閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)

1、前 言直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起、制動(dòng)性能，宜于在廣泛范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在軋鋼機(jī)、礦井卷?yè)P(yáng)機(jī)、挖掘機(jī)、海洋鉆機(jī)、金屬切削機(jī)床、造紙機(jī)、高層電梯等需要高性能可控電力拖動(dòng)的領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來(lái)，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展很快，然后直流拖動(dòng)控制系統(tǒng)畢竟在理論上和實(shí)踐上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來(lái)看，它又是交流拖動(dòng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，所以首先應(yīng)該很好地掌握直流系統(tǒng)。從生產(chǎn)機(jī)械要求控制的物理量來(lái)看，電力拖動(dòng)自動(dòng)控制系統(tǒng)有調(diào)速系統(tǒng)、位置隨動(dòng)系統(tǒng)、張力控制系統(tǒng)、多電動(dòng)機(jī)同步控制系統(tǒng)等多種類(lèi)型，而各種系統(tǒng)往往都是通過(guò)控制轉(zhuǎn)速（更本質(zhì)地說(shuō)，是控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此調(diào)速系統(tǒng)是最基本的拖動(dòng)控制系統(tǒng)。直流電

2、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和其他參量的關(guān)系可用式（1-1）表達(dá) （1-1）式中轉(zhuǎn)速，單位為r/min；電樞電壓，單位為V；電樞電流，單位為A；電樞回路總電阻，單位為；勵(lì)磁磁通，單位為Wb；由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)。由式（1-1）可以看出，有三種方法調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。（1）調(diào)節(jié)電樞供電電壓。（2）減弱勵(lì)磁磁通。（3）改變電樞回路電阻。對(duì)于要求在一定范圍內(nèi)無(wú)極平滑調(diào)速的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，以調(diào)節(jié)電樞供電電壓的方式為最好。改變電阻只能有極調(diào)速，減弱磁通雖然能夠平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，往往只是配合調(diào)壓方案，在基速（即電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速）以上作小范圍的升速。因此，自動(dòng)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以變壓調(diào)速為主。以位移或轉(zhuǎn)角為被調(diào)量的系

3、統(tǒng)是位置隨動(dòng)系統(tǒng)，一般在調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上添加位置控制環(huán)就能實(shí)現(xiàn)。第一章閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)內(nèi) 容 提 要開(kāi)環(huán)控制的直流調(diào)速方法已在電力拖動(dòng)課中講授，本課以講授閉環(huán)控制系統(tǒng)為主。本章著重討論基本的閉環(huán)控制系統(tǒng)及其分析與設(shè)計(jì)方法。在直流調(diào)速系統(tǒng)中主要采用變電壓調(diào)速，§ 1-1首先介紹三種可控的直流電源，其中目前應(yīng)用最廣的是晶閘管可控整流器，已在半導(dǎo)體變流技術(shù)課程中學(xué)過(guò)，在此基礎(chǔ)上，§ 1-2只重點(diǎn)地歸納晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的幾個(gè)特殊問(wèn)題。§ 1-3開(kāi)始研究反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，首先研究它的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)方法，并總結(jié)反饋控制規(guī)律和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的幾個(gè)實(shí)際問(wèn)題；§

4、; 1-4則應(yīng)用自動(dòng)控制理論解決系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)方法。§ 1-5討論無(wú)靜差調(diào)速系統(tǒng)，并總結(jié)積分控制規(guī)律和比例積分控制規(guī)律。§ 1-6介紹采用電壓反饋和電流補(bǔ)償?shù)恼{(diào)速系統(tǒng)，并總結(jié)補(bǔ)償控制規(guī)律。§ 1-1 直流調(diào)速系統(tǒng)用的可控直流電源變電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓需要有專(zhuān)門(mén)的可控直流電源。常用的可控直流電源有以下三種：u 旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組用交流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流 電壓。u 靜止可控整流器用靜止的可控整流器，例如晶閘管可控整流器，以獲得可調(diào)的直流電壓。u 直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用

5、直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器產(chǎn)生可變的平均電壓。下面分別對(duì)各種可控直流電源以及由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)作概括性的介紹。一、旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組圖1-1中給出了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組和由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖。由交流電動(dòng)機(jī)（異步電動(dòng)機(jī)或同步電動(dòng)機(jī)）拖動(dòng)直流發(fā)電機(jī)G實(shí)現(xiàn)電流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)M供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這樣的調(diào)速系統(tǒng)簡(jiǎn)稱(chēng)G-M系統(tǒng)，在國(guó)際上通稱(chēng)為Ward-Leonard系統(tǒng)，為了供給直流發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁，通常專(zhuān)門(mén)設(shè)置一臺(tái)直流勵(lì)磁發(fā)電機(jī)GE，可裝在變流機(jī)組同軸上，也可另外單用一臺(tái)交流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。對(duì)系統(tǒng)的調(diào)速性能要求不高時(shí)，可直接由勵(lì)磁電源供電

6、，要求較高的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)一般都應(yīng)通過(guò)放大裝置進(jìn)行控制。G-M系統(tǒng)的放大裝置多采用電機(jī)型放大器（如交磁放大機(jī)）和磁放大器，需要進(jìn)一步提高放大系數(shù)時(shí)還可增設(shè)電子放大器作為前級(jí)放大。如果改變的方向，則的極性和的轉(zhuǎn)向都跟著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。圖1-2繪出了采用交流機(jī)組供電時(shí)電動(dòng)機(jī)可逆運(yùn)行的機(jī)械特性。由圖可見(jiàn)，無(wú)論正轉(zhuǎn)減速還是反轉(zhuǎn)減速都能夠?qū)崿F(xiàn)回饋制動(dòng)，因此G-M系統(tǒng)是可以在允許轉(zhuǎn)矩范圍之內(nèi)四象限運(yùn)行的系統(tǒng)。圖1-2右上角是表示四象限運(yùn)行的簡(jiǎn)單示意圖。圖1-1旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（G-M系統(tǒng)）n正向電動(dòng)狀態(tài)反向制動(dòng)狀態(tài)OTeTL-TLn0n1n2正向制動(dòng)狀態(tài)反向電動(dòng)狀

7、態(tài)-n-Ten3圖1-2 G-M系統(tǒng)機(jī)械特性機(jī)組供電的直流調(diào)速系統(tǒng)在50年代曾廣泛地使用著，至今在尚未進(jìn)行設(shè)備更新的地方仍沿用這種系統(tǒng)。由于該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝須打地基、運(yùn)行有噪聲、維護(hù)不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，在50年代開(kāi)始采用汞弧整流器（大容量時(shí)）和晶閘管（小容量時(shí)）這樣的靜止變流裝置來(lái)代替旋轉(zhuǎn)變流裝置，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。到了60年代又讓位給更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器。二、靜止可控整流器如上所述，離子拖動(dòng)系統(tǒng)是最早應(yīng)用的靜止變流裝置供電的直流調(diào)速系統(tǒng)。它雖然克服了旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的

8、許多缺點(diǎn)，而且還縮短了響應(yīng)時(shí)間，但汞弧整流器造價(jià)較高，維護(hù)麻煩，特別是水銀如果泄露，將會(huì)污染環(huán)境，危害人身健康。1957年，晶閘管（俗稱(chēng)可控整流元件，簡(jiǎn)稱(chēng)“可控硅”）問(wèn)世，到了60年代，已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，使變流技術(shù)產(chǎn)生了根本性的變革，開(kāi)始進(jìn)入晶閘管時(shí)代。到了今天，晶閘管-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱(chēng)V-M系統(tǒng)，又稱(chēng)靜止的Wand-Leonard系統(tǒng)）已成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖1-3是V-M系統(tǒng)的簡(jiǎn)單原理圖，圖中V是晶閘管可控整流器，它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類(lèi)型，通過(guò)調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)

9、變流機(jī)組以及離子拖動(dòng)變流裝置相比，晶閘管整流裝置不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)上也顯示出較大的優(yōu)越性。由圖1-4a可見(jiàn)，晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)在以上，其門(mén)極電流可以直接用晶體三極管來(lái)控制，不再像直流發(fā)電機(jī)那樣需要較大功率的放大裝置。在控制作用的快速性，變流機(jī)組是秒級(jí)，而晶閘管整流器是毫秒級(jí)，這將會(huì)大大提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)。首先。由于晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。由半控整流電路構(gòu)成的V-M系統(tǒng)只允許單象限運(yùn)行（圖1-5a）；全控整流電路可以實(shí)現(xiàn)有源逆變，允許電動(dòng)機(jī)工作在反制動(dòng)狀態(tài)，因而能夠獲得二象限運(yùn)行（圖1-5b

10、）。必須實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行時(shí)（圖1-5c），只好采用正、反兩組全控整流電路，所用變流設(shè)備要增多一倍，這種V-M可逆調(diào)速系統(tǒng)在第三章將詳細(xì)討論。圖1-3 晶閘管可控整流器供電的直流調(diào)速系統(tǒng)（V-M系統(tǒng)）圖1-4 各種變流裝置技術(shù)性能的比較a) 單象限運(yùn)行 b) 二象限運(yùn)行 c) 四象限運(yùn)行圖1-5 V-M系統(tǒng)的運(yùn)行范圍晶閘管的另一個(gè)缺點(diǎn)是，元件對(duì)過(guò)電壓、過(guò)電流以及過(guò)高的和都十分敏感，其中任一指標(biāo)超過(guò)允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)損壞元件，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符號(hào)要求的散熱指標(biāo)，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)留有足夠的余量。只要元件質(zhì)量過(guò)關(guān)、裝置設(shè)計(jì)合理、保護(hù)設(shè)施齊備，晶閘管裝置的運(yùn)行就十分可靠，如果不是這樣，

11、就可能常出事故，給維護(hù)運(yùn)行帶來(lái)不少麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處在深調(diào)速狀態(tài)，即在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管調(diào)速的設(shè)備在電網(wǎng)中所占的容量比重較大，就會(huì)造成所謂的“電力危害”。在這種情況下，必須增設(shè)無(wú)功補(bǔ)償和諧波濾波裝置。三、直流斬波器和脈寬調(diào)制變換器在干線鐵道電力機(jī)車(chē)、工礦電力機(jī)車(chē)城市電車(chē)和地鐵電機(jī)車(chē)燈電力牽引設(shè)備上，常采用直流串勵(lì)或復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由恒壓直流電源供電。過(guò)去多采用切換電阻來(lái)控制電車(chē)的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速，電能在電阻中損耗較大。晶閘管也可用來(lái)控制直流電壓，這就是直流斬波器，或稱(chēng)直流調(diào)壓器。

12、采用晶閘管的直流斬波器基本原理示于圖1-6a。與整流電路不同的是，在這里晶閘管VT不是受相位控制，而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。當(dāng)VT被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上。當(dāng)VT關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開(kāi)，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管VD續(xù)流，兩端電壓接近于零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖1-6b所示，好像是電源電壓在一段時(shí)間內(nèi)被斬?cái)嗪笮纬傻摹＿@樣，電動(dòng)機(jī)得到的平均電壓為： （1-2）式中 晶閘管的開(kāi)關(guān)周期；VT開(kāi)通時(shí)間；占空比；開(kāi)關(guān)頻率。圖1-6 斬波器-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的原理圖和電壓波形晶閘管一旦導(dǎo)通，就不能再用門(mén)極觸發(fā)信號(hào)來(lái)使它關(guān)斷，若要關(guān)斷，必須在陽(yáng)、陰極間施加反壓，這就需要一種附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路。受到晶閘管關(guān)斷

13、時(shí)間的限制，由普通晶閘管構(gòu)成的斬波器的開(kāi)關(guān)頻率只能是100200Hz。為了縮小裝置的體積，可用逆導(dǎo)晶閘管代替普通晶閘管和反向二極管，同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率也可適當(dāng)提高，例如300Hz。直流斬波器的平均輸出電壓可以通過(guò)改變主晶閘管的導(dǎo)通和（或）關(guān)斷時(shí)間來(lái)調(diào)節(jié)。圖1-7給出了幾種常用控制方式的電壓和電流波形。（a）脈沖寬度調(diào)制（b）脈沖頻率調(diào)制（c）兩點(diǎn)式控制圖1-7 直流斬波器的控制方式（1）脈沖寬度調(diào)制（Pluse Width Modulation），簡(jiǎn)稱(chēng)PWM脈沖周期不變，只改變主晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，亦即改變脈沖的寬度（圖1-7a）。（2）脈沖頻率調(diào)制（Pluse Frequency Modulatio

14、n），簡(jiǎn)稱(chēng)PFM導(dǎo)通時(shí)間不變，只改變開(kāi)關(guān)頻率或開(kāi)關(guān)周期，也就是值改變晶閘管的關(guān)斷的時(shí)間（圖1-7b）。（3）兩點(diǎn)式控制當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使VT觸發(fā)導(dǎo)通；當(dāng)電流電壓達(dá)到某一最大值時(shí)，使VT關(guān)斷，導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間都是不確定的。由普通晶閘管或逆導(dǎo)晶閘管構(gòu)成的斬波器開(kāi)關(guān)頻率不高，因而輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。此外，附加的強(qiáng)迫關(guān)斷電路也增加了裝置的體積和復(fù)雜性。為了適應(yīng)大功率開(kāi)關(guān)電路的要求，自70年代以來(lái)研制了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的“全控式”電力電子器件，如門(mén)極可關(guān)斷晶閘管（GTO）、電力晶閘管（GTR）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（P-MOSFET）等等。全控式器件的關(guān)斷時(shí)間短，因

15、而由它們構(gòu)成的斬波器其工作頻率可以提高到14kHz，甚至到達(dá)20kHz。采用全控式器件實(shí)行開(kāi)關(guān)控制時(shí)，多用脈沖寬度調(diào)制的控制方式，形成近年來(lái)應(yīng)用日益廣泛的PWM裝置-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱(chēng)PWM調(diào)速系統(tǒng)或脈沖調(diào)速系統(tǒng)。與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用可能就足以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá)1：10000左右。又由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在相同的平均電流即相同的輸出轉(zhuǎn)矩下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。（2）同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此

16、快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（3）由于電力電子器件只工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。受到器件容量的限制，直流PWM調(diào)速系統(tǒng)目前只用于中、小功率的系統(tǒng)。§ 1-2 晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的特殊問(wèn)題從本節(jié)器，將首先著重討論模擬控制的晶閘管-電動(dòng)機(jī)直流調(diào)速系統(tǒng)，一則由于這類(lèi)系統(tǒng)目前應(yīng)用比較普遍，再則分析這類(lèi)系統(tǒng)所用的基本概念和方法都可以作為分析其他系統(tǒng)的基礎(chǔ)。V-M系統(tǒng)就是帶R、L、E負(fù)載的晶閘管可控整流電路，關(guān)于它的線路、電壓和電流波形、機(jī)械特性等等都已在半導(dǎo)體變流技術(shù)課程中講授，為了承上啟下，本節(jié)根據(jù)分析調(diào)速系統(tǒng)的需要，重點(diǎn)歸納出V-M系統(tǒng)的幾個(gè)特殊問(wèn)題：（1）觸發(fā)脈沖相

17、位控制；（2）電流脈動(dòng)的影響及其抑制措施；（3）電流波形的連續(xù)與斷續(xù)；（3）V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性。一、觸發(fā)脈沖相位控制在V-M系統(tǒng)中（見(jiàn)圖1-3），調(diào)節(jié)給定電壓，即可移動(dòng)觸發(fā)裝置GT輸出脈沖的相位，從而很方便地改變整流器的輸出瞬時(shí)電壓和平均電流。如果把整流裝置內(nèi)部的電阻壓降、器件正向壓降和變壓器漏抗引起的換相壓降都移到整流裝置外面，當(dāng)作負(fù)載電路壓降的一部分，那么整流電壓便可用其理想空載值和來(lái)代替，相當(dāng)于用圖1-8的等效電路代替圖1-3的實(shí)際主電路。圖1-8 V-M系統(tǒng)主電路的等效電路圖這時(shí)，瞬時(shí)電壓平衡方程式可寫(xiě)作： （1-3）式中 主電路總電感；主電路總的等效電阻，包括整流裝置內(nèi)阻、電機(jī)電樞

18、電阻和平波電抗器電阻；電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)；整流電流瞬時(shí)值。對(duì)進(jìn)行積分即得理想空載整流電壓的平均值。用觸發(fā)脈沖的相位控制整流電壓平均值是晶閘管整流器的主要特點(diǎn)。與觸發(fā)脈沖相位的關(guān)系因整流電路的形式而異，對(duì)于一般的全控式整流電路，當(dāng)電流波形連續(xù)時(shí)，可用下式表示 （1-4）式中 從自然換相點(diǎn)算起的觸發(fā)脈沖控制角； =0時(shí)的整流電壓波形峰值； 交流電源一周內(nèi)的整流電壓脈波數(shù)。對(duì)于不同的整流電路，它們的數(shù)值如表1-1所示。表1-1 不同整流電路的整流電壓波形峰值、脈沖數(shù)及平均整流電壓* U2 是整流變壓器二次側(cè)額定相電壓的有效值。 （a）雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器 （b） 雙橋串聯(lián)圖1-9 雙三相橋組成的十二相整

19、流電路在1000kW以上的大功率調(diào)速系統(tǒng)中常采用雙三相橋構(gòu)成的十二相整流電路，兩組橋的交流電源分別由整流變壓器的兩套二次繞組提供，一套接成形，另一套接成Y形，使輸出相電壓相位錯(cuò)開(kāi)，共同構(gòu)成的整流電路（圖1-9），以進(jìn)一步減少輸出電流的脈動(dòng)分量。由于這種十二相整流電路結(jié)構(gòu)的特殊性，式（1-4）不再適用，對(duì)于圖1-9a的雙橋并聯(lián)帶平衡電抗器電路，公式為 （1-5）對(duì)于圖1-9b的雙橋串聯(lián)電路，公式為 （1-6）二、電流脈動(dòng)的影響及其抑制措整流電路的脈沖數(shù)，其數(shù)目總是有限的，比直流電機(jī)每對(duì)極下?lián)Q向片的數(shù)目要少很多。因此，除非主電路電感L=，否則V-M系統(tǒng)的電流脈動(dòng)總比G-M系統(tǒng)更為嚴(yán)重，這樣一來(lái)，會(huì)

20、產(chǎn)生以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：（1）脈動(dòng)電流產(chǎn)生脈動(dòng)的轉(zhuǎn)矩，對(duì)生產(chǎn)機(jī)械不利。（2）脈動(dòng)電流造成較大的諧波分量，流入電源后對(duì)電網(wǎng)不利，同時(shí)也增加電機(jī)發(fā)熱。在應(yīng)用V-M系統(tǒng)時(shí)，首先要考慮抑制電流脈動(dòng)的問(wèn)題，其主要措施是：（1）增加整流電路的相數(shù)。（2）設(shè)置平波電抗器。平波電抗器的電感量是一般按低速輕載時(shí)保證電流連續(xù)的條件來(lái)選擇，通常給定最小電流（以A為單位），再利用它計(jì)算所需的總電感量（以mH為單位）。對(duì)于單相橋式全控整流電路： （1-7）對(duì)于三相半波整流電路： （1-8）對(duì)于三相橋式整流電路： （1-9）一般可取電動(dòng)機(jī)額定電流的5%10%。三、電流波形的連續(xù)與斷續(xù)由于電流波形的脈動(dòng)，可能出現(xiàn)電流連續(xù)和

21、斷續(xù)兩種情況，這是V-M系統(tǒng)不同于G-M系統(tǒng)的又一個(gè)特點(diǎn)。當(dāng)V-M系統(tǒng)主電路串接的電抗器有足夠大的電感量，而且電動(dòng)機(jī)的負(fù)載電流也足夠大時(shí)，整流電流的波形便可能是連續(xù)的，如圖1-10a所示。當(dāng)電感量較小而且負(fù)載較輕時(shí)，一相導(dǎo)通電流上升時(shí)電感中的儲(chǔ)能較少，在電流下降而下一相尚未被觸發(fā)以前，電流已經(jīng)衰減到零，便產(chǎn)生電流波形斷續(xù)的情況，如圖1-10b所示。電流波形的斷續(xù)給用平均值描述的系統(tǒng)方程帶來(lái)一種非線性的因素，造成機(jī)械特性的非線性，以及系統(tǒng)運(yùn)行中的一些問(wèn)題。一般希望盡量避免發(fā)生電流斷續(xù)。圖1-10 V-M系統(tǒng)的電流波形四、晶閘管-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的機(jī)械特性當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性方程式為 （1

22、-10）式中 電機(jī)在額定磁通下的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比。式（1-10）等號(hào)右邊表達(dá)式的適用范圍如本節(jié)第一小節(jié)中所述。改變控制角，得一族平行直線，如圖1-11所示，和G-M系統(tǒng)的特性很相似。機(jī)械特性上平均電流較小的部分畫(huà)成虛線，因?yàn)檫@時(shí)電流波形可能斷續(xù)，式（1-10）就不適用了。上述結(jié)論表明，只要電流連續(xù)，晶閘管可控整流器就可以看成是一個(gè)線性的可控電壓源。圖1-10 電流連續(xù)時(shí)V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性（箭頭表示增大效果）當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，機(jī)械特性方程要復(fù)雜得多。以三相半波整流電路為例，電流斷續(xù)時(shí)機(jī)械特性須用下列方程組表示：（1-11）（1-12）式中，一個(gè)電流脈沖的導(dǎo)通角。當(dāng)阻抗角值已知時(shí)，對(duì)于不同的控制角，可用

23、數(shù)值解法求出一族電流斷續(xù)機(jī)械特性（應(yīng)注意，當(dāng)時(shí)，特性略有差異）。這樣的求解計(jì)算到為止，因?yàn)榻窃俅箅娏鞅氵B續(xù)了。對(duì)應(yīng)于的曲線是電流斷續(xù)區(qū)域區(qū)與連續(xù)區(qū)的分界線。圖1-12繪出了完整的V-M系統(tǒng)的機(jī)械特性，其中包含了整流狀態(tài)和逆變狀態(tài)、連續(xù)區(qū)和斷續(xù)區(qū)。由圖可見(jiàn)，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，特性還比較硬；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈顯著的非線性，理想空載轉(zhuǎn)速翹得很高。一般分析調(diào)速系統(tǒng)式，只要主電路電感足夠大，可以近似地只考慮連續(xù)段，即用連續(xù)段特性及其延長(zhǎng)線（圖中用虛線表示）作為系統(tǒng)的特性。對(duì)于斷續(xù)特性比較顯著的情況，這樣做離實(shí)際比較遠(yuǎn)，可以改用另一段較陡的直線來(lái)逼近斷續(xù)特性（圖1-13），這相當(dāng)于把總電阻換成一個(gè)更大的

24、等效電阻，其數(shù)值可以從實(shí)測(cè)特性上計(jì)算出來(lái)。嚴(yán)重時(shí)可達(dá)實(shí)際電阻的幾十倍。圖1-12 V-M系統(tǒng)的全部機(jī)械特性圖1-13 斷續(xù)段特性的近似計(jì)算§ 1-3反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)分析和設(shè)計(jì)方法一、轉(zhuǎn)速控制的要求和調(diào)速指標(biāo)任何一臺(tái)需要轉(zhuǎn)速控制的設(shè)備，其生產(chǎn)工藝對(duì)控制性能都有一定的要求。例如，精密機(jī)床要求加工精度達(dá)到百分之幾毫米甚至幾微米；重型銑床的進(jìn)給機(jī)構(gòu)要求在很寬的范圍內(nèi)調(diào)速，快速移動(dòng)時(shí)最高速達(dá)到600mm/min，而精加工時(shí)最低速只有2mm/min，最高與最低相差300倍；點(diǎn)位式數(shù)控機(jī)床要求定位精度達(dá)到幾微米，速度跟蹤誤差約低于定位精度的1/2。又如，在軋鋼工業(yè)中，巨型的年產(chǎn)數(shù)百萬(wàn)噸鋼

25、錠的現(xiàn)代化初軋機(jī)其軋輥電動(dòng)機(jī)容量達(dá)到幾千kW，在不到1s的時(shí)間內(nèi)就得完成從正轉(zhuǎn)到反轉(zhuǎn)的全部過(guò)程；軋制薄鋼帶的高速冷軋機(jī)最高軋速達(dá)到37m/s以上，而成品厚度誤差不大于1%。在造紙工業(yè)中，日產(chǎn)新聞紙400t以上的高速造紙機(jī)，抄紙速度達(dá)到1000m/min，要求穩(wěn)速誤差小于±0.01%；凡此種種，不勝枚舉。所有這些要求，都是生產(chǎn)設(shè)備量化了的技術(shù)指標(biāo)，經(jīng)過(guò)一定折算，可以轉(zhuǎn)化成電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，作為設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)的依據(jù)。對(duì)于調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速控制要求也是各式各樣的，歸納起來(lái)，有以下三個(gè)方面：（1）調(diào)速在一定的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，分檔地（有級(jí)）或平滑地（無(wú)級(jí)）調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。（2）

26、穩(wěn)速以一定的精度在所需轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，在各種可能干擾下不允許有過(guò)大的轉(zhuǎn)速波動(dòng)，以確保產(chǎn)品質(zhì)量。（3）加、減速頻繁起、制動(dòng)的設(shè)備要求加、減速盡量快，以提高生產(chǎn)率；不宜經(jīng)受劇烈速度變化的機(jī)械則要求起，制動(dòng)盡量平穩(wěn)。以上三個(gè)方面有時(shí)都須具備，有時(shí)只要求一項(xiàng)或兩項(xiàng)，特別是調(diào)速和穩(wěn)速兩項(xiàng)，常常在各種場(chǎng)合下都碰到，可能還是相互矛盾的。為了進(jìn)行定量的分析，可以針對(duì)這兩項(xiàng)要求先定義兩個(gè)調(diào)速指標(biāo)，即調(diào)速范圍和靜差率。這兩項(xiàng)指標(biāo)合在一起又稱(chēng)為調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。（一）調(diào)速范圍生產(chǎn)機(jī)械要求電動(dòng)機(jī)提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母D 表示，即 （1-13）其中，和一般都指電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速，對(duì)于少

27、數(shù)負(fù)載很輕的機(jī)械，例如精密磨床，也可用實(shí)際負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速。（二）靜差率當(dāng)系統(tǒng)在某一轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，負(fù)載由理想空載增加到額定值時(shí)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落，與理想空載轉(zhuǎn)速之比，稱(chēng)作靜差率，即 （1-14）或用百分?jǐn)?shù)表示 （1-15）顯然，靜差率是用來(lái)衡量調(diào)速系統(tǒng)在負(fù)載變化下轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度的。它和機(jī)械特性的硬度有關(guān)，特性越硬，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定度就越高。然而靜差率和機(jī)械特性硬度又是有區(qū)別的。一般調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)在不同轉(zhuǎn)速下的機(jī)械特性是互相平行的，如圖1-14中的特性和，兩者的硬度相同。額定速降；但它們的靜差率卻不同，因?yàn)槔硐肟蛰d轉(zhuǎn)速不一樣。根據(jù)式（1-14）的定義，由于，所以。這就是說(shuō)，對(duì)于同樣硬度的特性，理想空

28、載轉(zhuǎn)速越低時(shí)，靜差率越大，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定度也就越差。在1000r/min時(shí)降落10r/min，只占1%；在100r/min時(shí)也降落10r/min，就占10%；如果只占有10r/min，再降落10r/min時(shí)，電動(dòng)機(jī)就停止轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速全部降落完了。圖1-14 不同調(diào)速下的精差率由此可見(jiàn)，調(diào)速范圍和靜差率這兩項(xiàng)指標(biāo)并不是彼此孤立的，必須同時(shí)提才有意義。一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時(shí)還能滿足所提靜差率要求的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。脫離了對(duì)靜差率的要求，任何調(diào)速系統(tǒng)都可以得到極高的調(diào)速范圍；反過(guò)來(lái)，脫離了調(diào)速范圍，要滿足給定的精差率也就容易得多了。（三）調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間的關(guān)系在

29、直流電機(jī)調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中，常以電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為最高轉(zhuǎn)速，若帶額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落為，則按照以上分析的結(jié)果，該系統(tǒng)的靜差率應(yīng)該是最低速時(shí)的靜差率，即于是，而調(diào)速范圍為將上面的式代入，得 （1-16）式（1-16）表示調(diào)速范圍、靜差率和額定轉(zhuǎn)速之間所滿足的關(guān)系。對(duì)于同一個(gè)調(diào)速系統(tǒng)，它的特性硬度或值是一定的，因此，由式（1-16）可見(jiàn)，如果對(duì)靜差率的要求越嚴(yán)，也就是說(shuō)，要求越小時(shí)，系統(tǒng)能夠允許的調(diào)速范圍也越小。例如，某調(diào)速系統(tǒng)額定轉(zhuǎn)速=1430r/min，額定速降=115r/min，當(dāng)要求靜差率時(shí)，允許的調(diào)速范圍是如果要求時(shí)，則調(diào)速范圍只有二、開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的性能和存在的問(wèn)題在圖1-3所示的V-M系統(tǒng)

30、中，僅用觸發(fā)裝置GT的控制電壓來(lái)調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，是開(kāi)環(huán)控制的調(diào)速系統(tǒng)，如果對(duì)靜差率要求不高的話，它也能實(shí)現(xiàn)一定范圍內(nèi)的無(wú)級(jí)調(diào)速，但是，許多需要無(wú)級(jí)調(diào)速的生產(chǎn)機(jī)械常常對(duì)靜差率提出一定的要求，例如龍門(mén)刨床，由于毛坯表面不平，加工時(shí)負(fù)載常有波動(dòng)，但為了保證加工精度和表面粗糙度，速度卻不容許有較大的變化，一般要求調(diào)速范圍，靜差率。又如熱連軋機(jī)，各機(jī)架軋輥分別由單獨(dú)的電機(jī)拖動(dòng)，鋼材在幾個(gè)機(jī)架內(nèi)同時(shí)軋制，要求各機(jī)架出口線速度保持嚴(yán)格的比例關(guān)系，以保證被軋金屬的每秒流量相等，才不致造成鋼材拱起或拉斷，根據(jù)工藝要去求，須使調(diào)速范圍時(shí)，保證靜差率某龍門(mén)刨床工作臺(tái)拖動(dòng)采用直流電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)如下：60kW、22

31、0V、305A、1000r/min，要求D = 20，如果采用V-M系統(tǒng)，已知主回路總電阻，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)勢(shì)系數(shù)=0.2Vmin/r，則當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，在額定負(fù)載下的轉(zhuǎn)速降落為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性連續(xù)段在額定轉(zhuǎn)速時(shí)的靜差率為這已大大超過(guò)了5%的要求，更不必談?wù){(diào)到最低速時(shí)的情況了。如果滿足D = 20，的要求，應(yīng)該是多少呢？由式（1-16）可知怎樣才能把額定速降從開(kāi)環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的275r/min降低到2.63r/min一下呢？開(kāi)環(huán)系統(tǒng)本身是無(wú)能為力的。試問(wèn)采用反饋閉環(huán)控制能不能辦到？下面來(lái)討論這個(gè)問(wèn)題。三、閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成及其靜特性在電動(dòng)機(jī)軸上安裝一臺(tái)測(cè)速發(fā)電機(jī)TG，從而可以引出與被調(diào)量轉(zhuǎn)速成正比的負(fù)反饋

32、電壓，與轉(zhuǎn)速給定電壓相比較后，得到偏差電壓，經(jīng)過(guò)放大器A，產(chǎn)生觸發(fā)裝置GT的控制電壓，用以控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這就組成反饋控制的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其原理框圖示于圖1-15。圖中，UPE是晶閘管整流器和觸發(fā)裝置。根據(jù)自動(dòng)控制原理，反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按被調(diào)量的偏差進(jìn)行控制的系統(tǒng)。只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差，它就會(huì)自動(dòng)產(chǎn)生糾正偏差的作用。速降落正是由負(fù)載引起的轉(zhuǎn)速偏差，顯然，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)應(yīng)該能夠大大減少轉(zhuǎn)速降落。圖1-15 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)下面分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。為了突出主要矛盾，先作如下的假定：（1）忽略各種非線性因素，假定系統(tǒng)中各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系都是線性的；（2）假定只工作在V-M系統(tǒng)開(kāi)

33、環(huán)機(jī)械特性的連續(xù)段；（3）忽略直流電源和電位器的內(nèi)阻。這樣，采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)中個(gè)環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系如下：電壓比較環(huán)節(jié)：放大器：晶閘管整流器和觸發(fā)裝置：V-M系統(tǒng)開(kāi)環(huán)機(jī)械特性：測(cè)速發(fā)電機(jī)：以上各關(guān)系式中放大器的電壓放大系數(shù)；晶閘管整流器和觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)；測(cè)速反饋系數(shù)，單位為Vmin/r；電樞回路總電阻。從上述五個(gè)關(guān)系式中消去中間變量，整理后，即得轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性方程式 （1-17）式中閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)，它相當(dāng)于在測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出端把反饋回路斷開(kāi)后，從放大器輸入起直到測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出為止總的電壓放大系數(shù)，是各環(huán)節(jié)單獨(dú)的放大系數(shù)的乘積。須注意，作為電動(dòng)機(jī)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)

34、的。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性表示閉環(huán)系統(tǒng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流（或轉(zhuǎn)矩）的穩(wěn)態(tài)關(guān)系，它在形式上與開(kāi)環(huán)機(jī)械特性相似，但本質(zhì)上卻有很大不同，故定名為“靜特性”，以示區(qū)別。根據(jù)各環(huán)節(jié)的穩(wěn)態(tài)關(guān)系式可以畫(huà)出閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖1-16a所示。圖中各方塊內(nèi)的符號(hào)代表該環(huán)節(jié)的放大系數(shù)，或稱(chēng)傳遞函數(shù)。運(yùn)用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算的方法同樣可以推出式（1-17）所表示的靜特性方程式，方法如下。將給定作用和擾動(dòng)作用看成兩個(gè)獨(dú)立的輸入量，先按它們分別作用下的系統(tǒng)（圖1-16b和c）求出各自的輸出與輸入關(guān)系方程式，由于已認(rèn)為系統(tǒng)是線性的，可以把二者疊加起來(lái)，即得系統(tǒng)的靜特性方程式，與式（1-17）相同。a) 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)b) 只考

35、慮給定作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)c) 只考慮擾動(dòng)作用時(shí)的閉環(huán)系統(tǒng)圖1-16 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖四、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)靜特性的關(guān)系比較一下開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性和閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性，就能清楚地看出反饋閉環(huán)控制的優(yōu)越性。如果斷開(kāi)反饋回路，則上述系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)機(jī)械特性為 （1-18）而閉環(huán)時(shí)的靜特性可寫(xiě)成 （1-19）其中和分別表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的理想空載轉(zhuǎn)速；和分別表示開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。比較式（1-18）和式（1-19）不難得出以下的論斷：（1）閉環(huán)系統(tǒng)靜性可以比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性硬得多。在同樣的負(fù)載擾動(dòng)下，兩者的轉(zhuǎn)速降落分別為 和 它們的關(guān)系是 （1-20）顯然，當(dāng)K值較大時(shí)，比小得多，

36、也就是說(shuō)，閉環(huán)系統(tǒng)的特性要硬得多。（2）如果比較同一的開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率要小得多。閉環(huán)系統(tǒng)和開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的靜差率分別為 和 當(dāng)=時(shí)， （1-21）（3）當(dāng)要求的靜差率一定時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)可以大大提高調(diào)速范圍。如果電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是，而對(duì)最低速靜差率的要求相同，那么，由式（1-16），開(kāi)環(huán)時(shí)，閉環(huán)時(shí)，再考慮式（1-20），得 （1-22）需要指出的是，式（1-22）的條件是開(kāi)環(huán)和閉環(huán)系統(tǒng)的相同，而式（1-21）的條件是相同，兩式在數(shù)量上略有差別。（4）要取得上述三項(xiàng)優(yōu)勢(shì)，閉環(huán)系統(tǒng)必須設(shè)置放大器。上述三項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)若要有效，都取決于一點(diǎn)，即K要足夠大，因此必須設(shè)置放大器。因?yàn)樵陂]環(huán)系統(tǒng)中，引入

37、轉(zhuǎn)速反饋電壓后，若要使轉(zhuǎn)速偏差小，就必須壓得很低，所以必須設(shè)置放大器，才能獲得足夠的控制電壓。在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，由于和是屬于同一數(shù)量級(jí)的電壓，可以把直接當(dāng)作來(lái)控制，放大器便是多余的了。現(xiàn)在再對(duì)上面引用的龍門(mén)刨床的例子進(jìn)行計(jì)算。已知=275r/min，要求D = 20，須有，由式（1-20），若已知V-M系統(tǒng)的參數(shù)為：=0.2Vmin/r，=30，0.015Vmin/r，則即只要放大器的放大系數(shù)大于或等于46，閉環(huán)系統(tǒng)即能滿足所提的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。把以上四點(diǎn)概括起來(lái)，可得下述結(jié)論：閉環(huán)系統(tǒng)可以獲得比開(kāi)環(huán)系統(tǒng)硬得多的穩(wěn)態(tài)特性，從而在保證一定靜差率的要求下，能夠提高調(diào)速范圍，為此所需付出的代價(jià)是，須增設(shè)檢

38、測(cè)與反饋裝置和電壓放大器。 然而，如果深入考慮一下，也許會(huì)出現(xiàn)這樣的問(wèn)題：調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降是由電樞回路的電阻壓降決定的，閉環(huán)系統(tǒng)能減少穩(wěn)態(tài)速降，難道閉環(huán)后能使電阻減小嗎？顯然不能！那么降低速降的實(shí)質(zhì)是什么呢？在開(kāi)環(huán)系統(tǒng)中，當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)，電樞壓降也增大，轉(zhuǎn)速只能老老實(shí)實(shí)地降下來(lái)；閉環(huán)系統(tǒng)裝有反饋裝置，轉(zhuǎn)速稍有降落，反饋電壓就感覺(jué)出來(lái)了，通過(guò)比較和放大，提高晶閘管裝置的輸出電壓，使系統(tǒng)工作在新的機(jī)械特性上，因而轉(zhuǎn)速又有所回升。如圖1-17中，設(shè)原始工作點(diǎn)為，負(fù)載電流為，當(dāng)負(fù)載增大到時(shí)，開(kāi)環(huán)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速必然降到點(diǎn)對(duì)應(yīng)的數(shù)值，而在閉環(huán)系統(tǒng)中，由于反饋調(diào)節(jié)的作用，電壓可升到，使工作點(diǎn)變成，穩(wěn)態(tài)速降比

39、開(kāi)環(huán)系統(tǒng)小得多。這樣，在閉環(huán)系統(tǒng)中，每增加（或減少）一點(diǎn)負(fù)載，就相應(yīng)地提高（或降低）一點(diǎn)整流電壓，因而就改變一條機(jī)械特性。閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性就是這樣許多開(kāi)環(huán)機(jī)械特性上各取一個(gè)相應(yīng)的工作點(diǎn)（A、B、C、D），再由這些點(diǎn)聯(lián)接而成的，如圖1-17所示。由此看來(lái)，閉環(huán)系統(tǒng)能夠減少穩(wěn)態(tài)速降的實(shí)質(zhì)在于它的自動(dòng)調(diào)節(jié)作用，在于它能隨著負(fù)載的變化而相應(yīng)地改變整流電壓。圖1-17 閉環(huán)系統(tǒng)靜特性和開(kāi)環(huán)機(jī)械特性的關(guān)系五、反饋控制規(guī)律轉(zhuǎn)速閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是一種最基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有以下三個(gè)基本特征，也就是反饋控制的基本規(guī)律，這是很重要的規(guī)律。（一）被調(diào)量有靜差具有比例放大器的反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)是有靜差的。從上一節(jié)對(duì)靜特

40、性分析中可以看出，閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)K值對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性能影響很大。K值越大，靜特性就越硬，穩(wěn)態(tài)速降越小，在一定靜差率要求下的調(diào)速范圍越廣?？偠灾琄越大，穩(wěn)態(tài)性能越好。然而，只要所設(shè)置的放大器僅僅是一個(gè)比例放大器（Kp =常數(shù)），穩(wěn)態(tài)速差就只能減小，但卻不可能消除，因?yàn)殚]環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降為只有 K = ¥才能使= 0，而這是不可能的。因此，這樣的調(diào)速系統(tǒng)叫做有靜差調(diào)速系統(tǒng)。實(shí)際上，這種系統(tǒng)正是依靠被調(diào)量偏差的變化才能實(shí)現(xiàn)控制作用的。（二）抵抗擾動(dòng), 服從給定反饋控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對(duì)于被負(fù)反饋環(huán)包圍的前向通道上的一切擾動(dòng)作用都能有效地加以抑制，但對(duì)給定作用的變化則唯命

41、是從。除給定信號(hào)外，作用在控制系統(tǒng)各環(huán)節(jié)上的一切會(huì)引起輸出量變化的因素都叫做“擾動(dòng)作用”。上面我們討論了負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速降落這樣一種擾動(dòng)作用，除此以外，交流電源電壓的波動(dòng)，電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的變化，放大器輸出電壓的漂移，由溫升引起主電路電阻的增大等等，所有這些因素都和負(fù)載變化一樣會(huì)引起被調(diào)量轉(zhuǎn)速的變化，因而都是調(diào)速系統(tǒng)的擾動(dòng)作用。作用在前向通道上的任何一種擾動(dòng)作用的影響都會(huì)被測(cè)速發(fā)電機(jī)檢測(cè)出來(lái)，通過(guò)反饋控制，減小它們對(duì)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。圖1-18的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖上畫(huà)出了各種擾動(dòng)作用，其中代表電流的箭頭表示負(fù)載擾動(dòng)，其它指向各方框的箭頭分別表示會(huì)引起該環(huán)節(jié)放大系數(shù)變化的擾動(dòng)作用。此圖清楚表明：凡是被負(fù)反饋環(huán)包

42、圍的加在控制系統(tǒng)通道上的擾動(dòng)作用對(duì)被調(diào)量的影響都會(huì)受到反饋控制的抑制?？箶_性能是反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)最突出的特征。正因?yàn)橛羞@一特征，在設(shè)計(jì)閉環(huán)系統(tǒng)時(shí)，一般只考慮一種主要擾動(dòng)，例如在調(diào)速系統(tǒng)中值考慮負(fù)載擾動(dòng)。按照克服負(fù)載擾動(dòng)的要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，則其它擾動(dòng)也就自然都受到抑制了。圖1-18 自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的給定作用和擾動(dòng)作用 在圖1-18中還可以看到，唯一與眾不同的表示外部作用的箭頭就是轉(zhuǎn)速給定信號(hào)。顯然，給定作用如果有細(xì)微的變化，被調(diào)量都會(huì)立即隨之變化，絲毫不受反饋?zhàn)饔玫囊种?。因此，全面地看，反饋控制系統(tǒng)一方面能夠有效地抑制一切被包在負(fù)反饋環(huán)內(nèi)前向通道上的擾動(dòng)作用；另一方面，則緊緊地跟隨著給定作用，對(duì)給定信

43、號(hào)的任何變化都是惟命是從的。（三）系統(tǒng)的精度依賴(lài)于給定和反饋檢測(cè)精度反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)對(duì)給定電源和被調(diào)量檢測(cè)裝置中的擾動(dòng)無(wú)能為力，因此，控制系統(tǒng)的精度依賴(lài)于給定穩(wěn)壓電源和和反饋量檢測(cè)元件的精度如果給定電源產(chǎn)生了不應(yīng)有的波動(dòng)，則被調(diào)量也要跟著變化。反饋控制系統(tǒng)無(wú)法鑒別是正常的調(diào)節(jié)給定電壓還是給定電源的變化。高精度的調(diào)速系統(tǒng)需要有更高精度的給定穩(wěn)壓電源。此外，還有一種外界影響是反饋控制系統(tǒng)無(wú)法克服的，那就是反饋檢測(cè)元件本身的誤差，對(duì)調(diào)速系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，就是測(cè)速發(fā)電機(jī)的誤差。如果直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁發(fā)生了變化，反饋電壓也要改變，通過(guò)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)作用，反而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速偏離了原應(yīng)保持的數(shù)值。此外，測(cè)速發(fā)電機(jī)電壓中

44、的換向紋波，由于制造或安裝不良造成轉(zhuǎn)子和定子間的偏心等等，都會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)周期性的干擾。為此，高精度的控制系統(tǒng)還必須有高精度的反饋檢測(cè)元件作為保證。六、反饋控制調(diào)速系統(tǒng)的主要部件和穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算是自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，它決定了控制系統(tǒng)的基本構(gòu)成，然后再通過(guò)動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)使系統(tǒng)臻于完善。在討論具體的穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算方法以前，先研究一下幾個(gè)主要的部件。（一）運(yùn)算放大器在模擬控制的電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)中，多采用線性集成電路運(yùn)算放大器作為系統(tǒng)的放大器或調(diào)節(jié)器，其功能與分立元件放大器相比有下列主要優(yōu)點(diǎn)：（1）開(kāi)環(huán)放大系數(shù)高達(dá)，加上強(qiáng)負(fù)反饋后，可得高穩(wěn)定度的電壓放大系數(shù)。（2）加在運(yùn)算放大器輸入端的各種

45、信號(hào)是電流疊加、并聯(lián)輸入的，調(diào)整方便，容易實(shí)現(xiàn)加、減、微分、積分等各種運(yùn)算，可以方便地組成各種類(lèi)型的調(diào)節(jié)器。（3）放大器輸入電阻大，可達(dá)幾個(gè)，因而輸入電路可以串聯(lián)幾十的電阻，也不影響放大器的工作，所取的信號(hào)電流很小，電源和分壓電位器內(nèi)阻都可忽略不計(jì)。（4）輸入信號(hào)共地，接受干擾的機(jī)會(huì)較少。（5）輸出端可用鉗位限幅或接地保護(hù)，使系統(tǒng)工作安全可靠。運(yùn)算放大器用作比例放大器（也稱(chēng)比例調(diào)節(jié)器、P調(diào)節(jié)器）時(shí)的線路示于圖1-19a。圖中和為放大器的輸入和輸出電壓，為輸入電路電阻，為放大器的反饋電阻，為同相輸入端的平衡電阻，用以降低放大器失調(diào)電流的影響，的數(shù)值一般應(yīng)為反相輸入端各電路電阻的并聯(lián)值，例如在此圖

46、中應(yīng)為。在計(jì)算放大器的放大系數(shù)以及調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)時(shí)常采用“虛地點(diǎn)”原理，它適用于放大器的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)很大的情況。這時(shí)，可以認(rèn)為圖1-19a中A點(diǎn)點(diǎn)位近似等于零，稱(chēng)A點(diǎn)為“虛地點(diǎn)”，于是 ； 又由于放大器的輸入電阻很大，經(jīng)A點(diǎn)流入放大器的電流也接近零，因此所以比例放大器的放大系數(shù)為 （1-23）當(dāng)是階躍函數(shù)時(shí)，也是階躍函數(shù)，其幅值是的倍，如圖1-19b所示。應(yīng)該注意的是，運(yùn)算放大器一般使用反相輸入，輸入電壓和輸出電壓的極性是相反的。如果要反映出極性，應(yīng)為負(fù)值，這將給系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和計(jì)算帶來(lái)麻煩。為了避免這種麻煩，和其他調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)本身都用正值，反相的關(guān)系只是具體電路的極性中考慮；或者說(shuō)，和實(shí)際

47、上都取它們的絕對(duì)值。本書(shū)中以后均采用這個(gè)規(guī)定。如果要調(diào)節(jié)圖1-19a放大器的放大系數(shù)，就要改變值。有時(shí)為了連續(xù)調(diào)節(jié)放大系數(shù)的方便，可采用圖1-20的線路，在放大器輸出端用電位器分壓，從電位器的滑動(dòng)端取負(fù)反饋，則其中，是分壓系數(shù)。于是 （1-24） a) 原理圖 b) 輸出特性圖1-19 比例放大器原理圖和輸出特性圖1-20 放大系數(shù)可調(diào)的比例放大器調(diào)節(jié)即可改變放大系數(shù)，但與一般習(xí)慣不同的是，在這里，分壓比越小，整個(gè)放大器的放大系數(shù)將越大，因而負(fù)反饋被削弱了。為了避免使放大器開(kāi)環(huán)，不能調(diào)到零，可在電位器接地端串一個(gè)不可調(diào)的小電阻1/9，其阻值若取電位器電阻的，則最多能把放大系數(shù)從提高到10倍。在

48、自動(dòng)控制系統(tǒng)中，在放大器上面往往需要綜合好幾個(gè)信號(hào)，例如給定信號(hào)和反饋信號(hào)等?？梢杂貌⒙?lián)輸入的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1-21a所示。當(dāng)和的極性相反時(shí)，由于A點(diǎn)的，可得令，則得 （1-25）圖1-21b表示這部分的結(jié)構(gòu)圖。它的意義是：放大系數(shù)只按給定輸入回路的電阻計(jì)算，其它信號(hào)則應(yīng)按輸入回路電阻比折合到給定回路上去。如果，便得圖1-21c，和就可以直接相減了。 a) 原理圖 b) 結(jié)構(gòu)圖， c) 結(jié)構(gòu)圖，圖1-21 綜合多個(gè)信號(hào)的比例放大器（二）晶閘管觸發(fā)和整流裝置在按線性系統(tǒng)規(guī)律進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該把這個(gè)環(huán)節(jié)的放大系數(shù)當(dāng)作常數(shù)，但實(shí)際上觸發(fā)電路和整流電路都是非線性的，只能在一定的工作范圍內(nèi)近似成線

49、性環(huán)節(jié)。因此，若有可能，最好先用實(shí)驗(yàn)方法測(cè)出該環(huán)節(jié)的輸入-輸出特性，即，見(jiàn)圖1-22。設(shè)計(jì)時(shí)，希望整個(gè)調(diào)速范圍的工作點(diǎn)都落在特性的近似線性范圍內(nèi)，并有一定的調(diào)節(jié)余量，這時(shí)，放大系數(shù)可由工作范圍內(nèi)的特性斜率決定。 （1-26）圖1-22 晶閘管觸發(fā)與整流裝置的輸入-輸出特性和的測(cè)定如果不可能實(shí)測(cè)特性，只好根據(jù)電路參數(shù)估算，例如，當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)范圍是010V，對(duì)應(yīng)的變化范圍是0220V時(shí)，可取。（三）穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算舉例如圖1-23所示的直流調(diào)速系統(tǒng)，已知數(shù)據(jù)如下：（1）電動(dòng)機(jī)：額定數(shù)據(jù)為10kW，220V，55A，1000r/min，電樞電阻；（2）晶閘管觸發(fā)整流裝置：三相橋式可控整流電路，整流變壓器Y/

50、Y聯(lián)結(jié)，二次線電壓= 230V，觸發(fā)整流環(huán)節(jié)的放大系數(shù)= 44； （3）V-M系統(tǒng)電樞回路總電阻：R = 1.0；（4）測(cè)速發(fā)電機(jī)：永磁式，ZYS231/110型；額定數(shù)據(jù)為23.1W，110V，0.21A，1900r/min；（5）生產(chǎn)機(jī)械要求調(diào)速范圍D = 10，靜差率。根據(jù)以下數(shù)據(jù)和穩(wěn)態(tài)要求計(jì)算參數(shù)如下：（1）為了滿足D = 10，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)速降應(yīng)為（2）根據(jù)，求出系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)式中（3）計(jì)算測(cè)速反饋環(huán)節(jié)的放大系數(shù)和參數(shù)測(cè)速反饋系數(shù)包含測(cè)速發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)速比和電位器的分壓系數(shù)，即 根據(jù)測(cè)速發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)，試取，如測(cè)速發(fā)電機(jī)與主電動(dòng)機(jī)直接聯(lián)接，則在電動(dòng)機(jī)最高轉(zhuǎn)速1000r/

51、min下，反饋電壓為相應(yīng)的最大給定電壓約需12V。若直流穩(wěn)壓電源為±15V，可以滿足需要，因此所取的值是合適的。于是，測(cè)速反饋系數(shù)為電位器的選擇方法如下：考慮測(cè)速發(fā)電機(jī)輸出最高電壓時(shí)，其電流約為額定值的20%，這樣，測(cè)速機(jī)電樞壓降對(duì)檢測(cè)信號(hào)的線性度影響較小，于是此時(shí)所消耗的功率為為了使電位器溫度不要很高，實(shí)選瓦數(shù)應(yīng)為消耗功率的一倍以上，故選為10W，的可調(diào)電位器。（4）計(jì)算運(yùn)算放大器的放大系數(shù)和參數(shù)實(shí)取。按運(yùn)算放大器參數(shù)，取，則七、小結(jié)本節(jié)主要討論有靜差的反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)及反饋控制的基本規(guī)律。調(diào)速范圍和靜差率是調(diào)試系統(tǒng)兩項(xiàng)相互關(guān)聯(lián)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)，它們之間的關(guān)系可用下式表達(dá)：由于開(kāi)

52、環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的額定速降較大，不能滿足具有一定靜差率的調(diào)速范圍的要求，因此引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋組成閉環(huán)的反饋控制系統(tǒng)。閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的靜特性有下列性質(zhì)：（1）在相同的負(fù)載下，閉環(huán)系統(tǒng)的靜態(tài)速降減小為開(kāi)環(huán)系統(tǒng)速降的，其中是閉環(huán)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)放大系數(shù)。（2）如果理想空載轉(zhuǎn)速相同，則閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率只有開(kāi)環(huán)系統(tǒng)靜差率的。（3）在同樣的最高滿載轉(zhuǎn)速和低速靜差率的條件下，閉環(huán)系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以擴(kuò)大到開(kāi)環(huán)調(diào)速范圍的倍。具有比例放大器的閉環(huán)系統(tǒng)是最基本的反饋控制系統(tǒng)，它具有如下的反饋控制規(guī)律：（1）依靠反饋量和給定量之差進(jìn)行控制，屬于有靜差的控制系統(tǒng)。（2）具有良好的抗擾性能，對(duì)于被負(fù)反饋環(huán)包圍的在前向通道上的一切擾動(dòng)作用

53、都具有抵抗能力，都能減小被調(diào)量受擾后產(chǎn)生的偏差；但對(duì)于給定作用的變化則是盡快跟隨的。一方面抵抗一切擾動(dòng)作用的影響，一方面盡快跟隨給定作用的變化，這就是閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的雙重特征。（3）無(wú)力克服給定電源和反饋檢測(cè)元件的誤差，因此，高精度的反饋控制系統(tǒng)必須有高精度的檢測(cè)元件和給定穩(wěn)壓電源源作為保證。有兩種分析閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)靜特性的方法：（1）根據(jù)各環(huán)節(jié)的輸入輸出關(guān)系求系統(tǒng)的靜特性方程式。（2）利用結(jié)構(gòu)圖運(yùn)算法，按各輸入信號(hào)（包括給定信號(hào)和擾動(dòng)信號(hào)）分別作用下的輸入輸出關(guān)系疊加得到系統(tǒng)的靜特性。根據(jù)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)和電動(dòng)機(jī)及各控制部件的已知參數(shù)，計(jì)算并選擇所需反饋檢測(cè)元件和放大器，叫做穩(wěn)態(tài)參數(shù)計(jì)算?；镜姆答伩刂崎]環(huán)調(diào)速系統(tǒng)在突加給定信號(hào)起動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生很大的電流沖擊，穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)越高時(shí)，放大系數(shù)值越大，起動(dòng)時(shí)的電流沖擊也越厲害。采用電流截止負(fù)反饋是限制電流沖擊最簡(jiǎn)單的方法。§ 1-4 反饋控制閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)分析和設(shè)計(jì)前一節(jié)討論了反饋控制閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能及其分析與設(shè)計(jì)方法。在引入轉(zhuǎn)速負(fù)反饋并且有了足夠大的