11.2 晶闸管－电动机直流传动控制系统按结构的不同：
单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统
11.2.1 单闭环直流调速系统一、有静差调速系统单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统,简称有静差调速系统；
（一）转速负反馈调速系统
1,基本组成按静态误差的不同：
无静差直流调速系统有静差直流调速系统任务,?调节速度；
扩大调速范围，减小静态误差。
分类：
测速发电机,与直流电动机
M同轴相连,即两者的速度相同,测速发电机用来测量电动机的速度,称检测元件；
转换元件,将测速发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压进行比较 。
给定电位器：
调节 Rg的位置可改变给定电压 Ug
的大小 。
放大器,将外加电压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。
触发电路,将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小 。
整流电路,变交流电压为直流电压,
输出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定,整流电路的输出为直流电动机电枢的外加电压；
直流电动机,系统的控制对象 。
fg UUU
由系统的结构分析可知,T9-5.SWF
系统的调速方法是改变外加电压调速；
系统的反馈信号是被控制对象 n本身 ;
反馈电压和给定电压的极性相反，即,
该系统又称 转速负反馈 调速系统。
2,工作原理当 Ug,Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为 稳态 。
fg UUU 不变? kU 不变? 不变? dU 不变? n 不变
(2) 调速（ Uf不变，改变 Ug的大小）
gU U fg UU kU dUn
nUUUUUU dkfgg
改变 Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为 调速,
(1) 稳态（ Ug,Uf 不变）
(3) 稳速（ Ug不变、负载变化使 Uf变化 )
nUUUUUUn dkfgf? 当负载增加使
nUUUUUUn dkfgf? 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 。
3,静特性分析目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。
静特性表示出 电动机的转速与负载电流之间的大小关系。
(1) 各环节输入输出的关系电动机电路
RInCRInKU aeaed?
式中,ax RRR 电枢回路的总电阻；
xR 可控整流电源的等效内阻；
电动机的电枢电阻。aR
可控硅和触发电路设可控硅和触发电路的放大倍数为 K2,则,kd UKU 2?
放大器电路设放大器的放大倍数为 KP,则,)( fgpPk UUKUKU
反馈电路速度反馈信号电压与转速 n成正比,设放大系数为 Kf,则：
nKU ff?
(2) 静特性
nKU
)UU(KU
UKU
RInCU
ff
fgpk
kd
aed
2
RInCUK aek2
RInC)UU(KK aefgp2
RInCnKKKUKK aefpgp 22
efp
ap
CKKK
RIUgKKn
2
2
则：令：
e
fppG
C
KKKK,KKK 2
2
fofe ae gG nn)K(C
RI
)K(C
UKn
11
闭环系统的静特性
2KKK pG? —— 从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数；
2KKC
KK
pef? —— 闭环系统的放大倍数 。
如果系统没有转速负反馈 （ 即开环系统 ） 时,则整流器的输出电压,
RInCUKUKKU aegGgpd 2
由此可得开环系统的机械特性方程,
nnICRC UKn a
ee
gG 0
开环系统的静特性
(3)分析与结论
fofe ae gG nn)K(C
RI
)K(C
UKn
11
闭环系统的静特性
nnICRC UKn a
ee
gG 0
开环系统的静特性
理想空载转速在给定电压一定时,有,Kn)K(C UKn
e
gGf
11
00
转速降如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即,00 nn f?
K
nI
)K(C
Rn
aef 11
调速范围与静差度在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，
开环：
)S(n
SnD
N
m a xe
2
21
闭环,
D)K(
)S(Kn
Sn
)S(n
SnD
N
m a xe
Nf
m a xf
1
111 2
2
2
2
结论：
由于放大倍数不可能为无穷大,即静态速降不可能为 0,因此,上述系统只能维持速度基本不变 。 这种维持被调量 （ 转速 ） 近于恒值不变,但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统 （ 即有差调速系统 ） 。
采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、
晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。
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。
系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。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。
（ 二 ） 其他反馈在自动调速系统中的应用
1,电压负反馈系统由公式 a
e
a
e
d IKRKUn 可知：
电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。
(1) 电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身；
检测元件不同,前者为电位器,后者为测速发电机 。
(2) 工作原理稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同 。
在给定电压 Ug一定时,其调整过程如下：
负载
n
aI?fU?UkUdU
UI a 为时，晶闸管的输出电压设 0?
电压负反馈系统的特点,
线路简单
稳定速度的效果并不大电动机端电压即使由于负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，
顶多只能补偿可控整流电的等效内阻所引起的速度降落。
则 Ud=U-UAK
2,电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统
(1) 系统特点
RP为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈；
R为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大小直接反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。
系统的总反馈电压 IVf UUU IVgfg UUUUUU
因为反馈电压 UV的极性与给定电压的极性相反，故称 电压负反馈,反馈电压 UI的极性与给定电压的极性相同，故称 电流正反馈 。
要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。
0 IVf UUU
(2)工作原理稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同 。
在给定电压 Ug一定时,其调整过程如下：
UUdUUUUU
U
U
nn
I
KIVg
I
Va
(3) 静特性
aoV UU? obI UU?
boaoobaoabf UUUUUU
21
2RR R令
UU ao
3RIU abo?
21
23 RR URRIUUUU aboaoab
从电动机电枢回路电势平衡关系知
)RR(IEU aa 3
)RR/()EU(I aa 3
aa
a
ab
RR
ER
RR
UR
RR
UR
R
RR
EU
RR
UR
U
3
3
3
3
21
2
3
321
2
上式如果满足下列条件
0
3
3
21
2
aRR
UR
RR
UR
ERR RURRRRRR RRR R
aabaa?
3
33
1
2
3
3
21
2
nCRR RU e
aab?
3
3
时，当满足条件
aR
R
R
R 3
1
2?系统具有转速反馈的特性。
3,电流截止负反馈系统
(1) 电流截止负反馈的作用过载保护。
电流正反馈可以改善电动机运行特性,而电流负反馈会使 随着负载电流的增加而减少,使电动机的速度迅速降低 。
U?
如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来,这就会使电枢过流而烧坏 。 本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载,但是过流保护继电器,
要触头断开,电动机断电方能保护,而采用电流负反馈作用为保护手段,则不必切断电动机的电路,只是使它的速度暂降下来,一旦过负载去掉后,它的速度又会自动升起来,这样有利于生产 。
(2) 基本思想方法
IO=1.35IaN
Iao=(2~3)Ian
当负载正常，电枢电流在一定范围内（如小于 1.35倍的额定电流），
电流截止负反馈不起作用；
当负载增加使电枢电流超过一定数值（如额定电流的 1.35倍）时，电流负反馈开始起作用，减小电动机电枢外加电压，使转速下降；
当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额定电流的 2~3倍）时，电流负反馈足够强，它足以将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，
电动机停止运转，从而起到保护作用。
因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用,故称电流截止负反馈 。 这种特性因它常被用于挖土机上,故又称
,挖土机特性,。
（ 3） 工作原理
当电流小于转折点的电流时，反馈电压 UI<Ub,二极管 V截止，电流反馈不起作用；
当电流大于转折点的电流时，反馈电压 UI>Ub,二极管 V导通，电流反馈 UI与 Ub 比较后反馈 到输入端一起控制电动机，使其转速下降；
当电流等于堵转点的电流时，电流反馈 UI与 Ub 比较后反馈 到输入端的电压能够抵消，
给定电压的大小，时电动机的转速为零，电流不再增加；
如果电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升；
二、无静差转速负反馈调速系统
1,比例积分（ PI）调节器比例器调节器其输入输出之间的关系如下：
i
0
1o U
R
RU tU
CRtiCU d
1d1
i
o
1o
积分调节器其输入输出之间的关系如下：
tICRIU d1 1
1
110
0i01 / RUII tUCRUR
RU d1
i
10
i
0
10
比例积分调节器
PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图所示。
当突加输入信号 Ui时，开始瞬间电容 C1相当于短路，反馈回路中只有电阻 R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；
随着电容 C1被充电而开始积分,U0线性增长，直到稳态。
在稳态时,C1相当于开路，放大器呈现出极大的开环放大倍数。
2,采用 PI调节器的无静差调速系统放大器采用具有比例积分调节器的调速系统为无静差调速系统。
静态时 U=Ug－ Uf，调节作用停止，由于积分作用，调节器的输出电压 Uk保持在某一数值上，即 Ud固定，以维持电动机在给定转速下运转。由于静态时呈现出无穷大的放大倍数，系统可以消除静态误差，故称无静差调速系统。
11.2.2双闭环直流调速系统一、转速负反馈调速系统的特点
采用 PI调节器组成速度调节器 ST的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。
启动过程中,随着转速的升高,转速负反馈的作用越来越大,使启动转矩越来越小,启动过程变慢,因此转速负反馈调速系统不能满足快速启动,停止和反向的要求 。
用加大过渡过程中的电流即加大动态转矩来实现快速启动、停止和反向的要求，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为此，应采取一种方法，使电动机在启动过程中，动态转矩保持不变，即电动机电枢电流不变，且为电动机电枢允许的最大电流，当启动结束后，
使电流回到额定值。
二、双闭环调速系统
1）系统采用两个调节器（一般采用 PI调节器）分别对速度和电流两个参量进行调节。
对速度进行调节的调节器称为速度调节器 ST；
对电流进行调节的调节器称为电流调节器 LT。
2）来自速度给定电位器的信号 Ugn与速度反馈信号 Ufn比较的偏差送到速度调节器 ST的输入端。速度调节器的输出作为电流调节器 LT的给定信号，与电流反馈信号比较的偏差送到电流调节器 LT的输入端，
电流调节器的输出送到触发器以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压
3）从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，
为外环，二者进行串级联接。在控制系统中，常把这种系统称为双闭环系统。
单闭环直流调速系统双闭环直流调速系统可逆系统
11.2.1 单闭环直流调速系统一、有静差调速系统单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统,简称有静差调速系统；
（一）转速负反馈调速系统
1,基本组成按静态误差的不同：
无静差直流调速系统有静差直流调速系统任务,?调节速度；
扩大调速范围，减小静态误差。
分类：
测速发电机,与直流电动机
M同轴相连,即两者的速度相同,测速发电机用来测量电动机的速度,称检测元件；
转换元件,将测速发电机的转速转换成电压信号以便与给定电压进行比较 。
给定电位器：
调节 Rg的位置可改变给定电压 Ug
的大小 。
放大器,将外加电压和反馈信号经转换后的电压之差进行放大。
触发电路,将放大器放大后的电压信号变为脉冲型号去控制整流电路的输出大小 。
整流电路,变交流电压为直流电压,
输出电压大小由触发电路输出脉冲信号所决定,整流电路的输出为直流电动机电枢的外加电压；
直流电动机,系统的控制对象 。
fg UUU
由系统的结构分析可知,T9-5.SWF
系统的调速方法是改变外加电压调速；
系统的反馈信号是被控制对象 n本身 ;
反馈电压和给定电压的极性相反，即,
该系统又称 转速负反馈 调速系统。
2,工作原理当 Ug,Uf不变时，电动机的转速不变，这种状态称为 稳态 。
fg UUU 不变? kU 不变? 不变? dU 不变? n 不变
(2) 调速（ Uf不变，改变 Ug的大小）
gU U fg UU kU dUn
nUUUUUU dkfgg
改变 Ug的大小可改变电动机的转速，这种状态称为 调速,
(1) 稳态（ Ug,Uf 不变）
(3) 稳速（ Ug不变、负载变化使 Uf变化 )
nUUUUUUn dkfgf? 当负载增加使
nUUUUUUn dkfgf? 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 。
3,静特性分析目的：找到减小静态速降、扩大调速范围，提高系统性能的途径。
静特性表示出 电动机的转速与负载电流之间的大小关系。
(1) 各环节输入输出的关系电动机电路
RInCRInKU aeaed?
式中,ax RRR 电枢回路的总电阻；
xR 可控整流电源的等效内阻；
电动机的电枢电阻。aR
可控硅和触发电路设可控硅和触发电路的放大倍数为 K2,则,kd UKU 2?
放大器电路设放大器的放大倍数为 KP,则,)( fgpPk UUKUKU
反馈电路速度反馈信号电压与转速 n成正比,设放大系数为 Kf,则：
nKU ff?
(2) 静特性
nKU
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UKU
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则：令：
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11
闭环系统的静特性
2KKK pG? —— 从放大器输入端到可控整流电路输出端的电压放大倍数；
2KKC
KK
pef? —— 闭环系统的放大倍数 。
如果系统没有转速负反馈 （ 即开环系统 ） 时,则整流器的输出电压,
RInCUKUKKU aegGgpd 2
由此可得开环系统的机械特性方程,
nnICRC UKn a
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gG 0
开环系统的静特性
(3)分析与结论
fofe ae gG nn)K(C
RI
)K(C
UKn
11
闭环系统的静特性
nnICRC UKn a
ee
gG 0
开环系统的静特性
理想空载转速在给定电压一定时,有,Kn)K(C UKn
e
gGf
11
00
转速降如果将系统闭环与开环的理想空载转速调得一样，即,00 nn f?
K
nI
)K(C
Rn
aef 11
调速范围与静差度在最大运行转速和低速时最大允许静差度不变的情况下，
开环：
)S(n
SnD
N
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2
21
闭环,
D)K(
)S(Kn
Sn
)S(n
SnD
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m a xe
Nf
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1
111 2
2
2
2
结论：
由于放大倍数不可能为无穷大,即静态速降不可能为 0,因此,上述系统只能维持速度基本不变 。 这种维持被调量 （ 转速 ） 近于恒值不变,但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统 （ 即有差调速系统 ） 。
采用转速负反馈调速系统能克服扰动作用（如负载的变化、电动机励磁的变化、
晶闸管交流电源电压的变化等）对电动机转速的影响。
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。
系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。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。
（ 二 ） 其他反馈在自动调速系统中的应用
1,电压负反馈系统由公式 a
e
a
e
d IKRKUn 可知：
电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压的大小，可以近似地反映电动机转速的高低。电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。
(1) 电压负反馈与转速负反馈调速系统的区别反馈信号不同，前者为被控制量的间接量电压，后者为被控制量本身；
检测元件不同,前者为电位器,后者为测速发电机 。
(2) 工作原理稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同 。
在给定电压 Ug一定时,其调整过程如下：
负载
n
aI?fU?UkUdU
UI a 为时，晶闸管的输出电压设 0?
电压负反馈系统的特点,
线路简单
稳定速度的效果并不大电动机端电压即使由于负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时，电动机电枢内阻所引起的内阻压降仍然要增大，电动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，
顶多只能补偿可控整流电的等效内阻所引起的速度降落。
则 Ud=U-UAK
2,电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统
(1) 系统特点
RP为电压反馈检测元件，并接在电动机电枢两端，其上的电压大小直接反映电动机电枢两端电压的大小，故称电压反馈；
R为电流正反馈检测元件，串接在电动机电枢回路中，其上的电压大小直接反映电动机电枢电流的大小，故称电流反馈。
系统的总反馈电压 IVf UUU IVgfg UUUUUU
因为反馈电压 UV的极性与给定电压的极性相反，故称 电压负反馈,反馈电压 UI的极性与给定电压的极性相同，故称 电流正反馈 。
要使系统稳定运行，系统总的反馈特性必须呈现出负反馈的性质。
0 IVf UUU
(2)工作原理稳速和调速的工作过程与转速负反馈相同 。
在给定电压 Ug一定时,其调整过程如下：
UUdUUUUU
U
U
nn
I
KIVg
I
Va
(3) 静特性
aoV UU? obI UU?
boaoobaoabf UUUUUU
21
2RR R令
UU ao
3RIU abo?
21
23 RR URRIUUUU aboaoab
从电动机电枢回路电势平衡关系知
)RR(IEU aa 3
)RR/()EU(I aa 3
aa
a
ab
RR
ER
RR
UR
RR
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R
RR
EU
RR
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U
3
3
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21
2
3
321
2
上式如果满足下列条件
0
3
3
21
2
aRR
UR
RR
UR
ERR RURRRRRR RRR R
aabaa?
3
33
1
2
3
3
21
2
nCRR RU e
aab?
3
3
时，当满足条件
aR
R
R
R 3
1
2?系统具有转速反馈的特性。
3,电流截止负反馈系统
(1) 电流截止负反馈的作用过载保护。
电流正反馈可以改善电动机运行特性,而电流负反馈会使 随着负载电流的增加而减少,使电动机的速度迅速降低 。
U?
如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来,这就会使电枢过流而烧坏 。 本来采用过流保护继电器也可以保护这种严重过载,但是过流保护继电器,
要触头断开,电动机断电方能保护,而采用电流负反馈作用为保护手段,则不必切断电动机的电路,只是使它的速度暂降下来,一旦过负载去掉后,它的速度又会自动升起来,这样有利于生产 。
(2) 基本思想方法
IO=1.35IaN
Iao=(2~3)Ian
当负载正常，电枢电流在一定范围内（如小于 1.35倍的额定电流），
电流截止负反馈不起作用；
当负载增加使电枢电流超过一定数值（如额定电流的 1.35倍）时，电流负反馈开始起作用，减小电动机电枢外加电压，使转速下降；
当负载继续增加使电枢电流超过一定值（大于额定电流的 2~3倍）时，电流负反馈足够强，它足以将给定信号的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，
电动机停止运转，从而起到保护作用。
因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用,故称电流截止负反馈 。 这种特性因它常被用于挖土机上,故又称
,挖土机特性,。
（ 3） 工作原理
当电流小于转折点的电流时，反馈电压 UI<Ub,二极管 V截止，电流反馈不起作用；
当电流大于转折点的电流时，反馈电压 UI>Ub,二极管 V导通，电流反馈 UI与 Ub 比较后反馈 到输入端一起控制电动机，使其转速下降；
当电流等于堵转点的电流时，电流反馈 UI与 Ub 比较后反馈 到输入端的电压能够抵消，
给定电压的大小，时电动机的转速为零，电流不再增加；
如果电流下降到小于堵转点的电流，转速则上升；
二、无静差转速负反馈调速系统
1,比例积分（ PI）调节器比例器调节器其输入输出之间的关系如下：
i
0
1o U
R
RU tU
CRtiCU d
1d1
i
o
1o
积分调节器其输入输出之间的关系如下：
tICRIU d1 1
1
110
0i01 / RUII tUCRUR
RU d1
i
10
i
0
10
比例积分调节器
PI调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图所示。
当突加输入信号 Ui时，开始瞬间电容 C1相当于短路，反馈回路中只有电阻 R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；
随着电容 C1被充电而开始积分,U0线性增长，直到稳态。
在稳态时,C1相当于开路，放大器呈现出极大的开环放大倍数。
2,采用 PI调节器的无静差调速系统放大器采用具有比例积分调节器的调速系统为无静差调速系统。
静态时 U=Ug－ Uf，调节作用停止，由于积分作用，调节器的输出电压 Uk保持在某一数值上，即 Ud固定，以维持电动机在给定转速下运转。由于静态时呈现出无穷大的放大倍数，系统可以消除静态误差，故称无静差调速系统。
11.2.2双闭环直流调速系统一、转速负反馈调速系统的特点
采用 PI调节器组成速度调节器 ST的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。
启动过程中,随着转速的升高,转速负反馈的作用越来越大,使启动转矩越来越小,启动过程变慢,因此转速负反馈调速系统不能满足快速启动,停止和反向的要求 。
用加大过渡过程中的电流即加大动态转矩来实现快速启动、停止和反向的要求，但电流不能超过晶闸管和电动机的允许值。为此，应采取一种方法，使电动机在启动过程中，动态转矩保持不变，即电动机电枢电流不变，且为电动机电枢允许的最大电流，当启动结束后，
使电流回到额定值。
二、双闭环调速系统
1）系统采用两个调节器（一般采用 PI调节器）分别对速度和电流两个参量进行调节。
对速度进行调节的调节器称为速度调节器 ST；
对电流进行调节的调节器称为电流调节器 LT。
2）来自速度给定电位器的信号 Ugn与速度反馈信号 Ufn比较的偏差送到速度调节器 ST的输入端。速度调节器的输出作为电流调节器 LT的给定信号，与电流反馈信号比较的偏差送到电流调节器 LT的输入端，
电流调节器的输出送到触发器以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压
3）从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，
为外环，二者进行串级联接。在控制系统中，常把这种系统称为双闭环系统。
