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1、1.1 电气调速系统性能指标机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提出的调速技术指标来决定的，技术指标又静态指标和动态指标。 静态技术指标 静差度 静差度指电动机在某一转速下运行时,负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降n与理想空载转速n0之比。 调速范围 调速范围是指系统在额定负载时电机的最高转速与最低转速之比。动态指标 跟随性能指标在给定信号作用下，系统输出量变化的情况用跟随性能指标来描述。当给定信号的变化方式不同时，输出 响应也不同。具体的跟随指标如下：（1）上升时间tr在阶跃响应时间中，输出量从零起第一次上升到稳定值C￥所需时间，它反映动态响应的快速性。（2）
2、超调量在阶跃响应时间中，输出量超出稳态值的最大偏差与稳态值之比的百分值。（3）调节时间ts在阶跃响应过程中，输出衰减到与稳态值之差进入5或2 允许误差范围之内所需的最小时间，称为调节时间，又称为过渡过程时间。调节时间用来衡量系统整个调节过程的快慢，ts小，表示系统的快速性好。抗扰性能指标 控制系统在稳态运行中，由于电动机负载的变化，电网电压的波动等干扰因素的影响，都会引起输出量的变化，经历一段动态过程后，系统总能达到新的稳态。这就是系统 的抗扰过程。具体的跟随指标如下：(1)动态降落Cmax 系统稳定运行时，突加一定数值的阶跃扰动(例如额定负载扰动)后所引起的输出量最大 降落，用原稳态值C￥l
3、的百分数表示，叫做动态降落。 (2)恢复时间tv 从阶跃扰动作用开始，到输出量恢复到与新稳态值C￥2之差进入某基准量Cb的5(或2)范围之内所需的时间，定义为恢复时间tv 。其中Cb称为抗扰指标中输出量的基准值，视具体情况选定。一、 单闭环有静差直流调速系统1、系统结构 该系统的主电路采用晶闸管三相全控桥式整流电路。 其输出电压为：Ud0=2.34U2cos图中，放大器为比例放大器(或比例调节器)，直流电动机M由晶闸管可控整流器经过平波电抗器L供电。整流器整流电压Ud可由控制角来改变。触发器的输入控制电压为Uk。为使速度调节灵敏，使用放大器来把输入信号U加以扩大， U为给定电压Ug与速度反馈信
4、号Uf的差值。2、调速性能1）系统的静特性可控整流器的输出电压为于电动机电枢回路，若忽略晶闸管的管压降，则有可得带转速负反馈的晶闸管电动机有静差调速系统的机械特性方程：Kp放大器的电压放大倍数；转速反馈倍数； Ce=Ke 电磁常数；K0=KpKs从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数；K=KpKs/Ce闭环系统的开环放大倍数。 2）开环调速系统与闭环调速系统的比较（1）在给定电压一定时，有闭环系统所需的给定电压Us要比开环系统高（1K）倍。因此，若突然失去转速负反馈，就可能造成严重事故。（2）如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即n0fn0，则在同一负载电流下，闭环系统的转速
5、降仅为开环系统转速降的 1/(1+K)倍，从而大大提高了机械特性的硬度，使系统的静差度减少。（3）在最大运行转速nmax和低速时的最大允许静差度S2不变的情况下， 开环系统的调速范围为：闭环系统调速范围为：闭环系统的调速范围是开环系统的（1+K）倍。提高系统的开环放大倍数K是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。但是放大倍数也不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。3、基本特性1）有静差，系统是利用偏差来进行控制的2）转速n（被调量）紧随给定量Un*的变化而变化3）对包围在转速反馈环内的各种干扰都有很强的抑制作用4）系统对给定量Un*和检测元件的干扰没有抑制能力 二、 单闭环无静差直流调
6、速系统PI调节器特性PI调节器的电路 PI调节器的输入输出特性输入电压：输出电压：Kpi=R1/R0 PI调节器比例部分的放大系数；=R0C1PI调节器的积分时间常数。PI调节器的输出电压Uex就是比例输出部分与积分输出部分的叠加。用PI调节器构成的转速负反馈单闭环调节系统本系统采用了PI调节器后，在稳态时，有Un Un *Un0PI调节器在系统抗负载干扰中的作用及动态过程系统稳态运行时，在抗负载干扰过程中，Un*不变。假定负载干扰是突加的，由TLl变到TL2，开始时电机转速将下降，反馈电压Un也将下降，并产生Un，于是PI调节器开始调节，其输出电压Uct包括了比例与积分两部分。控制电压Uct
7、中的比例部分具有快速响应的特性，可以立即以速度偏差(Un)起调节作用，加快了系统调节的快速性；Uct的积分部分可以在转速偏差(Un)为零时，维持稳定的输出，保证了电机继续稳定运转，最终消除了静差。在调节过程的前期比例起主要作用。三、 转速、电流双闭环直流调速系统转速反馈单闭环调速系统实际上是不能正常工作的。这是由于直流电动机在大阶跃给定下启动时，在启动瞬间反馈电压Un=0，若给定电压Un*全部加在调节器输入端，势必造成控制电压Uct很大（调节器输出饱和），晶闸管输出电压Ud也很大，而造成电动机启动时的过流。对一般要求不高的调速系统，常常在系统中加入电流截止负反馈环节以限制启动和运行中的过电流。
8、但是这种电路，由于转速反馈信号和电流反馈都加在一个调节器的输入端，这两个反馈信号互相牵制，使系统动、静态特性不够理想。对于高性能的调速系统，如要求快速启动、制动，动态速降要小等，通常就采用了转速电流双闭环系统。1、直流电动机理想启动过程带电流截止环节的转速单闭环系统在启动时，由于电流负反馈的影响，启动电流上升较慢。该系统不能完全按需要来控制启动电流或转矩，致使电机转速上升也较慢，电机启动过程也大大地延长。这个动态过程曲线如图（a）所示。理想启动过程如图（b）所示。在电动机最大允许过载电流条件下，充分发挥其过载能力，使电机在整个过和中始终保持这个最大允许电流值，使电机以尽可能的最大加速度启动直到
9、给定转速，再让启动电流立即下降到工作电流值与负载相平衡而进入稳定运转状态。这样的启动过程其电流呈方形波，而转速是线性上升的。这是在最大允许电流受限制的条件下，调速系统所能达到的最快启动过程。2、转速电流双闭环调速系统的组成为了实现转速和电流两种反馈分别起作用，系统中设置了转速（ASR）和电流（ACR）两个调节器，分别对转速和电流进行调节，两者之间实行串级联接。3、系统的静、动态特性1）控制量间的关系当速度调节器(ASR)和电流调节器(ACR)均不饱和限幅时，电机处于稳定运转状态。 2）系统的大给定启动过程双闭环调速系统在大给定突加电压Un*作用下，由静止开始启动时，速度调节器ASR经历了不饱和
10、、饱和、退饱和三个阶段，整个启动过程也分成了相应的三个阶段：第一阶段t0t1是电流上升段；第二阶段t1t2是恒流升速段；第三阶段t2t4是转速调节阶段。3）突加载干扰下的恢复过程突加载干扰作用点在电流环之后，故只能靠速度调节器ASR来产生抗扰作用。这表明负载干扰出现后，必然会引起动态转速变化。如负载突然增加，转速必然下降，形成动态速降。Un的产生，使系统ASR、ACR均处于自动调节状态。只要不是太大的负载干扰，ASR、ACR均不会饱和。由于它们的调节作用，转速在下降到一定值后即开始回升，形成抗扰动的恢复过程。最终使转速回升到干扰发生以前的给定值，仍然实现了稳态无静差的抗扰过程。其转速恢复过程如
11、图所示。4）电网电压波动时双闭环系统的调节作用在转速单闭环系统中，电网电压波动的干扰，必将引起转速的变化，然后通过速度调节器来调整转速以达到抗扰的目的。由于机械惯性，这个调节过程显得比较迟钝。但在双闭环系统中，由于电网电压干扰出现在电流环内，当电网电压的波动引起电枢电流Id变化时，这个变化立即可以通过电流反馈环节使电流环产生对电网电压波动的抑制作用。由于这是一个电磁调节过程，其调节时间比机械转速调节时间短得多，所以双环系统对电网电压干扰的抑制比单环系统快得多，甚至可以在转速n尚未显著变化以前就被抑制了。4、调节器的作用1)转速调节器ASR的作用(1)使转速n跟随给定电压Un*变化，保证转速稳态
12、无静差；(2)对负载变化起抗扰作用；(3)其输出限幅值Uim*决定电枢主回路的最大允许电流值Idm。2)电流调节器ACR的作用(1)对电网电压波动起及时抗扰的作用；(2)启动时保证获得允许的最大电流Idm ；(3)在转速调节过程中，使电枢电流跟随其给定电压值Ui*变化；(4)当电机过载甚至堵转时，即有很大的负载干扰时，可以限制电枢电流的最大值，从而起到快速的过流安全保护作用；如果故障消失，系统能自动恢复正常工作。PWM的常见形式及特性四、 脉宽调制调速系统的控制电路不可逆PWM变换器 无制动作用图示其原理，它实际上就是直流斩波器，只是采用了全控式的电力晶体管，以代替必须进行强行关断的晶闸管。电
13、源电压Us一般由不可控整流电源提供，采用大电容C滤波，二极管VD在晶体管关断时为电枢回路提供释放电感储能的续流回路。 电动机得到的平均端电压为设连续的电枢脉动电流id的平均值为Id，与稳态转速相应的反电动势为E，电枢回路总电阻为R，则由回路平衡电压方程可推导得机械特性方程可令 n0=rU/Ce 调速系统的空载转速，与占空比成正比； n=IdR/Ce 由负载电流造成的转速降。则有 n = n0 - n电流连续时，调节占空比大小便可得到一簇平行的机械特性，与晶闸管供电的调速系统且电流连续的情况是一致的。有制动作用图表示有制动作用的不可逆PWM变换电路。它由两个电力晶体管VTl、VT2与二极管VD1
14、、VD2组成，VTl是主控管，起调制作用；VT2是辅助管。它们的基极驱动电压Ubl和Ub2是两个极性相反的脉冲电压。当电动机工作在电动状态时，PWM变换电路有四种工作模态。0tt1 ，PWM变换电路工作在模态：电动状态t1tT时， PWM变换电路工作在模态：续流（电动）状态在t2T期间， PWM变换电路工作在模态：能耗制动（发电）状态在T t3期间， PWM变换电路工作在模态：续流（发电）状态具有制动作用的不可逆GTR-M系统的开环机械特性如图所示，显然，由于电流可以反向，因而可实现二象限运行，故系统在减速和停车时具有较好的动态性能和经济性。2、可逆PWM变换器1）双极式可逆PWM变换器四个电力晶体管的基极驱动电压分为两组。VTl和VT4同时导通和关断，其驱动电压Ubl=Ub4；VT2和VT3同时动作，其驱动电压Ub2=Ub3=-Ub1，这种电路可工作在四种模态。双极式H型PWM变换器的四种工作模态0tt1 ，PWM变换器工作在模态： 电动机处于电动状态；t1tT时， PWM变换器工作在模态： 电动机处于电动状态；在t2T期间， PWM变换器工作在模态： 电动机处于反接制动状态；在T t3期间， PWM变换器工作在模态： 电动机工作在制动状态。对于双极性可逆PWM变换器，
