直流调速闭环控制系统的实现

带有速度反馈的晶闸管直流调速系统的框图如图11-8所示。由第4章的内容可知，机械特性的方程如式（11-2）所示：

式中 ω_0.CL——闭环控制时的空载转速；

β_CL——闭环控制时的机械特性硬度的绝对值；

U_d——电枢回路整流器的输出电压平均值。

图11-8 带有速度反馈的晶闸管直流调速系统的框图

由第4章第2节可知，闭环时机械特性硬度是开环时机械特性硬度的（K+1）倍，这里的K是开环时系统的放大倍数。忽略电枢电阻时，ω≈U_d/C，则

式中 k_s——速度调节器的比例系数；

k_SCR=U_d/u_k——晶闸管整流器的放大倍数；

u_k——晶闸管整流器的控制电压；

k_α=ω_act/ω——速度反馈环节的反馈系数。

描述这个系统的方程如下式所示：

式中 u_s^∗——速度给定值；

u_sf——速度反馈值。

由上面的公式可以得到闭环传动系统的机械特性表达式

闭环控制系统可以提高机械特性硬度的原理已经在第4章的图4-5有所描述。由式（11-5）可知，对于闭环系统而言，提高机械特性硬度的方法就是提高开环放大倍数K，实际上可以调节的手段也只有提高速度调节器的比例系数k_s。

通常电动机的最大输出转矩受机械强度的限制只能达到（2～3）倍的程度，在只有速度闭环的控制系统中，采用电流截止负反馈的方案限制最大转矩，也就是把电枢电流负反馈引入到速度反馈环节。当电动机的电枢电流超过某个临界值，就要降低速度调节器的输出值，这样就降低了电枢电压和电动机的转速，达到限制最大转矩的作用。这种电流截止负反馈的控制方式功能框图如图11-9所示，相关的数学表达式见式（11-6）。

图11-9 带有电流截止负反馈的速度闭环控制系统框图

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式中 u_if——电流截止反馈值；

I_Lim——电流截止负反馈开始投入工作的电枢电流的临界值；

k_β——电流反馈系数。

在电流反馈和速度反馈的双重作用之下，这种调速系统的机械特性如图11-10所示。由图中可以看出，机械特性由两部分组成：特性硬度很高的直线1部分——电流截止负反馈还没有起作用；转矩受到限制的斜线2部分——机械特性硬度明显变软。

图11-10 带有电流截止负反馈速度闭环系统的机械特性

下面介绍电流截止负反馈的机械特性，晶闸管-直流电动机的基本方程为

以ω为自变量来解这个方程组，当I_a≥I_Lim时，得到斜线2部分的机械特性

式中 I_Lim——指定的截止电流值，电枢电流不能超过此值；

T_Lim——截止电流对应的截止转矩，T_Lim=C·I_Lim。

这个方程的前两项表示第2段机械特性的空载转速ω₀₂，即

ω₀₂=ω₀₁+Δω₀₂

第3项是斜线段转速降，和机械特性的硬度有关

C²（1+K）

在闭环情况下，晶闸管整流器的输出电压不是固定的值，而是随转速和转矩变化的，即

在机械特性的第1工作区段，速度基本不变。随着电动机轴上负载的增加，U_d也增大。当过渡到第2区段时，随着负载继续增大，速度逐渐降低直至等于0，整流电压也减小至，电动机输出转矩为T_Lim。为了得到期望的机械特性，晶闸管整流器必须有足够大的电压裕量，即

在这种情况下，在第1区段的机械特性硬度可以达到恒定值β₁，在不同的负载情况下，转矩值都可以达到T_Lim。