小功率有静差直流调速系统的分析

案例七: 小功率有静差直流调速系统的分析
图4-1 KZD-Ⅱ型小功率直流调速系统线路图
1．系统结构特点和技术数据
此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于 4kW 以下直流电动机无级调速(调速范围 D≥10∶1，静差率 s≤10%)。

装置的电源电压为 220V 单相交流，输出电压为直流 160V，输 出最大电流 30A；励磁电压为直流 180V，励磁电流为 1A。

系统主要配置 Z3 系列(电枢电压 160V，励磁电压 180V)的小型直流他励电动机。

装置的主回路采用单相桥式半控整流线路。

具有电压负反馈、电流正反馈和电流截止负反馈环节。

图4-2 KZD-Ⅱ型直流调速系统的组成框图
2．定性分析
对实际系统分析，一般是先定性分析，后定量分析。

即先分析各环节和各元件的作用， 搞清系统的工作原理。

然后再建立系统的数学模型，进一步作定量分析。

分析晶闸管调速系统线路的一般顺序是：主电路→触发电路→控制电路→辅助电路(包 括保护、指示、报警等)。

现依次分析如下：
① 主电路中
主电路中桥臂上的两个二极管串联排在一侧，这样它们可以兼起续流二极管(Free－ Wheeling diode)的作用，但这样两个晶闸管阴极(Cathode)间将没有公共端，脉冲变压器 (Pulse Transformer)的两个二次绕组间将会有 220 2´ 的峰值电压(Peak Voltage)。

因此 对两个二次绕组间的绝缘(Insulation)要求也要提高。

在要求较高、或容量稍大(2.2kW 以上)的场合，应接入平波电抗器 Ld，以限制电流脉 动(Pulsation)，改善换向条件，减少电枢损耗，并使电流连续。

但接入电抗器后，会延迟 晶闸管掣住电流(Latching Current)的建立，而单结晶体管张弛振荡器脉冲的宽度是比较窄 的，为了保证触发后可靠导通，在电抗器 Ld 两端并联一个电阻(1kΩ)，以减少主电路电流 到达晶闸管所需要的掣住电流的时间。

另一方面，在主电路突然断路时，这电阻为电抗器提 供放电回路，减少了电抗器产生的过电压。

为了加快制动和停车， 采用了能耗制动。

R9为能耗制动电阻(因电阻规格与散热等原因， 如今采用两只 25W、51Ω 的线绕电阻器并联使用)。

主电路中 RS 为电流表外配的分流器。

主电路的交、直流两侧，均设有阻容吸收电路(由 50Ω 电阻与 2μF 电容串联构成的电 路)，以吸收浪涌电压(Surge Voltage)。

主电路中的S 为手动开关， KM 为主电路接触器， 主电路短路保护的熔断器容量为50A(与 整流元件容量相同)。

电动机励磁由单独的整流电路供电，为了防止失磁而引起“飞车”事故，在励磁电路 中，串入欠电流继电器 KA，只有当励磁电流大于某数值时，KA 才动作。

在主电路的接触器 KM 的控制回路中，串接 KA 常开触点。

只有当 KA 动作，KA 常开触点闭合，主接触器 KM 才能 吸合，从而保证了励磁回路有足够大的电流。

KA 以通用小型继电器(JTX-6.3V)代用，它的 动作电流，可通过分流电位器RP7 进行调整。

② 触发电路(Trigger)
触发电路采用由单结晶体管(UJT)(Unijunction Transistor)组成的张弛振荡 (Relaxation Oscillator)。

V3 为单结晶体管， V3 下方100Ω 电阻为输出电阻， V3 上方 560Ω 电阻为温度补偿电阻。

以放大管V2 控制电容 C1 的充电电流。

V5 为功放管， T 为脉冲变压器。

VD5 为隔离二极管，它使电容 C6 两端电压能保持在整流电压的峰值，在 V5突然导通时，C6 放电，可增加触发脉冲的功率和前沿的陡度。

VD5 的另一个作用是阻挡 C6 上的电压对单结 晶体管同步电压(Synchrovoltage)的影响。

当晶体管 V2基极(Base)电位降低时，V2 基极电流增加，其集电极(Collector)电流(即 电容 C1 充电电流)也随着增加，于是电容电压上升加快。

使 V3 更早导通，触发脉冲前移， 晶闸管整流器输出电压增加。

③ 放大电路(Amplifier)
由晶体管 V1和电阻 R4、R5构成的放大器为电压放大电路。

在放大器的输入端(V1 的基 极)综合给定信号和反馈信号。

两只串联的二极管 VD6 为正向输入限幅器，VD7 为反向输入 限幅器。

为使放大电路供电电压平稳，通常并联一电容 C4。

但并联电容后，将使电压过零点消 失，而张弛振荡器与放大器共用一个电源，此电源电压兼起同步电压作用，若电压过零点消 失，将无法使触发脉冲与主电路电压同步。

为此，采用二极管 VD4 来隔离电容 C4 对同步电 压的影响。

④ 控制电路(Control Circuit)
反馈量的选择： 可间接地用电压 d U 的降低和电流 d I 的上升来反映负载增加和转速降低 的程度。

于是采用电压负反馈和电流正反馈环节来代替转速负反馈。

采取了电压负反馈环节，意味着此系统是一个恒(电)压控制系统。

由于电枢电流 a I 取 决于负载转矩 L T ( a T e L I K T T ´ F = » )，
因此引入电流正反馈实质上就是负载扰动的顺馈补 偿。

由顺馈补偿和反馈控制便构成教材中如图 6-19所示的复合控制系统。

控制信号的综合： 由图4-1和图4-3可见， 控制信号为给定信号 s U 、 电压负反馈信号 fv U 和电流正反馈信号 fi U 的综合，即 fi fv s U U U U + - = D 。

图4-3 控制信号的综合与控制作用
⑤ 电流截止保护电路
电流截止保护电路主要由电位器 RP4、稳压管 2CW9、三极管 V4 组成。

如图 4-4 所示。

图4-4 电流截止保护电路 ⑥ 抗干扰、消振荡环节
⑦ 其他辅助环节
3．系统框图
图4-5 有电压负反馈和电流正反馈环节的直流调速系统框图
系统的自动调节过程
当机械负载转矩 L T 增加、转速n 降低时，具有电压负反馈和电流正反馈环节的直流调 速系统的自动调节过程如图 4-6 所示。

图4-6 电压负反馈和电流正反馈环节对调速系统的补偿作用
4．系统性能分析
① 系统的稳定性分析
由图 4-5 可见，此系统也是个三阶系统，若增益过大或电流正反馈量过大，都会形成 振荡，所以在系统调试时，可先将 fi U 调至零，待系统正常运行后，再逐渐增大 fi U 。

② 系统的稳态性能分析
在第 6 章 6-4-1 节的分析中，从原则上讲，增大顺馈补偿量 fi U ，可以完全消除系统 误差；但事实上，若 fi U 过大，系统将会振荡。

③ 系统的动态性能分析 此为简易型小功率调速系统，对动态性能无要求。