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1、第五章 直流电动机 调速控制系统,提纲,第一节 直流调速的基础知识,第二节 反馈控制直流调速系统,第三节 无静差直流调速系统,第四节 直流可逆调速系统简介,第一节 直流调速的基础知识,直流电动机优点： 转矩易于控制，具有良好的起制动性能，在相当长的时间内，一直在高性能调速领域占有绝对的统治地位。此外，直流调速技术方面的理论相对成熟，其研究方法和许多基本结论很容易在其它调速领域内推广，所以直流调速一直是研究调速技术的主流。,由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，本章将对直流调速的基本理论做较详细的介绍。
2、,电力拖动系统,直流调速的基础知识,（5-1）,在稳定运转时，直流电动机的转速与其它参量的关系 ：,由（5-1）式可知，直流电动机的调速方法有三种：,1. 改变电枢回路电阻R,2. 改变励磁磁通,3. 改变电枢外加电压U,对于要求大范围无级调速的系统来说，改变电枢回路总电阻的方案难以实现,改变电动机磁通的方案虽然可以平滑调速，但调速范围不可能很大,调电枢端电压U的方法调速，此时电动机磁通应为最大值(额定值)且保持不变，以求得充分发挥电动机的负载能力。而在额定转速(基速)以上时，因电枢端电压U已不允许再增加，可采用减弱磁通的方法使电动机的转速进一步提高，从而提高整个系统的速度调节范围,一. 可控
3、变流装置,图5-1 旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）,工作原理：,1.旋转变流机组,交流电动机为原动机，工作时转速基本恒定，由它拖动的直流发电机G给需要调速的直流电动M的电枢供电。GE为一台小型直流发电机，可与交流电动机、直流发电机同轴相连，也可另设一台小型交流电动机对其拖动，它提供一小容量的直流电源供直流发电机和直流电动机励磁用，所以又称GE为励磁发电机。旋转变流机组供电的直流调速系统可简称为G-M系统。改变G的励磁电流If的大小时，也就改变了G的输出电压U，进而改变了直流电动机M的转速 。,结构如图,如果改变If的方向，则U的极性和n的方向都跟着改变，实现G-M系统的可逆运行。
4、 由于能够实现回馈制动，G-M系统在允许的转矩范围内可以四象限运行，其完整的机械特性如图5-2 。,图5-2 G-M系统的机械特性,图5-3 晶闸管整流装置供电的直流调速,GT为晶闸管触发装置，V为晶闸管整流器，合起来为一可控直流电源。可控直流电源给直流电动机电枢供电组成直流调速系统。这类直流调速系统简称V-M系统,工作原理：,改变GT的输入信号大小，就可改变GT输出脉冲的相位，晶闸管在不同的相位 处开始导通，使整流器输出的电压平均值Ud大小变化，进而改变电动机的转速。和传统的G-M系统相比，晶闸管可控直流电源的功率放大倍数高出旋转变流机组两到三个数量级，而系统反应速度也要高出二个数量级以上。
5、,2. 晶闸管整流,3. 直流斩波器,图5-4 斩波器 -电动机系统的原理图和电压波形图,工作原理：,图5-49a中，当VT被触发导通时，电源电压Us加到电动机电枢上；当VT在控制信号作用下，通过强迫关断电路关断时，电源与电动机电枢断开，电动机经二极管VD续流，此时，图中A、B两点间电压接近零。若使晶闸管反复通断，就得到A、B间电压波形如图b。常用的是周期T不变，改变导通时间ton,进而改变输出直流电压平均值，最终完成转速调节，这种方式称脉冲宽度调制，此时系统简称 PWM调速系统。目前，由于全控型电力电子器件的发展，作为开关用的VT（半控型）已被取代，线路被优化，性能更优越。,二. 转速控制的
6、要求和调速指标,调速范围,生产机械要求电动机所提供的最高转速与最低转速之比称为调速系统的调速 范围。常用字母D来表示。,（5-2）,这里 、 通常指电动机带上额定负载时的转速值。,2.静差率,系统转速的变化主要由负载变化引起，反映负载变化对转速影响的一个指标 被定义为静差率。其定义为：调速系统在额定负载下的转速降落与理想空载转速 之比。静差率用字母S表示：,（5-3）,调速 稳速 速度变化率,静差率百分数表示：,对一般系统来说，S越小时说明系统转速的相对稳定性越好。而对同一系统 而言，静差率不是定值，电动机工作速度降低时，静差率就会变大。请看图5-5。,图5-5 不同转速下的静差率,结论：调速
7、系统只要在调速范围的最低 工作转速时满足静差率要求，则其在整个调 速范围内都会满足静差率要求。,给出了系统两条稳定工作特性，对应于电枢上两个不同的外加电压。对于调压调速来说，两条特性是平行的，即在负载相同时，两种情况下转速降落值应是相同的，若是额定负载，两者的速降均为 。而根据静差率S的定义，因 ，显然有S1S2。,3. 调速范围与静差率的关系,将上页的 表达式代入本式，得,（5-5）,上式表明，同一系统的调速范围、静差率和额定转速降落三者之间有密不可分的联系。对静差率值要求越小，能得到的调速范围也将越小。,第二节 反馈控制直流调速系统,一. 反馈控制的基本概念,系统的调速范围、静差率、额定负
8、载下的转速降落之间有确定的关系式：,其中，调速范围D、静差率S取决于生产加工工艺要求，是无法变更的。为使上式成立，只能设法减少额定负载下的转速降落。,无反馈控制的开环调速系统，额定负载下的转速降落值为：,其中，R是电枢回路总电阻，为系统固有参数， Idnom是对应额定负载时的电流，也是固定的。所以，一般开环系统无法满足一定调速范围和静差率性能指标要求。,如果在负载增加的同时设法增大系统的给定电压 Un，就会使电动机电枢两端的电压Ud增大，电动机的转速就会升高。若Un增加量大小适度，就可以使因负载增加而产生的 n被Ud升高而产生的速升所弥补，结果会使转速n接近保持在负载增加前的值上。,这样，既能
9、使系统有调速能力，又能减少稳态速降，使系统具有满足要求的调 速范围和静差率。,图5-6 转速闭环调速系统,我们可以在与调速电动机同轴接一测速发电机TG，这样就可以将电动机转速 n 的大小转换成与其成正比的电压信号Un，把Un与Un相比较后，去控制晶闸管整流装置以控制电动机电枢两端的电压Ud就可以达到控制电动机转速 n 的目的。,系统组成如图,转速闭环调速原理：,Un反映了电动机的转速，并被反回到输入端参与了控制，故称做转速反馈。又因为Un极性与给定信号Un 相反，所以进一步称为转速负反馈。 当电动机负载增加时，转速n下降，Un 下降，而Un 没变，Un=Un_ Un 增大，晶闸管整流器输出电压
10、Ud增高，电动机转速回升，使转速接近原来值；而在负载减少，转速 n上升时，Un 则会增大，Un 会下降，Ud也会相应降低，电动机转速 n 下降到接近原来转速。,这种系统是把反映输出转速 n的电压信号Un 反馈到系统输入端，与给定电压 Un 比较，形成了一个闭环。由于反馈作用，系统可以自行调整转速，通常把这种系统称作闭环控制系统。又由于是反馈信号作用，达到自动控制转速的目的，所以常把这种控制方式称做反馈控制。,二. 转速负反馈自动调速系统,1. 转速负反馈调速系统的组成及工作原理,图5-7 采用比例放大器的转速负反馈闭环调速系统,与上图不同的是加了电压放大器。其作用一是为了解决因反馈信号作用，正
11、常工作为得到足够的触发器控制电压使所需给定电源电压过高的问题，二是提高闭环调整精度的需要。,工作原理：,系统中，由给定电位器给出一个 控制电压Un，与反馈回来的速度反 馈电压Un一起加到放大器输入端上， 其差值信号 Un=Un- Un被放大Kp倍 后，得Uct做为触发器的控制信号，触 发器产生相应相位的脉冲去触发整流 器中的晶闸管。整流输出的直流电压 Ud加在了电枢两端，产生电流Id，使 电动机以一定的转速旋转。,我们知道测速发电机的电枢电动势Etg为：,（5-6）,由于Ketg、 是不变的常量，测速机与电动机同轴联接是同一个转速 n，所 以测速机的电枢电动势 Etg 反映了电动机的转速。测速
12、机电动势 Etg与其电枢端 电压Utg 相差无几，在这个意义上我们说，测速机电枢两端的电压Utg 反映了电 动机的转速。,调速过程：,在稳态工作时，假如电动机工作在额定转速，当负载增加时，电流Id增大，电 动机转速 n 下降，测速发电机 Utg减小，Un按分压关系成比例减小，由于速度给定 电压Un没有改变，所以Un 增大，放大器输出Uct增大，它使晶闸管整流器控制角 减小（导通角增大），使晶闸管整流电压Ud增加，电动机转速回升到接近原来的额 定转速值。过程：,负载nUtgUnUnUctUdn,同理当负载下降时转速 n上升，其调整过程可示意为：,负载nUtgUnUnUctUdn,转速负反馈控制系
13、统有两个主要特点：,（1）利用被调量的负反馈进行调节，也就是利用给定量与反馈量之差即误差进行控 制，使之维持被调量接近不变。 （2）为了尽可能维持被调量不变，减小稳态误差，这样就得使误差量Un变得很小。 这种系统是靠给定与反馈之差调整的，从原理上说，是不能做到被调量在负载的变化 下完全不变的，总是有一定的误差，因此这类系统叫做“有差调节系统”。,2. 转速负反馈调速系统静特性分析,静特性通常是指闭环系统在稳态工作时电动机的转速 n 与负载电流I（或转矩M） 的关系。即：,（5-7）,研究系统的静特性，就是要找出减小稳态速降，扩大调速范围的途径，改善系 统的调速性能。以带有转速负反馈的VM系统为
14、例，给出求系统静特性的一般方 法和步骤 。常用方法有：,一种是在得到各环节的输入输出关系以后，联立各环节的表达式，消去中间 变量求取静特性方程。 第二种方法是在求得各环节输入输出关系后画出系统的稳态结构图，然后运用 结构图的变换规则及线性系统分析的叠加原理来求取系统的静特性方程。,图5-8 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图,电压比较环节： Un=UnUn,放大器： Uct=KpUn,晶闸管触发与整流装置： Udo=KsUct,V-M系统开环机械特性,速度检测环节：,其中： Kp放大器的电压放大系数 Ks晶闸管触发与整流装置的电压放大系数 测速反馈系数，单位为Vmin/r,方法一：,在第一种方法
15、中，联立上述五个关系式并消去中间变量，整理后,即得转速负 反馈闭环调速系统的静特性方程式：,（5-8）,方法二：,采用叠加原理，即将给定作用Un*和扰动作用IdR看成两个独立的输入量， 先按它们分别作用下的系统（图5-9a和b）求出各自的输出与输入关系方程式， 然后把二者叠加起来，即得系统静特性方程式，与式（5-8）相同。,图5-9 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图的分解,开环系统的机械特性与闭环系统的静特性的比较：,开环系统机械特性方程为：,闭环系统的静特性可写成：,（5-9）,（5-10）,其中： n0op与n0cl分别表示开环和闭环的理想空载转速； nop与ncl则分别表示开环与闭环时的
16、稳态速度降落,（1）若设开环与闭环系统带有相同的负载，两者的转速降分别为：,；,（2）开环与闭环系统的理想空载转速调整为相同值，即n0op=n0cl ，则静差率：,；,考虑到 ，且,得出：,（3）当系统给出明确的静差率要求，设DB为闭环系统调速范围；DK为开环系统 调速范围 ：,（5-12）,式中：nnom为电动机的额定转速，也是调压调速时电动机的最高转速值。,图5-10 闭环静特性与开环机械特性的比较,概括以上分析比较，得：,a. 当负载相同时，闭环系统的稳态速降ncl减为开环系统转速降落nop 的 。,b. 电动机的最高转速相同，而对静差率要求也相同时，闭环系统的调速 范围DB是开环系统的调速范
