单闭环直流调速系统

第十七单元 晶闸管直流调速系统

第二节单闭环直流调速系统

图17-40转速负反馈直流调速垂统原理图

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 A U=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 Udo

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T L 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 。

当电动机负载T L 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，A U=Ugn-Ufn 增加。

转速调节器 ASR 输出电压Uc 增加，使控制 角a 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： T L ^T Id

Id （R 刀 +Rd ）f~ n jf Ufn

Uc f~ a

Udf ~ n f 。

图17-41所示为闭环系统静特性和开环机械特性的关系。

—-匚(& R)

C e* C e

R d R

C e

I d

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

17-40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。

■ell

图17—41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UdO 由UdO1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△n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UdO1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,A 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AU 的变化而不

能消除偏差，即偏差厶 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=KpA 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：」！\：八「

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。

n _ So - 1

辰

晶闸管一电动机系统："一 测速发电机：

1

k

--,!

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：

_ 妙

恐 『_ _A

十 K) G ①+

皿

式中K -------- 闭环系统的开环放大系数， K=KpKuKfn / (Ce $ );

n0b -------- 闭环系统的理想空载转速； △ nb -- 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；

、

△ nk --- 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 俞入端的电压(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

?Kg CQ

= M Ok -A?7k

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 （104

?10 8

），可

以

使系统做到基本 无静差。由于系统 是

静态转速降A nb 仅为开环系统静态转速降 A nk 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 （ S b

也）仅为开环系统的静差率 Sk （ S k 业）的1/（1+K ）

n 0b

n

0k

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 。

开环系统：6=品飼 闭环系统,加辟可

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AU 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

图17T2采用比例积分调节器的单闭环转速负反茨无静差调連系绽

统，系统的静特性很硬，静态转速降 △ n ~ 0,因而没有必要进行静特性计算。

F 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T LI ，

电动机稳定转速为 n 1，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△ n ,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。 当厶U> 0后，比例部分立即输出

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I7-43C 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, Ufn 仁

Ugn 〔，△ U=Q △ 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厶

Ud2,A Ud2的增长速度与偏差电压AU

成

正比，如图17-43C 所示的曲线②。开始阶段△ n 很小，AU 也小，△ Ud2增加很慢。当 最大时，△ U 亦最大，△ Ud2增加最快。在调节末期又减小，△ 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

I7-43C 所示的曲线②（此

时A Ud 仁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 — Udl= △ Ud2,增加部分的电压厶 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， 即厶ud2=Al dR s ,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， 总厶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, Ufn 仁Ugn1,A 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,A Ud 为比例部分与积分部分的电压增量 △ Ud1与厶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 分厶IdR

刀

，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

「

ku （/d ］）

1

叫

b ）

图17-43负載变优时词速

杲统的调节过程

器输出电压Udi 稳定在Ud2上。电动机的负载转矩增加越大，则转速调节器 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△ n max 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， △ n max 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=O ，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 ①n=0），由于电枢电阻 R w 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I d 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 VC 。IdR > Ubj 时，二极管VD 导通，电流负反馈信号

ASR 输出电压 器输出电压Ud 亦很大。此时，电动机电枢电流

I d

U d -E =Ud

（起动瞬间 n=0， E=Ce

O

f > J T F , …

/ 芒

图17-44带电谎截止负反愦的转速负反馈直流调速系统

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=I duR^，其中I du 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 v 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，

图17-45带电流截止负反诩的转速负 反

惯直流调速慕统的静特性

实际应用的小功率直流调速系统中，常采用如图 17 — 46所示电流截止负反馈线路。

图17-46小功率直流调速累统中电流截止负反馈电路原理图

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

VDS-VD6

R]

-70V

)VD22 §

垫DM

^VDII

VD7

VSlJJ

j_

啊￡

C4

VD9