直流调速系统的调速原理.docx

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直流调速系统的调速原理

直流调速系统的调速原理

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在广范围内平滑调速，所以由晶闸管—直流电动机（V—M）组成的直流调速系统是目前应用较普遍的一种电力传动自动化控制系统。

它在理论上实践上都比较成熟，而且从闭环控制的角度看，它又是交流调速系统的基础[1，6]。

从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统（伺服系统）、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此，调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

直流电动机的转速和其它参量的关系和用式（2—1）表示

（2—1）

式中n——电动机转速；

U——电枢供电电压；

I——电枢电流；

R——电枢回路总电阻，单位为

——由电机机构决定的电势系数。

在上式中，

是常数，电流I是由负载决定的，因此，调节电动机的转速可以有三种方法：

（1）调节电枢供电电压U；

（2）减弱励磁磁通

；

（3）改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。

改变电阻只能实现有级调速；减弱励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速的范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上做小范围的弱磁升速。

因此，自动控制的直流调速系统往往以改变电压调速为主。

双闭环调速的工作过程和原理

双闭环调速系统的工作过程和原理:

电动机在启动阶段,电动机的实际转速（电压）低于给定值,速度调节器的输入端存在一个偏差信号,经放大后输出的电压保持为限幅值,速度调节器工作在开环状态,速度调节器的输出电压作为电流给定值送入电流调节器,此时则以最大电流给定值使电流调节器输出移相信号,直流电压迅速上升,电流也随即增大直到等于最大给定值,电动机以最大电流恒流加速启动。

电动机的最大电流（堵转电流）可以通过整定速度调节器的输出限幅值来改变。

在电动机转速上升到给定转速后,速度调节器输入端的偏差信号减小到近于零,速度调节器和电流调节器退出饱和状态,闭环调节开始起作用。

对负载引起的转速波动,速度调节器输入端产生的偏差信号将随时通过速度调节器、电流调节器来修正触发器的移相电压,使整流桥输出的直流电压相应变化,从而校正和补偿电动机的转速偏差。

另外电流调节器的小时间常数,还能够对因电网波动引起的电动机电枢电流的变化进行快速调节,可以在电动机转速还未来得及发生改变时,迅速使电流恢复到原来值,从而使速度更好地稳定于某一转速下运行。

双闭环直流调速系统的组成及其静特性

一、双闭环直流调速系统的组成

为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈和电流负反馈。

两者之间实行嵌套连接，如图2—4所示。

把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器UPE。

从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。

这就形成了转速、电流双闭环调速系统。

转速、电流双闭环直流调速系统

其中：

ASR-转速调节器ACR-电流调节器TG-测速发电机TA-电流互感器UPE-电力电子变换器

-转速给定电压Un-转速反馈电压

-电流给定电压

-电流反馈电压

二、双闭环直流调速系统的静特性分析

双闭环直流调速系统的稳态结构框图

分析静特性的关键是掌握PI调节器的稳态特征，一般使存在两种状况：

饱和—输出达到限幅值，不饱和—输出未达到限幅值。

当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和，换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出的联系，相当于使该调节环开环。

当调节器不饱和时，PI的作用使输入偏差电压ΔU在稳态时总为零。

实际上，在正常运行时，电流调节器是不会达到饱和状态的。

因此，对于静特性来说，只有转速调节器饱和与不饱和两种情况。

双闭环直流调速系统的数学模型的建立

双闭环直流调速系统数学模型的建立涉及到可控硅触发器和整流器的相关内容，这里仅作简单介绍，具体的内容将在第三章内加以说明。

全控式整流在稳态下，触发器控制电压Uct与整流输出电压Ua0的关系为：

其中：

A---整流器系数；

---整流器输入交流电压；

---整流器触发角；

---触发器移项控制电压；K---触发器移项控制斜率；

整流与触发关系为余弦，工程中近似用线性环节代替触发与放大环节，放大系数为：

K=

。

绘制双闭环直流调速系统的动态结构框图如下：

PI调节器

PI调节器的结构如下图所式

由图可得：

：

PI调节器比例部分的放大系数

：

PI调节器积分时间常数

PI调节器的传递函数为：

Ⅰ型系统与Ⅱ型系统的性能比较

许多控制系统的开环传递函数可表示为

根据W（s）中积分环节个数的不同,将该控制系统称为0型、Ⅰ型、Ⅱ型……系统。

自动控制理论证明,0型系统在稳态时是有差的,而Ⅲ型及Ⅲ型以上的系统很难稳定。

因此,通常为了保证稳定性和一定的稳态精度,多用Ⅰ型、Ⅱ型系统,典型的Ⅰ型、Ⅱ型系统其开环传递函数为

（2）

（3）

典型Ⅰ型系统在动态跟随性能上可做到超调小,但抗扰性能差;而典型Ⅱ型系统的超调量相对要大一些,抗扰性能却比较好。

接下来可用一个实例来说明这个问题。

设被控对象的传递函数如式（4）:

（4）

若欲将系统校正成Ⅰ型系统,则调节器仅仅是一个比例环节,若欲将系统校正成Ⅱ型系统,则调节器必须含有一个积分环节,并带有一个比例微分环节,以便消除被控对象的一个惯性环节,故调节器采用如式（5）的PI调节器。

仿真结果如图3所示。

从图中可以清楚地看到Ⅰ型系统、Ⅱ型系统的差别。

这种差别可以作为调节器选择的原则。

三相桥式整流

单相桥式整流

主控电路

键盘电路

滤波与量程转换电路