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1、第1章 直流電機(jī)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(jī)的工作原理及類型 1.3 直流電機(jī)的模型 1.4 他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速方法 1.5 開環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng),1.6 轉(zhuǎn)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(fù)反饋 習(xí)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(dǎo)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(zhuǎn)換為機(jī)械能的過程。 在進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究以后， 1831 年， 他又發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。 在這一基本定律的指導(dǎo)下， 第二年， 皮克西(Pix

2、ii)利用磁鐵和線圈的相對運(yùn)動(dòng)， 再加上一個(gè)換向裝置， 制成了一臺(tái)原始的旋轉(zhuǎn)磁極式直流發(fā)電機(jī)。 這就是現(xiàn)代直流發(fā)電機(jī)的基礎(chǔ)。 雖然早在1833 年， 楞次(Lenz)已經(jīng)證明了電機(jī)的可逆原理， 但在1870 年以前， 直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)一直被看做是兩種不同的電機(jī)而獨(dú)立發(fā)展著。 ,18701890 年是直流電機(jī)發(fā)展的另一個(gè)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(dǎo)線的利用率。 為加強(qiáng)繞組的機(jī)械強(qiáng)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(jìn)一步減少了鐵芯損耗，

3、降低了繞組溫升。 鼓形電樞繞組和有槽疊片鐵芯結(jié)構(gòu)一直沿用至今。 上述若干重大技術(shù)進(jìn)步使直流電機(jī)的電磁負(fù)荷、 單機(jī)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(bǔ)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(jìn)了電磁負(fù)荷和單機(jī)容量的進(jìn)一步提高。 ,在電機(jī)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(jī)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(yīng)電勢進(jìn)行能量變換。 ,速度電勢也可以通過計(jì)算單根導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動(dòng)的感應(yīng)電勢來得

4、到： ev=Bxlv （1-6）式中: Bx為導(dǎo)體所在位置的磁通密度（T）； l為導(dǎo)體的有效長度（m）； v為導(dǎo)體在垂直于磁力線方向的運(yùn)動(dòng)速度。 感應(yīng)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(yùn)動(dòng)方向， 四指表示感應(yīng)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(diǎn)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(dǎo)體中通以電流i， 在磁場中將受到電磁力的作

5、用， 若磁場與導(dǎo)體相互垂直， 則電磁力大小為 F=Bxli （1-9） 式中: Bx為導(dǎo)體所在處的磁通密度; l為導(dǎo)體的有效長度； i為導(dǎo)體中的電流（A）； 這就是磁場對載流導(dǎo)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(jī)的工作原理及類型 1.2.1直流電機(jī)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(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的線圈， 線圈的首尾分別連接在兩個(gè)相互絕緣的半圓形銅質(zhì)換向片上， 它固定在轉(zhuǎn)軸上可以隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 并且軸也是絕

6、緣的。 為了減小兩極之間的磁阻， 線圈安放在圓柱形鐵芯上， 線圈、 鐵芯和換向片構(gòu)成一個(gè)整體并隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)， 通稱為轉(zhuǎn)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(dòng)的電刷A和B。 電刷和磁極在空間靜止不動(dòng)， 構(gòu)成了電機(jī)的固定部分， 通稱為定子。 定子與轉(zhuǎn)子之間有空隙， 稱為空氣隙。 ,圖1-1直流電機(jī)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(fù)極。 由電磁力定律， 在導(dǎo)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(gè)磁力的作用下， 轉(zhuǎn)子沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)， 線圈

7、邊的位置將互換。 要使線圈連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)， 就必須確保N極下的導(dǎo)體的電流方向總是流入的， S極下的導(dǎo)體的電流的方向總是流出的， 這樣轉(zhuǎn)子所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)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(zhuǎn)到何處， 電刷A始終與運(yùn)動(dòng)在N極下的線圈邊接觸， 電刷B始終與運(yùn)動(dòng)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(dǎo)體流入， 再沿S極下導(dǎo)體經(jīng)電刷B流出， 從而使電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變， 電機(jī)沿逆時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。,當(dāng)ab轉(zhuǎn)到N極下時(shí)， 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(fù)電刷B流出。 ab導(dǎo)體中的電流方向是ab， c

8、d導(dǎo)體中的電流方向?yàn)閏d。 N極下導(dǎo)體的電流方向是流入的， S極下導(dǎo)體的電流方向是流出的。 轉(zhuǎn)過180后， 電流經(jīng)正電刷A流入， 負(fù)電刷B流出， 此時(shí)cd導(dǎo)體中的電流方向?yàn)閐c， 確保N極下導(dǎo)體的電流 方向是流入的； ab導(dǎo)體中的電流方向是ba， 這樣確保了S極下導(dǎo)體的電流方向總是流出的。 由此確保了轉(zhuǎn)子所受的電磁力矩的單方向性。 若改變電源的極性， 則電機(jī)反轉(zhuǎn)。 ,在圖1-1中， 去掉直流電源， 線圈通過外力拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)， 由于線圈切割磁力線， 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律， 線圈邊中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢， 線圈的兩個(gè)邊分別位于N極和S極下， 整個(gè)線圈的電勢是兩個(gè)線圈邊電勢之和， 即為一個(gè)線圈邊電勢的兩倍。

9、 當(dāng)線圈逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)180時(shí)， 每個(gè)線圈邊中電勢方向發(fā)生改變， 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(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)在S極下的線圈邊接觸， 所以電刷B總是負(fù)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(zhuǎn)化為外部直流的作用。 綜上所述， 可以得到如下結(jié)論： (1) 直流電機(jī)電樞繞組內(nèi)部的感應(yīng)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(dòng)機(jī)而言， 電刷和換向器的相互配合實(shí)現(xiàn)了電刷外部的直流到電樞內(nèi)部的交流的轉(zhuǎn)換過程， 即逆變過程。 對直流發(fā)電機(jī)而言， 電

10、刷和換向器的相互配合實(shí)現(xiàn)了電樞內(nèi)部的交流到電刷外部的直流的轉(zhuǎn)換過程。 ,1.2.2直流電機(jī)的種類 直流電機(jī)的勵(lì)磁方式是指勵(lì)磁繞組的供電方式， 供電方式不同， 電機(jī)的性能也不同。 直流電機(jī)根據(jù)勵(lì)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(jī)種類,1. 他勵(lì)直流電機(jī) 這種直流電機(jī)的勵(lì)磁電流由獨(dú)立電源供給， 勵(lì)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(yīng)用。 2. 并勵(lì)直流電機(jī) 并勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組是并聯(lián)的， 如圖1-2(b)所示， 勵(lì)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(lì)直流電機(jī)機(jī)械特性

11、較硬， 基本上是一條直線。 ,3. 串勵(lì)直流電機(jī) 串勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組和電樞繞組是串聯(lián)的， 如圖1-2(c)所示， 勵(lì)磁電流等于電樞電流。 串勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性具有雙曲線特性， 隨著電磁轉(zhuǎn)矩（也就是負(fù)載）的變化， 轉(zhuǎn)速變化很大， 因此串勵(lì)直流電機(jī)不能空載運(yùn)行， 以避免轉(zhuǎn)速過高， 造成事故。 ,4. 復(fù)勵(lì)直流電機(jī) 復(fù)勵(lì)直流電機(jī)有并勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)繞組， 并勵(lì)繞組和電樞并聯(lián)于同一個(gè)電源上， 串勵(lì)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(lì)繞組串聯(lián)， 然后再與并勵(lì)繞組并聯(lián)， 稱為長復(fù)勵(lì)直流電機(jī)； 電樞繞組先與并勵(lì)繞組并聯(lián)， 然后再與串勵(lì)繞組串聯(lián)， 稱為短復(fù)勵(lì)直流電機(jī)

12、。 這兩種方式只是勵(lì)磁繞組中的電流稍有不同， 在電機(jī)性能上并無多大差異。 復(fù)勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性介于并勵(lì)和串勵(lì)直流電機(jī)兩者之間， 比并勵(lì)直流電機(jī)軟， 比串勵(lì)直流電機(jī)硬。 ,5. 永磁直流電機(jī) 永磁直流電機(jī)采用永久磁鐵作為勵(lì)磁， 如圖1-2(f)所示， 可分為永磁有刷直流電機(jī)和永磁無刷直流電機(jī)。 從命名上看， 這兩種電機(jī)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(jī)。 嚴(yán)格來說， 永磁無刷直流電機(jī)是用電子換向裝置代替機(jī)械換向裝置的直流電機(jī)， 從控制電子換向裝置角度看， 它是同步電機(jī)的一種。 永磁直流電機(jī)可用于直流伺服電機(jī)， 其體積小， 結(jié)構(gòu)簡單， 工作可靠， 目前從小功

13、率到大功率均有應(yīng)用。 永磁直流電機(jī)的機(jī)械特性類似于并勵(lì)直流電機(jī)。 ,,1.3直流電機(jī)的模型 電機(jī)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(gè)磁極下電樞導(dǎo)體的電勢方向都相同， 而不同磁極下導(dǎo)體的電勢方向相反。 因此， 可以對直流電機(jī)進(jìn)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(yīng)的軸線q-q稱為交軸。 (3) 每一個(gè)小圓圈代表一個(gè)繞組元件。 簡化后的直流電機(jī)模型如圖1-3所示。 ,圖1-3簡化的直流電機(jī)模型,,

14、,,,式中： J為轉(zhuǎn)子本身的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、 負(fù)載及減速器等向轉(zhuǎn)子軸折算的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量之和； 為轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。 從式（1-15）可知， 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)子動(dòng)態(tài)加速度成正比。 ,2. 電樞繞組中的反電勢及電壓平衡關(guān)系 直流電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)后， 電樞繞組的導(dǎo)體切割磁極的磁力線， 產(chǎn)生了感應(yīng)電動(dòng)勢， 感應(yīng)電動(dòng)勢方向與電源電壓的方向相反， 因此又稱為直流電機(jī)的反電勢。 電樞繞組每根導(dǎo)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(zhuǎn)速為n， 則。 ,1.3.2直流電機(jī)的啟動(dòng) 從機(jī)械方面看， 啟動(dòng)時(shí)要求電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩來克服機(jī)組的靜止摩擦轉(zhuǎn)矩、

15、 慣性轉(zhuǎn)矩以及負(fù)載轉(zhuǎn)矩(如果帶負(fù)載啟動(dòng)的話)， 才能使機(jī)組在盡可能短的時(shí)間里從靜止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。 從電路方面看， 啟動(dòng)瞬間n=0， 由式（1-18）得E=0， 由式（1-19）可以得到 ,啟動(dòng)電流Ist將達(dá)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(jī)本身遭受很大電磁力的沖擊， 嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電機(jī)。 因此， 適當(dāng)限制電機(jī)的啟動(dòng)電流是必要的。 直流電機(jī)常用的啟動(dòng)方法有直接啟動(dòng)、 電樞回路串電阻啟動(dòng)和降壓啟動(dòng)三種。 這里所講的直接啟動(dòng)只限于小容量電機(jī)。 所謂直接啟動(dòng)， 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(dòng)過程。 啟動(dòng)時(shí)將啟動(dòng)電阻Rst串入電樞回路， 以限

16、制啟動(dòng)電流， 啟動(dòng)結(jié)束后將電阻切除。 串接啟動(dòng)電阻后的啟動(dòng)電流為,在實(shí)際工程中， 可以根據(jù)具體需要選擇Rst的數(shù)值， 以有效限制啟動(dòng)電流。 啟動(dòng)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(dòng)是通過降低端電壓來限制啟動(dòng)電流的一種啟動(dòng)方式。 降壓啟動(dòng)對抑制啟動(dòng)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(dòng)控制方式， 其調(diào)節(jié)性能和經(jīng)濟(jì)性能都已經(jīng)很理想。 因此， 降壓啟動(dòng)應(yīng)用越來越多， 尤其是大容量直流電動(dòng)機(jī)和各類直流電力電子傳動(dòng)系統(tǒng)。 ,,1.4他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速方法 直流電機(jī)的調(diào)速具有以下優(yōu)點(diǎn)： 調(diào)速范圍寬， 可無級調(diào)速； 精度高， 額定負(fù)載與空

17、載下， 轉(zhuǎn)速變化小， 機(jī)械特性硬， 動(dòng)態(tài)性能好； 啟動(dòng)、 制動(dòng)快， 超調(diào)、 振蕩小， 抗干擾（負(fù)載、 電源干擾）能力強(qiáng)， 動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)速降小， 恢復(fù)時(shí)間短。 直流電機(jī)的四象限調(diào)速如圖1-4所示。 ,圖1-4直流電機(jī)的四象限調(diào)速,由式（1-20）可知， 他勵(lì)直流電機(jī)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(jī)勵(lì)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(dāng)開關(guān)沒有閉合時(shí)， 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(gè)開關(guān) 都短

18、接后只剩下電樞電阻。 這種調(diào)速原理實(shí)際上是利用 電樞電流Ia在電阻上的壓降不同， 即轉(zhuǎn)速降 不同而得到不同的轉(zhuǎn)速。 ,圖1-5改變電阻調(diào)速原理圖,當(dāng)電機(jī)空載時(shí)， 電樞電流很小， 轉(zhuǎn)速降幾乎為零， 因此采用串電阻調(diào)速時(shí)， 無論串多大的電阻， 其空載時(shí)的轉(zhuǎn)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(diǎn)是設(shè)計(jì)、 安裝、 調(diào)整方便， 設(shè)備簡單， 投資少； 其缺點(diǎn)也十分明顯， 由圖1-6可見， 隨著串聯(lián)電阻的增大， 其機(jī)械特性變軟， 電阻能耗大， 只能進(jìn)行有級調(diào)速。 串電阻調(diào)速電路簡

19、單， 目前仍然在一些生產(chǎn)機(jī)械上應(yīng)用。 ,1.4.2減弱電機(jī)勵(lì)磁磁通調(diào)速 改變電機(jī)的勵(lì)磁電壓， 即可改變勵(lì)磁電流， 從而改變勵(lì)磁磁通。 實(shí)際應(yīng)用中只采用減弱勵(lì)磁磁通來升速的方法， 這是由于電動(dòng)機(jī)磁通在額定值時(shí)， 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(zhuǎn) 速和轉(zhuǎn)速降均增加， 電機(jī)轉(zhuǎn)速升高。 由式（1-14）可知， 減弱磁通使電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te=KmIa減小， 若負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變， 必將導(dǎo)致電樞電流增大， 電樞電流的增大又將導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降增大， 即機(jī)械特性變軟， 增大電機(jī)發(fā)熱。 這種調(diào)速法調(diào)速范圍不大， 一般只在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速時(shí)才應(yīng)用， 但在

20、某些特殊場合也有通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁穩(wěn)速的應(yīng)用設(shè)備。 某電機(jī)改變磁通時(shí)的調(diào)速特性如圖1-7所示， 從上至下， 四條曲線的磁通依次增大。 ,圖1-7改變磁通時(shí)的調(diào)速特性 （橫軸為電流， 縱軸為轉(zhuǎn)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(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速， 而轉(zhuǎn)速降是不受影響的， 即電機(jī)的機(jī)械特性硬度不變。 改變電機(jī)的供電電壓， 其機(jī)械特性僅僅上下移動(dòng)， 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(jī)械特性最硬。 ,按最高轉(zhuǎn)速nmax和最低轉(zhuǎn)速nmin設(shè)計(jì)調(diào)速系統(tǒng)時(shí)， 需要強(qiáng)調(diào)的是， 對于非弱磁調(diào)速系統(tǒng)， 電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速就是電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速nN。 對于一般的調(diào)速系統(tǒng)而言， 希

21、望調(diào)速范圍愈大愈好。 ,顯然， 靜差率這個(gè)指標(biāo)表述的是負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速的變化程度。 需要指出的是， 在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中， Ce不變， 在高速運(yùn)行和低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速降是相同的， 而其對應(yīng)的理想空載轉(zhuǎn)速卻不相同， 如圖1-8所示。 其靜差率也不相同， 低速時(shí)的靜差率大， 高速時(shí)的靜差率小， 因此一般來說靜差率s是指最低轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率， 只要低速時(shí)靜差率滿足要求， 高速時(shí)也會(huì)滿足要求。 ,圖1-8調(diào)壓調(diào)速時(shí)不同轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速降,事實(shí)上， 調(diào)速范圍和靜差率這兩個(gè)指標(biāo)并不是相互孤立的， 必須同時(shí)應(yīng)用才有意義。 一個(gè)系統(tǒng)的調(diào)速范圍是指在最低轉(zhuǎn)速時(shí)滿足靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。 脫離了靜差率指標(biāo)要求， 任何系統(tǒng)都可以

22、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) 調(diào)速范圍D、 靜差率s和轉(zhuǎn)速降n之間的關(guān)系 為了便于在設(shè)計(jì)過程中衡量電機(jī)的機(jī)械特性是否滿足所設(shè)計(jì)系統(tǒng)的靜態(tài)指標(biāo)要求， 把調(diào)速范圍D、 靜差率s和轉(zhuǎn)速降n之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)式聯(lián)系起來， 有,2. 動(dòng)態(tài)指標(biāo) 動(dòng)態(tài)指標(biāo)包括跟隨性指標(biāo)和抗擾性指標(biāo)兩大類。 1) 跟隨性指標(biāo)(單位階躍響應(yīng)) 當(dāng)給定信號不同時(shí)， 輸出的響應(yīng)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(shí)間都是越小越好。 具體的指標(biāo)如下所述：,(3) 調(diào)節(jié)時(shí)間ts。 調(diào)

23、節(jié)時(shí)間又稱過渡過程時(shí)間， 它反映了調(diào)節(jié)過程的快慢， 原則上應(yīng)該是從給定輸入階躍變化開始到輸出量完全穩(wěn)定下來為止這段時(shí)間。 實(shí)際應(yīng)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(yīng)曲線不超出此誤差帶所需的時(shí)間稱為調(diào)節(jié)時(shí)間ts。 上升時(shí)間tr、 超調(diào)量%、 調(diào)節(jié)時(shí)間ts三者的關(guān)系如圖1-9所示。 ,圖1-9跟隨性指標(biāo)關(guān)系,2) 抗擾性指標(biāo) 在調(diào)速系統(tǒng)中， 抗擾性指標(biāo)一般用突加（卸）負(fù)載情況下系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化過程來表示，具體包括穩(wěn)態(tài)降落或升高、 恢復(fù)時(shí)間等。 (1) 動(dòng)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(dòng)， 如突加負(fù)載或突卸負(fù)載， 由此所引起的轉(zhuǎn)速變化用輸出量的原轉(zhuǎn)速穩(wěn)

24、態(tài)值c1的百分?jǐn)?shù)來表示。 輸出量在動(dòng)態(tài)降落后逐漸恢復(fù)達(dá)到新的穩(wěn)態(tài)c2， 一般情況下原穩(wěn)態(tài)和新穩(wěn)態(tài)的轉(zhuǎn)速值不相同， 兩者之差c1c2稱為穩(wěn)態(tài)降落或升高。 ,(2) 恢復(fù)時(shí)間。 從擾動(dòng)（如突加負(fù)載或突卸負(fù)載）開始到輸出量達(dá)新的穩(wěn)態(tài)值的誤差范圍之內(nèi)所需要的時(shí)間定義為恢復(fù)時(shí)間tv。 突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性指標(biāo)關(guān)系如圖1-10所示。 圖中， tm為最大降落時(shí)間。,圖1-10突加負(fù)載時(shí)的動(dòng)態(tài)過程和抗擾性指標(biāo)關(guān)系,,1.5開環(huán)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng) 直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速方案有三種： 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組、 晶閘管相控靜止整流、 直流脈寬調(diào)制。 1.5.1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組就是用交流電機(jī)(同步電機(jī)或異步電機(jī))作為原動(dòng)

25、機(jī)帶動(dòng)直流發(fā)電機(jī)為直流電機(jī)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(jī)的勵(lì)磁電壓， 即調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流的大小， 從而實(shí)現(xiàn)可調(diào)直流電壓， 達(dá)到直流電機(jī)調(diào)速的目的。 ,為了供給可調(diào)的勵(lì)磁電壓， 還需要一臺(tái)直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)。 改變直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方向， 就改變了其輸出電壓的極性， 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)向就發(fā)生改變， 也就是說這種調(diào)速系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的可逆運(yùn)行。 其機(jī)械特性為一組平行的直線， 圖1-11顯示了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)原理， 圖1-12顯示出其機(jī)械特性。 ,圖1-11旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)原理,圖1-12旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性,圖1-11中，JD為交流電動(dòng)機(jī)， L為直流勵(lì)磁發(fā)電

26、機(jī)， F為直流發(fā)電機(jī)， D為直流電機(jī)； S1S4為接觸器， S1、 S4閉合或S2、 S3閉合可以調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電壓的正負(fù)， 達(dá) 到控制勵(lì)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(jī)勵(lì)磁電壓的大小。 由圖1-11可以看出， 交流電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)和直流發(fā)電機(jī)工作， 這種供電方案需要兩臺(tái)與調(diào)速電機(jī)容量相當(dāng)?shù)碾姍C(jī)和一臺(tái)較小的勵(lì)磁直流發(fā)電機(jī)， 所需設(shè)備多， 占用場地大， 費(fèi)用高， 噪聲大。 在早期調(diào)速系統(tǒng)中一般應(yīng)用這種方案， 目前已較少應(yīng)用， 但旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組在大功率直流電源供電系統(tǒng)中仍有應(yīng)用價(jià)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

27、服旋轉(zhuǎn)機(jī)組供電的缺點(diǎn)， 得到了廣泛的應(yīng)用。 晶閘管變流技術(shù)通過控制晶閘管的導(dǎo)通角， 從而控制其輸出整流電壓。 與旋轉(zhuǎn)機(jī)組相比其 噪音小， 晶閘管整流無旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)機(jī)組相比， 晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上有所提高， 而且在技術(shù)性能上也顯示出較大的優(yōu)越性。 如在快速性指標(biāo)中， 旋轉(zhuǎn)機(jī)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(diǎn)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(jī)供電， 此電壓為脈動(dòng)電壓，

28、 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(zhuǎn)速嚴(yán)格來說仍然是脈動(dòng)的。 電流波形的脈動(dòng)存在電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況， 當(dāng)平波電感足夠大， 電機(jī)的負(fù)載電流也足夠大時(shí)， 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(jī)械特性是不相同的， 因此機(jī)械特性也分為兩種情況。 ,,,,,圖1-14晶閘管整流供電的電機(jī)系統(tǒng)機(jī)械特性,由圖可見， 電流連續(xù)時(shí)機(jī)械特性較硬， 為一條直線； 斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性為非線性， 理想空載轉(zhuǎn)速升高， 機(jī)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(guān)。 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(guān)斷/全

29、控器件(GTR、 MOSFET、 IGBT)的成熟應(yīng)用， 其開關(guān)頻率高（可達(dá)上百kHz）， 既可控制導(dǎo)通又可控制關(guān)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(yīng)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(guān)斷/全控器件的導(dǎo)通和關(guān)斷， 把不可調(diào)的直流電壓轉(zhuǎn)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(jī)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(jì)算如下：,圖1-15直流PWM原理,三種調(diào)壓調(diào)速方法中， 無論

30、哪一種， 只要調(diào)節(jié)電壓， 就可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 由于控制電壓和輸出轉(zhuǎn)速之間只有正向聯(lián)系而沒有反向聯(lián)系， 因而控制是單向的， 轉(zhuǎn)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(shí)， 隨著負(fù)載的增加， 電機(jī)轉(zhuǎn)速下降。 對于對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求不高的生產(chǎn)機(jī)械， 可以采用開環(huán)調(diào)速。 由于其結(jié)構(gòu)簡單， 因而大多數(shù)拖動(dòng)電機(jī)都可以采用開環(huán)調(diào)速。 但對于對轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求較高的生產(chǎn)機(jī)械， 則必須采用閉環(huán)調(diào)速。 ,,1.6轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出轉(zhuǎn)速與負(fù)載有關(guān)， 在同樣的電樞電壓下， 負(fù)載變化， 輸出轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生變化， 要想獲得在不同擾動(dòng)下恒定的轉(zhuǎn)速是不可能的。 由控制原理可知， 要想穩(wěn)定哪個(gè)物理

31、量， 就負(fù)反饋該物理量， 因此， 要穩(wěn)定轉(zhuǎn)速就應(yīng)該反饋電機(jī)轉(zhuǎn)速， 構(gòu)成轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速系統(tǒng)。 ,1.6.1系統(tǒng)組成 在直流電機(jī)軸上裝一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)MG， 測量電機(jī)轉(zhuǎn)速， 得到與電機(jī)轉(zhuǎn)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(jī)的轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)組成如圖1-16所示。 ,圖1-16轉(zhuǎn)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

32、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。 ,1.6.2轉(zhuǎn)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(jī)轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流的穩(wěn)態(tài)關(guān)系， 假設(shè)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(jī)輸出電壓與轉(zhuǎn)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(jī)： Un=n,電機(jī)轉(zhuǎn)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(guān)系， 畫出轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖， 如圖1-17所示。 ,圖1-17轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,(1） 當(dāng)放大系數(shù)

33、K較大時(shí)， 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降大大減小， 在相同負(fù)載下， 閉環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降只是開環(huán)系統(tǒng)的1/(1+K)。 (2） 當(dāng)理想空載轉(zhuǎn)速相同時(shí)， 閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多， 在相同負(fù)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(dāng)靜差率相同時(shí)， 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(dāng)給定電壓相同時(shí)， 閉環(huán)系統(tǒng)的空載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速相同， 則閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。

34、(5） 無論K有多大， 總不等于零， 也就是說， 只用放大器的轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)是有穩(wěn)態(tài)誤差的。,(6） 從控制理論可知， 閉環(huán)系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗干擾性能， 對于作用于被負(fù)反饋所包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)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(zhuǎn)速測量所造成的誤差無法自動(dòng)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(jī)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(zhuǎn)速單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型 1. 直流電機(jī)數(shù)學(xué)模型 在整個(gè)機(jī)電過渡過程中， 電氣過渡過程和機(jī)械過渡

35、過程同時(shí)存在， 又互相影響。 直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)方程如下： ,式中： u、 ia、 E、 Te分別為動(dòng)態(tài)過程中電壓（V）、 電流（A）、 感應(yīng)電動(dòng)勢（V）、 電磁轉(zhuǎn)矩（Nm）的瞬時(shí)值； L為電樞電感（H）; TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩（Nm）； GD2為電動(dòng)機(jī)以及其它部件的飛輪力矩（Nm）； n為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速（r/min）。,定義下列時(shí)間常數(shù)： 電樞回路電磁時(shí)間常數(shù) 電力拖動(dòng)系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù) 得直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型， 如圖1-18所示。 ,圖1-18直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型(電流連續(xù)) (a) 直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型(電流連續(xù))； （b）、 (c) 不考慮負(fù)載擾動(dòng)的直流電動(dòng)機(jī)模型,從圖1-18可見， 直流電機(jī)有兩個(gè)輸入

36、量： 一個(gè)是理想的空載直流電壓Ud， 另一個(gè)是負(fù)載電流IL。 前者是控制輸入量， 后者是擾動(dòng)輸入量。 如果不考慮擾動(dòng)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(fù)載擾動(dòng)的直流電機(jī)的數(shù)學(xué)模型圖(c)。 ,2. 電力電子變換裝置的數(shù)學(xué)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(xué)模型時(shí)把它們作為電力電子變換裝置， 看做一個(gè)環(huán)節(jié)， 其輸入量為控制電壓， 輸出量為電機(jī)電樞電壓。 在進(jìn)行靜態(tài)特性分析時(shí)把該環(huán)節(jié)等效為一個(gè)比例放大環(huán)節(jié)， 考慮到系統(tǒng)的失控時(shí)間， 事實(shí)上該部分為純滯后的放大環(huán)節(jié)。 當(dāng)控制電壓變化時(shí)， 輸出電壓要到下一個(gè)脈沖周期才變化，

37、 從控制電壓變化到輸出電壓變化這一時(shí)間稱為失控時(shí)間。 ,對于晶閘管來說， 它是一個(gè)半控器件， 觸發(fā)脈沖只能在晶閘管陽極承受正向電壓時(shí)使晶閘管導(dǎo)通。 晶閘管一旦導(dǎo)通， 門極即失去控制作用， 無法控制其關(guān)斷。 雖然觸發(fā)脈沖可以控制移相角， 但正處于導(dǎo)通的晶閘管在關(guān)斷后輸出電壓才能發(fā)生變化， 這一段時(shí)間為失控時(shí)間， 顯然失控時(shí)間是隨機(jī)的， 其最大值為整流電路兩個(gè)自然換向點(diǎn)之間的時(shí)間， 最小時(shí)間為零， 取決于電路結(jié)構(gòu)和電源頻率。 一般來說， 不同的整流電路有不同的失控時(shí)間， 全波整流電路的失控時(shí)間小于半波整流電路， 三相整流電路的失控時(shí)間小于單相整流電路。 在實(shí)際應(yīng)用中， 一般取整流電路兩個(gè)自然換向點(diǎn)

38、之間的時(shí)間的一半作為平均失控時(shí)間Ts。 ,對于全控器件， 它既可以控制導(dǎo)通又可以控制關(guān)斷。 PWM波形的產(chǎn)生一般是由周期固定的三角波和控制電壓進(jìn)行比較而產(chǎn)生的。 控制電壓的變化只能在下一個(gè)比較點(diǎn)才起作用， 這一段時(shí)間就是失控時(shí)間。 其最大失控時(shí)間為三角波的周期， 最小時(shí)間為零。 取周期的二分之一作為平均失控時(shí)間Ts。 全控器件的平均失控時(shí)間小于半控器件。 因此， 電力電子變換裝置 的數(shù)學(xué)模型可表示為,,圖1-19單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖,,1.7無靜差調(diào)速系統(tǒng)和基本調(diào)節(jié)電路 一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)要能很好地完成任務(wù)， 首先必須工作穩(wěn)定， 同時(shí)還必須滿足調(diào)節(jié)過程的指標(biāo)要求, 即系統(tǒng)的響應(yīng)速度、 穩(wěn)定

39、性、 最大偏差等。 很明顯， 自動(dòng)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， 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(huì)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(gè)矛盾， 可以根據(jù)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求和實(shí)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(dāng)偏差為零時(shí)， 其控制作用也就消

40、失了。 也就是說在穩(wěn)態(tài)時(shí)， 轉(zhuǎn)速只能接近給定值而不能完全等于給定值， 此時(shí)系統(tǒng)屬于有靜差調(diào)速系統(tǒng)， 它只能減少靜差， 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(dāng)脈沖信號通過RC電路時(shí)， 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(shí)刻瞬間達(dá)到最大值， 電阻兩端電壓此刻也達(dá)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(gè)鋸齒波電壓。 這種電路稱為微分電路，

41、 由于它對階躍輸入信號前沿“反應(yīng)”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,2. 積分調(diào)節(jié)器 再來看圖1-23， 脈沖信號出現(xiàn)時(shí)， 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(shí)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(dá)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(yīng)”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(shí)間常數(shù)。 只要輸入uin0， 積分電路的輸出就不斷變化， 當(dāng)uin=0時(shí)， 其輸出保持在輸入信號為零時(shí)的瞬時(shí)

42、值， 此時(shí)即使輸入信號發(fā)生突變， 其輸出也不會(huì)發(fā)生突變。 積分調(diào)節(jié)器的這種作用稱為積累作用、 遲緩作用或記憶作用。 只要uin極性不變， 輸出就一直單調(diào)增加， 當(dāng)uin=0時(shí)， 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(shí)， 輸出才減小。,因?yàn)榉e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(dāng)輸入信號uin為階躍信號時(shí)， 初始時(shí)刻（t=0）電容C兩端電壓不 能突變， 相當(dāng)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(dāng)t0時(shí)， 電容

43、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=R0C稱為積 分時(shí)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(shí)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(shí)發(fā)揮積分調(diào)節(jié)器的優(yōu)點(diǎn)。 ,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(jī)調(diào)速中通常以抗擾性指標(biāo)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(gè)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(jì)算機(jī)實(shí)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(dòng)控制原

44、理可以知道， 系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差計(jì)算公式 ， 式中e(t)為誤差， E(s)為復(fù)變 量誤差， s為復(fù)變量。 定義一個(gè)閉環(huán)負(fù)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(jī)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(gè)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(shí)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。

45、 把單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)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)的結(jié)構(gòu)圖。 令， 輸入為IL(s)， 輸出n(s)用n(s)代替， 得到負(fù)載擾動(dòng)引起的轉(zhuǎn)速偏差:,當(dāng)采用比例校正環(huán)節(jié)時(shí) 當(dāng)采用比例積分（PI）校正環(huán)節(jié)時(shí) 讀者可以自行推導(dǎo)。 ,,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(fù)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(zhuǎn)速負(fù)反饋。 但是， 要實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋必須有轉(zhuǎn)速檢測裝置， 例如前述的測速發(fā)電機(jī)， 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(hù)都比較麻煩。 因此， 人們自然會(huì)想到， 對于調(diào)速指標(biāo)要求不高的系統(tǒng)來

46、說， 能否采用其它物理量反饋代替轉(zhuǎn)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(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng) 在電動(dòng)勢、 轉(zhuǎn)速不很低時(shí)， 電樞電阻壓降比電樞端電壓要小得多， 因而可以認(rèn)為直流電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢與端電壓近似相等， 或者說， 電機(jī)轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比。 在這種情 況下， 電壓負(fù)反饋就能基本上代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用了， 而檢測電壓顯然要比檢測轉(zhuǎn)速方便得多。 電壓負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)僅僅是把測速發(fā)電機(jī)用一個(gè)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(fù)反饋直

47、流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖,圖1-28是比例控制的電壓負(fù)反饋直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理圖， 它與轉(zhuǎn)速反饋調(diào)速系統(tǒng)不同之處僅在于電壓負(fù)反饋信號取自電樞電壓的測量電位器RP。 設(shè)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(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖1-29所示。 ,圖1-29電壓控制負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖,由穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性方程式可以看出， 電壓負(fù)反饋系統(tǒng)實(shí)際上只是一個(gè)自動(dòng)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(fù)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能比帶同樣放

48、大器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)要差一些。 在實(shí)際系統(tǒng)中， 為了減小靜態(tài)速降， 電壓負(fù)反饋信號的引出線應(yīng)盡量靠近電動(dòng)機(jī)電樞兩端。 ,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(yùn)算放大器， 非但不起調(diào)節(jié)作用， 反而會(huì)產(chǎn)生干擾， 嚴(yán)重時(shí)會(huì)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(jī)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(dòng)機(jī)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

49、沒有直接電的聯(lián)系。 ,1.8.2電動(dòng)勢反饋直流調(diào)速系統(tǒng) 僅采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)固然可以省去一臺(tái)測速發(fā)電機(jī)， 但是由于它不能彌補(bǔ)電樞電壓降所造成的轉(zhuǎn)速降落， 因而調(diào)速性能不如轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 根據(jù)電動(dòng)勢公式E=Cen可知， 用電動(dòng)勢代替轉(zhuǎn)速， 可以反映轉(zhuǎn)速的變化情況。 電機(jī)的電動(dòng)勢無法直接測量， 由直流電機(jī)的電壓平衡關(guān)系可知， 通過測量電機(jī)電樞電壓和電流可以間接得到電動(dòng)勢：,圖1-30電動(dòng)勢負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖,圖中電壓負(fù)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(dāng)負(fù)載增大使靜態(tài)速降增加時(shí)， 電流正反饋信號也增大， 通過運(yùn)算放大器使電力電子裝置電壓隨之增加， 從而補(bǔ)償了

50、轉(zhuǎn)速的降落。 因此， 電流正反饋的作用又稱為電流補(bǔ)償控制。 具體的補(bǔ)償作用有多少， 由系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的參數(shù)決定。 ,由被調(diào)量負(fù)反饋構(gòu)成的反饋控制和由擾動(dòng)量正反饋構(gòu)成的補(bǔ)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(bǔ)償控制卻能把靜差消除， 這似乎是補(bǔ)償控制的優(yōu)越性。 但是， 反饋控制采用自動(dòng)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(bǔ)償控制則要靠參數(shù)的配合， 當(dāng)參數(shù)受溫度等因素影響而發(fā)生變化時(shí)， 補(bǔ)償?shù)臈l件就要受到破壞， 消除靜差的效果就會(huì)改變。 再進(jìn)一步看， 反饋控制對一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)的前向通道上的擾動(dòng)都有抑制， 而補(bǔ)償控制則只能針對某一種擾動(dòng)有效。 ,電流

51、正反饋只能補(bǔ)償負(fù)載擾動(dòng)， 如果遇到電網(wǎng)電壓波動(dòng)這樣的擾動(dòng)， 它反而會(huì)起負(fù)面作用。 因此， 在實(shí)際調(diào)速系統(tǒng)中很少單獨(dú)使用電流正反饋補(bǔ)償控制， 只是在電壓（或轉(zhuǎn)速）負(fù)反饋系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加上電流正反饋補(bǔ)償， 作為減少靜差的補(bǔ)充措施。 此外， 決不能采用全補(bǔ)償這種臨界狀態(tài)， 因?yàn)槿绻O(shè)計(jì)好全補(bǔ)償后， 萬一參數(shù)變化， 發(fā)生過補(bǔ)償， 則不僅系統(tǒng)的靜特性要上翹， 還會(huì)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(fù)反饋 1.9.1問題的提出 直流電機(jī)全電壓啟動(dòng)時(shí)， 如果沒有采取專門的限流措施， 會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流， 這不僅對電機(jī)換向不利， 對于電力電子器件來說， 更是不允許的。 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋

52、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(dāng)突然加給定電壓時(shí)， 由于系統(tǒng)存在慣性， 因而電機(jī)不會(huì)立即轉(zhuǎn)起來， 轉(zhuǎn)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(shí)放大器和觸發(fā)驅(qū)動(dòng)裝置的慣性都很小， 使功率變換裝置的輸出電壓迅速達(dá)到最大值Ud max， 對電動(dòng)機(jī)來說相當(dāng)于全電壓啟動(dòng)， 這通常是不允許的。 對于要求快速啟/制動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械， 給定信號多采用突加方式。 另外， 有些生產(chǎn)機(jī)械的電 機(jī)可能會(huì)遇到堵轉(zhuǎn)的情況， 例如挖土機(jī)、 軋鋼機(jī)等， 其閉環(huán)系統(tǒng)特性很硬， 若無限流措施， 電流會(huì)大大超過允許值。 如果依靠過電流繼電器或快速熔斷

53、器進(jìn)行限流保護(hù)， 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(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)電流過大的問題， 系統(tǒng)中必須設(shè)有自動(dòng)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(gè)物理量基本不變， 只要引入該物理量的負(fù)反饋就可以了。 因此， 引入電流負(fù)反饋能夠保持電流不變， 使它不超過允許值。 但是， 電流負(fù)反饋的引入會(huì)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(fù)反饋的限流作用只在啟動(dòng)和堵轉(zhuǎn)時(shí)存在， 在正常運(yùn)行時(shí)不起作用， 以使電流能自由地隨著負(fù)載增減。 這種當(dāng)電流大到一定程度時(shí)才起作用的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋。 ,1.9.2電流截止負(fù)反饋環(huán)

54、節(jié) 為了實(shí)現(xiàn)電流截止負(fù)反饋， 必須在系統(tǒng)中引入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的具體電路形式不同， 無論采用哪種形式， 其基本思想都是將電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號， 然后去和一個(gè)比較電壓Ucom（該電壓大小代表電流參與負(fù)反饋的閾值）進(jìn)行比較。 電流負(fù)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(jī)， 通常在電動(dòng)機(jī)電樞回路串入一個(gè)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(jìn)行比較。 對于大功率電機(jī), 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。

55、,當(dāng)IdRsUcom時(shí)， 電流負(fù)反饋信號起作用; 當(dāng)IdRsUcom時(shí)， 電流負(fù)反饋信號被截止， 不參與反饋。 可以利用穩(wěn)壓管的擊穿電壓作為比較電壓Ucom， 組成電流負(fù)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(fù)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(fù)反饋的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng) 圖1-32給出了帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)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

56、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(yīng)穩(wěn)壓管的擊穿電壓為Ucom， 于是有 Idcr=Ucom(1-66),圖1-32帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)原理框圖,帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性如圖1-33所示。 顯然， 當(dāng)IdIdcr時(shí)， 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速是無靜差的， 靜特性是平直的（圖1-36中AB段）； 當(dāng)IdIdcr時(shí)， 對應(yīng)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(jī)特性， 因?yàn)橥谕翙C(jī)在運(yùn)行中如果遇到堅(jiān)硬的石塊而過載時(shí)， 電機(jī)停下， 這時(shí)的電流稱為堵轉(zhuǎn)電流Idbl。 電機(jī)堵

57、轉(zhuǎn)時(shí)， n=0， 此時(shí)， 電流信號和穩(wěn)壓管電壓之和應(yīng)等于給定電壓,圖1-33帶電流截止負(fù)反饋的單閉環(huán)轉(zhuǎn)速 負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜特性,,習(xí)題與思考題 1.1大功率直流電機(jī)為什么不能直接啟動(dòng)？ 直流脈寬調(diào)制(PWM)能否實(shí)現(xiàn)降壓啟動(dòng)？ 1.2他勵(lì)直流電機(jī)的調(diào)速方法有哪些？ 各有什么特點(diǎn)？ 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(guān)系。 ,1.5某調(diào)速系統(tǒng)， 直流電機(jī)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(zhuǎn)速為1000r/min， 電樞電阻為0.1 ， 若采用開環(huán)控制， 計(jì)算： (1) 額定負(fù)載下的靜態(tài)速降

58、n; (2) s=0.1時(shí)系統(tǒng)的調(diào)速范圍D; (3) D=5， s=0.1時(shí)系統(tǒng)允許的n。 1.6某調(diào)速系統(tǒng)的最高轉(zhuǎn)速為1500 r/min， 最低轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速反饋系數(shù)能否改變電機(jī)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速？ 為什么？ 轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)在受到電機(jī)電樞電阻、 負(fù)載、 供電電壓、 測速電機(jī)參數(shù)和勵(lì)磁電流波動(dòng)等因素的影響時(shí)有無調(diào)節(jié)能力？ 為什么？ 1.8電動(dòng)勢反饋能否取代轉(zhuǎn)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(dāng)uin=0時(shí)， 輸出還變化嗎？ 是否為零？ 如何使輸出減??？,,