绪论和直流电机

2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道1

第一章直流电动机的控制电气与信息工程学院：黄守道

2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道2§1－1直流电动机在晶闸管供电时

的机械特性

电动机的机械特性——n=f(T)，即电动机的转速n和转矩T之间的变化关系。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道3一、恒定电流供电时的机械特性调速方案:调压、调电阻、调励磁。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道4二、晶闸管供电时的机械特性

晶闸管整流供电给反电势负载（直流电动机）时，电流很容易出现断续现象，即电流波形将有连续和断续两种情况。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道5<一>电流连续时的机械特性

如果电枢回路中有足够大的电感（即在电阻＋无限大电感的情况下），可以使晶闸管整流的输出电流连续，输出电压比较平稳。 在这种情况下，晶闸管整流器输出电压平均值为：

此时的机械特性为：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道6在α一定的情况下，Id增加，则n减小，当Id减小到一定程度时，电流将出现断续，其特性在图中用虚线表示。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道7<二>电流断续时的机械特性

当电流断续时，对于三相可控整流电路，不存在换向问题，可用单相等值电路分析。

1、等值电路2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道8图中对于不同整流电路代表不同含义： 单相整流电路——相电压； 三相半波整流电路——某一相电压；三相桥式整流电路——某一线电压；如果忽略电阻，则有：解之得：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道92、电压、电流波形图电流断续时，电压、电流波形图1-3所示。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道10整流器移相角起算点的相位单相：m=2，即ψ=0°三相半波：m=3，即ψ=30°三相桥式：m=6，即ψ=60°积分常数C由边界条件决定:当的瞬间，，有：

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假设晶闸管的导通角为θ，即当时，，有：3、转速公式当θ越大，E越大，n越大，如果电流很小，可忽略，即：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道12电流断续时，平均电流为：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道134、机械特性

以θ角为参变量，在某一条件下，可求得对应

和，从而求得机械特性。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道145、电流连续时，最小负载电流的确定只要保持导通角为，代入表达式：单相：三相半波：三相桥式：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道156、电流断续时理想空载转速的确定理想空载转速时，，则此时要求导通角为0，此时：单相：α<90°不适用,α>90°计算正确。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道16三相半波：α<60°不适用，

α>60°计算正确。三相桥式：α<30°不适用

α>30°计算正确。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道17

从物理概念上说明为什么当电流断续时，直流电动机的曲线会变软

当电枢回路电流太小或者回路的电感L不够大时，电枢电流会出现断续，在电流断开的时间里，电动机两端的电压等于电动机的反电势。又因为在α一定的情况下，平均电流为常数，而现在多了一个断开时间里的反电势E，使平均电压升高很多，所以电机转速也升高很多。如果电流断开的时间越大，电枢电流越小，增加的反电势越多，则总的平均电压会越高，电机的转速也越高，因此，电机的机械特性很软。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道18§1—2直流电机晶闸管

不可逆调速系统2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道19一、直流电动机开环调速系统

（直流电动机简单调速系统）2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道20

输出量不反馈到输入，电机的电枢和磁场分别用单独的可控整流桥供电，在保证磁场基本恒定的情况下，改变电枢整流器的移相角，改变其输出电压，达到调速的目的。

特点：调速精度差，仅应用于调速要求不高 的场合。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道21

二、直流电动机单闭环调速

（电动机带速度负反馈的闭环控制系统）1、直流电动机带速度负反馈的闭环控制系统1-62023/2/1电气与信息工程学院：黄守道22直流电动机与测速发电机同轴连接，给定电压与速度，反馈电压反极性串联后加在速度调节器的输入端，正常运行时，非常接近，并保持一定差值。特点：机械特性比开环的要硬。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道23

2、直流电动机

带电压负反馈的闭环控制系统

由于在φ=C时，U与n成正比，所以在精度不高的场合，可用电压负反馈代替速度负反馈，可省去测速发电机。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道24三、直流电动机双闭环调速系统双闭环：速度控制环和电流控制环解决了传动系统在起动、增减负载时受冲击，同时对电机和晶闸管起动有效限流保护作用。其结构框图如图1—7所示。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道25ST—速度调节器LT－电流调节器CF－触发器－电路负反馈信号电压－速度负反馈信号2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道26特点：ST的输出电压为LT的给定信号去控制电机的电流和转矩。机械特性硬，动态性能好，稳定性好。优点：（1）根据给定速度与实际速度的差额及时控制电机的转矩，使在速度差值比较大时，电机转矩大，速度变化大，尽快地将电机拉向设定值；2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道27（2）当转速接近给定值时，能使电机转速自动减小，这样可避免过大地超调，使转速很快地达到给定，以利于实现调速过程地快速性；（3）由于电流环等效时间常数比较小，当系统受到干扰时，能比较迅速地作出响应，抑制干扰的影响，系统稳定性好，抗干扰能力强；2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道28（4）速度调节器的限定了电枢中的电流，这对过载能力比较低的晶闸管元件有起动保护作用。起动过程如图1—8所示。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道29起动过程分析（1）第一阶段开始起动阶段速度调节器两端加给定电压Ug。由于电机未转动，速度反馈电压Ufn为0。速度调节器中输入信号与反馈信号的差值相当大，经放大作用后，输出达到调节器的输出饱和限幅值。电流调节器获得最大输入信号，晶闸管整流桥的移相角前移，整流输出电压增加，电枢电流急剧上升，电机转矩迅速加大，电机迅速起动。由于电枢回路等效时间常数较小，电枢电流的增长很快达到速度调节器输出限值Idmax，进入第二阶段。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道30（2）第二阶段加速阶段

电枢电流的反馈信号将与速度调节的输出限幅值所提供的电流调节器输入信号相平衡，移相角保持不变。转速升高，电机的反电势增大，受其影响电枢电流可能下降，但只要它有所下降，电流反馈信号将减小，电流调节器的输入误差信号将增大，输出也将增大，通过它对移相角的控制，电枢电流将回到Idmax上，这种电枢电流保持在最大值的过程将继续到电机的转速接近给定值为止。由于实际转速一直小于给定转速，速度调节器始终饱和输出，系统中实际上只有电流调节器起作用，电机始终以最大转矩加速，转速直线上升。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道31（3）第三阶段

电机转速达到给定值时进入第三阶段。电机的转速达到并超过了给定值，速度反馈电压大于给定值，速度调节器的输出退出饱和，从限幅值上降下来。它作为电流调节器的输入，将使电枢电流下降，电机转矩也下降。当它小于负载转矩时，电机减速，直到重新回到速度给定值。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道32（4）负载突变过程1-92023/2/1电气与信息工程学院：黄守道33如果突然加上负载，n减小，减小，速度调节器输入增加，输出饱和，移相角前移，电枢电流增加，转矩增加，转速上升，最终使速度调节器输入为零，达到转矩的新平衡。如果所加负载很大，则转速急剧下降，速度调节器输入急剧上升，输出达到最大，电枢电流急剧上升达最大值，使转矩达最大，如果负载转矩大于最大转矩，将使转速为0，进入堵转状态，起动保护作用。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道34§1－3直流电动机

可逆晶闸管调速系统可逆——电动机能在正、反方向电动、发电、制动，即电机能在四象限运行。可正向电动、快速制动、反向电动、反向制动。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道35一、可逆整流电路的连接方式1、交叉连接特点：两个独立电源分别供电。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道362、反并联连接方式特点：同一个电源供电，整流角和逆变角相等，电压平均值相等，即互相“对顶”，但瞬时值不相等。1－112023/2/1电气与信息工程学院：黄守道37正组整流，负组不工作，M正转；负组整流，正组不工作，M反转；正转制动时，正组不工作，负组逆变，能量反馈到电网；反转制动时，负组不工作，正组逆变，能量反馈到电网。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道383、限制环流方法（1）加限流电抗器，构成有环流系统；（2）在一组整流器工作时，把另一组整流器的触发脉冲封锁，构成无环流系统。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道394、有环流可逆调速系统1－132023/2/1电气与信息工程学院：黄守道40特点：双闭环控制优点：因为正反整流桥处于工作状态，电机电流可以改变方向，因而运行状态改变快速、安全。缺点：加电抗器后电抗器体积大，有环流存在，消耗能量，效率低。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道415、逻辑无环流可逆调速系统1-142023/2/1电气与信息工程学院：黄守道425－1控制逻辑电路1-152023/2/1电气与信息工程学院：黄守道43增加了一个逻辑装置LJ，任务是按给定的控制信号的极性和主电路的情况决定由哪一组整流桥导通，哪一组封锁，以及在什么时候进行切换，并保证切换的安全。组成：信号检测，逻辑判断，限制冲击，逻辑保护。

2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道44输入：ST输出，主电路经整流输出。输出：两个封锁触发信号； 另两个通过LT使整流桥处于待逆 变状态。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道45功能：任何时候只允许一组整流桥有触发脉冲；工作中的整流器只有在电流关断后才能封锁其脉冲，防止整流桥可能处于逆变工作时因触发脉冲消失导致逆变颠覆；只有当原先工作的一组整流桥完全关断后才能开放另一组整流桥，以防止环流的出现；为避免电流冲击，任何一组整流桥在开放时其触发相位应与电动机的电势相等，防止电流冲击。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道465－2转矩极性鉴别器

转矩极性鉴别器SJB根据速度调节器的输出电压极性来判断应有的电机转矩极性。输入为负或较小时，输出为正；较大时，输出为负；输入为正或较大时，输出为负；较小时，输出为正。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道475－3零电流检测器LJB

零电流检测器LJB检测电枢电流是否为零。它实际上是一个电平检测器。让电枢电流信号流过一个二极管，利用二极管小电流时正向压降较高的非线性特性，通过检测二极管上的压降就能检测电枢电流是否为零。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道485－4SJB、LJB的作用当时，，为负，SJB输出为1，要求正组开放，负组封锁；当时，，为正，SJB输出为0，要求负组开放，正组封锁；当主回路电流为0时，LJB输出为1，开放YF1;

当主回路电流不为0时，LJB输出为0，封锁YF1;2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道495－5正向起动、运转过程

开始时，主回路电流为0，LJB输出为1，YF1开放，速度调节器输入为正，SJB输出为1，YF1=0,YF3=1,YF4=0,故正组开放，负组封锁，电机正向起动。电机起动后，主回路电流不为零，LJB输出为0，封锁YF1，则YF1输入微小的波动不会影响以后的工作，保证正组开放，负组封锁，电机稳定正向运转。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道505－6正向运转时，获得降速指令

转速调节器的输入信号为负，输出为正，SJB输出为0，要求负组开放，正组封锁；但是，由于主回路中的电流不为零，LJB输出零状态不变，YF1始终关闭，正组仍开放。由于ST改变极性，正组触发器的控制电压由正变负，移相角后移，正组逆变，电能回馈电网，主回路电流减小，但方向不变，称本桥逆变。本桥逆变只是反馈电能，使电流下降，不产生反向制动转矩，因为电枢电流方向未反。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道51§1－4直流电动机斩波调速相控整流存在的问题：低速时使电网侧功率因数变低，谐波严重，对电网极为不利。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道521、不可逆斩波调速系统<1>电流连续时为负载电压系数Us为开关导通时的电源电压2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道53<2>电流断续时

若，则2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道54<3>带制动的斩波调速电路2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道55说明：（1），VT1通，VT2断，电动状态。（2），VT1断，VD2续流，VT2不通

a、VT断时间短，VT2始终不通，电动状态；

b、VT断时间长，VT2通，能耗制动。（3）VT1通前关VT2，电流经VD1续流，短时再生制动。否则电流经VT1，VT2短路。（4），关VT2，电流经VD1，电枢再生制动；VT2开，能耗制动。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道562、可逆斩波调速系统2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道57（1）单极性脉宽调制方式

，VT1通，VT2断，VT4一直通，VT3一直断，电动状态；，VT1断，电流经VT4，VD2续流，电流趋向于0，VT2导通，电流流经VT2，VD4，进入能耗制动。关VT2，电流经VD1,VD4进入电网，再生制动；开VT2，电流经VT2,VD4，能耗制动。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道58（2）双极性脉宽调制方式2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道590<t<t1,，VT1,VT4通，VT2,VT3断，电动状态；t1<t<T,，VT1,VT4断，VT2,VT3通，电流经VD2，VD3续流，电动状态。电枢电流迅速下降趋于0；T2<t<T,Vs,Ea经VT2,VT3导通，电流反向，进入反接制动状态；T<t<(T+t1),VT2,VT3断，VD1，VD4续流，再生制动状态；T=t3,改变T，即可使电动机调速和正反转、反接制动和再生制动。VT1，VT4通，进入下一个工作周期。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道60ρ＝0时，动力润滑

当t1＝T/2时，ρ＝0，电机的，n趋于0。但是由于t1＝T/2时，实际上在电机端加有正负脉冲宽度相等的交变电压，所以在电枢中有交变电流，这个电流会增加电机的损耗，但同时又使电机产生高频的微振，可以减小静摩擦，起动力润滑的作用。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道61（3）双极性调制和单极性调制方式

比较双极性调制方式控制简单，只要改变t1就能将输出电压从＋Us变到－Us。而在单极性调制方式中要改变晶闸管的工作方式；双极性脉宽调制在输出电压比较小时，仍能保证晶闸管可靠导通，保证电机低速运转的平稳性；双极性调制在输出电压等于0时电枢电流产生的高频微振有动力润滑的作用，单极性方式下电枢回路无电流。双极性调制的开关损耗较单极性的损耗大。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道62§1－5直流电动机调速性能的特性

及其优化方法2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道63一、调速系统的静态和动态特性静态特性——以稳态误差衡量；动态特性——以调整时间和超调量衡量。1、静态特性静态特性的衡量，包括调速的精度和跟踪误差两个方面，它们与系统的类型和输入信号的性质有关。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道64

典型反馈系统结构框图如图。G(s)：开环传递函数R(s):系统输入C(s):系统输出E(s):系统误差1－212023/2/1电气与信息工程学院：黄守道65系统开环传递函数的一般形式：其中的积分因子γ对系统的静态特性有重要影响，按γ＝0、1、2将相应的系统分为0型、Ⅰ型和Ⅱ型系统，对典型输入信号的响应如图所示。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道660型系统：能跟踪阶跃输入信号，有稳定的误差，，而不能跟踪速度和加速度信号，称为有差系统。Ⅰ型系统：能跟踪阶跃输入信号，稳定误差为0，但跟踪速度输入信号有一定的稳定误差，不能跟踪加速度信号，称为一阶无差系统。Ⅱ型系统：跟踪阶跃信号和速度输入信号稳定误差为0，跟踪加速度信号有稳定的误差，成为二阶无差系统。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道672、动态特性系统的动态性能以其在单位阶跃信号输入下的动态响应曲线来表示（如图所示），常以调整时间和超调量作为衡量系统动态特性的主要指标。

动态性能：电机运行条件突变，从一种运行状态到另一种运行状态的过度性能。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道68动态过程的性能指标：上升时间：曲线从稳态值的10％上升到90％所需的时间（s）；延迟时间:第一次达到稳态值的一半所需的时间；峰值时间：第一次达到峰值所需的时间；超调量：第一次达到稳态值后的最大偏差量与稳态值之比的百分比数；调整时间：响应曲线与稳态值之间的偏差达到允许值范围内（通常为±2%）所需时间；振荡次数：过渡过程持续期间内曲线在稳态值上下起伏的次数。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道69二、直流电动机的传递函数1、直流电动机动态性能框图动态性能框图由用标么值表示的状态方程式得出。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道702、直流电动机的传递函数（φ＝C）（1）当φ＝C，恒定时，并励直流电动机的简单框图2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道71（2）当φ＝C，恒定时，用标么值表示的并励直流电动机传递函数框图将积分环节用传递函数表示，带直接反馈的积分环节传递函数，改画后的系统框图为：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道72（3）传递函数

与间传递函数与间传递函数与间传递函数说明：字母上的“—”表示标幺值2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道73（4）用传递函数的实在值表示的框图2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道74

传递函数

与间传递函数与间传递函数与间传递函数2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道75（5）直流电动机的简化框图由于直流电动机的时间常数Ta和Tm在数量上有相当大的差别，电枢时间常数Ta较小，机电时间常Tm数较大，往往大一个数量级，在实际分析计算中，研究比较快速的电机过程可以认为电机转速没有变化，即反电势E不变；在研究缓慢的过程中认为Ta＝0。因此可将电机看作由两个相对独立的一阶系统构成的开环电路，没有内部反馈环节。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道76直流电动机的简化框图如图所示：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道77三、调速系统的性能分析分析最简单情况：直流电动机调速系统中只有速度负反馈，通过比例式调节器控制整流器的移相角，改变电机电枢电压以调节电机转速，结构框图如下：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道78所研究简单系统的传递函数框图为2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道79不考虑反电势随转速而变化的影响，直流电动机为一线性系统，其传递函数为:2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道801.静态性能分析在传递函数中令s0，有转速和负载之间的关系为：采用比例式速度调节器的情况下电机的转速随负载的增加而下降，即存在“静差度”。其大小与调节器的放大倍数K有关，K越大，静差度越小，调速精度可提高，但K的过分增加将使系统出现振荡，于动态性能有影响。所以一般采用比例积分调节器，使动态时K小，静态时K大。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道812、动态性能分析（1）一阶系统以积分环节为例，系统框图和单位阶跃响应曲线如图所示。1－312023/2/1电气与信息工程学院：黄守道82传递函数：特点：系统稳定，没有超调，响应的快慢完全取决于积分环节的时间常数。然而在电机调速系统中，积分环节时间常数一般取得较大，使调节器动作过于缓慢，故实用较少。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道83（2）二阶系统典型的二阶系统由一个惯性环节和一个积分环节组成。系统框图如下：图1－322023/2/1电气与信息工程学院：黄守道84传递函数开环：闭环：式中：：积分环节时间常数：惯性环节时间常数

K：系统的放大倍数2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道85二阶系统的单位阶跃响应2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道86二阶系统动态性能指标起调时间:从单位阶跃输入施加的瞬间起到输出量第一次达到单位阶跃给定值所经历的时间，为4.7σ。最大超调量△：动态响应过程中可能超过给定值的最大数值，为4.3%,且超调数仅有一次。调整时间：从信号输入到超调量衰减到小于2％的时间，为8.4σ。2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道87（3）三阶系统典型的三阶系统构成：一个积分环节，一个惯性环节，一个比例积分调节器。开环传递函数：闭环传递函数：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道88

——比例积分调节器的放大系数

——调节器的积分时间常数

——积分环节的时间常数

——惯性环节的时间常数

——调节对象的放大系数

符号说明：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道89闭环系统输入端加一个滤波环节，可使整个系统具有典型的三阶形式：其中：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道90三阶系统的优化传递函数应满足关系：调节器参数应满足关系：三阶优化系统传递函数：2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道91三阶系统的构成框图和单位阶跃响应曲线如图所示.2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道92三阶系统动态性能指标起调时间=7.6σ最大超调量=8.1％达到偏差小于±2％，所需的调节时间

=1.33σ△2023/2/1电气与信息工程学院：黄守道93不加滤波环节的三阶系统的动态性能指标起调时间：=3.1σ最大超调量：=43.4％调节时间：=16.5σ

达到偏差小于±2％所需的超调量过