单闭环直流调速系统

一、转速负反馈直流调速系统

转速负反馈直流调速系统的原理如图l7—40所示.

转速负反馈直流调速系统由转速给定、转速调节器ASR、触发器CF、晶闸管变流器U、测速发电机TG等组成。

直流测速发电机输出电压与电动机转速成正比。经分压器分压取出与转速n成正比的转速反馈电压Ufn.

转速给定电压Ugn与Ufn比较,其偏差电压ΔU=Ugn-Ufn送转速调节器ASR输入端。

ASR输出电压作为触发器移相控制电压Uc,从而控制晶闸管变流器输出电压Ud. 本闭环调速系统只有一个转速反馈环，故称为单闭环调速系统。 1．转速负反馈调速系统工作原理及其静特性

设系统在负载TL时,电动机以给定转速n1稳定运行，此时电枢电流为Id1，对应转速反馈电压为Ufn1,晶闸管变流器输出电压为Udl。

nUdId(RdR)UdRdRIdn0n

CeCeCe当电动机负载TL增加时,电枢电流Id也增加，电枢回路压降增加，电动机转速下降，

则Ufn也相应下降，

而转速给定电压Ugn不变,ΔU=Ugn-Ufn增加。

转速调节器ASR输出电压Uc增加，使控制角α减小，晶闸管整流装置输出电压Ud增加,于是电动机转速便相应自动回升，其调节过程可简述为:

TL↑→Id↑→Id（R∑+Rd)↑→n↓→Ufn↓→△U↑→Uc↑→α↓→Ud↑→n↑。

图17—41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系.

图中①②③④曲线是不同Ud之下的开环机械特性。

假设当负载电流为Id1时,电动机运行在曲线①机械特性的A点上。

当负载电流增加为Id2时，在开环系统中由于Ugn不变，晶闸管变流器输出电压Ud也不会变,但由于电枢电流Id增加,电枢回路压降增加，电动机转速将由A点沿着曲线①机械特性下降至B'点，转速只能相应下降。

但在闭环系统中有转速反馈装置，转速稍有降落，转速反馈电压Ufn就相应减小，使偏差电压△U增加，通过转速调节器ASR自动调节，提高晶闸管变流器的输出电压Ud0由Ud01变为Ud02，使系统工作在随线②机械特性上，使电动机转速有所回升，最后稳定在曲线②机械特性的B点上。

同理随着负载电流增加为Id3，Id4，经过转速负反馈闭环系统自动调节作用，相应工作在曲线③④机械特性上，稳定在曲线③④机械特性的C，D点上。

将A,B,C,D点连接起来的ABCD直线就是闭环系统的静特性。

由图可见，静特性的硬度比开环机械特性硬，转速降Δn要小。闭环系统静特性和开环机械特性虽然都表示电动机的转速—电流(或转矩)关系，但两者是不同的，

闭环静特性是表示闭环系统电动机转速与电流(或转矩)的静态关系，它只是闭环系统调节作用的结果，是在每条机械特性上取一个相应的工作点，只能表示静态关系，不能反映动态过程。

当负载突然增加时，如图所示由Idl突增到Id2时，转速n先从A点沿着①曲线开环机械特性下降，然后随着Ud01升高为Ud02，转速n再回升到B点稳定运行，整个动态过程不是沿着静特性AB直线变化的。

2．转速负反馈有静差调速系统及其静特性分析 对调速系统来说，转速给定电压不变时，除了上面分析负载变化所引起的电动机转速变化外，还有其他许多扰动会引起电动机转速的变化，例如交流电源电压的变化、电动机励磁电流的变化等，所有这些扰动和负载变化一样都会影响到转速变化.对于转速负反馈调速系统来说，可以被转速检测装置检测出来，再通过闭环反馈控制减小它们对转速的影响。也就是说在闭环系统中，对包围在系统前向通道中的各种扰动（如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流的变化等）对被调量(如转速）的影响都有强烈的抑制作用。但是对于转速负反馈调速系统来说，转速给定电压Ugn的波动和测速发电机的励磁变化引起的转速反馈电压Ufn变化，闭环系统对这种给定量和检测装置的扰动将无能为力。为了使系统有较高的调速精度,必须提高转速给定电源和转速检测装置的精度。

在图17-40所示的转速负反馈调速系统中,当转速调节器ASR采用比例调节器时，则该系统对于给定量Ugn来说,是有静差调速系统。这种调速系统在稳态时,反馈量与给定量不相等,存在偏差△U，△U =Ugn—Ufn.因为这种调速系统是依靠偏差△U≠0为前提工作的，是通过偏差△U的变化来进行调节的,因此系统的反馈量只能减小偏差△U的变化而不能消除偏差，即偏差△U始终存在，不能为零。假如偏差△U=0,则转速调节器(比例调节器）ASR的输出电压Uc=Kp△U=0，晶闸管变流器输出电压Ud0=0,电动机也将不可能运行,系统无法正常运行。

为了分析方便，假定系统中所有环节都是工作在线性范围内,也就是说各环节(如调节放大器、触发器及晶闸管变流器、测速发电机等）的输入输出关系都是线性的，并且假定晶闸管—电动机系统的电动机全部工作在电流连续段，即它的开环机械特性全是连续段。

对于图17-40所示的转速负反馈单闭环调速系统来说，各环节的静态（稳态)方程式如下：

转速调节器采用比例放大器：

式中 Kp——放大器的电压放大倍数。 触发器和晶闸管变流器: 式中 Ud0--晶闸管变流器的空载输出电压；

uc—-触发器的移相控制电压(即转速调节器输出电压）; Ku--晶闸管变流器的电压放大倍数。

晶闸管一电动机系统：

测速发电机:

式中 Kfn-—测速发电机的反馈系数。

从上述四个关系式中消去中间变量并整理后，即可求得转速负反馈单闭环调速系统的静特性方程为：

式中 K——闭环系统的开环放大系数,K=KpKuKfn／(Ceφ)； n0b——闭环系统的理想空载转速; Δnb-—闭环系统的静态速降. 3．开环系统和闭环系统的比较

在图17—40所示的转速负反馈单闭环调速系统中，当断开转速反馈回路时,系统即为开环系统，其机械特性为：

式中 n0k——开环系统的理想空载转速； 、 Δnk—-开环系统的静态速降。

由以上分析可知，开环系统和闭环系统相比较有以下几方面的特点：

（1）在转速给定电压Ugn相同时，开环系统的理想空载转速n0K为闭环系统的理想空载转速n0b的(1+K）倍。这是由于闭环系统的转速反馈电压Ufn抵消大部分的转速给定电压Ugn,使加在转速调节放大器ASR输入端的电压(U=Ugn—Ufn)很小的缘故。 (2）闭环系统静特性比开环系统机械特性硬，在相同负载电流条件下,闭环系统的

静态转速降Δnb仅为开环系统静态转速降Δnk的1／(1+K）倍。

(3）当闭环系统的理想空载转速nOb和开环系统的理想空载转速nOk相同时，此时闭环系统的静差率Sb（Sbnbnk)仅为开环系统的静差率Sk（Sk）的1／（1+K)n0bn0k倍，系统闭环后静差率可显著减小。

(4）当系统静差率S要求一定时，闭环系统可大大提高调速范围D.

当开环系统和闭环系统电动机的最高转速都为ne，而最低静差率的要求相同时，闭环系统的调速范围可达开环系统调速范围的(1+K)倍。 (5)闭环系统中，一方面转速紧紧跟随转速给定电压变化,另一方面对包围在闭环系统前向通道中各种扰动（如负载变化、交流电压波动、电动机励磁电流变化等)的影响有强烈的抑制作用。

4．转速负反馈无静差调速系统 如前所述，当转速负反馈调速系统中转速调节器采用比例调节器时，系统是依靠偏差为前提而工作的,这是有静差的调速系统。当转速负反馈调速系统中转速调节器采用积分调节器或比例积分调节器时，由于积分调节器或比例积分调节器具有积分控制作用，不仅能依靠△U本身，还能依靠偏差△U的积累进行调节.当系统给定量和反馈量一出现,△U就进行调节，以消除偏差直到△U=0,但其积分仍存在，有相应的输出（不像比例调节器当△U为零时，其输出也为零），从而使调速系统在稳态时无静差,这就是无静差的调速系统,所以转速调节器采用积分调节器或比例积分器的调速系统是无静差系统。 虽然采用积分调节器的调速系统是无静差系统，使系统在稳态时没有静差，但它的动态响应速度很慢。当实际转速n偏离给定转速时，在转速调节器ASR（积分调节器）的输人端虽然立即产生偏差信号△U,但是转速调节器ASR（积分调节器）的输出电压Uc不是迅速地紧跟输入信号的变化而变化,而是随时间线性增加(或减小)，它的动态响应速度很慢。因而实际应用中转速调节器ASR很少采用积分调节器，都是采用比例积分调节器.

图17—42为转速调节器ASR采用比例积分调节器的单闭环转速负反馈无静差调速系统。

由前面分析可知，比例积分调节器的输出由比例和积分两部分组成。比例部分能迅速反映调节作用，而积分部分则能最后消除静态偏差.比例积分调节器的等效放大倍数在静态与动态过程中是不同的.当突加输入电压Ui的瞬间，电容C相当于短路，等于反馈回路只有反馈电阻Rf的情况，此时相当于比例调节器动态等效放大倍数Rf/R1比较小;而在稳态（静态)时，电容相当于开路，调节器相当于开路,等效放大倍数很大，近似等于运算放大器的开环放大

倍数(10～l0)，可以使系统做到基本无静差。由于系统是无静差调速系统,系统的静特性很硬，静态转速降Δn≈O，因而没有必要进行静特性计算。 下面详细分析负载变化时系统的调节过程。

稳态时,对应于转速给定电压Ugn及负载转矩TL1,电动机稳定转速为n1，电动机的电流为Id1。此时转速反馈电压为Ufnl，转速调节器ASR(比例积分调节器）的输入偏差电压△U=Ugn1-Ufnl=0，(即Ugnl=Ufnl)，而ASR的输出电压Uc由于积分作用保持在Uc1，使晶闸管变流器输出电压为Ud1，以维持电动机在转速给定n1下运转.当负载转矩在某一瞬间突然由TL1增加到TL2，负载转矩大于电动机的电磁转矩而造成电动机转速开始下降，于是转速偏离给定值n1而产生转速偏差Δn，使转速调节器ASR输入偏差电压△U=Ugn1-Ufnl＞0，于是通过转速调节器ASR(比例积分调节器)产生调节作用而消除偏差。为了分析方便起见，先分别考虑转速调节器ASR的“比例”与“积分”两部分的调节作用，然后再叠加起来分析总的调节过程。

首先考虑ASR转速调节器的比例部分的调节作用。当△U＞0后，比例部分立即输出Kp△U，相应使晶闸管变流器输出电压增加△Ud1,△Udl的大小与转速偏差△n成正比,如图l7-43c所示的曲线①。△n越大,△Ud1也越大，调节作用也越强,使转速缓慢下降直到回升，如图l7—43b所示.随着n回升，△n逐渐减小，△Ud1也逐渐减小。当转速回升至n1时，△n=0，Ufn1=

Ugn1，△U=0,△Ud1=0，比例部分的调节作用结束。ASR

调节器的积分调节作用主要是在调节过程的后一阶段，积分部分的输出电压等于偏差电压△U的积分，相应使晶闸管变流器输出电压增加△Ud2，△Ud2的增长速度与偏差电压△U成正比，如图17—43c所示的曲线②。开始阶段△n很小，△U也小，△Ud2增加很慢。当△n最大时，△U亦最大，△Ud2增加最快。在调节末期△n又减小，△U亦减小,△Ud2的增加也随之减慢。当△n=0时，△Ud2不再继续增加而保持不变，如图l7-43c所示的曲线②(此时△Ud1=0）.由曲线②可见积分作用的结果是最后使Ud比原来的输出电压Ud1增加了△Ud2.由图17—43d可见，Ud由原来Udl成为Ud2，而Ud2一Udl=△Ud2，增加部分的电压△Ud2正好补偿由于负载增加而引起的主回路的电阻压降增加部分，即△ud2=△IdR∑，从而使转速回到原来的稳定转速n1上,使系统实现无静差调节。

ASR转速调节器的总调节作用就是比例作用和积分作用的综合,总△Ud变化曲线为曲线①和曲线②的叠加,如曲线③所示。在整个调节过程开始和中间阶段，比例调节起主要作用,它首先快速阻止转速继续下降，并使转速迅速回升.随着转速的回升且接近原转速n，时，比例调节作用越来越小.在调节过程的后期阶段,积分调节起主要作用，依靠它来最后消除转速偏差,因为只有当转速偏差消除时,即当n=n1，△n=0，Ufn1=Ugn1，△U=0时，积分调节作用才会停止.由图l7-43d可见，在调节过程中，晶闸管变流器输出电压Ud等于调节过程开始时的Udl加上曲线③所示的电压增量△Ud，△Ud为比例部分与积分部分的电压增量△Ud1与△Ud2之和。在调节过程结束时，晶闸管变流器输出电压Ud由Udl增加到Ud2，即Ud2=Udl—△Ud，增加部分电压△Ud正好补偿由于负载增加而引起的主回路电阻压降增加部分△IdR∑，电动机的转速又回升到原来的给定转速n1,转速调节器ASR输入偏差电压△U=0，而

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转速调节器ASR的输出电压Uc由于积分作用稳定在Uc2上（Uc2＞Uc1)，它使晶闸管变流器输出电压Udl稳定在Ud2上.电动机的负载转矩增加越大,则转速调节器ASR输出电压Uc和晶闸管变流器输出电压Ud增加越多。

由图l7-43b可见,无静差调速系统只是在静态(稳态）下是无差，而在动态过程中是有差的,图中△nmax为最大动态速降，它是突加阶跃扰动下动态过程中的最大转速降；ts为恢复时间，它是从原稳定状态过渡到新稳态所经历的时间，△nmax和ts是调速系统两个主要动态性能指标。

上述的无静差调速系统在理论上讲是无静差，但是实际应用中由于调节放大器本身不是理想的,放大倍数不可能是无穷大，此外，测速发电机本身也存在一定的误差，因此这种调速系统仍然有少量的静差。

二、带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统

以上所叙述的转速负反馈单闭环直流调速系统存在起动电流过大等问题。这是因为开始起动瞬间，转速给定电压Ugn 突然加上,由于机械惯量电动机转速仍然为零，即n=0，转速反馈电压Ufn=0，转速调节器ASR输入电压△U=Ugn，使ASR输出电压Uc很大，晶闸管变流器输出电压Ud亦很大.此时，电动机电枢电流IdUdEUd （起动瞬间n=0，E=CeRRΦn=0),由于电枢电阻RΣ很小，起动电流很大。这过大起动电流将对晶闸管和直流电动机

运行产生严重的不利影响,甚至使晶闸管和直流电动机烧毁。此外，有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况，由于转速负反馈调速系统的静特性较硬，如果没有限制电流措施,电动机的电枢电流将大大超过额定值,使晶闸管和直流电动机烧毁.

为了解决转速负反馈单闭环直流调速系统存在的起动和堵转时电流过大的问题，系统中就必须有限制电枢电流过大的保护环节。根据反馈控制原理,要维持某一物理量(如转速)不变时，就引入那个物理量的负反馈（如转速负反馈）。现在要防止电流过大，使电流在一定的情况下，保持某一数值不变，为此可以在系统中引入电流负反馈。但是在转速负反馈单闭环直流调速系统中，如果始终存在电流负反馈,则将会使静特性变软,影响调速精度,为了使电流负反馈在系统正常运行时不起作用,而在电流过大（超过某一允许值)时起强烈作用，这样的电流负反馈称之为电流截止负反馈。 带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统如图l7-44所示。

由17-44图可见，电流信号从串人电动机电枢回路的电阻R上取出，电阻R上的电压大小就反映电枢电流Id的大小。这个电流反馈电压与比较电压Ubj反向串联，比较电压Ubj大小可调。当Ubj大时，相应的截止电流Idj也大;当Ubj小时，相应的截止电流Idj也小。在

R与比较电压Ubj之间串有一个二极管VD。IdR＞Ubj时，二极管VD导通，电流负反馈信号电压Ufi加到转速调节器ASR输入端，其极性与转速给定电压极性相反，因而随着负载电流的增加，电流反馈电压Ufi增加，转速调节器输出电压Uc迅速下降,晶闸管整流装置输出电压Ud也随之迅速下降，这样就限制了电枢电流的进一步增加.若负载继续增加,电动机转速迅速下降，直到电动机堵转。当电动机堵转时，输出电压Ud=IduR∑，其中Idu为电动机的堵转电流，这个堵转电流是电动机和晶闸管整流装置短路时所允许的电流，因此就保护晶闸管整流装置和电动机.

当IdR＜Ubj时，二极管VD因承受反向电压而截止，相当于电流截止负反馈环节断开，整个系统与没有电流截止负反馈环节一样,此时系统相当于转速负反馈的单闭环调速系统，静特性硬,转速降很小.带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统的静特性如图17—45所示，图中Idj为截止电流，Idu为堵转电流,该系统具有“控土机特性”。

实际应用的小功率直流调速系统中,常采用如图l7—46所示电流截止负反馈线路。

图中R、电位器RP、稳压管VS2和三极管V5等组成了电流截止负反馈环节。电流信号从并联在串入电动机电枢电路的电阻R两端的电位器RP取出。电流Id流过电阻R产生的电压降IdR反映了电流Id的大小，比较电压就是稳压管VS2的击穿电压。当主回路电流Id超过截止电流值时，从电位器RP取出的电压大于稳压管VS2的击穿电压时就有电流通过VS2使V5导通,从而使电容C的充电电流减小，因而触发脉冲后移，晶闸管整流器输出电压Ud下降,从而限制电流继续增大。截止电流大小可通过电位器RP调整。 三、电压负反馈和电流正反馈直流调速系统 如前所述，转速负反馈调速系统必须配备测速发电机等转速检测装置。这不仅增加了系统的总投资，而且增加了系统的维护工作量，因此在调速性能指标要求不高的场合，常采用电压负反馈或带电流正反馈的电压负反馈直流调速系统。下面简单介绍它们的工作原理及应用。

1．电压负反馈直流调速系统

图l7-47所示为电压负反馈直流调速系统的原理图。由并接在电动机电枢两端的电阻R3，R4、电位器RP组成的分压器取出电压反馈信号Ufu，UfuR3R5Ud。UfuR3R4R5R6与转速给定电压相减，偏差电压△U=Ugn-Ufu送电压调节器输入端.调节器输出电压作为触发器移相控制电压Uc，从而控制晶闸管变流器的输出电压Ud，以达到控制电动机转速的目的。

设Ud0为晶闸管变流器的理想空载电压，Ud为电动机电枢电压,它们之间的关系为：

式中 Rn——晶闸管变流器内阻(包括平波电抗器电阻）； Rd——电动机电枢电阻。 由上式可知，当电动机负载电流增加时,由于主回路中Rn的电阻压降增加，使电动机电枢电压Ud下降，转速n下降。但由于系统加入了电压负反馈，电压反馈电压Ufu减小，电压调节器输入偏差电压△U=Ugm—Ufu增加，电压调节器输出电压Uc增加，晶闸管变流器输出电压Ud0增加,以补偿主回路中Rn的电阻压降，使电动机转速n自动回升一些。上述调节过程可以表示为Id↑→IdRn↑→Ud↓→Ufu↓→△U↑→Uc↑→Ud0↑→Ud↑→n↑. 由以上分析可知，电压负反馈调速系统实际上是一个电压调节系统。当电流Id变化时，能够维持电动机电枢电压Ud基本不变。电压负反馈能克服在主回路中Rn上电阻压降所引起的转速降，然而对主回路中电枢电阻Rd上产生的电阻压降所引起的转速降则无能为力。 同理，该系统对电动机励磁电流的扰动也无能为力。因此,电压负反馈调速系统的性能指标比转速负反馈调速系统差一些，但该系统不需测速发电机等转速检测装置,结构简单，所以在调速性能指标要求不高的场合，仍然获得应用。实际应用中为了尽量减小转速降，电压负反馈的引出线应尽可能靠近电动机电枢两端。 2．带电流正反馈的电压负反馈调速系统

如上所述，电压负反馈调速系统对于电动机的电枢电阻压降引起的转速降无力进行补偿。为了提高电压负反馈调速系统静特性的硬度，减小静态速降，可在原电压负反馈系统中加入电流正反馈环节,组成如图17-48所示的带电流正反馈的电压负反馈调速系统.

图中电流正反馈信号从主回路串联电阻R上取得，此信号Ud（IdR）能反映主回路电流的大小。它加在调节器的输人端，其极性与转速给定电压相同.调节器的输入信号有转速给定电压Ug、电压负反馈电压Ufu以及电流正反馈电压Ufi，综合以后的输入偏差电压为△U=Ugn-Ufu+Ufi.该系统中电压负反馈的工作原理如上节所述，现只分析电流正反馈的工作原理。当负载电流增加时，电流正反馈电压Ufi也随之增加,调节器输入电压△U也增加，其输出电压Uc也增加，晶闸管变流器输出电压Ud0也相应增加，其增量△Ud用以补偿电动机电枢电阻压降所引起的转速降，从而使系统的静特性硬度增加、减小静态速降。上述调节过程可以表示为：Id↑→IdR↑→Ufi↑→△U↑→Uc↑→Ud0↑→Ud↑→n↑。

这里需要特别指出：电流正反馈和电压负反馈是性质完全不同的两种控制作用,电压负反馈是被控量的负反馈,是反馈控制作用，而电流正反馈是扰动补偿控制作用，不是反馈控制作用.

从理论上分析，可适当选择参数，使电流正反馈作用所产生的转速升高完全补偿主回路电压降所引起的转速降,但实际上是很难办到的.因为，在运行过程中电阻阻值会因发热而变化，有可能造成电流正反馈作用过强，形成过补偿状态，使系统的静特性上翘，引起系统的不稳定。因此，为了保证系统的稳定性，一般总是将电流正反馈调整得弱一些，使它处于欠补偿状态。

转速负反馈调速系统、电压负反馈调速系统、带电流正反馈的电压负反馈调速系统的静特性如图l7—49所示。