4 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
直流调速系统基本概念
2. 比例控制的特点 作用及时、快速、控制作用强，而且Kp值越大，
系统的静特性越好、静差越小。
二、 积分控制与积分调节器
是指系统的输出量与输入量对时间的 积分成正比例的控制，简称I控制。
积分控制
1. 积分( I )调节器
式中 KI——I 调节器的积分常数； ——I调节器的积分时间， =1/KI。
2. 积分控制的特点 可以消除输出量的稳态误差，能实现无静差控制， 这是积分控制的最大优点。
理想空载转速 在给定电压一定时，有: n0 f 转速降
n0 Ce ( 1 K ) 1 K
K GU g
n0 f n0 如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即， 为了获得同开环相同的 理想空载转速 R n n f Ia 闭环给定电压 U g f U g 1 K Ce ( 1 K ) 1 K
范围： M p 10% ~ 35%
超调量
2. 过渡过程时间T
从输入控制（或扰动）作用于系统 开始直到被调量 n 进入（0.05 ～0.02）n2 稳定值区间时为止（并且以后不再越出 这个范围）的一段时间，叫作过渡过程 时间。
3. 振荡次数 N
过渡过程时间 在过渡过程时间内,被调量n在其稳定值 上下摆动的次数，
1稳态uguf不变3稳速ug不变负载变化使uf变化???????????????nuuuuuundkfgf????当负载增加使???????????????nuuuuuundkfgf????当负载减小使当负载发生变化使速度发生变化后系统通过反馈能维持速度基本不变这种状态称为稳速
直流调速系统基本概念
直流调速系统主要性能指标 机电传动控制系统选择调速方案的依据： 生产机械对调速系统提出的调速技术指标 静态指标 调速系统的调速技术指标 动态指标 一、静态技术指标
第三章 单闭环直流调速系统
2020年9月26日7时45分
23/12
University of Science and Technology Liaoning
博学明德 经世致用 勤奋向上 求实创新
U g1 的正脉冲比 负脉冲窄 ，
E Ud
id 始终为负。
制动状态的电压、电流波形
图3-5 有制动电流通路的不可逆PWM变换器-直流电动机系统
2020年9月26日7时45分
19/12
博学明德 经世致用
University of Science and Technology Liaoning
勤奋向上 求实创新
3.1.2 直流PWM变换器-电动机系统
全控型电力电子器件问世以后，就出现了 采用脉冲宽度调制的高频开关控制方式, 形 成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统， 简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速 系统。
VT2和VD1交替导通， VT1和VD2始终关断。
2020年9月26日7时45分
25/12
University of Science and Technology Liaoning
博学明德 经世致用 勤奋向上 求实创新
轻载电动状态
id
1
0
t4
4
2 ton
VT1、VD2、VT2和VD1
四个管子轮流导通。
University of Science and Technology Liaoning
博学明德 经世致用 勤奋向上 求实创新
一般电动状态
在 方一 向般示电于动图状3-5态(a中)中，）id。始终为正值（其正
在 id沿0≤图t<中ton的期回间路，1V流T通1导。通，VT2关断。电流 在 极管ton≤VtD<T2续期流间。，VT1关断，id沿回路2经二 VT1和VD2交替导通， VT2和VD1始终关断。
运动控制 第2章 转速反馈控制的直流调速系统
电动状态
Ud E id
t VT2不发挥作用
41
第1篇 直流调速系统 2.1.2 直流PWM变换器-电机系统
Ug1 VD1 VD1 VD1
VD1
VT2
VT2
VT2
U, i
Us
0 ton T
43 43 43 4
减小控制电压， 使Ug1正脉冲变窄，
使Ud降低，造成E > Ud，使电流反向。
2
VD
+ U_ s
39
第1篇 直流调速系统 2.1.2 直流PWM变换器-电机系统
VT2
Ug2 VT1
Ug1
VD2 -
1
E2 +
M
VD1
C
- Us +
有制动电流通路的不可逆PWM变换器 40
第1篇 直流调速系统 2.1.2 直流PWM变换器-电机系统
在0 ≤ t ≤ ton期间， Ug1为正， U, i
消除后仍能以原来的转速运行
要使系统稳定运行，必须使电机的电磁转矩和负载转矩
大小相等，方向相反，相互平衡。即 Te TL
直流电机稳定运行时的电压平衡方程：
Ud 0 Id R E E Cen
17
第1篇 直流调速系统
设外加电枢电压 Ud0 一定，Te = TL(平衡)。此时
若TL突然增加，则调整过程为：
Us
流通，产生能耗制动作用。 在 T≤ t ≤ T + ton 期间，VT2 关断，
E -id 沿回路4经VD1续流，向电源回 Ud 馈制动，与此同时，VD1 两端压降
钳住VT1使它不能导通。
0 ton T
t
43 43 43 4
2.2稳态调速性能指标
2.2.1 转速控制的要求和调速指标 调速系统转速控制的要求： 1)调速 2)稳速 3)加、减速 最高、最低转速；有级/无级调速 静态 动态
§2.2 稳态 稳态调速系统性能指标和机械特性 一、转速控制的要求和调速指标 1)调速 （一）调速范围
nmax D= nmin
I dom R 305 × 0.18 Δnnom = = = 275r / min Ce 0.2
二、开环调速系统的性能和存在的ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ题
例题：某龙门刨床工作台拖动 直流电机Z2－93型， 60KW,220V,305A,1000r/min， 要求D=20,S<5%.
I R 305 × 0.18 Δnnom = dom = = 275r / min Ce 0.2
答案
nmax 1500 = = 15 D= 100 nmin
nnom S nmax S 1500 × 2% Δn = = = = 2.04 D( 1 − S ) D( 1 − S ) 15 × ( 1 − 2%)
二、开环调速系统的性能和存在的问题
A GT M
调速范围
放大器
静差率 矛盾
uct = k u
u − Id R n = d0 Ce * p s n
Ud0 − Id R k k u RI d = − n= Ce Ce Ce
二、开环调速系统的性能和存在的问题
调速范围
静差率 矛盾
A
GT
M
例题2-2：某龙门刨床工作台拖动直流电机Z2－ 93型，60KW,220V,305A,1000r/min，要求 D=20,S<5%.采用V-M系统，已知主回路总电阻R ＝0.18 Ω ，电动机Ce＝0.2Vmin/r,则当电流在 额定负载下的转速降落为
运动控制300道题(精简版)
精心整理二、填空题1.PWM控制技术包括单极性控制和双极性控制两种方式。
2．反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。
3.静态环流可以分为直流平均环流和瞬时脉动环流。
4.PWM逆变器根据电源类型不同可以分为电压型和电流型。
5．直流电动机电枢的电流由负载决定。
20．V-M系统中，采用三相整流电路，为抑制电流脉动，可采用的主要措施是设置平波电抗器. 21．在单闭环调速系统中，为了限制全压启动和堵转电流过大，通常采用电流截止负反馈。
22．在无静差的直流调速系统中，I部分的作用是__消除稳态误差____。
23．在α=β配合控制的直流可逆调速系统中，存在的是瞬时脉动环流，可用串接环流电抗器抑制。
24．调速系统的稳态性能指标有调速范围、静差率。
25．某直流调速系统电动机的额定转速为n=1430r/min，额定速降为115r/min，要求静差率s≤30%，N则系统允许的最大调速范围为。
26．转速、电流双闭环调速系统当中，两个调节器采用串联联接，其中转速反馈极性为负、电流反馈极性为负。
27．转速、电流双闭环系统，采用PI调节器，稳态运行时，转速n取决于给定电压、ASR的输出量取决于负载电流。
28．下图为单闭环转速控制系统。
(1)图中V是晶闸管整流器；是平波电抗器，它的作用是抑制电流脉动和保证最小续流电流；(2)图中Ld37.在两组晶闸管反并联的可逆调速系统中，反转用正组晶闸管实现回馈制动的。
38、交流异步电动机调压调速工作时，其最大转矩随电机电压的降低而降低。
39、恒压频比控制方式是指给异步电动机供电的电压和之频率比为常数。
40、异步电动机变压变频调速控制特性曲线中，基频以下调速称为恒转矩调速，基频以上调速称为恒功率调速。
42、转速、电流双闭环直流调速系统中，对负载变化起抗扰作用的是转速调节器。
43、对于调速系统，最主要的抗扰性能是抗负载扰动和抗电网电压的性能。
44、在调速系统中常用的抗扰性能指标为动态降落和恢复时间。
2.2稳态调速性能指标和开环直流调速系统
（二）开环直流调速系统存在的问题
实际系统往往对调速范围、静差率两 方面都有要求。
龙门刨床： 调速范围：20~40； 静差率：5%。
热连轧机： 调速范围：10； 静差率：0.2%~0.5%。
（二）开环直流调速系统存在的问题
例题：
某龙门刨床工作台拖动采用直流
电 动 机 ， 其 额 定 数 据 如 下 ： 60kW 、
电力电子变换器的稳态关系:
U d0 KsUc
直流电动机的稳态关系:
n Ud0 I dR Ce
开环调速系统的机械（转速）特性为:
n Ud0 RI d KsUc RI d
Ce
Ce
Ce
（二）开环直流调速系统存在的问题
（2）机械（转速）特性
n Ud0 RI d KsUc RI d
转速反馈控制直流调速系统。
主要内容
01 调速的稳态性能指标 02 开环直流调速系统存在的问题
稳态调速性能指标和开环直流调速系统
主讲人：张敬南 副教授
∆ nNb ������d02
Te
（一）调速的稳态性能指标
（2）静差率
s nN n0
n n01
n02
nN n0 nN
∆ nNa
a
������d01
∆ nNb
b
������d02
O
TeN
Te
（一）调速的稳态性能指标 （3）指标之间的关系 D nmax nN nmin nmin
稳态调速性能指标和开环直流调速系统
主讲人：张敬南 副教授
主要内容
01 调速的稳态性能指标 02 开环直流调速系统存在的问题
（一）调速的稳态性能指标 （1）调速范围
上海高等教育自学考试-上海交通大学
上海高等教育自学考试-上海交通大学上海市高等教育自学考试工业自动化专业（独立本科段）（B080603）电力拖动自动控制系统（02297）自学考试大纲上海交通大学自学考试办公室编上海市高等教育自学考试委员会组编2013年版I、课程性质及其设置的目的和要求（一）本课程的性质与设置的目的“电力拖动自动控制系统”是高等教育自学考试“工业自动化”专业（本科）中的一门重要的专业课程，它是为培养工业自动化本科人才的需要而设置的。
在工业生产的诸多设备中，电力拖动自动控制系统是被最广泛应用的一种拖动形式，因为它有着可满足生产工艺各种要求的良好的控制性能。
随着我国国民经济的发展，生产的自动化程度日益提高，对电力拖动装置的工作性能要求也不断提高，更需要大量熟悉工业自动控制知识的人才。
自学考试“工业自动化”专业的开展便是一个很好的培养人才的途径。
作为专业课，它是一门理论密切联系实际的课程。
（二）本课程的基本要求通过对本课程的自学和实验考核，要求考生：1.系统地掌握以电力电子变流器供电的交、直流电力拖动自动控制系统的基本工作原理与基本概念。
掌握应用反馈控制理论提高系统静态精度与动态性能指标的方法。
这是本课程的基础。
2.掌握电力拖动有静差系统与无静差系统的组成，参数的计算以及静态特性的计算。
熟悉如何根据生产机械对系统静、动态性能指标的要求计算系统中相应的参数。
3.学会如何建立系统的数学模型。
4.通过实验，初步学会对电力拖动控制系统的调试。
（三）本课程与相关课程的联系本课程是在考生已自学了“电机与拖动基础”、“自动控制原理”及“电力电子技术”等课程的基础上学习的。
是应用上述先修课程的基本原理与基本知识来研究如何进一步组成具体的交、直流电力拖动自动控制系统。
II、课程内容与考核目标第一章绪论（一）学习目的和要求通过本章的学习，对运动控制系统所涉及内容和学科关系有一个基本的了解；了解运动控制系统的一般结构、各环节内容和基本运动控制规律；了解运动学方程和主要控制方案。
22稳态调速性能指标及直流调速系统的机械特性
开环系统的静差率为 sop 当 n0op n0cl 时，
nop n0op
scl
sop 1 K
（2-49）
（3）如果所要求的静差率一定，则 闭环系统可以大大提高调速范围
如果电动机的最高转速都是nN，最低速静 差率都是s，可得 nN s 开环时， Dop nop (1 s)
假定主电路电流连续，动态电压方程为 dI U d 0 RI d L d E (2-34) dt 忽略粘性摩擦及弹性转矩，电动机轴上的动力学方程为
GD 2 dn Te TL 375 dt
(2-35)
额定励磁下的感应电动势和电磁转矩分别为
E Ce n
Te Cm I d
1 I d (s) R U d 0 ( s ) E ( s ) T1 s 1
(2-40)
电流与电动势间的传递函数
E ( s) R I d ( s) I dL ( s) Tm s
(2-41)
图2-21 额定励磁下直流电动机 的动态结构框图
(a)电压电流间的结构框图 (b)电流电动势间的结构框图 (c）直流电动机的动态结构 框图
(2-46)
式中，n0op 表示开环系统的理想空载转速， nop 表示开环系统的稳态速降。
比例控制闭环系统的静特性为
n
* K p K sU n
Ce (1 K )
RI d n0cl ncl Ce (1 K )
(2-47)
式中， n0cl 表示闭环系统的理想空载转速， ncl 表示闭环系统的稳态速降。
图2-18 带转速负反馈的闭环直流调速系统原理框图
电压比较环节
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
Ce
开环调速系统的机械特性为
U d 0 RId K sU c RId K sU c R n Te Ce Ce Ce Ce C eC m
（2-31）
13
额定电压和额定励磁下
K SU C n0 Ce
理想空载转速
I dN R nN Ce
额定转速降落
14
图2-16 开环调速系统稳态结构图
9
nN s D nN (1 s)
例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为 nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min， 当要求静差率s≤30%时，允许多大的调速 范围？ 如果要求静差率s≤ 20%，则调速范围是多 少？ 如果希望调速范围达到10，所能满足的静 差率是多少？
图2-14 不同转速下的静差率
7
一般以额定转速为最高转速
nN D nmin
s
nN
n0 min
nN nmin nN
8
调速范围、静差率和额定速降之间的关系
（2-28） 对于同一个调速系统，ΔnN值是定值。 要求s值越小时，系统能够允许的调速范围 D也越小。 一个调速系统的调速范围，是指在最低速 时还能满足所需静差率的转速可调范围。
nN s 1000 0.05 nN 2.63r / min D(1 s) 20 (1 0.05)
18
2.2.3 晶闸管开环直流调速系统
Байду номын сангаас
系统整体结构，在1秒钟时负载转矩由 50增加到100
19
直流电机模块
20
电源和多功能桥模块
21
门级控制信号模块
22
求解器的设置
15
图2-17 开环直流调速系统的机械特性
16
例题2-2
某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其 额定数据如下：60kW，220V，305A， 1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻 R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。 如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，采用 开环调速能否满足？若要满足这个要求，系 统的额定速降ΔnN最多能有多少？
DnN 10 115 s 0.446 44.6% nN DnN 1430 10 115
11
2.2.2 直流调速系统的机械特性
晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直 流电源，用UPE来统一表示可控直流电源
图2－15 开环调速系统的原理图
12
机械特性
开环调速系统中各环节的稳态关系如下： U d 0 K sU c 电力电子变换器 U d 0 I dR 直流电动机 n
5
静差率s 当系统在某一转速下运行时，负载由理想 空载增加到额定值所对应的转速降落ΔnN与 理想空载转速n0之比：
n N s n0
（2-26）
用百分数表示 nN （ 2-27 ） s 100% n0
6
特性a和b的硬 度相同， 特性a和b额定 速降相同， 特性a和b的静 差率不相同。
17
解:
当电流连续时，V-M系统的额定速降为
I dN R 305 0.18 nN =275r/min Ce 0.2
开环系统在额定转速时的静差率为
nN 275 sN 0.216 21.6% nN nN 1000 275
如要求 D 20 ，s 5% ，即要求
10
解
在要求s≤ 30%时，允许的调速范围为
nN s 1430 0.3 D 5.3 n N (1 s) 115 (1 0.3)
若要求s≤ 20%，则允许的调速范围只有
1430 0.2 D 3.1 115 (1 0.2)
若调速范围达到10，则静差率只能是
2.2.1 转速控制的要求和稳态调速性能指标
调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速nmax和最低 转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即 nmax （2-25） D
nmin
nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转 速， 对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的 最高和最低转速。
23
三相桥式全控整流电路
24
阻性负载，在自 然换相点换向触 发角为0
25
触发角为0时的两种触发方式
26
阻性负载，触发角为30和60
27
阻感负载，触发角为0和30
28
阻感负载，触发角90度 若电感足够大，负载电压均值为0，因此移相 范围为90度
29
电枢电压 （30度）
电枢电压 （60度）
30
增大平波电感
电枢电压 （30度）
电枢电压 （60度）
31
转矩
转速
机械特性曲线可根据上图绘制
32
不同平波电感下的电流
存在问题：启动电流大，提高调速范围与降低静 差率之间存在矛盾。而设计闭环控制器首先需要 建立电机的模型
33
电力拖动自动控制系统 —运动控制系统
第 2章
转速反馈控制的直流调速系统
1
内容提要
直流电机稳态调速性能指标及其计算
1. 调速范围 2. 静差率
2
直流电机机械特性曲线：负载力矩的增 加将导致转速降低
3
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统 的机械特性
对于调速系统转速控制的要求： （1）调速——在一定的最高转速和最低转速 范围内调节转速； （2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳 定运行，在各种干扰下不允许有过大的转 速波动； （3）加、减速——频繁起、制动的设备要求 加、减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化 的机械则要求起、制动尽量平稳。 4