电力拖动与运动控制课件3--速度闭环控制的直流调速系统

第二章速度闭环控制的直流调速系统CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统2开环调速系统开环调速系统的机械特性开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统速度闭环调速系统的组成及其静特性单闭环调速系统的限流保护速度闭环控制调速系统的动特性分析无静差调速系统多环控制直流调速系统转速电流双闭环调速系统的组成及静特性双闭环调速系统的启动过程分析双闭环调速系统的动态性能主要内容重点内容CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统3开环调速系统开环调速系统的机械特性开环调速系统的性能和存在的问题速度单闭环控制的调速系统多环控制直流调速系统主要内容CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统4开环调速系统1.开环调速系统的机械特性加载在直流电动机上的电压是晶闸管整流装置的输出瞬时电压ud和平均电压Ud，如果把整流装置内阻上的电压降移到整流装置外面，当做负载电路电压降的一部分，整流电压便可用其理想空载值ud0和Ud0来代替。此时，瞬时电压平衡方程式可以写为：dd0addiu=E+iR+LdtLR：电枢回路总电感，包括电动机电枢电感和平波电抗器电感；：电枢回路总电阻，包括整流装置内阻、电动机电枢电阻和平波电抗器电阻CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统5开环调速系统1.开环调速系统的机械特性n对应平均电压的电压平衡方程式：d0d0adedUU=E+IR=C+IR00opopopopnnnnn开环机械特性表达式为：开环系统的理想空载转速；：开环系统的静态转速降落d0deeUIR==CCCSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统6nn电动势平衡方程式为此处为，是直流电动机的电枢电阻开环机械特性表达式为此处为，是电枢电阻整流装置内阻deead0deeasIRU=CCRRUIR=CCRR+R+开环调速系统1.开环调速系统的机械特性开环调速系统的机械特性在形式上与直流电动机的电动势平衡方程式类似，但是两者有本质的不同aCSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统7开环调速系统1.开环调速系统的机械特性改变晶闸管控制角，就可以改变Ud0。晶闸管整流装置可以看成是一个线性的可控电压源通过改变触发或驱动电路的控制电压来改变功率变换电路的输出平均电压，达到调节电动机转速的目的控制电压与输出转速之间只有顺向作用而无反向联系，输出转速并不影响控制电压，属于开环调速系统开环调速系统适用于生产机械对静差率要求不高的场合，结构简单，能实现一定范围内的无级调速CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统8许多需要无级调速的生产机械常常对静差率提出较严格的要求，不能允许很大的静差率，此时，开环调速系统不能满足较高的性能指标要求开环调速系统2.开环调速系统的性能和存在的问题602203051000/min0.2min/0.18205%eVMkWVArCVrRD例：某龙门刨床工作台拖动采用直流调速系统，其中直流电动机的各铭牌参数分别为、、、，；主回路总电阻，要求，。开环调速系统能否要求？CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统9开环调速系统2.开环调速系统的性能和存在的问题3050.18275/min0.227521.6%10002755%205%10000.052.63/mi12010.05NNeNNNNNNIRnrCnnnDnnnrD解：系统在额定负载下的转速降落为：则开环系统机械特性在额定转速时的静差率为已远远超过了的要求。若满足，的要求，额定负载下的转速降落可如下计算：nCSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统10开环调速系统速度单闭环控制的调速系统速度闭环调速系统的组成及其静特性单闭环调速系统的限流保护速度闭环控制调速系统的动特性分析无静差调速系统多环控制直流调速系统主要内容CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统11速度单闭环控制的调速系统CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统12速度单闭环控制的调速系统2.2.1速度闭环调速系统的组成及其静特性2.2.1.1单闭环调速系统的组成2.2.1.1转速负反馈单闭环调速系统的静特性2.2.1.3开环系统机械特性与闭环系统静特性的比较2.2.1.4单闭环调速系统的基本特征2.2.2单闭环调速系统的限流保护2.2.2.1问题的提出2.2.2.2电流截止负反馈环节2.2.2.3带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统2.2.3速度闭环控制调速系统的动特性分析2.2.3.1动态数学模型2.2.3.2稳定性分析2.2.4无静差调速系统CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统13速度单闭环调速系统的组成Backto反馈控制规律Backto系统各单元静特性（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性1.速度单闭环调速系统的组成比较环节控制器晶闸管触发装置驱动电路主电路反馈环节CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统14静特性：闭环系统中电动机转速与负载电流的稳态关系分析速度单闭环调速系统的静特性时，需做出如下假设：1.假定各环节的输入输出关系是线性的；2.假定系统开环机械特性是连续的；3.忽略直流电源和电位器的内阻（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反馈单闭环调速系统的静特性CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统1500gdfkpdskfddeUUUUKUUKUUnUIRnC测速发系统开环机械触发器与晶闸管整流电机：电压比较环装置：放：性：节特大器：Backto动态数学模型速度单闭环调速系统组成示意图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反馈单闭环调速系统的静特性CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统160psdKKUR参数说明：：放大器电压放大倍数：触发器和晶闸管整流装置的电压放大倍数：测速反馈系数：（理想空载）整流电压的平均值：主电路总的等效电阻（整流装置内阻、电机电枢电阻、平波电抗器内阻）转速负反馈调速系统稳态结构图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反馈单闭环调速系统的静特性CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统17011psgddeebbKKUIRnCKCKnn速度单闭环调速系统的静特性方程如下：闭环系统理想空载转速闭环系统静态转速降闭环系统的开环放大倍数pseKKKC（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性2.转速负反馈单闭环调速系统的静特性CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统18（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性3.开环系统机械特性与闭环系统静特性比较闭环系统静特性比开环系统机械特性的硬度大大提高当理想空载转速相同时，闭环系统的静差率要小得多当要求的静差率一定时，闭环系统的调速范围可以大大提高当给定电压相同时，闭环系统的理想空载转速大大降低300.015min/spKVrK例：前例中的龙门刨床工作台拖动，采用转速负反馈构成单闭环调速系统，已知晶闸管整流器与触发装置的电压放大系数，转速反馈系数，为满足给定的要求，计算放大器的电压放大系数。CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统19（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性0000275/min2.63/min127511103.62.63103.60.246300.015dopedbeopbpseepsIRnrCIRnrCKnKnKKKCKCKK解：由前例可知，系统的开环速降满足指标要求的速降为则可以求得闭环系统的开环放大倍数由可以求得放大器的放大系数闭环系统必须引入放大器3.开环系统机械特性与闭环系统静特性比较CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统20（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性综合上述四条特点，可得出以下结论：闭环系统可以获得比开环系统硬得多的稳态特性，在保证一定静差率的要求下，大大提高了调速范围。但是闭环系统必须设置检测装置和电压放大器。调速系统之所以产生稳态速降，根本原因在于负载电流引起了电枢回路电阻压降。闭环系统静态速降减少，并不是由于闭环后能使电枢回路电阻减小，而是闭环系统具有自动调节作用，它能随着负载的变化相应地改变整流装置输出电压。3.开环系统机械特性与闭环系统静特性比较CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统21应用比例调节器的闭环系统是有静差的控制系统闭环系统绝对服从于给定输入闭环系统对于被包围在负反馈环内的一切主通道上的绕动作用都能有效地加以抑制对给定电源和反馈检测元件中的误差无能为力速度单闭环调速系统组成示意图（一）速度单闭环调速系统的组成及其静特性4.单闭环调速系统的基本特征——反馈控制规律CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统22电流负反馈的引入不能影响电动机正常工作时的静特性电流截止负反馈：正常运行时不起作用；一旦电流超过规定值，电流负反馈即投入运行限流保护的具体方法即为：引入电流截止负反馈环节限流保护是为了解决反馈闭环调速系统的启动和堵转时电流过大的问题而采取的一种限流措施过大的电流会损坏电动机和晶闸管反馈控制原理：要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈（二）单闭环调速系统的限流保护1.问题的提出电流负反馈CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统23电流截止负反馈装置原理接线（1）用直流电源做比较电压cdjbjRIU：小阻值，取出电流反馈信号：临界截止电流：比较电压dcbjfidcbjfiIRUUIRUU，二极管导通，加上，二极管截止，消失bjdjcUIR截止电流（二）单闭环调速系统的限流保护2.电流截止负反馈环节CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统24电流截止负反馈装置原理接线（2）用稳压管的击穿电压做比较电压（二）单闭环调速系统的限流保护2.电流截止负反馈环节CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统25电流截止负反馈环节的输入输出特性00dcbjdcbjIRUIRU，输出等于输入；，输出为零电流截止负反馈环节的输入输出特性是一个非线性环节（两段线性环节）：（二）单闭环调速系统的限流保护2.电流截止负反馈环节CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统26带电流截止负反馈环节的速度闭环调速系统稳态结构图转速负反馈调速系统稳态结构图（二）单闭环调速系统的限流保护3.带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统27011ddjpsgddbbeeIIKKUIRnnnCKCK当时，电流负反馈被截止，静特性方程式为0''11111bddjpsgdpsddcbjeeepsgdbjpscdeeIIKKUKKIRnIRUCKCKCKKKUURKKRICKCKnn当时，电流负反馈起作用，静特性方程式为（二）单闭环调速系统的限流保护3.带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统2811psgdbjpscdeeKKUURKKRnICKCK由可得psgdbjgdbjdupsccKKUUUUIRKKRR堵转电流（二）单闭环调速系统的限流保护堵转：电动机正常运行时，将转子堵住，强制其停止转动，此时电枢电流将迅速上升3.带电流截止负反馈的单闭环转速负反馈调速系统CSSSE2019/8/3第二章速度闭环控制的直流调速系统29带电流截止负反馈速度闭环调速系统的静特性