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)(φ

φφ 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。