机电传动 电动机

第九章 直流传动控制系统

9.1 自动调速系统主要性能指标

机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提出的调速技术指标来决定的，技术指标有静态指标和动态指标。

一、静态技术指标

1．静差度S

速度稳定性指标。静差度表示出生产机械运行时转速稳定的程度。用S表示，即： S?n0?ne?ne? n0n0其中：?ne??静态速降。

当负载变化时，生产机械转速的变化要能维持在一定范围之内，即要求静差度S小于一定数值。

不同的生产机械对静差度的要求不同，如下表所示。

普通设备 普通车床 龙门刨床 冷轧机 S≤50% 由S?S≤30% S≤5% 热轧机 S≤2% 0.2%~0.5% n0?ne?ne?可知：电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性n0n0就愈高。在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。

2. 调速范围D

在额定负载下允许的最高转速nemax和在保证生产机械对转速变化率要求的前提下所能达到的最低转速nemin之比称为调速范围，用D表示，即：

D?nemax nemin不同的生产机械要求的调速范围各不相同，如下表所示。

车床 20～120 龙门刨床 20～40 钻床 铣床 轧钢机 造纸机 进给机械 3～15 10～20 5～30000 2～12 20～30 采用机械和电气联合调速时，如D是指生产机械的调速范围，若以Dm代表机械调速范围，De代表电气调速范围，则De?DDm。

3. 调速的平滑性

调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高，若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调，称为无极调速。不同的生产机械对调速的平滑性要求也不同，有的采用有极调速即可，有的则要求无级调速。

现以改变直流电动机电枢外加电压调速为例，说明调速范围D与静差度S之间的关系。 如图9.1所示是调速系统在高速和低速时电动机对应的两条机械特性曲线。

图9.1 调速系统在高速和低速时电动机对应的两条机械特性曲线

则：

D?nemaxnemax??neminn02??nenemax??nen02??1?n02??????nemaxS

?ne(1?S)上式表示出最高速度、最低速度、静态速降和静差度四者之间的关系。

通常最高速度由系统中所使用电动机的额定转速决定；静差度S和调速范围D由生产机械的要求决定。当上述三个参数确定后，则要求静态速降是一个定值。

二、动态技术指标

生产机械由电动机拖动，在调速过程中，从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转（启动、制动过程仅是特例而已），由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡过程，或称动态过程。

实际上，生产机械对自动调速系统动态品质指标的要求除过渡过程时间外，还有最大超调量、振荡次数等，如图9.2所示是以被调量转速n为例，系统从n1改变到n2时的过渡过程。

图9.2 速度变化的过渡过程

1. 最大超调量

Mp?nmax?n2?100% n2超调量太大，达不到生产工艺上的要求，但太小，则会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等，一般Mp为10%～35%。 2. 过渡过程时间T

从输入控制（或扰动）作用于系统开始直到被调量n进入（0.05 ～0.02）n2稳定值区间时为止（并且以后不再越出这个范围）的一段时间，叫作过渡过程时间。 3. 振荡次数 N

在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值上下摆动的次数，图中所示为1次。 上述三个指标是衡量一个自动调速系统过渡过程品质好坏的主要指标。 如图9.3所示是三种不同调速系统被调量从x1改变为x2时的变化情况。

图9.3 三种不同调速系统的过渡过程

系统1的被调量要经过很长时间才能跟上控制量的变化，达到新的稳定值；系统2的被调量虽变化很快，但要经过几次振荡才能停在新的稳定值上。这两个系统都不能令人满意，系统3的动态性能才是较理想的。不同的生产机械对动态指标的要求不尽相同，如龙门刨床、轧钢机等可允许有一次振荡，而造纸机则不允许有振荡的过渡过程。

三个系统的动态性能比较如下表所示。

系统 超调量 过渡过程时间T 振荡次数 N 性能 1 2 3

0 大 小 长 中 短 无 多 中 不好 不好 好 9.2晶闸管－电动机直流传动控制系统

直流调速系统中，目前，用得最多的是晶闸管－电动机调速系统。

晶闸管－电动机直流传动控制系统常用的有单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统和可逆系统。

一、有静差转速负反馈调速系统

单闭环直流调速系统常分为有静差调速系统和无静差调速系统两类：

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；

无静差调速系统：单纯由被调量负反馈组成的而按积分（或比例积分）控制的系统，属无静差的自动调节系统，简称无静差调速系统；

1．转速负反馈调速系统基本组成

转速付反馈调速系统的基本组成如图9.4所示。

图9.4有静差调速系统的基本组成

由系统的结构分析可知：

（1）系统的调速方法是改变外加电压调速； （2）系统的反馈信号是被控制对象n本身；

（3）反馈电压和给定电压的极性相反，即?U?Ug?Uf。 因此，该系统称转速负反馈调速系统。

2．工作原理

（1）稳态（Ug、Uf不变） 当Ug、Uf不变时：

?U?Ug?Uf不变?Uk不变??不变?Ud不变?n不变

即当Ug、Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为稳态。

（2）调速（Uf不变，改变Ug的大小） Ug???U??Ug?Uf?Uk?????Ud??n?Ug???U??Ug?Uf?Uk?????Ud??n?

即：改变Ug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Uf变化）

当负载增加使n??Uf???U??Ug?Uf?Uk?????Ud??n?当负载减小使n??Uf???U??Ug?Uf?Uk?????Ud??n?

即：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

分析静特性的目的：分析静特性的主要目的是找到减小静态速降、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（包括整流变压器和平波电抗器等的电阻）； 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?KPΔU?Kp(Ug?Uf)

·反馈电路

速度反馈信号电压Uf与转速n成正比，设放大系数为即Kcf，则：

Uf?Kcfn

（2）静特性 根据：

?Ud??Ud??Uk?U?f?Cen?IaR??K2Uk?Kp(Ug?Ucf)?Kcfn

K2Uk?Cen?IaR?K2Kp(Ug?Uf)?Cen?IaR?K2KpUg?K2KpKcfn?Cen?IaR?K2KpUg?IaR?K2KpKcf?CeK2KpKcfCe则：

n?

令：KG?K2Kp，K?n?KGUgCe(1?K)?IaR?Ce(1?K)?nof??nf??闭环系统的静特性式中，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?KcfKpK2——闭环系统的开环放大倍数。 Ce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?KpK2Ug?KGUg?Cen?IaR?

由此可得开环系统的机械特性方程 n?KGUgCe?R?CeIa?n0?Δn??开环系统的静特 性

（3）分析与结论

比较开环系统和闭环系统的静特性，不难看出： ·在给定电压一定时，有

n0f?K0UgCe(1?K)?n0 1?K 即闭环系统的理想空载转速降低到开环时的

1倍，为了使闭环系统获得与开环系统1?K相同的理想空载转速，闭环系统所需要的给定电压Ug要是开环系统的（1+K）倍，因此，仅有转速负反馈的单闭环系统在运行中，若突然失去转速负反馈，就可能造成严重的事故。

·如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即

?nf?R?Ce(1?K)Ia??n1?K

即在同样负载电流下，闭环系统的转速降仅是开环系统转速降的高了机械特性的硬度，使系统的静差度减少。

1倍，从而大大提1?K·在最大运行转速nmax和低速时最大允许静差度S不变的情况下，开环系统和闭环系统的调速范围分别为

开环： D?闭环： Df?nmaxS2

ΔnN(1?S2)nmaxS2nmaSx2??(1?K)D

ΔnNf(1?S2)?nN(1?S2)1?K即闭环系统的调速范围为开环系统的(1+K)倍。

由上可见，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。

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。只要扰动引起电动机转速的变化能为测量元件——测速发电机等所测出，调速系统就能产生作用来克服它，换句话来说，只要扰动是作用在被负反馈所包围的环内，就可以通过负反馈的作用来减少扰动对被调量的影响，但是必须指出，测量元件本身的误差是不能补偿的。例如，当测速发电机的磁场发生变化时，则Uf就要变化，通过系统的作用，会使电动机的转速发生变化。因此，正确选择与使用测速发电机是很重要的。如用他励式测速发电机时，应使其磁场工作在饱和状态或者用稳压电源供电，也可以用永磁式的测速发电机（当安装环境不是高温，没有剧烈振动的场合），以提高系统的准确性。在安装测速发电机时还应注意轴的对中不偏心，否则也会对系统带来干扰。

二、有静差的电流正反馈与电压负反馈自动调速系统

速度（转速）负反馈是抑制转速变化的最直接而有效的方法，它是自动调速系统最基本的反馈形式。但速度负反馈需要有反映转速的测速发电机，它的安装和维修都不太方便，因此，在调速系统中还常采用其他的反馈形式。常用的有电压负反馈、电流正反馈、电流截止负反馈等反馈形式。

1．电压负反馈系统 由公式n?UdR?aIa 可知： Ke?Ke?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。具有电压负反馈环节的调速系统如图9.5所示。

图9.5 电压负反馈环节的调速系统

（1）电压负反馈调速系统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

图中Ug是给定电压，Uf是电压负反馈的反馈量，它是从并联在电动机电枢两端的电位计RP上取出来的，所以，电位计RP是检测电动机端电压大小的检测元件，Uf与电动机端电压U成正比，Uf与U的比例系数用α表示，称为电压反馈系数

??Uf/U

因ΔU?Ug?Uf，Ug和Uf极性相反，故为电压负反馈。 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??Uf??ΔU??Uk?????n???????U??????Ud???????

同理：负载减小时，引起n上升，通过调节可使n下降，趋于稳定。

电压负反馈系统的特点是线路简单，可是它稳定速度的效果并不大，因为，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Ra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源的等效内阻所引起的速度降落。

一般线路中采用电压负反馈，主要不是用它来稳速，而是用它来防止过压、改善动态特性、加快过渡过程。

2．电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统

由于电压负反馈调速系统对电动机电枢电阻压降引起的转速降落不能予以补偿，因而转速降落较大，静特性不够理想，使允许的调速范围减小。为了补偿电枢电阻压降IaRa，一般在电压负反馈的基础上再增加一个电流正反馈环节。具有电压负反馈和电流正反馈的调速系统如图所示：

图9.6 电压负反馈和电流正反馈调速系统系统

（1）系统特点

·RV为电压负反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小UV直接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈；RI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UI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Uf?UV?UI，而?U?Ug?Uf?Ug?UV?UI。因为反馈电压UV的极性与给定电压Ug的极性相反，故称电压负反馈，而反馈电压UI的极性与给定电压Ug的极性相同，故称电流正反馈。

UV·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。因此，调节UI、

的大小，保证Uf?UV?UI?0。

（2）工作原理

稳速和调速的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：

?n?n??????????????????????????????????Ia???UV??????U???Ug?UV?UI?UK?????Ud??U? ????UI??同理：负载减小时，引起n上升，通过调节可使n下降，趋于稳定。

（3）静特性分析

为了保证“调整”效果，电流正反馈的强度与电压负反馈的强度应按一定比例组成，如果比例选择恰当，综合反馈将具有转速反馈的性质。

为了说明这种组合，采用简化的主回路图如图所示。

图9.7 电压负反馈、电流正反馈主回路

图中：从a、o两点取出的是电压负反馈信号UV?Uao，从b、o两点取出的是电流正反馈信号UI?Ubo，从a、b两点取出的则代表综合反馈信号Uf?Uab。

Uab?Uao?Ubo

这里，Uao随端电压U而变，如果令 ?? 则有

Uao??U

式中，Uao——电压负反馈信号； U——电动机电枢端电压；

R2

R1?R2?——电压反馈系数。

Ubo随电流Ia而变，它代表Ia在电阻R3上引起的压降即电流正反馈信号，

Ubo?IaR3

将Uao与Ubo的表达式代入Uab的表达式中，得

Uab?Uao?Ubo??U?IaR3?UR2

R1?R2从电动机电枢回路电势平衡关系知 U?E?Ia(Ra?R3) Ia?(U?E)/(R3?Ra) 则：

Uab?UR2U?E?R3R1?R2R3?Ra

UR3ER3UR2???R1?R2R3?RaR3?Ra

上式如果满足下列条件 即:

UR3UR2??0

R1?R2R3?RaR3RR3R2R??2?3?Uab?

R1?R2R3?RaR1RaR3?RaR2R3?所示的条件时，从a、b两点取出的反馈信号形成的反馈，将R1Ra这就是说，满足

转化为电动机反电势的反馈。因为，反电势与转速成正比，E?Cen，所以，Uab也可以表示为Uab?R3Cen

R3?Ra这种反馈也可以称为转速反馈。 因为满足式

R2R3?后，电动机电枢电阻Ra与附加电阻R3、R2、R1组成电桥的四个R1RaR2R3?为高电阻R1Ra臂，a、b两点代表电桥的中点，所以这种线路称为高电阻电桥线路，式

电桥的平衡条件。高电阻电桥线路实质上是电势反馈线路，或者说是电动机的转速反馈线路。

三、带电流截止负反馈的转速负反馈调速系统 1．电流截止负反馈的作用

电流截止负反馈的作用：过载保护。

电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使?U随着负载电流的增加而减少，使电动机的速度迅速降低。

如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，这就会使电枢过流而烧坏。本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载，但是过流保护继电器，要触头断开，电动机断电方能保护，而采用电流负反馈作用为保护手段，则不必切断电动机的电路，只是使它的速度暂降下来，一旦过负载去掉后，它的速度又会自动升起来，这样有利于生产。

2．基本方法

当负载正常，电枢电流在一定范围内，电流截止负反馈不起作用；

当负载增加使电枢电流超过一定数值时，电流负反馈开始起作用，减小电动机电枢外加电压，转速下降；

当负载继续增加使电枢电流超过一定值时，电流负反馈足够强，它足以将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。即这种反馈可以人为地造成“堵转”，防止电枢电流过大而烧坏电动机。因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用，故称电流截止负反馈。这种特性因它常被用于挖土机上，故又称“挖土机特性”。

具有电流截止负反馈保护的调速系统的结构框图如图所示。

图9.8 具有电流截止负反馈保护的转速负反馈调速系统

3．工作原理

（1) 在电流较小时，IaR?Ub，二极管D不导通，电流负反馈不起作用，此时系统完全呈现转速负反馈的特性，故能得到稳态运行所需要的比较硬的静特性。

（2) 当主回路电流增加到一定值使IaR?Ub时，二极管D导通，电流负反馈信号IaR经过二极管与比较电压Ub比较后送到放大器，其极性与Ug极性相反，经放大后控制移相角?，使?增大，输出电压Ud减小，电动机转速下降。

（3) 如果负载电流一直增加下去，则电动机速度最后将降到零。电动机速度降到零后，电流不再增大，这样就起到了“限流”的作用。

加有电流截止负反馈的速度特性如图所示。

图9.9 具有电流截止负反馈保护的转速负反馈系统特性

其中：Iao——堵转电流，一般Iao??2~3?IaN。

Io——转折点电流，一般Io?1.35IaN。

（4) 比较电压Ub决定转折点电流Io的大小，电压越大，转折点电流越大，电压越小，转折点电流越小。所以，比较电压的大小如何选择是很重要的。一般按照转折电流Io?KIaN选取比较电压Ub。当负载没有超出规定值时，起截止作用的二极管不应该开放，也就是比较电压Ub应满足下式

Ub?Ubo?KIaNR 式中,Ub——比较电压；

Ubo——是截止元件二极管的开放电压；

K——转折点电流的倍数，即K?I转折/IaN?Io/IaN； R——电动机电枢回路中所串电流反馈电阻。

四、无静差转速负反馈调速系统 1．比例积分（PI）调节器

（1）比例调节器 比例器调节器如图所示：

图9.10 比例调节器

其输入输出之间的关系如下： Uo??R1Ui R0（2）积分调节器

积分调节器如图所示：

图9.11积分调节器

其输入输出之间的关系如下： Uo??

（3）比例积分调节器

比例运算电路和积分运算电路组合起来就构成了比例积分调节器，简称PI调节器，如图(a)所示。

11i1dt????Uidt CRoC

(a)电路 (b)时间特性 图9.12 比例积分（PI）调节器

其输入输出之间的关系如下：

U0??I1R1?1?I1dt C1又 I1?I0?Ui/R0 故 U0??R11Ui??Uidt R0R0C1由此可见，PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部

分。在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图(b)所示。

当突加输入信号Ui时，开始瞬间电容C1相当于短路，反馈回路中只有电阻R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；

而后随着电容C1被充电而开始积分，U0线性增长，直到稳态。 在稳态时，C1相当于开路，放大器呈现出极大的开环放大倍数。 2．采用PI调节器的无静差调速系统

如图9.13所示为一常用的具有比例积分调节器的无静差调速系统。

图9.13 具有比例积分调节的无静差调速系统

（1）静态时：U?Ug?Uf，调节作用停止，由于积分作用，调节器的输出电压Uk保持在某一数值上，即Ud固定，以维持电动机在给定转速下运转。由于静态时呈现出无穷大的放大倍数，系统可以消除静态误差，故称无静差调速系统。

（2）速度调节时：负载变化时比例积分调节器对系统的调节作用如图9.14所示。

当电动机负载突然增加（图中的t1时刻，负载突然由TL1增加到TL2）时，则电动机的转速将由n1开始下降而产生转速偏差?n［见图9.14 (b)］，它通过测速发电机反馈到PI调节器的输入端产生偏差电压?U?Ug?Uf?0，于是开始了消除偏差的调节过程。

首先，比例部分调节作用显著，其输出电压等于

R1?U，使控制角减小，可控整流电R0压增加?Ud1［图9.14（c）之曲线①］，由于比例输出没有惯性，故这个电压使电动机转速迅速回升。偏差?n越大，?Ud1也越大，它的调节作用也就越强，电动机转速回升也就越快。而当转速回升到原给定值n1时，?n?0，?U?0，故?Ud1也等于零。

积分部分的调节作用是：积分输出部分的电压等于偏差电压?U的积分，它使可控整流

电压增加的ΔUd2??ΔUdt或

d(?Ud2)即??U，

dt?Ud2的增长率与偏差电压?U（或偏差?n）成

正比。开始时?n很小，?Ud2增加很慢，当?n最大时，?Ud2的增加得最快，在调节过程中的后期?n逐渐减少了，?Ud2的增加也逐渐减慢了，一直到电动机转速回升到n1，?n?0时，

?Ud2就不再增加了，且在以后就一直保持这个

数值不变［图9.14（c）之曲线②］。

把比例作用与积分作用合起来考虑，其调节的综合效果见图9.14（c）曲线③，不管负载如何变化，系统一定会自动调节，在调节过程的开始和中间阶段，比例调节起主要作用，它首先阻止?n的继续增大，而后使转速迅速回升，在调节过程的末期，?n很小了，比例调节的作用不明显了，而积分调节作用就上到主要地位，依靠它来最后消除转速偏差?n，使转速回升到原值。这就是无静差调速系统的调节过程。

图9.14 负载变化时比例积 分调节器对系统的调节作用

可控整流电压Ud等于原静态时的数值Ud1加在调节过程进行后的增量??Ud1??Ud2?，如图9.14（d）所示。可见，在调节过程结束时，

可控整流电压Ud稳定在一个大于Ud1的新的数值Ud2上。增加的那一部分电压（即?Ud）正好补偿由于负载增加引起的那部分主回路压降（Ia2?Ia1)R?。 （3）特点：

·无静差调速系统在调节过程结束以后，转速偏差?n?0（PI调节器的输入电压?U也等于零），这只是在静态（稳定工作状态）上无差，而动态（如当负载变化时，系统从一个稳态变到另一个稳态的过渡过程）上却是有差的。

这个调速系统在理论上讲是无静差调速系统，但是由于调节放大器不是理想的，且放大倍数也不是无限大，测速发电机也还存在误差，因此实际上这样的系统仍然是有一点静差的。

这个系统中的PI调节器是用来调节电动机转速的，因此，常把它称为速度调节器（ST）。

五、双闭环直流调速系统

1．转速负反馈调速系统的特点

采用PI调节器组成速度调节器ST的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。从扩大调速范围的角度来看，它已基本上满足一般生产机械对调速的要求。

有些生产机械经常处于正反转工作状态（如龙门刨床、可逆轧钢机等），为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过渡过程的时间。但杂启动过程中，随着转速的升高，转速负反馈的作用越来越大，使启动转矩越来越小，启动过程变慢，因此转速负反馈调速系统不能满足快速启动、停止和反向的要求。

用加大过渡过程中的电流即加大动态转矩来实现快速启动、停止和反向的要求，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为此，应采取一种方法，使电动机在启动过程中，动态转矩保持不变，即电动机电枢电流不变，且为电动机电枢允许的最大电流，当启动结束后，使电流回到额定值。

理想的启动过程各参数的变化如图所示：

图9.15 理想的启动过程曲线

图中：

Ia、n为理想的启动过程曲线。由图可见：电动机在启动时，启动电流很快加大到允许

过载能力值Iam，并且保持不变，在这个条件下，转速n得到线性增长，当升到需要的大小时，电动机的电流急剧下降到克服负载所需的电流Ia值。

Ud为对应理想启动过程曲线所要求的可控整流器输出的电压曲线。由图可见：可控整

流器的电压开始应为IamR?，随着转速n的上升，Ud?Iam?Cen也上升，到达稳定转速时，Ud?IaR??Cen。

为此应把电流作为被调量，使系统在启动过程时间内维持电流为最大值Iam不变。这样，在启动过程中电流、转速、可控整流器的输出电压波形就可以出现接近于理想启动过程的波形，以做到在充分利用电动机过载能力的条件下获得最快的动态响应。

2．转速电流双闭环系统的组成

具有速度调节器ST和电流调节器LT的双闭环调速系统就是在这种要求下产生的，其结构如图所示。

图9.16 转速与电流双闭环调速系统方框图

1）系统采用两个调节器（一般采用PI调节器）分别对速度和电流两个参量进行调节，对速度进行调节的调节器称为速度调节器ST；而对电流进行调节的调节器称为电流调节器LT。

2）来自速度给定电位器的信号Ugn与速度反馈信号Ufn比较的偏差?Un?Ugn?Ufn送到速度调节器ST的输入端。速度调节器的输出Ugi作为电流调节器LT的给定信号，与电流反馈信号Ufi比较的偏差ΔUi?Ugi?Ufi送到电流调节器LT的输入端，电流调节器的输出

Uk送到触发器以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压Ud。

3）从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，为外环，二者进行串级联接。在控制系统中，常把这种系统称为双闭环系统。

3．转速电流双闭环调速系统的静态与动态分析 1） 静态分析

从静特性上看，维持电动机转速不变是由速度调节器ST来实现的。在电流调节器LT上，使用的是电流负反馈，它有使静特性变软的趋势，但是在系统中还有转速负反馈环包在外面，电流负反馈对于转速环来说相当于一个扰动作用，只要转速调节器ST的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就受到抑制。整个系统的本质由外环速度调

图9 .17 双闭环系统的启动特性

节器来决定，它仍然是一个无静差的调速系统。也就是说，当转速调节器不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被转速调节器的积分作用所抵消了，一旦ST饱和，当负载电流过大，系统实现保护作用使转速下降很大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用，这时系统表现为恒流调节系统，静特性便会呈现出很陡的下垂段特性。

2.）动态分析

以电动机启动为例，在突加给定电压Ugn的启动过程中，转速调节器输出电压Ugi、电流调节器输出电压Uk、可控整流

器输出电压Ud、电动机电枢电流Ia和转速

n的动态响应波形如图所示。

整个过渡过程可以分成三个阶段，在图中分别标以Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ。

·第Ⅰ阶段是电流上升阶段。当突加给定电压Ugn时，由于电动机的机电惯性较大，电动机还来不及转动?n?0?，转速负反馈电压Ufn?0，这时，?Un?Ugn?Ufn很大，使ST的输出突增

为Ugio，LT的输出为Uko，可控整流器的

输出为Udo，使电枢电流Ia迅速增加。当

图9.24 直流脉宽调速系统电压波形

由于机械惯性的作用，决定电动机转向和转速的仅为此电压的平均值。 设矩形波的周期为T，正向脉冲宽度为t1，并设??Uav?Us?t1??T?t1???Us?2t1?T?TT Us?2?T?T???2??1?US?Tt1为占空比。则电枢电压的平均值 T由上式可知，在T?C：

·当??1时, Uav?Us，正向转速最高； ·当??0.5时, Uav为正，电动机正转； ·当??0.5时，Uav?0，电动机转速为零； ·当??0.5时，Uav为负，电动机反转； ·当??0时，Uav??Us，反向转速最高。

因此，人为地改变正脉冲的宽度以改变占空比?，即可改变Uav的大小，达到调速的目的。连续地改变脉冲宽度，即可实现直流电动机的无级调速。

二、晶体管脉宽调速系统的主要特点

晶体管直流脉宽调速系统与晶闸管直流调速系统比较具有下列特点。

（1）主电路所需的功率元件少。实现同样的功能，一般晶体管的数量仅为晶闸管的1/3～1/6。

（2）控制线路简单。晶体管的控制比晶闸管的控制容易，不存在相序问题，不需要烦琐的同步移相触发控制电路。

（3）晶体管脉宽调制（PWM）放大器的开关频率一般为1kHz～3kHz，有的甚至可达5kHz。而晶闸管三相全控整流桥的开关频率只有300Hz，前者的开关频率差不多比后者高

一个数量级，因而晶体管直流脉宽调速系统的频带比晶闸管直流调速系统的频带宽得多。这样，前者的动态响应速度和稳速精度等性能指标都比后者好。

晶体管脉宽调制放大器的开关频率高，电动机电枢电流容易连续，且脉动分量小。因而，电枢电流脉动分量对电动机转速的影响以及由它引起的电动机的附加损耗都小。

（4）晶体管脉宽调制放大器的电压放大系数不随输出电压的改变而变化，而晶闸管整流器的电压放大系数在输出电压低时变小。这样前者的低速性能要比后者好得多，它可使电动机在很低的速度下稳定运转，其调速范围很宽。

目前，因受大功率晶体管最大电压、电流定额的限制，晶体管直流脉宽调速系统的最大功率只有几十kW，而晶闸管直流调速系统的最大功率可以达到几千kW，因而，它还只能在中、小容量的调速系统中取代晶闸管直流调速系统。

三、晶体管脉宽调速系统的组成

如图所示的系统是采用典型的双闭环原理组成的晶体管脉宽调速系统。下面分别对几个主要组成部分进行分析。

图9.25 晶体管脉宽调速系统

1．主电路（功率开关放大器）

晶体管脉宽调速系统主电路的结构形式有多种，按输出极性有单极性输出和双极性输出之分，而双极性输出的主电路又分H型和T型两类，H型脉宽放大器又可分为单极式和双极式两种，经常采用的双极性双极式脉宽放大器，如图所示：

图9.26 脉冲调制放大器（双极性双极式）（工作原理见Z1）

2. 控制电路

1) 速度调节器ST和电流调节器LT ST和LT均采用比例积分调节器. 2) 三角波发生器

三角波发生器如图所示，由运算放大器N1和N2组成。

图9.28 三角波发生器

3.电压-脉冲变换器 4. 脉冲分配器及功率放大

脉冲分配器作用是把BU产生的矩形脉冲电压U4（经光电隔离器和功率放大）分配到主电路被控三极管的基极。

5.其他控制电路 过流、失速保护环节。

增加到Ia?IL（负载电流）时，电动机开始转动，以后转速调节器ST的输出很快达到限幅值Ugim，从而使电枢电流达到所对应的最大值Iam（在这过程中Uk，Ud的下降是由于电流负反馈所引起的），到这时电流负反馈电压与LT的给定电压基本上是相等的，即

Ugim?Ufi??Iam 式中，?——电流反馈系数。

速度调节器ST的输出限幅值正是按这个要求来整定的。

第Ⅱ阶段是恒流升速阶段。从电流升到最大值Iam开始，到转速升到给定值为止，这是启动过程的主要阶段，在这个阶段中，ST一直饱和，转速负反馈不起调节作用，转速环相当于开环状态，系统表现为恒电流调节。由于电流Ia保持恒值Iam，即系统的加速度dn/dt为恒值，所以转速n按线性规律上升，由 Ud?IamR??Cen知，Ud也线性增加，这就要求Uk也要线性增加，故在启动过程中电流调节器是不应该饱和的，晶闸管可控整流环节也不应该饱和。

第Ⅲ阶段是转速调节阶段。转速调节器在这个阶段中起作用。开始时转速已经上升到给定值，ST的给定电压Ugn与转速负反馈电压Ufn相平衡，输入偏差?Un等于零。但其输出却由于积分作用还维持在限幅值Ugim，所以电动机仍在以最大电流Iam下加速，使转速超调。超调后，Ufn?Ugn，?Un?0，使ST退出饱和，其输出电压（也就是LT的给定电压）Ugi才从限幅值降下来，但是，由于Ia仍大于负载电流IL，在开始一段时间内转速仍继续上升。到Ia?IL时，电动机才开始在负载的阻力下减速，直到稳定（如果系统的动态品质不够好，可能振荡几次以后才能稳定）。在这个阶段中ST与LT同时发挥作用，由于转速调节在外环，ST处于主导地位，而LT的作用则力图使Ia尽快地跟随ST输出Ugi的变化。

稳态时，转速等于给定值ng，电枢电流Ia等于负载电流IL，ST和LT的输入偏差电压都为零，但由于积分作用，它们都有恒定的输出电压。ST的输出电压为

Ugi?Ufi??IL LT的输出电压为 Uk?由上述可知：

Ceng?ILR?KS

双闭环调速系统,在启动过程的大部分时间内，ST处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现理想启动过程曲线。

双闭环调速系统的转速响应一定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时ST发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。故双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。

转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：系统的调整性能好，有很硬的静特性，基本上无静差；动态响应快，启动时间短；系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便（先调电流环，再调速度环）。所以，它在自动调速系统中得到了广泛的应用。 为了进一步改善调速系统的性能和提高系统的可靠性，还可以采用三闭环（在双闭环基础上再加一个电流变化率调节器或电压调节器）调速系统。

9.3 可逆直流调速系统

? ???不可逆直流系统——向直流电动机提供单相电流，使电动机单相运转??可逆直流系统——向直流电动机提供双相电流，使电动机正、反转

一、利用接触器进行切换的可逆线路

如图所示为利用接触器进行切换的可逆系统。

图9.18 利用接触器进行切换的可逆系统

这种线路只用一套晶闸管整流电路，利用接触器RKM和RKM来改变电动机电枢电流的方向。

当FKM闭合，RKM打开时，电路中A点为正极性电位，B点为负极性电位，电枢电流Ia的方向如图中红线线所示，设此时电动机正转；

当RKM闭合，FKM打开时，A点为负极性电位，B点为正极性电位，电枢电流Ia的方向如图中绿线所示，此时电动机应反转。

这种可逆线路比较简单、经济，但是，接触器的寿命比较短，另外，一个方向的接触器断开到另一个方向的接触器闭合，大约需1.2s～0.5s的时间，它使切换过程延缓。因此，这种方案一般适用于不频繁快速正、反转的场合。

二、利用晶闸管切换的可逆线路

这种线路是将利用接触器进行切换的可逆系统中的接触器用四只晶闸管替代，从接触器的有触点控制变为晶闸管的无触点控制，如图所示。

图9.19 用晶闸管切换的可逆系统

由图可见：

当晶闸管1VS和4VS触发导通时，A点为正极性电位，而B点为负极性电位，电枢电流Ia如图中红线所示的方向，电动机正转；

当晶闸管2VS和3VS触发导通时，A点得到负极性电位，而B点为正极性电位，电枢电流Ia的方向如图中绿线所示，电动机反转。

这种利用晶闸管切换的电枢可逆线路，经济上没有明显的优点。所以，只适用于几十kW以下的可逆调速系统。

三、采用两套晶闸管整流电路的可逆线路

采用两套晶闸管整流电路分别提供正、反两个方向的电枢电流，实现电动机可逆运转的线路，目前应用比较广泛。其原理图如图所示。

图9.20 用两组整流电路的可逆线路

正向晶闸管整流电路设为Ⅰ组，为电动机提供正向电枢电流Ia，实现电动机的正转；反向晶闸管整流电路为Ⅱ组，为电动机提供反向电枢电流Ia，实现电动机的反转。

采用两组晶闸管整流电路组成的可逆线路中，不通过负载而只流过两组晶闸管电路的电流称为环流。根据有无环流，调速线路又分有环流（可控有环流）及无环流（逻辑无环流，错位无环流）两种。

采用两组晶闸管整流电路组成的可逆线路又分为两种接线方式，一种为反并联连接，它

的特点是由一个交流电源同时向两组晶闸管整流电路供电；另一种为交叉连接，它的特点是两组晶闸管整流电路由两个独立的交流电源分别供电。在三相全控桥可逆线路中，交叉连接比反并联连接所用的限制环流大小的均衡电抗器数目可少一半，因而，在有环流调速系统中，三相全控桥均采用交叉连接组成可逆调速系统。除此而外，一般均采用反并联连接形式。

现以三相半波反并联可逆线路为例，介绍逻辑控制无环流可逆线路的工作原理，其线路如图所示。

图9.21 三相半波反并联可逆线路

欲使电动机工作于正转电动状态，应控制共阴极组的?1角由900逐渐减小，与此同时封锁共阳极组的触发脉冲。共阴极组输出直流电压Ud1由零逐渐增加，电动机启动并正转加速，此时共阴极组整流电压Ud1极性为上正下负，共阴极组电路工作在整流状态。电动机工作在正转电动状态，如图第Ⅰ象限所示。

若欲使电动机制动（或减速），应利用逻辑电路封锁共阴极组触发脉冲使之停止给电动机供电，电动机由于惯性转速瞬时降不下来，其反电势E的极性仍为上正下负。开放共阳极组使之投入工作，控制共阳极组的?2角由1800逐渐减小（1800＞?2＞900），共阳极组输出直流电压平均值Ud β2的极性为上正下负，且使Ud β2?E，以产生足够的制动电流（不超过允许的最大制动电流），使电动机转速很快制动到零。这样，电动机工作在正转制动状态，共阳极组电路工作在逆变状态。如图第Ⅱ象限所示。

当电动机转速制动到零时，若使共阳极组电路的?2角在00～900范围变化，即?2角由

900逐渐减小，则输出电压Ud α2逐渐增加，极性为上负下正，电动机启动并反转加速，电动

机工作于反转电动状态，共阳极组工作在整流状态。如图第Ⅲ象限所示。

欲使反转的电动机制动（或减速），则封锁共阳极组电路触发脉冲，开放共阴极组电路使?1角在1800~900范围内减小，共阴极组电路输出直流电压平均值Ud β1极性为上负下正，

且Ud β1?E，以产生足够的制动电流，使电动机转速很快降到零。这样，电动机工作于反转制动状态，共阴极组电路工作于逆变状态。如图第Ⅳ象限所示。

图9.22 两组整流电路反并联、无环流可逆线路四象限工作状态

9.4 晶体管-电动机直流脉宽调速系统

一、基本的工作原理

目前，应用较广的一种直流脉宽调速系统的基本主电路如图所示。

图9.23 直流脉宽调速系统的基本主电路

1．三相交流电源经整流滤波变成电压恒定的直流电压；

2．VT1～VT4为四只大功率晶体三极管，工作在开关状态，其中，处于对角线上的一对三极管的基极，因接受同一控制信号而同时导通或截止；

3．若VT1和VT4导通，则电动机电枢上加正向电压；则VT2和VT3导通，电动机电枢上加反向电压。

4．当它们以较高的频率（一般为2000Hz）交替导通时，电枢两端的电压波形如图所示。

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