华中科技大学：《机电传动控制》第十一章 直流传动控制系统（11.2）晶闸管－电动机直流传动控制系统

11.2晶闸管一电动机直流传动控制系统 分类 ,单闭环直流调速系统 按结构的不同:调节速度 扩大调速范围,减小静态误差。 11.2.1单闭环直流调速系统 有静差调速系统 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系 统,简称有静差调速系统; )转速负反馈调速系统 1.基本组成

11.2 晶闸管－电动机直流传动控制系统 按结构的不同： 单闭环直流调速系统 双闭环直流调速系统 可逆系统 11.2.1 单闭环直流调速系统 一、有静差调速系统 单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系 统，简称有静差调速系统； （一）转速负反馈调速系统 1. 基本组成 按静态误差的不同： 无静差直流调速系统 有静差直流调速系统 任务： ➢ 调节速度； ➢ 扩大调速范围，减小静态误差。 分类：

放大器:将外加电 触发电路:将放大器放大后整流电路:变交流 压和反馈信号经转换后的电压信号变为脉冲型号去控‖电压为直流电压 的电压之差进行放大。制整流电路的输出大小。 输出电压大小触 发电路输出脉冲信 号所决定,整流电 路的输出为直流电 动机电枢的外加电 直流电动机系 统的控制对象 给定电位器:转换元件:将测速|测速发电机:与直流电动机 调节R的位置可发电机的转速转换成M同轴相连,即两者的速度相 改变给定电压Ug电压信号以便与给定同,测速发电机用来测量电动 的大小。 电压进行比较。 机的速度,称检测元件;

测速发电机：与直流电动机 M同轴相连，即两者的速度相 同，测速发电机用来测量电动 机的速度，称检测元件； 转换元件：将测速 发电机的转速转换成 电压信号以便与给定 电压进行比较。 给定电位器： 调节Rg的位置可 改变给定电压Ug 的大小。 放大器：将外加电 压和反馈信号经转换后 的电压之差进行放大。 触发电路：将放大器放大后 的电压信号变为脉冲型号去控 制整流电路的输出大小。 整流电路：变交流 电压为直流电压， 输出电压大小由触 发电路输出脉冲信 号所决定，整流电 路的输出为直流电 动机电枢的外加电 压； 直流电动机：系 统的控制对象

由系统的结构分析可知:m5SwE 系统的调速方法是改变外加电压调速; ◆系统的反馈信号是被控制对象n本身; ☆反馈电压和给定电压的极性相反,即:AU=Ug-Ur 该系统又称转速负反馈调速系统 2.工作原理 (1)稳态(Ug、U不变) U=UgU不变→Uk不变→a不变→U不变不变 当Ug、L不变时,电动机的转速不变,这种状态称为稳态。 (2)调速(U不变,改变U的大小) U个→AU个=Un-U→>Uk个→a→U个→n个 Ug→LU=Ug-Ur→Uk→a↑→Ua>n 改变U的大小可改变电动机的转速,这种状态称为调速 (3)稳速(Ug不变、负载变化使U变化) 当负载增加使n→U{→AU↑=Un-Ur→Uk↑→a↓U个→n个 当负载减小使n↑→U→△=Ug-Ur→Uk4→a个→Ua4→n 当负载发生变化使速度发生变化后,系统通过反馈能维持速度基本不变,这 种状态称为稳速

U = Ug −U f 由系统的结构分析可知：T9-5.SWF ❖ 系统的调速方法是改变外加电压调速； ❖ 系统的反馈信号是被控制对象n本身; ❖ 反馈电压和给定电压的极性相反，即: 该系统又称转速负反馈调速系统。 2. 工作原理 当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。  U = Ug −U f 不变 →Uk不变 → 不变 →Ud不变→ n 不变 (2) 调速（Uf不变，改变Ug的大小） Ug → U= Ug −U f →Uk → →Ud → n  Ug → U = Ug −U f →Uk → →Ud → n  改变Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为调速. (1) 稳态（Ug、Uf不变） (3) 稳速（Ug不变、负载变化使Uf变化) 当负载增加使 n →U f → U = Ug −U f →Uk → →Ud → n  当负载减小使 n →U f → U = Ug −U f →Uk → →Ud → n  当负载发生变化使速度发生变化后，系统通过反馈能维持速度基本不变，这 种状态称为稳速

3.静特性分析 目的:找到减小静态速降、扩大调速范围,提高系统性能的途径。 静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系 (1)各环节输入输出的关系 °电动机电路 K,④n+InR=C,n+lR 式中:Rx=Rx+R→电枢回路的总电阻 R 可控整流电源的等效内阻; R 电动机的电枢电阻。 ◎可控硅和触发电路 设可控硅和触发电路的放大倍数为K2,则Un≈K2Uk 放大器电路 设放大器的放大倍数为K,则Uk=KP△AU=Ug=Ur):+氵 ⊙反馈电路 速度反馈信号电压与转速n成正比,设放大系数为Kp则: Us=K

3. 静特性分析 目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。 静特性表示出电动机的转速与负载电流之间的大小关系。 (1) 各环节输入输出的关系 电动机电路 Ud = Ken + IaR = Cen + IaR 式中: R = Rx + Ra 电枢回路的总电阻； Rx 可控整流电源的等效内阻； Ra 电动机的电枢电阻。 可控硅和触发电路 设可控硅和触发电路的放大倍数为K2 ，则： Ud  K2Uk 放大器电路 设放大器的放大倍数为KP ，则： ( ) Uk = KPU = K p Ug −U f 反馈电路 速度反馈信号电压与转速n成正比，设放大系数为Kf，则： U f = K f n

(2)静特性 KC=KK P 2—从放大器输入端到可 d=cen+lars 控整流电路输出端的电压 Ud=ku 放大倍数 Uk=KplUg-Uf K KK 闭环系统的放大倍数。 Us=K 如果系统没有转速负反馈(即 KUk=Cen+lary 开环系统)时,则整流器的输出 电压 K2kp(Ug -Uf)=cen+lary d KK P KcU=Cn+R K2KpUg-k2kpkfn=Cen+lars g 由此可得开环系统的机械特性 K,KnUg-IaRy n 方程: KK.Kr+c e KcU。R KoK.K n ∠r 令:KG=K2Kn,K 则: 开环系统的静特性 K IR n 2(1+K)Ce(1+K) of 闭环系统的静特性

(2) 静特性  == − == +  U K n U K (U U ) U K U U C n I R f f k p g f d k d e a 2  K2Uk = Cen + IaR  K2Kp(Ug −U f ) = Cen + IaR  K2KpUg − K2KpK f n = Cen + IaR p f e p a K K K C K K Ug I R n + − =  2 2 令： 则： ep f G p C K K K K K K ,K 2 = 2 = of f e a e G g n n C ( K ) I R C ( K ) K U n = −  + − + =  1 1 − −闭环系统的静特性 KG = KpK2 ——从放大器输入端到可 控整流电路输出端的电压 放大倍数； K K 2 CK K p ef = ——闭环系统的放大倍数 。 如果系统没有转速负反馈 （ 即 开环系统 ） 时 ，则整流器的输出 电压 : Ud = Kp K2Ug = KG Ug = Cen + Ia R 由此可得开环系统的机械特性 方程 : I n n CR C K U n a e e G g = − = −   0 − −开环系统的静特性

(3)分析与结论 KcU R KGU。R n C2(1+K)C2(1+h/"-AN n a=o-∠n 闭环系统的静特性 开环系统的静特性 理想空载转速 KcU 在给定电压一定时,有:mf=C(1+K)1+K g 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样,即/of=no 转速降 ∠n C2(1+K)1+K ◎调速范围与静差度 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下, 开环: 闭环 D M(r n e max2 AnN(I-S2) My(1-s)△N/-S2) =+K)D 1+K

(3)分析与结论 of f e a e G g n n C ( K ) I R C ( K ) K U n = −  + − + =  1 1 − −闭环系统的静特性 I n n C R C K U n a e e G g = − = −   0 − −开环系统的静特性 理想空载转速 在给定电压一定时，有: K n C ( K ) K U n e G g f + = + = 1 1 0 0 转速降 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即， n0 f = n0 K n I C ( K ) R n a e f + = + =  1 1   调速范围与静差度 在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下， 开环： n ( S ) n S D N emax 2 2 1− =  闭环 ： ( K )D ( S ) K n n S n ( S ) n S D N emax Nf max f = + − + = − = 1 1 1 1 2 2 2 2  

结论: ≯提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施 系统的放大倍数越大,准确度就越高,静差度就越小,调速范围就越太但是放 大倍数也不能过分增大,否则系统容易产生不稳定现象 >由于放大倍数不可能为无穷大,即静态速降不可能为0,因此,上述系统只能 维持速度基本不变。这种维持被调量(转速)近于恒值不变,但又具有偏差的反 馈控制系统通常称为有差调节系统(即有差调速系统) >采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用(如负载的变化、电动机励磁的变化、 晶闸管交流电源电压的变化等)对电动机转速的影响

结论： ➢由于放大倍数不可能为无穷大，即静态速降不可能为0，因此，上述系统只能 维持速度基本不变。这种维持被调量（转速）近于恒值不变，但又具有偏差的反 馈控制系统通常称为有差调节系统（即有差调速系统）。 ➢采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、 晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。 ➢提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。 系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。但是放 大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象

(二)其他反馈在自动调速系统中的应用 1.电压负反馈系统 由公式n 可知: Ko Kg 电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小,可以近似地反 映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量,以 调整转速。 U g (1)电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别 72 °反馈信号不同,前者为被控制量的间接量电压,后者为被控制量本身; ⊙检测元件不同,前者为电位器,后者为测速发电机

（二）其他反馈在自动调速系统中的应用 1. 电压负反馈系统 由公式 a e a e d I K R K U n   = − 可知： 电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反 映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以 调整转速。 (1) 电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别 反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身； 检测元件不同，前者为电位器，后者为测速发电机

(2)工作原理 稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。 在给定电压U。一定时,其调整过程如下: 负载一々个 Ln↑→U→U个→U个→a→U个 设Ln=0时,晶闸管的输出电压为U 导姐状态 则UU-UAK J 1>la>1>0 电压负反馈系统的特点: 线路简单 关断状态 >稳定速度的效果并不大 Ue UaI UDsM 电动机端电压即使由于负反馈的作用 (Usp) 而维持不变,但是负载增加时,电动机电 枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大,电 动机速度还是要降低。或者说电压负反馈, 顶多只能补偿可控整流电的等效内阻所引 起的速度降落

(2) 工作原理 稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同。 在给定电压Ug一定时，其调整过程如下： 负载  n  Ia  U f  U  Uk    Ud   设Ia = 0时，晶闸管的输出电压为U 电压负反馈系统的特点: ➢ 线路简单 ➢ 稳定速度的效果并不大 电动机端电压即使由于负反馈的作用 而维持不变，但是负载增加时，电动机电 枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电 动机速度还是要降低。或者说电压负反馈， 顶多只能补偿可控整流电的等效内阻所引 起的速度降落。 则 Ud=U-UAK

2.电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统 D Ux 本 R (1)系统特点 >R为电压反馈检测元件,并接在电动机电枢两端,其上的电压大小重 接反映电动机电枢两端电压的大小,故称电压反馈; >R为电流正反馈检测元件,串接在电动机电枢回路中,其上的电压大 小直接反映电动机电枢电流的大小,故称电流反馈。 >系统的总反馈电压Ur=b-U4U=Um-U=U1+Dn 因为反馈电压U的极性与给定电压的极性相反,故称电压负反馈,反馈电 压U的极性与给定电压的极性相同,故称电流正反馈 要使系统稳定运行,系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。 Uv-U>O

2. 电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统 (1) 系统特点 ➢ RP为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直 接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈； ➢ R为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大 小直接反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。 ➢ 系统的总反馈电压 U f = UV −UI U =Ug −U f =Ug −UV +UI 因为反馈电压UV的极性与给定电压的极性相反，故称电压负反馈，反馈电 压UI的极性与给定电压的极性相同，故称电流正反馈。 ➢要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。 U f = UV −UI  0