直流电机小结

第四章直流调速系统小结直流拖动控制系统内容提要：直流调速方法直流调速电源直流调速控制G-M系统V-M系统PWM系统2.1.2

直流电动机的调速方法

直流电动机转速表达式为：

式中，n为电动机转速（r/min）；为电枢电压（V）；为电枢电流（A）；为电枢回路电阻（Ω）；为励磁磁通（Wb）；为电动机结构决定的电势常数。由式2.1.1可知，直流电动机有三种调速方法：(1)调节电枢电压。(2)调节励磁磁通。(3)改变电枢附加电阻。三种调速方法的机械特性如图2.1.2所示。图2.1.2直流电动机人为机械特性曲线2.1.3

调速指标不同的生产机械，其工艺要求电气控制系统具有不同的调速性能，其指标分为静态和动态调速指标。1.静态调速指标（1）调速范围电动机在额定负载下，运行的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D表示，即

（2.1.2）

注意：对非弱磁的调速系统，电动机的最高转速即为额定转速。（2）静差率静差率是指电动机稳定运行时，当负载由理想空载增加至额定负载时，对应的转速降落与理想空载转速之比，用百分数表示为静差率反映了电动机转速受负载变化的影响程度，它与机械特性硬度有关，还与理想空载转速有关。如图2.1.3所示，A点静差率1%，B点静差率10%，那么能满足最低转速时的静差率，其它转速时也必然能满足。（3）调速范围与静差率的关系在调压调速系统中，额定转速为最高转速，静差率为最低转速时的静差率，则最低转速为调速范围与静差率应满足下列关系式：由以上公式可知，当一个调速系统机械特性硬度（）一定时，对静差率要求越高，即静差率越小，允许的调速范围也越小。2.动态调速指标动态性能指标包括跟随性能和抗干扰性能两类。（1）跟随性能指标通常以输出量初始值为零、给定信号阶跃变化下的过渡过程作为典型的跟随过程，即阶跃响应。跟随性能指标有下列各项：①上升时间：在典型的阶跃响应跟随过程中，输出量从零起第一次上升到稳态值所经过的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性，如图2.1.4所示。图2.1.4典型阶跃响应曲线和跟随性能指标

②超调量：在典型的阶跃响应过程中，输出量超出稳态值的最大偏离量与稳态值之比，用百分数表示，称为超调量：

超调量反映系统的相对稳定性。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。③调节时间：调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个调节过程的快慢。原则上应从给定量阶跃变化起到输出量完全稳定下来为止的时间。实际系统一般在阶跃响应曲线的稳态值附近，取(或)的范围作为允许误差带，以响应曲线达到并不再超出该误差带所需的最短时间，定义为调节时间，如图2.1.4所示。（2）抗扰性能指标一般是以系统稳定运行中，突加负载的阶跃扰动后的动态过程作为典型的抗扰过程，并由此定义抗扰性能指标，如图2.1.5所示。图2.1.5突加负载时的动态过程和抗扰性能指标①动态降落：系统稳定运行时，突加一定数值的扰动后引起转速的最大降落值叫做动态降落，用输出量原稳态值的百分数来表示。输出量在动态降落后逐渐恢复，达到新的稳态值，（）是系统在该扰动作用下的稳态降落。动态降落一般都大于稳态降落（即静差）。调速系统突加额定负载扰动时的动态降落称作动态速降。②恢复时间：从阶跃扰动作用开始，到被调量进入离稳态值的或的区域内为止所需要的时间。③震荡次数N：震荡次数为在恢复时间内被调量在稳态值上下摆动的次数，它代表系统的稳定性和抗扰能力强弱。开环V-M系统当生产机械对调速性能要求不高时，可采用开环调速系统，方框图如图2.2.1所示。改变参考电压的大小，即可改变触发脉冲的控制角α，从而使直流电动机的电枢电压变化，以达到改变电动机转速的目的。但开环调速系统调速范围不大。单闭环有静差调速系统图2.2.3系统静态结构图利用叠加原理，可得系统的静特性方程为

式中,称闭环系统的开环放大系数。（1）静态速降小，特性硬在同样负载下，两者的转速降落分别为它们之间关系为（2.2.4）在同一负载下，闭环速降减小到开环时的倍,因而闭环静特性硬度大大提高。

（2）系统的静差率减小，稳速精度高空载转速相同时，开环与闭环系统的静差率分别为：

当时，（2.2.5）闭环时的静差率较开环时降低至倍。（3）系统的调速范围大大提高如果电动机的最高转速均为，且开、闭环系统要求的静差率相同，则调速范围分别为且将式(2.2.4)代入，得

为使以上优点充分显现，关键是提高闭环系统的放大系数K，须设置检测与反馈装置和足够放大系数的调节器，这样闭环系统便能获得较开环系统硬得多的静特性。把上述四点概况起来，可得下述结论：闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬的多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所付出的代价是，须设置电压放大器以及检测与反馈装置3.单闭环调速系统的基本性质单闭环调速系统具有反馈控制的基本规律如下：（1）采用比例调节器的闭环系统为有静差系统有静差系统的实际转速不等于给定转速，因为从闭环静特性得静态速降为：△U≠0是有静差系统的一大特点（2）闭环系统对于给定输入绝对服从给定电压是和反馈电压相比较的量，又可称作参考输入量。显然给定电压的一些微小变化，都会直接引起输出量转速的变化。在调速系统中，改变给定电压就是在调整转速。（3）转速闭环系统的抗扰动性能在闭环系统中，当给定电压不变时，使电动机转速发生变化（即系统稳态转速偏离设定值）的所有因素统称为系统的扰动。闭环系统对检测和给定环节本身的扰动无抑制能力，若测速发电机磁场不稳定，引起反馈电压变化，使转速偏离原值，这种由测速发电机本身误差引起的转速变化，闭环系统无抑制调节能力。（1）采用积分调节器的单闭环无静差调速系统图2.2.17积分调节器无静差调速系统

（2）由比例积分调节器构成的无静差系统图2.2.19比例—积分调节器无静差调速系统

图2.2.22带电流截止无静差调速系统原理图（3）带电流截止保护的无静差调速系统图2.3.1双闭环调速系统原理图

（4）转速、电流双闭环调速系统的特点3.1.1脉宽调制的理论

许多工业传动系统都是由公共直流电源或蓄电池供电的。在多数情况下，都要求把固定的直流电源电压变换为不同的电压等级，例如地铁列车、无轨电车或由蓄电池供电的机动车辆等,它们都有调速的要求。图3.1.1PWM调速系统

(a)原理图(b)输出电压波形

图3.1.1(a)中，假定IGBTVT1先导通秒（忽略VT1的管压降，这期间电源电压Ua全部加到电枢上），然后关断秒，电枢失去电源，经二极管VD续流。如此周而复始，则电枢端电压波形如图3.1.1(b)中所示。电动机电枢端电压Ud为其平均值：

（3.1.1）

式中

ρ为负载率或占空比。改变ρ，改变电压，从而实现电动机的平滑调速：定宽调频法：保持一定，使在0～∞范围内变化；调宽调频法：保持一定，使在0～∞范围内变化；定频调宽法：保持一定，使在0～T范围内变化。图3.1.2不可逆PWM变换器(a)原理图(b)电压电流波形具备制动能力的PWM变换器3.1.3可逆PWM变换器可逆PWM变换器电路的结构形式有H型和T型等类，这里主要讨论常用的H型变换器，它是由四个功率管和四个续流二极管组成的桥式电路。1.双极性可逆PWM变换器

双极式工作制的特点是，四个功率管IGBT

的栅极驱动电压分为两组。VT1和VT4同时导通和关断，其栅极驱动电压；

VT2和VT3同时导通和关断，其栅极驱动电压。2.单极式可逆PWM变换器当静、动态性能要求较低时，可采用单极式PWM变换器。其电路和双极式的一样，见图3.1.5(a)，不同之处在于驱动信号。在单极式变换器中,，具有与双极式一样正负交替的脉冲波形，使VT1和VT2交替导通。VT3和VT4的驱动信号改成因电动机的转向而施加不同的直流控制信号。3.2PWM调速系统的控制电路

PWM开环传动系统的简单原理图如图3.2.1所示，其控制电路主要由脉宽调制器、功率开关器的驱动电路和保护电路组成，其中最关键的部件是脉宽调制器。2.位置随动系统的主要组成部件位置随动系统的基本组成，其原理图如图2-1所示。这是一个电位器式位置随动系统，用来实现雷达天线的跟踪控制。这个系统由以下几个部分组成：（1）位置检测器（2）电压比较放大器（3）可逆功率放大器（4）执行机构

图4.1.1电位器式位置随动系统原理图图4.1.1电位器式位置随动系统原理图图4.1.1电位器式位置随动系统原理图位置信号检测装置位置随动系统与调速系统的区别在于信号的检测。位置随动系统要控制的量一般是直线位移或角位移,组成位置环时必须通过检测装置将它们转换成一定形式的电量，这就需要位移检测装置。位置随动系统中常用的位移检测装置有自整角机、旋转变压器、感应同步器、光电编码盘等。4.2.1自整角机（BS）

自整角机是一种感应式同步微型电机。广泛应用于显示装置和随动系统中，使机械上互不相连的两根活多根轴能自动保持相同的转角变化，才呈同步旋转。在系统中通常是两台或多台组合使用。与指令轴相联的称发送机，与执行轴相联的称接收机。按用途不同，自整角机可分为力矩式自整角机和控制式自整角机两类。

控制式自整角机是作为转角电压变换器用的。使用时，将两台自整角机的定子绕组出线端用三根导线连接起来，发送机BST转子绕组接单相交流励磁电源，而接收机转子绕组输出时反映角位移的信号，如图4.2.2所示。该发送机的单相交流励磁电压Uf的表达式为：发送机接收机自整角机的输出电压为:Ubs=UbsmsinΔθsin(ωt-ψ+90o)式中Δθ--失调角，Δθ=θ1-θ2'。这样，当失调角为零时，输出电压也为0，正好符合实际需要。同时可以看出，输出电压Ubs的幅值与发送机或接收机本身的绝对位置无关，只与其相对的失调角Δθ的正弦成正比。4.2.2旋转变压器（BR）旋转变压器是一种特制的两相旋