直流电机原理与调速

1、二一一年二月二一一年二月 电子电气系：曾树华电子电气系：曾树华 直流电机的结构直流电机的结构 2ae Ec B L VCn N S T2 Tem T0 n Ea Ia U FB L I 1 1 2 2 e e D Tc F D cB L ICI U=Ea+IaRa 一、电压方程一、电压方程 U、I正方向如图，正方向如图，Ea为反电势为反电势 电枢总等效内阻电枢总等效内阻 电枢感应电枢感应电势电势Ea=Ce n N S T2 Tem T0 n Ea Ia U e U=Ea+IaRa=KnIR ee o UIRR nnI KK q 直流调速方法直流调速方法 式中 n 转速（r/min）； U 电枢

2、电压（V）； I 电枢电流（A）； R 电枢回路总电阻（）； 励磁磁通（Wb）； Ke 由电机结构决定的电动势常数。 e UEIRKnIR 根据直流电动机转速方程 调节电动机转速的三种方调节电动机转速的三种方 法法 1.调节电枢供电电压 U 2.改变电枢回路电阻 R 3.减弱励磁磁通 调压调速调压调速 工作条件：工作条件： 保持保持励磁励磁 = N ； 保持电阻保持电阻 R = Ra 调节过程：调节过程： 改变电压改变电压 UN U U n ， n0 调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性曲线平转速下降，机械特性曲线平 行下移。行下移。 n n0 OIIL UN U 1 U 2 U 3 nN

3、 n1 n2 n3 调压调速特性曲线 n n0 OI（T)IL UN U 1 U 2 U 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 调阻调速调阻调速 工作条件：工作条件： 保持保持励磁励磁 = N ； 保持电压保持电压 U =UN ； 调节过程：调节过程： 增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变不变； 调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。转速下降，机械特性曲线变软。 n n0 OIIL R a R 1 R 2 R 3 nN n1 n2 n3 调阻调速特性曲线 调磁调速调磁调速 工作条件：工作条件： 保持电压保持电压 U =UU =UN N ； 保持电阻保持电阻 R =

4、 R R = R a a ； 调节过程：调节过程： 减小励磁减小励磁 N N n n ， n n0 0 调速特性：调速特性： 转速上升，机械特性曲线变转速上升，机械特性曲线变 软。软。 n n0 O TeTL N 1 2 3 nN n1 n2 n3 调压调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较三种调速方法的性能与比较 改变电阻只能有级调速；改变电阻只能有级调速； 减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围 不大，在基速以上作小范围的弱磁升速。不大，在基速以上作小范围的弱磁升速。 调压调速调压调速能能在较大的范围内无级平滑调速。在较大的范围内无级平滑调速。 常用的可控

5、直流电源有以下三种： 旋转变流机组用交流电动机和直流发电 机组成机组，以获得可调的直流电压。 静止式可控整流器用静止式的可控整流 器，以获得可调的直流电压。 直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直 流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开 关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平 均电压。 调压调速用的可控直流电源 可控直流电源可控直流电源 （1）旋转变流机组 图1-1 旋转变流机组供电的直流调速系统 原理图（G-M系统） 可控直流电源可控直流电源 (1）旋转变流机组（G-M系统）工作原理 由交流电动机（异步机或同步机）拖 动直流发电机G实现变流，由G给需要调速 的直流电动机M供电，调节G的励磁电

6、流if 即可改变其输出电压U，从而调节电动机 的转速。 这样的系统简称GM系统，国际上通 称WardLeonard系统。 可控直流电源可控直流电源 (1）旋转变流机组（G-M系统）机械特性 图1-2 G-M系统的机械特性 优点：可逆运 行容易实现，方 便实现四象限运 行。 不足：设备多， 体积大，费用高， 效率低，安装须 打地基，运行有 噪声，维护不方 便。 可控直流电源可控直流电源 （2）静止式可控整流器 图1-3 静止式可控整流器供电的 直流调速系统（V-M系统） 直流调速方式及调速用可控直流电源直流调速方式及调速用可控直流电源 (2）V-M系统工作原理 晶闸管-电动机调速系统（简称V-M

7、系统， 又称静止的Ward-Leonard系统），图中VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相位，即可 改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。 调节调节晶闸管晶闸管触发触发 脉冲相位，可改变脉冲相位，可改变 可控整流器输出电可控整流器输出电 压的波形。压的波形。 整流器输出电瞬整流器输出电瞬 时值时值u ud d 的呈周期性 的呈周期性 变化。变化。 触发脉冲相位控制 a)u1 T VT R L u2 uVT ud id u2 0t12t t t t t ug 0 ud 0 id 0 uVT 0 b) c) d) e) f) + + + O O O

8、 O O ud0 Id E 等效电路分析等效电路分析 把整流装置内阻把整流装置内阻 移到装置外边，看移到装置外边，看 成是其负载电路电成是其负载电路电 阻的一部分阻的一部分。 ud0为整流电压理为整流电压理 想空载瞬时值想空载瞬时值 。 图1-7 V-M系统主电路的等效电路图 式中 电动机反电动势（V）； 整流电流瞬时值（A）； 主电路总电感（H）； 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。 E id L R 瞬时电压平衡方程瞬时电压平衡方程 d d0d d d i uEi RL t (1- 4) 整流电压的平均值计算整流电压的平均值计算 ud0在一个周期内的平均值为理想空

9、载整流在一个周期内的平均值为理想空载整流 电压平均值电压平均值Ud0 。 触发脉冲控制角；触发脉冲控制角； Um 交流电源线电交流电源线电 压峰值（压峰值（V）；）；m交流电源一周内整流电压交流电源一周内整流电压 脉波数。脉波数。 d0m sincos m UU m (1-5) 电流脉动及其波形的连续与断续 O uaubuc ud O iaibic ic t E Ud t O uaubuc ud O iaibicic E Ud ud t t ud id id 没加平波电抗器的波形 UE时截止 抑制电流脉动的措施 电流脉动产生转矩脉动，为了避免或电流脉动产生转矩脉动，为了避免或 减轻这种影响，须

10、采用抑制电流脉动的措减轻这种影响，须采用抑制电流脉动的措 施，主要是：施，主要是： 设置平波电抗器；设置平波电抗器； 增加整流电路相数；增加整流电路相数； 采用多重化技术。采用多重化技术。 图1-11 完整的V-M系统机械特性 （3 3）V-MV-M系统系统 机械特性机械特性 （4 4）V-MV-M系统机械特性的特点系统机械特性的特点 图图1-111-11绘出了完整的绘出了完整的V-MV-M系统机械特性，分系统机械特性，分 为电流连续区和电流断续区。由图可见：为电流连续区和电流断续区。由图可见： 当电流连续时，特性硬；当电流连续时，特性硬； 电流断续时，特性很软，呈显著的非线性，电流断续时，特

11、性很软，呈显著的非线性， 理想空载转速翘得很高。理想空载转速翘得很高。 直流调速方式及调速用可控直流电源直流调速方式及调速用可控直流电源 (2）V-M系统的特点 与G-M系统相比较，优点表现在： 经济性和可靠性都有很大提高，技术性能优越； 快速响应性能好。 系统缺点： 不易实现可逆运行； 承受过载能力差，易损坏； 谐波与无功功率造成“电力公害”。 直流调速方式及调速用可控直流电源直流调速方式及调速用可控直流电源 （3）直流斩波器或脉宽调制变换器 图1-4 直流斩波器电动机系统的原理图和电压波形 原理图 电压波形图 直流调速方式及调速用可控直流电源直流调速方式及调速用可控直流电源 （3）直流斩波

12、器或脉宽调制变换器 为了节能，并实行无触点控制，现在多改用 电力电子开关器件，如快速晶闸管、GTO、 IGBT等。 采用简单的单管控制时，称作直流斩波器， 后来逐渐发展成采用各种脉冲脉宽调制开关电路， 统称脉宽调制变换器(Pulse Width Modulation(Pulse Width Modulation， 简称简称PWMPWM变换器变换器) )。 1.1.1 直流调速方式及调速用可控直流电源直流调速方式及调速用可控直流电源 (3）斩波器的基本控制原理 在原理图中，VT 表示电力电子开关器件， VD 表示续流二极管。当VT 导通时，直流电 源电压 Us 加到电动机上；当VT 关断时，直

13、流电源与电机脱开，电动机电枢经 VD 续流， 两端电压接近于零。如此反复，电枢端电压波 形如图1-4b ，好像是电源电压Us在ton 时间 内被接上，又在 T ton 时间内被斩断，故称 “斩波”。 直流调速方式及调速用可控直流电源直流调速方式及调速用可控直流电源 (3）PWM变换器优点： 主电路线路简单，需用的功率器件少； 开关频率高，电流容易连续，谐波少，电机损 耗及发热都较小； 低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，可达 1:10000左右； 若与快速响应的电机配合，则系统频带宽，动 态响应快，动态抗扰能力强； 直流调速方式及调速用可控直流电源直流调速方式及调速用可控直流电源 (3）PWM

14、变换器优点： 功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小， 当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置 效率较高； 直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相 控整流器高。 1.开环控制系统 这种控制系统有以下特点： 1）电动机的转速n只受控制量Usn的控制，转速n对控制量Usn没有反控制作用。 2）系统对干扰产生的误差不能自动修正。 3）系统为了保证一定的控制精度，系统必须采用高精度元器件。 4）系统不存在稳定问题。 图3-1 2.闭环控制系统 闭环调速系统有以下特点： 1）具有较强的抗干扰能力，控制精度高。 2）闭环调速系统有反馈网络，结构复杂，成本较高。 3）系统存在稳定问题。 图3-2 n

15、调节原理调节原理 在反馈控制的闭环直流调速系统中，与在反馈控制的闭环直流调速系统中，与 电动机同轴安装一台测速发电机电动机同轴安装一台测速发电机 TG ，从而，从而 引出与被调量转速成正比的负反馈电压引出与被调量转速成正比的负反馈电压Ufn ， 与给定电压与给定电压 Usn 相比较后，得到转速偏差电相比较后，得到转速偏差电 压压 Un ，经过放大器，经过放大器 A，产生电力电子变，产生电力电子变 换器换器UPE的控制电压的控制电压Uc ，用以控制电动机，用以控制电动机 转速转速 n。 转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下：转速负反馈直流调速系统中各环节的稳态关系如下： 电压比较环节 n

16、snfn UUU 放大器 npc UKU 电力电子变换器 d0sc UK U 调速系统开环机械特性 e d0d C RIU n 测速反馈环节 fn Un n 稳态分析稳态分析 n 稳态分析（续）稳态分析（续）以上各关系式中以上各关系式中 放大器的电压放大系数；放大器的电压放大系数； 电力电子变换器的电压放大系数；电力电子变换器的电压放大系数； 转速反馈系数（转速反馈系数（Vmin/r）；）； UPE的理想空载输出电压（的理想空载输出电压（V） ； 电枢回路总电阻。电枢回路总电阻。 Kp Ks R Ud0 n静特性方程静特性方程 从上述五个关系式中消去中间变量，整理后，即得从上述五个关系式中消去

17、中间变量，整理后，即得 转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式转速负反馈闭环直流调速系统的静特性方程式 pssndpssn d epseee (1/)(1)(1) K K UI RK K U RI n CK KCCKCK d0d e ( UI R n C 开环） n 静特性方程（续）静特性方程（续） 开环放大系数开环放大系数K为为 电动机环节放大系数为电动机环节放大系数为 静特性方程式静特性方程式 e sp C KK K n E C e pssn d ee (1)(1) K K U RI n CKCK U*n KpKs 1/Ce UcUn n Ud0 Un + - + KpKs 1/Ce -

18、IdR n Ud0 + - E 图1-25b 只考虑给定作用 时 的闭环系统 图1-25c 只考虑扰动作用-IdR 时的闭环系统 )1( e * nsp KC UKK n )1( e d KC RI n * n U 1.4.4 开环系统机械特性和闭环系 统静特性 的关系 开环机械特性为开环机械特性为 opop0 e d e * nsp e d0d nn C RI C UKK C RIU n (1-36) 而闭环时的静特性可写成 clcl0 e d e * nsp )1 ()1 ( nn KC RI KC UKK n (1-37) 比较式（比较式（1-36）和式（）和式（1-37）不难得出以下的

19、论断：）不难得出以下的论断： （1）闭环系统静性可以比开环系统机械特 性硬得多。 在同样的负载扰动下，两者的转速降落分别为 和 它们的关系是 K n n 1 op cl (1-38) e d op C RI n )1 ( e d c KC RI n l n 系统特性比较 n 系统特性比较（续）系统特性比较（续） （2）如果比较同一的开环和闭环系统，则）如果比较同一的开环和闭环系统，则 闭环系统的静差率要小得多。闭环系统的静差率要小得多。 闭环系统和开环系统的静差率分别为闭环系统和开环系统的静差率分别为 和和 当当 n0op =n0cl 时，时， （1-39） cl0 cl cl n n s o

20、p0 op op n n s K s s 1 op cl （3）当要求的静差率一定时，闭环系统可以）当要求的静差率一定时，闭环系统可以 大大提高调速范围。大大提高调速范围。 如果电动机的最高转速都是如果电动机的最高转速都是nmax， ，而对最低速 而对最低速 静差率的要求相同，那么：静差率的要求相同，那么： 开环时，开环时， 闭环时，闭环时， 再考虑式（再考虑式（1-38），得），得 opcl DKD)1 ( (1-40) )1 ( op N op sn sn D )1 ( cl N cl sn sn D n 系统特性比较（续） n 系统特性比较（续）系统特性比较（续） （4）要取得上述三项优

21、势，闭环系统必须）要取得上述三项优势，闭环系统必须 设置放大器。设置放大器。 上述三项优点若要有效，都取决于一点，即上述三项优点若要有效，都取决于一点，即 K 要足够大，因此必须设置放大器。要足够大，因此必须设置放大器。 但但 2 () mLss Ls T TTT K T T 结论2 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，从而在保证一定静差 率的要求下，能够提高调速范围，为此所 需付出的代价是，须增设电压放大器以及 检测与反馈装置。 例题1-3 在例题在例题1-2中，龙门刨床要求中，龙门刨床要求 D = 20，s 5%， 已知已知 Ks = 30， = 0.015Vmin/r，

22、 Ce = 0.2Vmin/r， 如何采用闭环系统满足此要求？如何采用闭环系统满足此要求？ 解 在上例中已经求得在上例中已经求得 nop = 275 r/min 但为了满足调速要求，须有但为了满足调速要求，须有 ncl = 2.63 r/min 由式（由式（1-38）可得）可得 1 cl op n n K 6 .1031 63. 2 275 代入已知参数，则得代入已知参数，则得 即只要放大器的放大系数等于或大于即只要放大器的放大系数等于或大于46，闭，闭 环系统就能满足所需的稳态性能指标。环系统就能满足所需的稳态性能指标。 46 2 . 0/015. 030 6 .103 / es p CK

23、K K 系统调节过程系统调节过程 n 0 O Id Id1Id3Id2 Id4 A B C A D 闭环静特性 开环机械特性 图1-26 闭环系统静特性和开环机械特性的关系 Ud4 Ud3 Ud2 Ud1 系统调节过程系统调节过程 开环系统开环系统 Id n 例如：在图例如：在图1-26中工作点从中工作点从A A 闭环系统闭环系统 Id n Un Un n Ud0 Uc 例如：在图例如：在图1-26中工作点从中工作点从A B 系统调节系统调节作用作用 闭环系统能够减少稳态速降的实质在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，在于它能随着负于它的自动调节作用，在于它能随着负 载的变化

24、而相应地改变电枢电压，以补载的变化而相应地改变电枢电压，以补 偿电枢回路电阻压降的变化。偿电枢回路电阻压降的变化。 1.4.5 反馈控制规律 1. 被调量偏差控制被调量偏差控制 2. 抵抗扰动抵抗扰动, 服从给定服从给定 3.系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度系统的精度依赖于给定和反馈检测的精度 1. 被调量有静差被调量有静差 闭环系统的稳态速降为闭环系统的稳态速降为 只有只有 K = ，才能使，才能使 ncl = 0，而这是不，而这是不 可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差可能的。因此，这样的调速系统叫做有静差 调速系统调速系统。实际上，这种系统正是依靠被调。实际上，这种系统正是依靠被调

25、 量的偏差进行控制的。量的偏差进行控制的。 )( e d cl KIC RI n 2. 抵抗扰动抵抗扰动, 服从给定服从给定 反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有反馈控制系统具有良好的抗扰性能，它能有 效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道效地抑制一切被负反馈环所包围的前向通道 上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命上的扰动作用，但对给定作用的变化则唯命 是从。是从。 扰动扰动除给定信号外，作用在控制系统各环除给定信号外，作用在控制系统各环 节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做节上的一切会引起输出量变化的因素都叫做 “扰动作用扰动作用”。 n给定和扰动作用给定和扰动作用 图1-27 闭环调

26、速系统的给定作用和扰动作用 励磁变化励磁变化 Id变化变化 电源波动电源波动 Kp变化变化 电阻变化电阻变化 检测误差检测误差 KpKs 1/Ce U*nUcUn E n Ud0 Un + + - - R n 结论结论3 反馈控制系统的规律是： 一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环 内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地 跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都是唯 命是从的。 3. 系统的精度依赖于给定和反馈检系统的精度依赖于给定和反馈检 测精度测精度 给定精度给定精度由于给定决定系统输出，输出精度由于给定决定系统输出，输出精度 自然取决于给定精度。自然取决于给定精度。 检测精度检测精度

27、反馈检测装置的误差也是反馈控制反馈检测装置的误差也是反馈控制 系统无法克服的，因此系统无法克服的，因此检测精度决定了系统检测精度决定了系统输出输出 精度。精度。 1.6.1 积分调节器和积分控制规律 1. 积分调节器 如图，由运算放大如图，由运算放大 器可构成一个积分电器可构成一个积分电 路。根据电路分析，路。根据电路分析， 其电路方程其电路方程 + + C Uex Rbal Uin R0 + A 图1-43 积分调节器 a) 原理图 in 0 ex 1 d d U CRt U i i 方程两边取积分，得方程两边取积分，得 tUtU CR ti C Ud 1 d 1 d 1 inin 0 ex

28、 (1-64) 式中 积分时间常数。 当初始值为零时，在阶跃输入作用下，对式 （1-64）进行积分运算，得积分调节器的输出 CR0 t U U in ex (1-65) Uex Uin Uexm t Uin Uex O b) 阶跃输入时的输出特性 图1-43 积分调节器 3. 积分调节器的特性 4. 转速的积分控制规律转速的积分控制规律 如果采用积分调节器，则控制电压如果采用积分调节器，则控制电压Uc是转速是转速 偏差电压偏差电压 Un的积分，按照式（的积分，按照式（1-64），应有），应有 如果是如果是 Un 阶跃函数，则阶跃函数，则 Uc 按线性规律增按线性规律增 长，每一时刻长，每一时刻

29、 Uc 的大小和的大小和 Un 与横轴所包围与横轴所包围 的面积成正比，的面积成正比，如下图如下图 a 所示。所示。 t 0 nc d 1 tUU 图1-45 积分调节器的输入和输出动态过程 a) 阶跃输入 b)负载变化时 n 输入和输出动态过程 图b 绘出的 Un 是负载变化时的偏差电压波形， 按照Un与横轴所包围面积的正比关系，可得相应 的Uc 曲线，图中Un 的最大值对应于Uc 的拐点。 若初值不是零，还应加上初始电压Uc0 ，则积分 式变成 0c 0 nc d 1 UtUU t 负载变化时积分曲线负载变化时积分曲线 分析结果 只有达到只有达到 Un* = Ufn ， Un = 0时，时

30、， Uc 才停止积分；当才停止积分；当 Un = 0时，时，Uc并不并不 是零，而是一个终值是零，而是一个终值 Ucf ；如果；如果 Un 不不 再变化，此终值便保持恒定不变，这是再变化，此终值便保持恒定不变，这是 积分控制的特点。积分控制的特点。 采用积分调节器，当转速在稳态时达到采用积分调节器，当转速在稳态时达到 与给定转速一致，系统仍有控制信号，与给定转速一致，系统仍有控制信号， 保持系统稳定运行，实现无静差调速。保持系统稳定运行，实现无静差调速。 比例与积分控制的比较比例与积分控制的比较 有静差调速系统有静差调速系统 当负载转矩由TL1突增到TL2时，有静差调速 系统的转速n、偏差电压

31、 Un 和控制电压 Uc 的变化过程示于下图。 当负载转矩由 TL1 突 增到 TL2 时，有静差调 速系统的转速 n 、偏 差电压 Un 和控制电 压 Uc 的变化过程示于 右图。 图1-44 有静差调速系统突加负载过程 有静差调速系统突有静差调速系统突 加负载时的动态过程加负载时的动态过程 图1-46 积分控制无静差调速系统 突加负载时的动态过程 虽然现在Un = 0，只 要历史上有过 Un ，其 积分就有一定数值，足 以产生稳态运行所需要 的控制电压 Uc。积分控 制规律和比例控制规律 的根本区别就在于此。 无静差调速系统突加无静差调速系统突加 负载时的动态过程负载时的动态过程 将以上的

32、分析归纳起来，可得下述论断： 比例调节器的输出只取决于输入偏差量的 现状；而积分调节器的输出则包含了输入偏 差量的全部历史。 比例积分控制规律 上一小节从无静差的角度突出地表明上一小节从无静差的角度突出地表明 了积分控制优于比例控制的地方，但是了积分控制优于比例控制的地方，但是 另一方面，在控制的快速性上，积分控另一方面，在控制的快速性上，积分控 制却又不如比例控制。制却又不如比例控制。 如图所示，在同样的阶跃输入作用之如图所示，在同样的阶跃输入作用之 下，比例调节器的输出可以立即响应，下，比例调节器的输出可以立即响应， 而积分调节器的输出却只能逐渐地变。而积分调节器的输出却只能逐渐地变。 1

33、. PI调节器调节器 在模拟电子控在模拟电子控 制技术中，可用制技术中，可用 运算放大器来实运算放大器来实 现现PI调节器，其调节器，其 线路如图所示。线路如图所示。 Uex + + C1 Rbal Uin R0 + A R1 图1-38 比例积分（PI）调节器 i0 i1 2. PI输入输出关系输入输出关系 按照运算放大器的输入输出关系，可得按照运算放大器的输入输出关系，可得 tUUKtU CR U R R Ud 1 d 1 ininpiin 10 in 0 1 ex (1-60) 0 1 pi R R K 10C R 式中式中 PI调节器比例部分的放大系数；调节器比例部分的放大系数； PI

34、调节器的积分时间常数。调节器的积分时间常数。 由此可见，由此可见，PI调节器的输出电压由比例和积分调节器的输出电压由比例和积分 两部分相加而成两部分相加而成。 n 分析结果分析结果 由此可见，比例积分控制综合了比例 控制和积分控制两种规律的优点，又克服 了各自的缺点，扬长避短，互相补充。比 例部分能迅速响应控制作用，积分部分则 最终消除稳态偏差。 无静差调速系统原理图无静差调速系统原理图 1.6.3 无静差直流调速系统及其稳态 参数计算 系统组成系统组成 工作原理工作原理 稳态结构与静特性稳态结构与静特性 参数计算参数计算 1. 系统组成系统组成 + + - + - M TG + - RP2

35、n RP1 U*n R0 R0 Rbal Uc VBT VS Ui TA Id R1C1 Un Ud 图1-48 无静差直流调速系统示例 - + M TG + + + - UPE 2. 工作原理工作原理 图图1-48所示是一个无静差直流调速系统的所示是一个无静差直流调速系统的 实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采实例，采用比例积分调节器以实现无静差，采 用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。 TA为检测电流的交流互感器，经整流后得到为检测电流的交流互感器，经整流后得到 电流反馈信号。当电流超过截止电流时，高于电流反馈信号。当电流超过截止电流时，

36、高于 稳压管稳压管VS的击穿电压，使晶体三极管的击穿电压，使晶体三极管VBT导导 通，则通，则PI调节器的输出电压接近于零，电力电调节器的输出电压接近于零，电力电 子变换器子变换器UPE的输出电压急剧下降，达到限制的输出电压急剧下降，达到限制 电流的目的。电流的目的。 3. 稳态结构与静特性稳态结构与静特性 当电动机电流低于其截止值时，上述系统的 稳态结构图示于下图，其中代表PI调节器的方框 中无法用放大系数表示，一般画出它的输出特性， 以表明是比例积分作用。 图1-49 无静差直流调速系统稳态结构框图（Id Idcr ） Ks 1/Ce U*n UcUn IdR E nUd0 Un + +

37、- - 4. 稳态参数计算稳态参数计算 稳态时 Un = 0，因而 Un = Un* ，转速反馈系数 max * maxn n U （1-67） 电动机调压时的最高转速(r/min)； 相应的最高给定电压(V)。 nmax U*nmax 电流截止环节的参数很容易根据其电路 和截止电流值 Idcr计算出。 1.3.1 1.3.1 引入电流截止负反馈的原因引入电流截止负反馈的原因 1.3.2 1.3.2 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 1.3.3 1.3.3 带电流截止负反馈闭环调速系统的稳态结带电流截止负反馈闭环调速系统的稳态结 构图和静特性构图和静特性 1.3 电流截止负反馈 1.3.1

38、 引入电流截止负反馈的原因 全压起动时的冲击电流 闭环调速系统突加给定起动时的冲击电流 堵转电流 为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时 电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电 流的环节。 根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基 本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么， 引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变， 使它不超过允许值。 1.3.1 1.3.1 引入电流截止负反馈的原因引入电流截止负反馈的原因 电流截止负反馈 限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着 负载增减。 如果采用某种方法，当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电 流，而电流正常时仅有转速负

39、反馈起作用控制转速。这种方法叫做电流截止 负反馈，简称截流反馈。 电流截止负反馈环节电路电流截止负反馈环节电路 1.3.2 1.3.2 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 用独立电源作比较电压利用稳压管产生比较电压 图1-13电流截止负反馈环节 图1-13 a）中用独立的直流电源作为比较电压，截止 电流连续可调，截止电流为： Idcr =U com / R s 图1-13 b）中利用稳压管VST的击穿电压Ubr作为比 较电压，线路要简单得多，但不能平滑调节截止电流值。 1.3.2 1.3.2 电流截止负反馈环节电流截止负反馈环节 带限幅电路的PI调节器 比例积分控制规律和无静差调速系统 o

40、采用比例（P）放大器控制的直流调速系 统是有静差的调速系统，还存在稳定性与稳 态精度的矛盾。采用积分（I）调节器或比例 积分（PI）调节器代替比例放大器，可构成 无静差调速系统。 KZD-型直流调速系统分析 此为小容量晶闸管直流调此为小容量晶闸管直流调 速装置，适用于速装置，适用于4kW4kW以下以下 直流电动机无级调速。系直流电动机无级调速。系 统的主回路采用单相桥式统的主回路采用单相桥式 半控整流线路。具有电流半控整流线路。具有电流 截止负反馈、电压负反馈截止负反馈、电压负反馈 和电流正反馈（电动势负和电流正反馈（电动势负 反馈）。具体数据如下：反馈）。具体数据如下： 交流电源电压交流电源

41、电压 单相单相220V220V 整流输出电压整流输出电压 直流直流180V180V 最大输出电流最大输出电流 直流直流30A30A 励磁电压励磁电压 单相单相180V180V 励磁电流励磁电流 直流直流1A1A 调速范围调速范围 直流直流180V180V 静差率静差率 s10%s10% 主电路及励磁回路 平波电抗器平波电抗器LdLdR9R9为能耗制动电阻为能耗制动电阻 Ud（S） N（S） 电动机整流滤波 给定、触发及反馈电路 KZD-型直流调速系统的组成框图及调节过程 o7.2.1 系统结构特点和技术数据 此为小容量晶闸管直流调速装置，适用于4kW以下直流电 动机无级调速(调速范围D10 1

42、，静差率s10%)。装置的 电源电压为220V单相交流，输出电压为直流160V，输出最大 电流30A；励磁电压为直流180V，励磁电流为1A。系统主要 配置Z3系列(电枢电压160V，励磁电压180V)的小型直流他励 电动机。装置的主回路采用单相桥式半控整流线路。具有电压 负反馈、电流正反馈和电流截止负反馈环节。 图7-11 KZD-型直流调速系统的组成框图 o 图7-12 具有电压负反馈和电流正反馈环节 的调速系统原理图 o 7.2.2 定性分析 对实际系统分析，一般是先定性分析，后定量 分析。即先分析各环节和各元件的作用，搞清系统 的工作原理。然后再建立系统的数学模型，进一步 作定量分析。

43、 分析晶闸管调速系统线路的一般顺序是： 主电路-触发电路-控制电路-辅助电路(包括保 护、指示、报警等)。现依次分析如下：1. 主电路中，桥臂上的两个二极管串联排在一侧，这 样它们可以兼起续流二极管(FreeWheeling diode)的作用，但这样两个晶闸管阴极(Cathode) 间将没有公共端，脉冲变压器(Pulse Transformer)的两个二次绕组间将会有 220V 的峰值电压(Peak Voltage)。因此对两个二次绕 组间的绝缘(Insulation)要求也要提高。 o在要求较高、或容量稍大(2.2kW以上)的场合，应接入平波电 抗器Ld，以限制电流脉动(Pulsation

44、)，改善换向条件，减少 电枢损耗，并使电流连续。但接入电抗器后，会延迟晶闸管掣 住电流(Latching Current)的建立，而单结晶体管张弛振荡器 脉冲的宽度是比较窄的，为了保证触发后可靠导通，在电抗器 Ld两端并联一电阻(1k)，以减少主电路电流到达晶闸管所需 要的掣住电流的时间。另一方面，在主电路突然断路时，这电 阻为电抗器提供放电回路，减少了电抗器产生的过电压。 为了加快制动和停车，采用了能耗制动。R9为能耗制动电 阻(因电阻规格与散热等原因，如今采用两只25W、51的线 绕电阻器并联使用)。 主电路中RS为电流表外配的分流器。 主电路的交、直流两侧，均设有阻容吸收电路(由50电阻 与2F电容串联构成的电路)，以吸收浪涌电压(Surge Voltage)。 o 主电路中的S为手动开关，KM为主电路接触器， 主电路短路保护的熔断器容量为50A(与整流元件 容量相同)。 电动机励磁由单独的整流电路供电，为了防止 失磁而引起“飞车”事故，在励磁电路中，串入欠 电流继电器KA，只有当励磁电流大于某数值时， KA才动作。在主电路的接触器KM的控制回路中， 串接KA常开触点。只有当KA动作，KA常开触点闭 合，主接触器KM才能吸合，从而保证了励磁回路 有足够大