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1、山东理工大学备课纸 年 月 日 第三章 直流电动机调速系统本章教学重点：调速系统的性能指标 ；直流调速系统 。本章教学难点：直流调速系统 。第一节 直流调速基础知识一、直流调速系统的性能指标衡量一个调速系统的性能高低、质量好坏，必须从调速的稳定指标和动态指标两个方面考虑，即从调速系统的稳态指标和动态指标来分解调速系统的性能。1 稳态指标调速系统的稳态指标，是指系统处于稳定运行时的性能指标。主要有静差率、调速范围、调速系统与负载配合能力等。 静差率静差率反映了当负载变化时电动机转速的变化程度，表示在电动机的某一条机械特性上，由理想空载增加到额定负载时的转速降落（又称静态速降）与理想空载转速之比，
2、即 ，生产机械对静差率的要求是针对最低转速而言的。 调速范围 生产机械要求电动机能提供的最高转速与最低转速之比叫做调速范围，通常用表示，即 。 调速系统与负载配合能力各种生产机械在调速过程中，电动机输出转矩与输出功率以及负载转矩与消耗功率，随转速变化的规律是各不相同的。例如起重机、卷扬机等机械，在调速时，电动机轴上承受的负载转矩不变，其输出功率与转速成正比变化，这种调速称为恒转矩调速。另一类生产机械，例如金属切削机床的主轴调速，电动机轴上的负载随转速的增大而减小，其输出功率基本维持不变，这种调速称为恒功率调速。还有一类生产机械，如轧钢机，在其整个调速过程中，一部分要求恒功率调速，一部分要求恒转
3、矩调速，这种调速可称为混合调速。而风机、离心泵等负载，在调速时，负载转矩随转速的变化的平方关系成正比，轴上输出功率随转矩的立方成正比。一般来说，调速方案的选择应充分考虑到拖动负载的性质，以保证拖动要求的实现，且充分发挥电动机的作用，否则，电动机容量不能充分利用而造成电能的浪费。2 动态指标生产机械的调速过程，即从一种转速调节到所需的另一种转速，并不是瞬间完成的，是一个动态的过渡过程。调速系统的动态指标是表示调速系统在速度变化过程中的技术指标。对于调速精度要求较高的调速控制系统，如龙门刨床的主拖动、造纸机等都必须充分考虑改善动态指标，否则不能满足生产要求。调速系统的动态指标主要有：最大超调量、调
4、整时间、振荡次数、最大动态速降和恢复时间等。（1）最大超调量 最大超调量是指调速系统在外来突变信号的作用下，系统达到的最大转速和稳态值的稳态转速之比，用表示。（2）调速时间 又称为动态响应时间，它是指从信号加入，到系统开始进入允许偏差区为止的时间。它反映系统调整的快速性。（3）振荡次数N 震荡次数表示在调整时间内，转速在稳态值上下摆动的次数。它反映了系统的调速稳定性。（4）最大动态速降 是指调速系统的一项抗干扰指标，即在稳定运行中，系统突加一个负载转矩所引起的最大速降。（5）恢复时间 从扰动量作用开始，到被调量开始转入稳定转速允许偏差区为止的一段时间。越小，说明系统的抗干扰能力越强。二、 直流
5、电动机调速方法从直流电动机的电路分析可知，一个是电枢回路，另一个是励磁回路，如图4-1a所示，电枢回路有电阻和漏磁电感，其等效电路如图4-1b所示。 当电动机正常运行时，其各种物理量可表示如下： (4-1) (4-2) (4-3)由上式可知： (4-4)式(4-4)中：为加在电枢回路上的电压；为电动机电枢电路总电阻；为电动机磁通；为电动势常数；为转矩常数；为电磁转矩。此公式即为直流电动机的机械特征方程式。对于每一个特定的电动机来说，其、为常数，当负载一定时，要调节电动机的转速，便可以有以下三种方法：改变电动机电枢回路的电阻、改变电动机磁通和改变加在电枢回路的外加电压。1. 改变电枢回路电阻调速
6、采用电枢回路串联电阻的方法调速，其机械特性变软，系统转速受负载影响大，轻载时达不到调速的目的，重载时还会产生堵转现象，而且在串联电阻中通过的是电枢电流，长期运行时损耗也大，经济性差，因此在直流传动调速系统中已很少应用。2改变磁通调速在电动机励磁回路中，改变其串联电阻的大小或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压，都可以改变励磁电流和磁通。此时电动机的电枢电压通常为额定值，而且不附加电阻。由公式44可知，理想空载转速与磁通成反比，即减弱磁通使理想空载转速增加；机械特征斜率与磁通平方成正比，即随着磁通减弱，斜率急剧增加(见图4-3)。因此，采用调节磁通进行调速时，在高速下由于电枢电流去磁作用增大，使转
7、速特征变得不稳定，换相性能也会下降。所以采用改变磁通来调速的范围是有限的。无换向极电动机的调速范围为基速的1.5倍，有换向极电动机的调速范围为基速的3-4倍。 3改变电枢电压调速由公式44可知，当改变电枢电压时，理想空载转速n0也将改变，而机械特征的斜率不变，此时电动机的特征方程式为 （4-5）其特征曲线为一组以U为参数的平行曲线 (见图4-4)。由此可知，在整个调速范围内有较大的硬度，在允许的转速变化范围内可以获得较低的稳定转速，故此种方法的调速范围较宽，一般可达1012。 改变电枢电压调速方法属于恒转矩调速，在空载或负载转矩变化时也可以得到稳定转速，通过电压正反向变化，使电动机能平滑地启动
8、和工作在四个象限，能实现回馈制动，而且控制功率较小，效率较高，配上各种调节器可以组成性能较高的调速系统，因此在工业中得到广泛应用。第二节 反馈控制直流调速系统1. 开环调速系统从公式4-4可知，若供给的电枢电压可连续调节，则能实现直流电动机的平滑调速。目前，由电力器件（或晶闸器）组成的半导体变流装置，可将单相或三相交流电转换成可调输出电压的直流电流，给直流电动机供电，其开环控制系统如图4-5所示：图中的L为电抗器，其作用是使电动机的工作电流连续平稳，使电动机的机械特性变硬。稳定运行时，忽略电抗器L的绕线电阻后， （4-6） （4-7）从上式可知，稳定后的转速与负载阻力矩成线性关系，负载阻力矩引
9、起的转速变化部分为： (4-8)当=0即理想空载的情况下，其转速为理想空载转速，则，。也就称为负载引起的转速降。例：4-1 假设在图4-5中的电动机型号为Z33型 ，其铭牌额定参数为：=3KW，=160V，=16.5A，=1500r/min，=0.93,=0.096V/(r/min)，要求计算出加上额定负载后的转速降为多少？解：加上额定负载后的转速降160r/min。由上例可知，负载引起的转速降会使电动机在150n/rpm以下的调速范围和调速精度都太差，而这又是开环调速系统所无法解决的，为减小调速精度对整个调速系统的影响，可以采用闭环调速系统。2. 闭环调速系统闭环系统是把反映输出转速的电压信
10、号反馈到系统输入端，与给定电压比较，形成一个闭环。由于反馈的作用，系统可以自行调整转速，这种方式也称为反馈控制。典型的单闭环直流调速系统由他励直流电动机、整流装置、永磁式测速发电机、放大器和触发器等组成，测速发电动机通过对直流电动机转速的测量，实现转速电压变换和速度负反馈，这称为转速负反馈自动调速系统。除此以外，还有电压负反馈、带电流截止负反馈、电压微分及转速微分负反馈等。（1）转速负反馈调速系统图4-6为转速负反馈调速系统原理图，检测的反馈信号与转速成正比，又称为转速反馈系数。图46 带有转速负反馈得单闭环直流调速系统原理图 由图46可知： （4-9） （4-10） （4-11） （4-12
11、）式中：为电压偏差信号，为放大器的电压放大倍数，为整流装置的电压放大倍数，为整流输出理想空载电压（忽略直流装置的内阻抗）， 为电枢回路总电阻，为电动机工作电流，为电动机常数。消除中间变量，可得： （4-13）其中，为系统理想空载时()的转速；为负载引起的转速降；称为开环增益系数。同时，推出 。由此可知，对照开环调速系统的转速降公式48可知，调速系统增加了电压负反馈环节后，将使转速降为开环时的 倍，大大提高了系统的控制精度，从而提高了整个系统对于工艺状况要求的适应性。加入转速负反馈环节后的自动调节过程如图4-7 所示（忽略电动机内部自动调节过程）。负载转矩增加时，转速负反馈电压下降，使偏差电压增
12、加，整流装置电压上升，电枢电压上升，使得电枢电流增加。在电枢电流增加的情况下，由于磁场的作用，将使直流电动机电枢电路中的电磁转矩增加，以适应机械负载转矩的增加，这个过程将一直进行到=时才结束。同理，在机械负载转矩减少的情况下，也会同样减小电枢回路的电流而引起电枢电路中电磁转矩的减小，一直进行到=为止。图47 带有转速负反馈的单闭环直流调速系统自动调节过程图48表示在自动调节过程中，带转速负反馈环节与开环环节对调速系统机械特性的影响。为整流装置输出电流，即直流电动机的电枢电流，为负载转矩。当负载转矩由变为时，对于开环系统，此时，转速由降到。加入转速负反馈环节后，负载转矩的增加将使转速下降，而导致
13、的下降，使增加，整流装置的电压输出值由增加到，这样使机械负载增加后电动机的转速由变为，由图4-8可知，显然对于转速降来说，带转速负反馈环节的直流调速系统的机械特性比开环直流调速系统的机械特性“硬”多了。图48 开环与闭环（带有转速负反馈环节）对直流调速系统机械特性的影响原理在实际应用的过程中，若直流电动机在起动、堵转（或过载）时，由于负载转矩的增大，在单纯的带转速负反馈的过程中，将会使电枢回路的电流增加很大，这样将会使整流器件和直流电动机经受很大的电流冲击，严重时将会烧毁整流器件和电动机，因此要对电枢电流加以限制，须采用带电流截止负反馈调速系统。（2）带电流截止负反馈调速系统在电枢电流大于截止
14、电流（也可以为极限电流或最大允许电流）时，电流负反馈环节起作用，图4-9是带电流截止负反馈的转速负反馈调速系统原理图。在其电枢电路中串联入一个取样电阻，外部辅助电源经电位器提供一个比较阀值电压，电流反馈信号经二极管VD与比较电压反极性串联后，再加到放大器的输入端，即。当时，二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用；当 时，二极管VD导通。此时，电流截止负反馈环节起作用，反馈信号电压将加到放大器的输入端，此时偏差电压差为：。当电流继续增加时，使降低，也可同时降低，从而限制电流增加过大。这时，由于电枢电压的下降，再加上的增大，由式可知转速将急剧下降，使机械特性出现很陡的下垂特性。整个系统的机械特性如图4-10所示，为电动机额定电流，为电动机截止电流，为电动机堵转电流。在a段，转速负反馈不起作用；而在b段，电流截止负反馈起作用，这样在电动机堵转（或起动）时，电流不会很大。这是因为，虽然转速，但由于电流截止负反馈的作用，使电枢电压下降。 图410
