情境一 情境一 KZD-ⅡKZD-Ⅱ 型小功率有静型小功率有静差单闭环直流调速系统的调速差单闭环直流调速系统的调速

任务 1：单闭环直流调速系统概述1.1 直流调速系统概述1.1.1 调速的定义 所谓调速是指在某一具体负载情况下，通过

改变电动机或电源参数的方法，使机械特性曲线得以改变，从而使电动机的转速发生变化或保持不变。即调速包含两方面：其一，在一定范围内变速，其二，保持稳速。

1.1.2 直流电动机的调速方法 直流他励电动机转速方程为 式中， n 为电动机转速（ r/min ）；； Ua

为电枢电压（ V ）； Ia 为电枢电流（ A ）； Ra 为电枢回路电阻（ Ω ）； Φ为励磁磁通（ Wb ）； Ke 为电动机结构决定的电动势常数。由直流他励电动机转速方程可见，调速方案有三种：

（ 1 ）调节电枢电压调速；（ 2 ）减弱励磁磁通调速；（ 3 ）改变电枢回路电阻调速。

eaaa

K

RIUn

• 三种调速方法的机械特性如图所示：

1.1.3 直流的调速的供电方案 采用调压调速，必须有一个平滑可调的直流电枢电源。常

用的可控直流电枢电源有以下三种。（ 1 ）旋转变流机组：由交流电动机拖动直流发电机实现变流，

发电机给需要调速的直流电动机供电。调节发电机的励磁电流可改变其输出电压，从而调节直流电动机的转速。这样的调速系统简称 G-M 系统。

（ 2 ）静止可控整流器： 20 世纪 60 年代起，出现了晶闸管整流装置，它具有效率高、体积小、成本低、无噪声等优点，其中，晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 10 以上，其门极电流可以直接用晶体三极管来控制。在控制快速性方面，变流机组是秒级，这将会大大提高系统的动态性能。晶闸管 - 直流调速系统，简称 V-M 系统。

（ 3 ）直流斩波器和脉宽调制变换器：在铁路电力机车、城市电车和地铁电动机等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电源供电。晶闸管也可用来控制直流电压，即所谓的直流斩波器，也称直流调压器。

1.1.4 调速指标

（ 1 ）静态调速指标 a . 调速范围 电动机在额定负载下，运行的最高转速 n

max 与最低转速 nmin 之比称为调速范围，用 D 表示，即

b. 静差率 静差率是指电动机稳定运行时，当负载

由理想空载增加至额定负载时，对应的转速降落与理想空载转速之比，用百分数表示为

minmax /nnD

%100%1000

0

0

n

nn

n

ns NN

c. 调速范围与静差率的关系 在调压调速系统中，额定转速为最高

转速，静差率为最低转速时的静差率，则最低转速

s

nsn

s

nnnn N

NN

N

)1(min0min

得调速范围与静差率满足下列关系式

由以上公式可知，当一个调速系统机械特性硬度（ ΔnN ）一定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。

N

N

ns

sn

n

nD

)1(min

max

（ 2）动态调速指标 a 、跟随性能指标 上升时间 tr ， 超调量 σ ﹪ ， 调节时间 ts 。 b 、抗绕性能指标 动态降落△ cmax ， 恢复时间 tf ， 振荡次数 N 。

1.21.2 可控直流电源供电下的直流电动可控直流电源供电下的直流电动机开环调速系统 机开环调速系统

1.2.1 可控直流电源供电下的直流电动机开环调速系统的组成及结构

调速系统的主要电路由晶闸管变流器及电动机组成，其简单系统原理如图所示。

1.2.2 开环调速系统机特性

• 电流连续时 V-M 系统的机械特性

由式可知，当控制角 a 一定时，转速 n 与电流 成线性关系。改变控制角，可得到一簇彼此平行的直线，如图中实线部分，虚线为假定电流连续时的延长线。

)cossin(1

dsme

RIm

Um

Kn

电流断续时 V-M 系统机械特性

由由上式可知，当确定后，给出不同的 ，可得对应的n及 Id，便得出电流断续时的机械特性，如图 2.1.10所示。电流断续时，机械特性两大特点是：

其一，理想空载转速升高。 其二，电流断续时，电动机机械特性显著较软。 综上所述， V-M 系统机械特性可分为线性和非线性两段，为改善电动机运行特性，常在主电路中串联较大平波电抗器或避免在轻载下运行，保证晶闸管电流连续。

2sin)

26sin(

222

UCC

En

ee

任务任务 22 ：转速负反馈有静差单闭环：转速负反馈有静差单闭环直流调速系统直流调速系统

2.1 单闭环有静差调速系统的组成及其静特性2.1.1 单闭环有静差调速系统的组成

由上图可见，该系统的控制对象是直流电动

机 M ，被控量是电动机的转速 n ，晶闸管触发及整流电路为功率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节器为电压放大和电压 (综合 )比较环节，电位器 RP1 为给定元件，测速发电机 TG 与电位器 RP2 为转速检测元件。该调速系统的组成框图如下：

2.1.2 特点： 1.把转速反馈与给定比较形成控制信号，

组成闭环控制； 2.测速环节：直流测速发电机，与直流

电机同轴联结； 3. 设置放大器。 。

2.1.3 自动调节过程 :

闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电压，而开环系统不能自动调节。以负载增大为例，闭环调速系统的自动调节过程如下：

2.1.4 静态特性： 利用自动控制原理中传函的化简原理，

得到调速系统的静特性方程式，从而得出系统电动机转速与负载电流（或转矩）的稳态关系，它在形式上与开环机械特性相似，但本质上却有很大的不同，故定名为“静特性”这种系统是以存在偏差为前提的，反馈环节只是检测偏差，减小偏差，而不能消除偏差，因此它是有静差调速系统。单闭环有静差直流调速系统的静态特性为：

开环机械特性

闭环静特性n

Id

A B C D

I I I Id1 d2 d3 d4

A'

2.1.52.1.5 小功率有静差直流调速系统实例分小功率有静差直流调速系统实例分析析

• 例：某设备拖动电动机为 Z2-93 型直流电动机，主要参数：

电枢电阻 整流器内阻和平波电抗器电阻 0.1Ω ， ， ， 要求 ，问系统能否满足要求？

min,/1000,305,220,60 rnAIVUkWP NNNN

,08.0 aR

,097.0,2.0 sTC me sTL 012.0 sTs 017.0

%5,20 sD

解：（ 1 ）由静态指标求闭环系统开环放大系数系统开环额定转速降

满足静态指标的闭环系统转速降

min/5.274min/2.0

)1.008.0(305rr

C

RIn

e

dop

min/63.2min/)05.01(20

05.01000

)1(1 rrsD

snn Nc

由于

所以

K

nn opc

11

4.103163.2

5.2741

1

c

op

n

nK

解：（ 2 ）从系统稳定性条件，计算 K

显然，若满足静态性能指标，系统将不稳定。静态精度与动态稳定性是相互矛盾的。

2.15017.0012.0

017.0)017.0012.0(097.0)( 22

Ls

ssLm

TT

TTTTK

任务任务 33 ：转速负反馈无静差单闭环：转速负反馈无静差单闭环直流调速调速系统直流调速调速系统

3.1 单闭环无静差调速系统的组成 3.1.1 积分调节器的作用

无静差调速系统概念： 调速系统受到扰动作用后，又进入稳态运行时，系统的给定量与被调量的反馈量保持相等，即 =0 ，也就是扰动前后的稳态转速不变。 将上述有静差系统中的比例放大器改成比例积分调节器，便构成了无静差系统。

Ui

Uo

+

_ 8R

R

C

o

'

f

U

Ui

oU

t

积分调节器的特点：⑴只要 Ui≠0,Uo逐渐递增，增长速度由 RoCf 控制⑵Ui=0,Uo保持为某一固定值，具有记忆和保持作用。

3.1.23.1.2 单闭环无静差调速系统的组成框图单闭环无静差调速系统的组成框图

3.23.2 自动调节过程自动调节过程

• 现以阶跃负载为例（指突增或突降负载的情况），来讨论 PI 调节器在扰动调节过程的作用。

3.33.3 性能分析性能分析

• 由于稳态时 PI 调节器的输入电压 ，给定电压和反馈电压相等，系统的静特性方程是

对应于不同的给定电压，系统的输出特性是一簇平行线，要改变转速只要改变电压即可。