直流调速系统分类方法

（1）开环控制的调速系统 开环控制的调速系统是最基本的调速系统，它是在手动的基础上发展起来的。图5-1所示的V-M系统即为开环调速系统。图5-7是图5-1的框图。

开环控制调速系统输入量U_c可以由手动调节，也可以由上级控制装置给出，系统的输出量是电动机的转速n。该系统只有输入量在前向通道的控制作用，输出量（被调量）没有反馈影响输入量，即输出量不参与控制。输入量的控制作用是单方向传递的，所以是开环控制。因为没有对被调量的检测和反馈，所以被调量的过去、现在及将来的状态无从获得，无法参与控制，因此得不到较好的控制效果。

图5-7 开环控制调速度系统框图

开环控制调速系统的优点是结构简单、调试方便、成本低廉。在系统内部参数变化不大、外界扰动规律预知、调速性能要求不高的前提下，采用开环控制也能实现一定范围的无级调速。但在生产实践中许多无级调速的生产机械，常常对静差率和调速范围有一定的要求，而且扰动也是多样和随机的，是不可预知的。因此开环系统的应用受到一定的限制。例如，热连轧机每个道次的轧辊由单独的电动机拖动，电动机的速度必须保持严格的比例关系，才不至于造成拉钢和堆钢。因为每个轧辊承受的负载不同，所以对静态速降的要求较高，开环系统是很难满足要求的。

（2）转速负反馈直流调速系统 开环调速系统不能满足较高性能指标的要求。根据反馈控制的原理，要想控制哪个量，就必须引入这个量的负反馈。对于调速系统来说主要是控制转速，所以引入转速的负反馈参与控制以提高系统的性能，克服开环系统的缺点，提高系统的控制质量。闭环调速系统原理框图如图5-8所示。

图5-8 闭环调速系统原理框图

在闭环系统中，把系统输出量通过检测装置（传感器）引向系统的输入端，与系统输入量进行比较，从而得到给定量与输出量的偏差信号。利用偏差信号通过控制器（调节器）产生控制作用，使系统自动朝着减少偏差的方向调节。因此带输出量负反馈的闭环控制系统具有提高系统抗扰性、改善控制精度的性能，广泛用于各类自动调节系统中。

根据系统的结构组成，常用的闭环系统又可以分为单闭环、双闭环及三双闭环直流调速系统。

（3）开环机械特性与闭环静特性的关系

1）比较开环机械特性和闭环静特性，就能清楚地看出反馈控制的优越性。

在相同电流条件下它们的关系是

显然，因为，即在同样负载条件下，闭环系统的静特性比开环系统的机械特性硬得多。

2）在n_0op=n_0c1且相同负载条件下

结论：在相同条件下，闭环系统静差率是开环系统静差率的1/（1+K）。(www.xing528.com)

3）如果要求的静差率一定，则闭环系统可以大大提高调速范围。

D_c1=（1+K）D_op （5-12）

需要指出，式（5-12）成立的条件是开、闭环系统最高转速都是n_N且低速静差率也相同。

4）闭环系统要取得上述三项优势，系统必须增加放大器和转速检测装置。上述优点是否有效，取决于闭环系统开环放大倍数是否足够大。在闭环系统中，采用偏差控制，输出量越接近给定要求值，其偏差量就越小。而要得到足够大的控制信号U_c，则必须设置有足够大的放大倍数的放大器。而在开环系统中一般由给定直接控制，U^*_n与U_c是同一数量级，所以无需加放大器。

概括起来得到如下结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而能够在保证一定静差率的要求下提高调速范围。为此所付出的代价是需增加电压放大器和检测被控制量的反馈装置。

5）闭环调速系统改善稳态性能的物理解释。调速系统的静态速降是由电枢回路电阻压降决定的，闭环系统使静态速降减小，并非闭环后电枢回路总电阻R自动减小，而是闭环系统中反馈的自动调节作用。开环时给定信号U^*_n为定值，U_d0为恒值，它不随电动机电枢电流I_d的改变而变化。当负载增大时I_d增大时，电枢回路电阻压降也增大，由电压平衡方程式U_d0=C_en+I_dR可知，转速必然下降，而无调节能力，电动机运行在同一条机械特性曲线上。而闭环系统不同，它对转速的变化有调节作用。当转速变化时，转速反馈电压也随着改变。它与给定电压比较后的偏差电压也一定会改变，经放大器放大后，控制电压也要改变，电力电子变换器输出电压U_d0随着I_d的变化而改变。因此闭环后电动机在负载改变时运行在不同机械特性曲线上，把这些点连在一起则构成闭环系统静特性曲线，如图5-9所示。

综上所述，闭环调速系统能够减小稳态速降的实质，在于闭环系统的自动调节作用。它能随着负载改变相应地改变电力电子变换器的输出电压，以平衡由负载电流变化而引起的电阻压降的变化。

6）单闭环调速系统的基本特征。转速负反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它有三个基本特征，也就是反馈控制的基本规律。

①只有比例放大器的单闭环系统是有静差系统。根据闭环系统静特性方程可得，稳态误差为

图5-9 开环机械特性与闭环静特性

只有当K趋于无穷大时Δn_c1才为零，而这是不可能的。另外K无限制增大可能会引起系统不稳定，这也是不允许的。因此用比例放大器的单闭环调速系统是有静态差的，这种系统正是靠偏差来进行控制的，称这种系统为有静差调速系统。

②闭环系统具有较强的抗干扰能力和较好的跟随性。反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有效抑制一切被负反馈环所包围的前向通道的扰动作用，但对给定信号却唯命是从。作用在控制系统上一切可能使被调量发生变化的因素（给定信号除外）都是“扰动作用”，如图5-10所示，所有这些因素的作用最终都会影响到转速。但也都会被检测出来，再通过转速负反馈的控制作用，减小它们对系统转速的影响。例如，电网电压增大时，将使转速上升，转速负反馈电压也上升，因为给定信号不变，所以二者偏差减小使控制信号减小。电力电子变换器输出电压会减小，以抵消电网电压的增大。因此凡是被反馈环所包围的前向通道的扰动作用对输出量的影响都可以抑制。这是闭环控制系统最突出的特征。但对给定信号及反馈通道参数变化的影响却无能为力。

图5-10 闭环系统的给定和扰动作用

③系统的精度通常取决于给定和检测的精度。如果给定电压发生波动，反馈控制系统只能无条件地跟随，因为它没有能力判定是波动还是正常给定。因此高精度的系统应有更高精度的给定稳压电源。对于反馈检测装置本身的误差，反馈控制系统无法调节。因为通过检测装置反馈到系统输入端参与控制的信号与给定信号的作用是一致的，所以系统的精度通常取决于给定和反馈元件的精度。