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1、1-1,第三章 直流电动机 速度控制系统,直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，应该首先很好的掌握直流拖动控制系统。,1-2,直流电动机的工作原理,第一节 直流电动机控制基础,结构说明见备注,1-3,第一节 直流电动机控制基础,从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷
2、B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转即图中S的方向。,1-4,第一节 直流电动机控制基础,从图中可以看出，接入直流电源以后，电刷A为正极性，电刷B为负极性。电流从正电刷A经线圈ab、cd，到负电刷B流出。根据电磁力定律，在载流导体与磁力线垂直的条件下，线圈每一个有效边将受到一电磁力的作用。电磁力的方向可用左手定则判断，伸开左手，掌心向着
3、N极，4指指向电流的方向，与4指垂直的拇指方向就是电磁力的方向。在图示瞬间，导线ab与dc中所受的电磁力为逆时针方向，在这个电磁力的作用下，转子将逆时针旋转即图中S的方向。,1-5,第一节 直流电动机控制基础,直流伺服电机的分类 直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不同品种。,1-6,第一节 直流电动机控制基础,电磁式直流电机的种类,1-7,第一节 直流电动机控制基础,二、感应电动势和
4、电磁转矩三、他励直流电动机的机械特性四、调速原理与调速特性,1-8,课后作业,1 简述直流电动机有几种调速方法？各自有哪些特点？2 什么是调速范围？什么是静差率？它们之间的关系是什么？3 某调速系统中电动机的参数如下：PN=10kW,UN=220V,IN=55A,nN=1000r/min，Ra=0.1欧，若采用开环控制，且仅考虑电枢电阻的影响，试计算下列各题： (1)额定负载时系统的静态速降？ (2)若要求静差率为10%，则系统的调速范围是多少？ (3)若要求调速范围为10，求系统允许的静差率为多少？ (4)若要求调速范围是10，静差率为10%，则系统允许的静态速降为多少？,1-9,直流电动机
5、的调速方法,直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可表示为：,转速（r/min）电枢电压(V)电枢电流(A),电枢回路总电阻()励磁磁通（Wb）由电机结构决定的电动势常数。,式中：,1-10,调节直流电动机的转速的方法：,改变电枢回路电阻调速法减弱磁通调速法调节电枢电压调速法,1-11,改变电枢回路电阻调速法,电枢回路串接外加电阻 ,通过增大 的方法实现直流电动机的调速。,（3-2）,1-12,保持直流电动机外加电枢电压与励磁磁通为额定值，直流电动机的理想空载转速不变 ，转速降落 将随 的增加而增大。外加电阻的阻值越大，机械特性的斜率就越大。,1-13,图31 直流电动机调阻调速时的机械特性,
6、1-14,减弱磁通调速法,理想空载转速 将随 的减少而增大。,（3-3）,1-15,减弱磁通调速法,保持电枢电压为额定值，电枢回路不加入附加电阻，减小直流电动机的励磁电流以减弱磁通，电动机带负载时的速降 与 成反比 。,1-16,图32 直流电动机弱磁调速时的机械特性,1-17,调节电枢电压调速法,用改变电动机电枢的外加电压U来实现直流电机的调速。,（3-4）,1-18,调节电枢电压调速法,保持直流电动机的磁通为额定值，电枢回路不串入外加电阻，理想空载转速将随U的减少而成比例地降低，转速降落则 与U的大小无关。,1-19,图33直流电动机调压调速时的机械特性,1-20,三种调速方法之比较,改变
7、电枢回路电阻调速只能对电动机转速作有级的调节，转速的稳定性差，调速系统效率低。减弱磁通调速能够实现平滑调速，但只能在基速（额定转速）以上的范围内调节转速。,1-21,调节电枢电压调速所得到的人为机械特性与电动机的固有机械特性平行，转速的稳定性好，能在基速（额定转速）以下实现平滑调速。直流调速系统往往以调压调速为主，只有当转速要达到基速以上时才辅以弱磁调速。,1-22,四、 调速系统要求和性能指标,1 调速范围和静差率在调速系统的稳态性能中，主要有两个要求： 1）调速，要求系统能够在指定的范围内的转速上运行。2）稳速，要求系统调速的重复性和精确度要好，不允许有过大的转速波动。,1-23,1. 调
8、速范围,生产机械要求电动机在额定负载情况下所需的最高转速和最低转速之比称为调速范围，用字母D来表示对于基速以下的调速系统而言 。对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的转速来定义最高转速 ，和最低转速 。,（3-5）,1-24,2. 静差率,当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时电动机转速的变化率，称为静差率s。用百分数表示式中， 理想空载转速， 负载从理想空载增大到额定值时电机所产生的转速降落。,（3-6）,（3-7）,1-25,机械特性与静差率,额定转速降,是一个恒值。,调速系统在不同电压下的机械特性是互相平行的，两者的硬度相同。,图3-4 不同转速下的机械特性,1-26
9、,机械特性与静差率,调速系统在不同电压下的理想空载转速不一样。理想空载转速越低时，静差率越大。同样硬度的机械特性，随着其理想空载转速的降低，其静差率会随之增大， 调速系统的静差率指标应以最低速时能达到的数值为准。,1-27,3. D与s的相互约束关系,在直流机变压调速系统中，对于某一台确定的电动机，其 和 都是常数，对系统的调速精度要求越高，即要求s越小，则可达到的D必定越小。当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。,（3-8）,1-28,直流PWM变换器直流脉宽变换器，或称直流PWM变换器，是在全控型电力电子器件问世以后出现的能取代相控整流器的直流电源
10、。根据PWM变换器主电路的形式可分为可逆和不可逆两大类。,第二节 直流电动机的PWM调速原理,1-29,1.脉宽调制的基本原理,图3-5 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统,Us直流电源电压 C滤波电容器 VT功率开关器件 VD续流二极管 M直流电动机,1-30,电压和电流波形,图3-6 简单的不可逆PWM变换器-直流电动机系统（b）电压和电流波形,1-31,在一个开关周期T内，当0tton时，Ug为正，VT饱和导通，电源电压Us通过VT加到直流电动机电枢两端。当 ton tT时，Ug为负，VT关断，电枢电路中的电流通过续流二极管VD续流，直流电动机电枢电压等于零。,1-32,输出电压方
11、程,直流电动机电枢两端的平均电压为改变占空比 ，即可改变直流电动机电枢平均电压。令 为PWM电压系数，则在不可逆PWM变换器中,（3-9）,（3-10）,1-33,有制动电流通路的不可逆 PWM-直流电动机系统,(a) 电路原理图,图3-7 有制动电流通路的不可逆PWM直流电动机系统,1-34,电动状态下运行,图3-7 有制动电流通路的不可逆PWM直流电动机系统,(b) 一般电动状态的电压、电流波形,1-35,当,时，,电流沿回路1流通。,饱和导通，,截止，,当,时，,截止，,续流，,电流沿回路2流通。,1-36,制动过程,始终为负。,的正脉冲比负脉冲窄 ，,，,(c) 制动状态的电压、电流波
12、形,1-37,为正，,在,阶段，,导通，在感应电动势E的作,用下，反向电流沿回路3能耗制动 。,在,阶段，,为负，,截止，反向电流沿回路4经过,回馈制动 。,和,交替导通，,和,不工作。,1-38,轻载电动状态,(d) 轻载电动状态的电流波形,1-39,时刻，反向电流衰减到零，,时刻，id=0，,导通，,反电动势E沿回路3输送反向电流，,时刻，,关断，,续流，,VT1导通，产生正向电流。,反向电流沿回路4经,1-40,有制动电流通路的不可逆 PWM-直流电动机系统,电路之所以为不可逆是因为平均电压 Ud始终大于零，电流能够反向，而电压和转速不可反向。,1-41,2、桥式可逆PWM变换器,图3-
13、8 桥式PWM变换器电路,1-42,正向运行状态,和,沿回路2经,和,续流。,时，,为正，,和,导通，,为负，,截止。,，电枢电流,沿回路1流通。,正脉冲电压的宽度大于负脉冲的宽度，,时：,时，,和,截止。,为负，,为正，,（说明：负载电流不是轻载）,，,和,被钳位保持截止。,1-43,反向运行状态,沿回路3流通。,时，,，,沿回路4经VD1和VD4续流。,正脉冲电压的宽度小于负脉冲的宽度，,时：,时，,和,流通。,为正，,为负，,（说明：负载电流不是轻载）,，,和,截止。,1-44,停转状态,正脉冲电压的宽度等于负脉冲的宽度，平均输出电压 ，电动机停转。,1-45,输出平均电压,在双极式控制
14、的可逆PWM变换器中,注意：与不可逆PWM变换器中的 公式不一样。,（3-11）,（3-12）,1-46,调速时， 的可调范围为01， 1 0.5时， 为正，电机正转，当 0.5时， 为负，电机反转，当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。,调速范围,1-47,双极式控制的桥式可逆 PWM变换器的优点,电流一定连续；电动机能在四象限运行；电动机停止时有微振电流，消除了静磨擦死区；低速平稳性好，系统的调速范围可达1：20000左右；低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽有利于保证器件的可靠导通。,1-48,双极式控制方式的不足之处,4个开关器件在工作中都处于开关状态，在切换时容易容易发生上、下桥臂直通的事故，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。,1-49,课后作业-2,1 可逆和不可逆PWM变换器在结构形式和工作原理上有什么特点？双极式和单级式可逆PWM在结构形式和工作原理上有什么相同和不同之处？2 某调速系统的调速范围是100-1500r/min，要求静差率为2%，那么系统允许的静态速降等于多少？如果开环系统的静态速降为100r/min，则采用转速负反馈时闭环系统的开环放大倍数应为多少？3 试简要分析转速负反馈单闭环调速系统的基本性质。说明单闭环调速系统能减少稳态速降的原因。改变给定电压或者调整转速反馈系数能否改变电动机的稳态转速？为什么？,
