。 ,2. 電力電子變換裝置的數(shù)學模型 調(diào)壓調(diào)速通常采用晶閘管靜止變流器或PWM變換器， 因此在建立系統(tǒng)數(shù)學模型時把它們作為電力電子變換裝置， 看做一個環(huán)節(jié)， 其輸入量為控制電壓， 輸出量為電機電樞電壓。 在進行靜態(tài)特性分析時把該環(huán)節(jié)等效為一個比例放大環(huán)節(jié)， 考慮到系統(tǒng)的失控時間， 事實上該部分為純滯后的放大環(huán)節(jié)。 當控制電壓變化時， 輸出電壓要到下一個脈沖周期才變化， 從控制電壓變化到輸出電壓變化這一時間稱為失控時間。 ,對于晶閘管來說， 它是一個半控器件， 觸發(fā)脈沖

37、只能在晶閘管陽極承受正向電壓時使晶閘管導通。 晶閘管一旦導通， 門極即失去控制作用， 無法控制其關斷。 雖然觸發(fā)脈沖可以控制移相角， 但正處于導通的晶閘管在關斷后輸出電壓才能發(fā)生變化， 這一段時間為失控時間， 顯然失控時間是隨機的， 其最大值為整流電路兩個自然換向點之間的時間， 最小時間為零， 取決于電路結構和電源頻率。 一般來說， 不同的整流電路有不同的失控時間， 全波整流電路的失控時間小于半波整流電路， 三相整流電路的失控時間小于單相整流電路。 在實際應用中， 一般取整流電路兩個自然換向點之間的時間的一半作為平均失控時間Ts。 ,對于全控器件， 它既可以控制導通又可以控制關斷。 PWM波形

38、的產(chǎn)生一般是由周期固定的三角波和控制電壓進行比較而產(chǎn)生的。 控制電壓的變化只能在下一個比較點才起作用， 這一段時間就是失控時間。 其最大失控時間為三角波的周期， 最小時間為零。 取周期的二分之一作為平均失控時間Ts。 全控器件的平均失控時間小于半控器件。 因此， 電力電子變換裝置 的數(shù)學模型可表示為,圖1-19單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)結構圖,1.7無靜差調(diào)速系統(tǒng)和基本調(diào)節(jié)電路 一個自動控制系統(tǒng)要能很好地完成任務， 首先必須工作穩(wěn)定， 同時還必須滿足調(diào)節(jié)過程的指標要求, 即系統(tǒng)的響應速度、 穩(wěn)定性、 最大偏差等。 很明顯， 自動控制系統(tǒng)總希望在穩(wěn)定工作狀態(tài)下具有較高的控制質(zhì)量。 為了保證系統(tǒng)的精度，

39、 就要求系統(tǒng)有很高的放大系數(shù)， 然而放大系數(shù)一高， 又會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定， 甚至產(chǎn)生振蕩。 反之， 只考慮調(diào)節(jié)過程的穩(wěn)定性， 又無法滿足精度要求。 因此， 調(diào)節(jié)過程中， 系統(tǒng)穩(wěn)定性與精度之間產(chǎn)生了矛盾。 為了解決這個矛盾， 可以根據(jù)控制系統(tǒng)的設計要求和實際情況， 在控制系統(tǒng)中插入校正環(huán)節(jié)。,常見的控制系統(tǒng)閉環(huán)反饋框圖如圖1-20所示， 在誤差之后插入帶有校正環(huán)節(jié)的控制器， 稱之為串聯(lián)校正。 ,圖1-20閉環(huán)反饋框圖,在只用偏差控制的系統(tǒng)中， 偏差總是存在的， 當偏差為零時， 其控制作用也就消失了。 也就是說在穩(wěn)態(tài)時， 轉速只能接近給定值而不能完全等于給定值， 此時系統(tǒng)屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)， 它只能

40、減少靜差， 無法從根本上消除靜差。 如何才能使輸出與輸入給定值相等， 即系統(tǒng)完全無靜差， 是本節(jié)主要討論的內(nèi)容。 ,1.7.1基本調(diào)節(jié)電路 1. 微分調(diào)節(jié)器 如圖1-21所示， 當脈沖信號通過RC電路時， 電容兩端的電壓不能突變， 電流超前電壓90， 輸入電壓通過電阻R向電容充電， 電流在脈沖前沿時刻瞬間達到最大值， 電阻兩端電壓此刻也達到最大值。 隨著電容兩端電壓不斷升高， 充電電流逐漸減小， 電阻兩端電壓也逐漸降低， 最后 為0， 在電阻兩端形成一個鋸齒波電壓。 這種電路稱為微分電路， 由于它對階躍輸入信號前沿“反應”激烈， 故具有加速作用。 ,圖1-21微分電路原理,圖1-22微分調(diào)節(jié)器

41、,2. 積分調(diào)節(jié)器 再來看圖1-23， 脈沖信號出現(xiàn)時， 通過電阻R向電容充電， 電容兩端電壓不能突變， 電容兩端電壓隨著時間t不斷升高， 充電電流i逐漸減小， 最后為0， 電容兩端電壓也達到最大值， 這種電路稱為積分電路。 由于它對階躍輸入信號前沿“反應”遲緩， 故其具有“阻尼”緩沖作用。 ,圖1-23積分電路原理,圖1-24積分調(diào)節(jié)器,積分電路中， 電容電壓的上升速度取決于積分時間常數(shù)。 只要輸入uin0， 積分電路的輸出就不斷變化， 當uin=0時， 其輸出保持在輸入信號為零時的瞬時值， 此時即使輸入信號發(fā)生突變， 其輸出也不會發(fā)生突變。 積分調(diào)節(jié)器的這種作用稱為積累作用、 遲緩作用或記

42、憶作用。 只要uin極性不變， 輸出就一直單調(diào)增加， 當uin=0時， 輸出才停止變化， 但輸出并不等于零， 只有uin極性反向變換時， 輸出才減小。,因為積分是偏差的積累， 所以只要前期有過偏差， 即使現(xiàn)在偏差等于零， 積分器的輸出也不等于零， 即,3. 比例積分電路（PI調(diào)節(jié)器） 比例積分電路（PI調(diào)節(jié)器）如圖1-25所示， 當輸入信號uin為階躍信號時， 初始時刻（t=0）電容C兩端電壓不 能突變， 相當于短路， PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓為, 輸出電壓由比例系數(shù) 決定； 當t0時， 電容兩端 電壓逐漸升高， 輸出電壓按積分特性線性上升， 輸出電壓公式可以寫為,式中: 稱為比例放大系數(shù)； Ti

43、=R0C稱為積 分時間常數(shù)。 由此可見, PI調(diào)節(jié)器的輸出電壓由比例和積分兩部分組成， 既可以實現(xiàn)快速控制， 發(fā)揮比例控制的長處， 也可以在穩(wěn)態(tài)時發(fā)揮積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點。 ,圖1-25比例積分電路,圖1-26比例微分電路,圖1-27PID調(diào)節(jié)器,式中: 在電機調(diào)速中通常以抗擾性指標為主， 采用PI調(diào)節(jié)器作為校正環(huán)節(jié)。 由式（1-51）可見， Kp、 Kd、 Ki三個參數(shù)互相聯(lián)系， 用模擬電路調(diào)節(jié)十分不便， 而采用計算機實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)將十分方便。 ,1.7.2單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng) 從自動控制原理可以知道， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計算公式 ， 式中e(t)為誤差， E(s)為復變 量誤差， s為復變量。 定義

44、一個閉環(huán)負反饋系統(tǒng)的輸入為 R(s)， 輸出為C(s)， 控制對象的傳遞函數(shù)為G(s)， 反饋通道的傳遞函數(shù)為H(s)， 可以寫出,從圖1-18(c)可知， 直流電機的傳遞函數(shù)為 ， 反饋通道的傳遞函數(shù)一般為 比例或慣性環(huán)節(jié)， G(s)H(s)為零型系統(tǒng)。 如果要求系統(tǒng) 對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零， 系統(tǒng)必須在前向通道增加一個積分環(huán)節(jié)， 即G(s)H(s)乘以1/s， 也就是說采用積分調(diào)節(jié)器可以實現(xiàn)系統(tǒng)無靜差。 ,單閉環(huán)無靜差調(diào)速系統(tǒng)和圖1-16的主要區(qū)別在于用PI調(diào)節(jié)器代替了比例調(diào)節(jié)器。 把單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結構圖（圖1-19）中的比例調(diào)節(jié)器Kp用PI調(diào)節(jié)器代替， 就得到無靜差單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的

45、結構圖。 令， 輸入為IL(s)， 輸出n(s)用n(s)代替， 得到負載擾動引起的轉速偏差:,當采用比例校正環(huán)節(jié)時 當采用比例積分（PI）校正環(huán)節(jié)時 讀者可以自行推導。 ,1.8其它反饋環(huán)節(jié)的直流調(diào)速系統(tǒng) 被調(diào)量的負反饋是閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本反饋形式， 對調(diào)速系統(tǒng)來說， 就是轉速負反饋。 但是， 要實現(xiàn)轉速負反饋必須有轉速檢測裝置， 例如前述的測速發(fā)電機， 以及數(shù)字測速用的光電編碼盤、 電磁脈沖測速器等， 其安裝和維護都比較麻煩。 因此， 人們自然會想到， 對于調(diào)速指標要求不高的系統(tǒng)來說， 能否采用其它物理量反饋代替轉速反饋， 從而簡化系統(tǒng)， 這是本節(jié)討論的主要內(nèi)容。 ,1.8.1電壓負反饋直

46、流調(diào)速系統(tǒng) 在電動勢、 轉速不很低時， 電樞電阻壓降比電樞端電壓要小得多， 因而可以認為直流電動機的反電動勢與端電壓近似相等， 或者說， 電機轉速近似與端電壓成正比。 在這種情 況下， 電壓負反饋就能基本上代替轉速負反饋的作用了， 而檢測電壓顯然要比檢測轉速方便得多。 電壓負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)僅僅是把測速發(fā)電機用一個測量電樞電壓的電位器（或用其他電壓檢測裝置）代替了， 其原理如圖1-28所示, 電壓反饋信號為 Uu=Ud （1-57） 式中: 為電壓反饋系數(shù)。,圖1-28電壓負反饋直流電機調(diào)速系統(tǒng)原理圖,圖1-28是比例控制的電壓負反饋直流電機調(diào)速系統(tǒng)原理圖， 它與轉速反饋調(diào)速系統(tǒng)不同之處僅在于

47、電壓負反饋信號取自電樞電壓的測量電位器RP。 設電樞回路電阻R分為兩部分， R=rd+ra， rd為變流裝置的內(nèi)阻， ra為電樞電阻， 則電壓控制負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結構圖如圖1-29所示。 ,圖1-29電壓控制負反饋直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結構圖,由穩(wěn)態(tài)結構圖和靜特性方程式可以看出， 電壓負反饋系統(tǒng)實際上只是一個自動調(diào)壓系統(tǒng)。 只有被反饋環(huán)包圍的電力電子裝置內(nèi)阻引起的穩(wěn)態(tài)速降被減小， 而電樞電阻速降處于反饋環(huán)外， 其大小仍和開環(huán)系統(tǒng)中一樣。 顯然， 電壓負反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能比帶同樣放大器的轉速負反饋系統(tǒng)要差一些。 在實際系統(tǒng)中， 為了減小靜態(tài)速降， 電壓負反饋信號的引出線應盡量靠近電動機電樞兩端

48、。 ,需要指出， 電力電子變換器的輸出電壓除了直流分量Ud外， 還含有交流分量。 把交流分量引入運算放大器， 非但不起調(diào)節(jié)作用， 反而會產(chǎn)生干擾， 嚴重時會造成放大器局部飽和， 從而破壞了它的正常工作。 為此， 電壓反饋信號必須經(jīng)過濾波。 此外， 用電位器取出電機電樞電壓的反饋信號， 這固然簡單， 但卻把主電路和低壓的控制電路串聯(lián)起來了， 從安全角度上看并不合適。 對于小容量調(diào)速系統(tǒng)還可容許， 對于電動機容量較大、 電壓較高的系統(tǒng)， 最好改用電壓隔離變換器， 使主電路與控制電路之間沒有直接電的聯(lián)系。 ,1.8.2電動勢反饋直流調(diào)速系統(tǒng) 僅采用電壓負反饋的調(diào)速系統(tǒng)固然可以省去一臺測速發(fā)電機， 但

49、是由于它不能彌補電樞電壓降所造成的轉速降落， 因而調(diào)速性能不如轉速負反饋。 根據(jù)電動勢公式E=Cen可知， 用電動勢代替轉速， 可以反映轉速的變化情況。 電機的電動勢無法直接測量， 由直流電機的電壓平衡關系可知， 通過測量電機電樞電壓和電流可以間接得到電動勢：,圖1-30電動勢負反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結構圖,圖中電壓負反饋系統(tǒng)部分與圖1-29相同， 除此之外， 增加了電流正反饋。 當負載增大使靜態(tài)速降增加時， 電流正反饋信號也增大， 通過運算放大器使電力電子裝置電壓隨之增加， 從而補償了轉速的降落。 因此， 電流正反饋的作用又稱為電流補償控制。 具體的補償作用有多少， 由系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的參數(shù)決定。 ,由

50、被調(diào)量負反饋構成的反饋控制和由擾動量正反饋構成的補償控制， 是性質(zhì)不同的兩種控制規(guī)律。 反饋控制只能使靜差減小， 補償控制卻能把靜差消除， 這似乎是補償控制的優(yōu)越性。 但是， 反饋控制采用自動調(diào)節(jié)的方式， 無論環(huán)境如何變化， 都能可靠地減小靜差。 而補償控制則要靠參數(shù)的配合， 當參數(shù)受溫度等因素影響而發(fā)生變化時， 補償?shù)臈l件就要受到破壞， 消除靜差的效果就會改變。 再進一步看， 反饋控制對一切被包在負反饋環(huán)內(nèi)的前向通道上的擾動都有抑制， 而補償控制則只能針對某一種擾動有效。 ,電流正反饋只能補償負載擾動， 如果遇到電網(wǎng)電壓波動這樣的擾動， 它反而會起負面作用。 因此， 在實際調(diào)速系統(tǒng)中很少單獨

51、使用電流正反饋補償控制， 只是在電壓（或轉速）負反饋系統(tǒng)的基礎上加上電流正反饋補償， 作為減少靜差的補充措施。 此外， 決不能采用全補償這種臨界狀態(tài)， 因為如果設計好全補償后， 萬一參數(shù)變化， 發(fā)生過補償， 則不僅系統(tǒng)的靜特性要上翹， 還會出現(xiàn)系統(tǒng)工作不穩(wěn)定的情況。 ,1.9單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)電流截止負反饋 1.9.1問題的提出 直流電機全電壓啟動時， 如果沒有采取專門的限流措施， 會產(chǎn)生很大的沖擊電流， 這不僅對電機換向不利， 對于電力電子器件來說， 更是不允許的。 采用轉速負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)（不管是比例控制的有靜差調(diào)速系統(tǒng)， 還是比例積分控制的無靜差調(diào)速系統(tǒng)）， 當突然加給定電壓時， 由于

52、系統(tǒng)存在慣性， 因而電機不會立即轉起來， 轉速反 饋電壓Un仍為零。,因此, 加在調(diào)節(jié)器輸入端的偏差電壓， 這時放大器和觸發(fā)驅(qū)動裝置的慣性都很小， 使功率變換裝置的輸出電壓迅速達到最大值Ud max， 對電動機來說相當于全電壓啟動， 這通常是不允許的。 對于要求快速啟/制動的生產(chǎn)機械， 給定信號多采用突加方式。 另外， 有些生產(chǎn)機械的電 機可能會遇到堵轉的情況， 例如挖土機、 軋鋼機等， 其閉環(huán)系統(tǒng)特性很硬， 若無限流措施， 電流會大大超過允許值。 如果依靠過電流繼電器或快速熔斷器進行限流保護， 則一過載就跳閘或燒斷熔斷器， 系統(tǒng)將無法正常工作。 ,為了解決反饋控制單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動和堵轉時電

53、流過大的問題， 系統(tǒng)中必須設有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。 根據(jù)反饋控制的基本概念， 要維持某個物理量基本不變， 只要引入該物理量的負反饋就可以了。 因此， 引入電流負反饋能夠保持電流不變， 使它不超過允許值。 但是， 電流負反饋的引入會使系統(tǒng)的靜特性變得很軟， 不能滿足一般調(diào)速系統(tǒng)的要求。 電流負反饋的限流作用只在啟動和堵轉時存在， 在正常運行時不起作用， 以使電流能自由地隨著負載增減。 這種當電流大到一定程度時才起作用的電流負反饋叫做電流截止負反饋。 ,1.9.2電流截止負反饋環(huán)節(jié) 為了實現(xiàn)電流截止負反饋， 必須在系統(tǒng)中引入電流截止負反饋環(huán)節(jié)。 電流截止負反饋環(huán)節(jié)的具體電路形式不同， 無論采用

54、哪種形式， 其基本思想都是將電流信號轉換成電壓信號， 然后去和一個比較電壓Ucom（該電壓大小代表電流參與負反饋的閾值）進行比較。 電流負反饋信號可以用電阻取樣， 或者用霍爾電流傳感器取樣。 對于小功率電機， 通常在電動機電樞回路串入一個小阻值的電阻Rs， IdRs是正比于電流的電壓信號， 用它去和比較電壓Ucom進行比較。 對于大功率電機, 采用霍爾電流傳感器取樣， 這是由于采用分流器（小電阻取樣 ）所得到的電流信號信噪比小， 電樞電路和控制電路不隔離， 使電路抗干擾能力差。 ,當IdRsUcom時， 電流負反饋信號起作用; 當IdRsUcom時， 電流負反饋信號被截止， 不參與反饋。 可以

55、利用穩(wěn)壓管的擊穿電壓作為比較電壓Ucom， 組成電流負反饋截止環(huán)節(jié)。 小電阻取樣和霍爾電流傳感器取樣如圖1-31（a）、 （b）所示。 圖1-31（b）中Ucc和Ucc為霍爾電流傳感器電源， R為測量電阻。 ,圖1-31利用穩(wěn)壓管獲得比較電壓的電流截止負反饋環(huán)節(jié) （a） 小電阻取樣； （b） 霍爾電流傳感器取樣,1.9.3帶電流截止負反饋的單閉環(huán)轉速負反饋調(diào)速系統(tǒng) 圖1-32給出了帶電流截止負反饋的轉速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖。 圖中控制器采用模擬PI調(diào)節(jié)器， 電流反饋信號來自霍爾電流傳感器， 與主電路電流Ia成正比， 反饋系數(shù)為， 臨界截止電流為Idcr, 對應穩(wěn)壓管的擊穿電壓為Ucom，

56、于是有 Idcr=Ucom(1-66),圖1-32帶電流截止負反饋的單閉環(huán)轉速 負反饋調(diào)速系統(tǒng)原理框圖,帶電流截止負反饋的單閉環(huán)轉速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖1-33所示。 顯然， 當IdIdcr時， 系統(tǒng)的轉速是無靜差的， 靜特性是平直的（圖1-36中AB段）； 當IdIdcr時， 對應BC段， 系統(tǒng)的靜特性很陡， 靜態(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， 因為挖土機在運行中如果遇到堅硬的石塊而過載時， 電機停下， 這時的電流稱為堵轉電流Idbl。 電機堵轉時， n=0， 此時， 電流信號和穩(wěn)壓管電壓之和應等于給定電壓,圖1-33帶電流截止負反饋的單閉環(huán)轉速 負反饋調(diào)速

57、系統(tǒng)的靜特性,習題與思考題 1.1大功率直流電機為什么不能直接啟動？ 直流脈寬調(diào)制(PWM)能否實現(xiàn)降壓啟動？ 1.2他勵直流電機的調(diào)速方法有哪些？ 各有什么特點？ 1.3為什么只采用弱磁升速， 而不采用增磁減速？ 1.4說明調(diào)速范圍、 靜差率的概念及二者之間的關系。 ,1.5某調(diào)速系統(tǒng)， 直流電機參數(shù)： 功率為10 kW， 額定電壓為220 V， 額定電流為55 A， 額定轉速為1000r/min， 電樞電阻為0.1 ， 若采用開環(huán)控制， 計算： (1) 額定負載下的靜態(tài)速降n; (2) s=0.1時系統(tǒng)的調(diào)速范圍D; (3) D=5， s=0.1時系統(tǒng)允許的n。 1.6某調(diào)速系統(tǒng)的最高轉速為1500 r/min， 最低轉速為100 r/min， 要求s=0.1， 那么系統(tǒng)允許的n是多少?,1.7為什么轉速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降? 改變給定電壓或調(diào)整轉速反饋系數(shù)能否改變電機的穩(wěn)態(tài)轉速？ 為什么？ 轉速閉環(huán)系統(tǒng)在受到電機電樞電阻、 負載、 供電電壓、 測速電機參數(shù)和勵磁電流波動等因素的影響時有無調(diào)節(jié)能力？ 為什么？ 1.8電動勢反饋能否取代轉速反饋？ 為什么？ 1.9積分調(diào)節(jié)器中， 輸入極性不變， 輸出如何變化？ 當uin=0時， 輸出還變化嗎？ 是否為零？ 如何使輸出減小？,