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 。

n n I C R R C U C R R I U n d e d e d e d d d ∆+=+-=+-=0)(φφφ 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，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：T L ↑→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 （b b b n n S 0∆=)仅为开环系统的静差率Sk(kk k n n S 0∆=)的1／(1+K)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(104～l08)，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T L1，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。