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1、直流电动机调速系统第 4 章内容提要内容提要n直流调速方法n直流调速电源n直流调速控制 以电机为控制对象，以电机为控制对象， 以控制器为核心，以控制器为核心， 以功率变换装置为执行机构，以功率变换装置为执行机构， 在自动控制理论指导下组成的自动控制系统。在自动控制理论指导下组成的自动控制系统。 伺服控制系统的定义和构成伺服控制系统的定义和构成q引引 言言n直流电动机有良好的起动、制动和调速性能：调速控制简单，起动转矩大。在许多对调速性能要求较高的中、小功率的场合，常采用永磁直流电动机。n与交流异步电动机相比，直流电动机的结构复杂，使用和维护不方便，随着交流调速技术的发展，直流电动机有逐步被交流
2、电机取代的趋势。n从控制的角度来看，直流调速控制系统是交流调速控制系统的基础。 直流机 交流机结构及制造结构及制造有电刷，制造复杂有电刷，制造复杂 无电刷，结构简单无电刷，结构简单电机容量电机容量 十几十几MW（双电枢）（双电枢） 数倍数倍电枢电压电枢电压 1KV 610KV转速转速 1000多多RPM 0几万几万RPM功率密度比功率密度比 小小 大大维护量维护量 大大 小小安装环境安装环境 要求高要求高 要求低要求低转距控制转距控制 简单简单 复杂复杂第一节第一节 直流电动机控制基础直流电动机控制基础引言n无论是哪一种电机，都必须以磁场作为其耦合场，即通过磁场将能量输入部件与能量输出部件耦合
3、起来。通过电磁感应作用来实现能量转换。n为了在一定的励磁电流下产生较强的磁场,电机的磁路均用导磁性能良好的铁磁材料组成。补充知识： 电机中的基本电磁知识n一、磁路的基本概念磁路：磁通磁路：磁通经过的路径。经过的路径。基本物理量：基本物理量：基本物理量：基本物理量：1、磁感应强度B（磁密）。单位：Wb/m2;或T2、磁通 。单位：WB3、磁场强度H。单位：A/m4、磁动势F=NI 。 单位：A 线圈中有电流I，线圈周围就会产生磁场，磁场强弱取决于线圈匝数N和电流I的乘积IN，该乘积就叫磁动势F。5、磁导率磁导率 ：表示物质导磁能力强弱的物理量表示物质导磁能力强弱的物理量 =B/H=B/H（亨（亨
4、/ /米），空气磁导率米），空气磁导率 0 0=4=4 1010-7-7H/mH/m，铁磁材料磁导率，铁磁材料磁导率 0 06、磁阻Rm：R Rmm=L/ (=L/ ( A) A)磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律-磁通量、磁动势和磁阻 磁路中的磁通，等于作用在磁路上的总磁动势除以磁路的总磁阻。n n1 1、安培环路定律（全电流定律）、安培环路定律（全电流定律）、安培环路定律（全电流定律）、安培环路定律（全电流定律）磁场强度H沿任意闭合回路l的线积分，等于该闭合回路所包围的全电流。n电磁感应定律电磁感应定律-线圈的总磁链数、感应电势n电路定律电路定律n电磁力定律电磁力定律二二 . 电磁的电磁的基本定
5、律基本定律n绕组：按一定规律排列和连接的线圈的总称术语1：电角度电角度n磁场每转过一对磁极，电势变化一个周期，称为（一个周期）360电角度。在电机中一一对对磁磁极极所所对对应应的的角角度度定定义义为为360360电电角角度度。（几何上，把一圆周所对应的角度定义为360机械角度。）n磁极对数为p圆周机械角度为360电角度为 p*360 机座机座极心和极掌极心和极掌励磁绕组励磁绕组转子转子一、直流电动机的主要结构一、直流电动机的主要结构三大主要部分：定子、三大主要部分：定子、转子、换向器转子、换向器 定子主要由机座和固定在基座内表面的主磁极两部分，主磁极用来产生磁场，机座既是主磁路的一部分，也作为
6、电机的机械支撑。第一节第一节 直流电动机控制基础直流电动机控制基础在两个主磁极内表面之间，有一个硅钢片叠成的圆柱体，称为电枢铁心，电枢铁心和磁极之间的间隙称为气隙。1、（定子）主磁极、（定子）主磁极永磁式：磁极由永磁材料做成。励磁式：磁极由硅钢片叠成，上绕线圈，在线圈中通以直流电，产生磁通。2、转子：又称电枢。、转子：又称电枢。电枢铁心由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽内放电枢绕组，电枢铁心由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽内放电枢绕组，通以电流时，在定子磁场作用下产生转动。通以电流时，在定子磁场作用下产生转动。3、换向器：、换向器：保证每个磁极下电枢导体内电流方向不变，保证每个磁极下电枢导体内电流方向不
7、变，从而保证产生的电磁转矩方向不变。从而保证产生的电磁转矩方向不变。U+NS电刷电刷换向片换向片II电流方向：电流方向：上半边向里，下半边向外。如图所示。上半边向里，下半边向外。如图所示。无论线圈怎样转动，总是上半边电流向里，下半边电流向外无论线圈怎样转动，总是上半边电流向里，下半边电流向外，保证电磁转矩始终为逆时针。保证电磁转矩始终为逆时针。直流电源直流电源电刷电刷1换向片换向片2线圈线圈换向片换向片1二、直流电动机的基本工作原理二、直流电动机的基本工作原理 电枢通电线圈在定子磁场的作用下，受到力F作用，由左手定则确定受力方向，线圈逆时针旋转。线圈在磁场中旋转，切割磁力线，产生感应电动势，感
8、应电动势的方向由右手定则确定，与电流的方向相反，它有阻碍 电流流入电枢绕组的作用，因此称为反电动势（用E表示）。SU+NIIFFEE导体在磁场中运动产生感应电动势感应电动势；载流导体在磁场中受到电磁力电磁力作用。这两个规律是直流电机工作的基础。 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。 主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 补充知识：直流电机的电枢反应直流电动机的运行特性随着励磁方式的不同而有很大直流电动机的运行特性随着励磁方式的不同而有很大差别差别, ,分为分为他励
9、式、并励式、串励式、复励式他励式、并励式、串励式、复励式 。他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开（见课本）。励磁线圈与转子电枢的电源分开（见课本）。U+-IfIaUfa M1.31.3、直流电动机分类、直流电动机分类M并励并励UIfM串励串励UM复励复励U1.41.4、直流电机三个重要公式、直流电机三个重要公式电磁转矩：电磁转矩：电枢电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩： Km：转矩系数，与线圈的结构有关的常数：转矩系数，与线圈的结构有关的常数Ia ：电枢电流，（：电枢电流，（A） ：励磁磁通，（：励磁磁通，（Wb）：电动机在额定磁通下的转距系数：电动机在额定磁通下的转距系数 电
10、机带负载匀速运行时，电机带负载匀速运行时，TeTeT TL L，若负载增加，则电机的，若负载增加，则电机的输出电磁转距也要随之增加，也即电枢电流输出电磁转距也要随之增加，也即电枢电流IaIa增大。所以增大。所以电枢电流电枢电流IaIa由负载大小决定由负载大小决定。感应电动势：感应电动势：电动机运行时，电枢导体在磁场中转动切割磁力线，产生感应电动势 。KE：电动势系数，与电机结构有关的常数：电动势系数，与电机结构有关的常数 n：电机转速，（：电机转速，（r/min）: :电动机在额定磁通下的电动势转速比电动机在额定磁通下的电动势转速比 U ：电枢外加电压R： 电枢回路总电阻电压平衡方程式：电压平
11、衡方程式：外加电压一部分用来抵消反电动势，一部分消耗在电枢电阻上。MRIaE+U电枢电路原理图电枢电路原理图电枢电路原理图电枢电路原理图直流电动机运行特性定性分析：直流电动机运行特性定性分析：思考题：思考题：Case1Case1：直流电动机负载增减时，转速如何变化：直流电动机负载增减时，转速如何变化？Case2Case2：直流电动机负载不变，如何实现调速？：直流电动机负载不变，如何实现调速？MRIaE+Un结论：结论：Case1Case1：负载增加，转速下降，负载减小时反之。：负载增加，转速下降，负载减小时反之。Case2Case2：负载不变要实现调速，必须改变电枢电压。：负载不变要实现调速，
12、必须改变电枢电压。1.51.5、他励直流电机机械特性、他励直流电机机械特性 转速特性方程式转速特性方程式1.5.11.5.1、机械特性方程式：、机械特性方程式：电动机产生的电磁转矩Te与转速n之间的函数关系。 机械特性方程式机械特性方程式机械特性曲线机械特性曲线 nTen0理想空载转速n0 当Te0时的转速： 斜率值 很小，特性较平，习惯上称为硬特性。当电枢电压、励磁电流（即磁通）当电枢电压、励磁电流（即磁通） 、电枢回路电阻都为常、电枢回路电阻都为常数时，数时，TeTe与与n n之间的函数关系曲线。称为之间的函数关系曲线。称为机械特性曲线机械特性曲线。 斜率调节或，可以改变n0的大小1.5.
13、21.5.2 固有机械特性曲线固有机械特性曲线 理想空载转速n0 当Te0时的转速： 当电枢电压、励磁电流（即磁通）为额定值当电枢电压、励磁电流（即磁通）为额定值 、电枢回路电、电枢回路电阻不串电阻时的机械特性，称为固有阻不串电阻时的机械特性，称为固有机械特性曲。机械特性曲。 斜率值 很小，特性较平，习惯上称为硬特性。 斜率调节或，可以改变n0的大小转速降落转 nN 速随着转矩的增大而降低。Why? 也即电动机的负载增加将会引起转速的降落。生产工艺一般要求在一定负载变化范围内，转速保持恒定，所以机械特性越硬越好。人为的改变电动机参数，如U、 、 R大小后，其机械特性发生改变。 机械特性只表征电
14、动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力，至于电动机具体运行状态，还要看拖动什么样的负载。机械特性曲线分析结论机械特性曲线分析结论OTeNTen0an0bab nNa nNb n1.6 1.6 直流调速方法直流调速方法有三种方法调节电动机的转速有三种方法调节电动机的转速： （1）调节电枢供电电压 U； （2）改变励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻 R。电枢电流的大小由负载决定。电枢电流的大小由负载决定。主要主要有有调节改变调节改变U、 二种方法来调节电机的转速。二种方法来调节电机的转速。直流电机转速方程：直流电机转速方程：（1）调压调速调压调速n调节过程：调节过程： 保持保持励磁
15、励磁 = N ； 改变电压改变电压 UN U ，n0 斜率不变，相同负载时，斜率不变，相同负载时，n n调速特性：调速特性： a)机械特性曲线平行下移。机械特性曲线平行下移。 b)调速过程中，若保持调速过程中，若保持Ia不变，不变，则电机输出转距不变，为恒转则电机输出转距不变，为恒转距调速。距调速。 c)因为电机电枢绕组绝缘耐压因为电机电枢绕组绝缘耐压限制，调压应在降压方向调节，限制，调压应在降压方向调节，所以为额定转速以下调速。所以为额定转速以下调速。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速n工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；
16、n调节过程： 增加电阻 Ra R R n ，n0不变；n调速特性： 转速下降，机械特性曲线变软。nn0OIILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线思考并解释：特性变软的原因？（3）调磁调速（弱磁升速）（弱磁升速）nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线n调节过程：调节过程： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 减小励磁 N n ， n0 n调速特性：a)为了使电机的输出转距尽可能大，电机在设计时，额定磁通都在接近磁饱和状态。所以磁通调速只能在减弱磁通方向进行。b)弱磁升速，机械特性曲线变软，额定速度以上调速。c)恒功率调速（图见书
17、本） 改改变变电电阻阻只只能能有有级级调调速速；减减弱弱磁磁通通虽虽然然能能够够平平滑滑调调速速，但但调调速速范范围围不不大大，往往往往只只是是配配合合调调压压方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。方案，在额定转速以上作小范围的弱磁升速。 因此，直流调速系统往往以调压调速为主。因此，直流调速系统往往以调压调速为主。总结：总结：1.7 1.7 速度控制的要求和指标速度控制的要求和指标1.7.1 1.7.1 调速控制的三个方面要求调速控制的三个方面要求 调速范围在一定的最高转速和最低转速的范围内，能够进行分档（有级）或平滑地（无级）调速；调速范围要求宽。 稳速在各种可能的干扰下不允许有过大的转速
18、波动，以一定的精度在所需的转速上稳定运行。加、减速频繁起/制动的设备要求尽快地加、减速以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化地机械则要求起/制动尽量平稳。 1.7.2 1.7.2 调速的静态指标调速的静态指标 （1）调速范围 （2）静差率（3）平滑性 （4）调速时的功率和转矩 电气调速范围电气调速范围D：在额定负载下，运行的最高转速与最低转速之比。 注意：注意：n nminmin 和和n nmaxmax 指电机额定负载时的转速。指电机额定负载时的转速。 一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的 。对于同样硬度的特性，理想空载转速对于同样硬
19、度的特性，理想空载转速n0越低，静差率越大，越低，静差率越大，静静差率是用来衡量调速系统的差率是用来衡量调速系统的相对稳定性相对稳定性的。的。 调速系统的静差率指标应以调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值最低速时所能达到的数值为准。为准。OTeNTen0an0bab nNa nNb n图 不同转速下的静差率当系统在某一条机械特性当系统在某一条机械特性上运行时，电动机由理想空上运行时，电动机由理想空载加到额定负载，所出现的载加到额定负载，所出现的转速降落转速降落 nnom与理想空载与理想空载转速转速n0之比之比 。静差率静差率S：静差率与机械特性硬度的区别OTNTen0an0bab n
20、Na nNb n对于同样硬度的特性，n0越低，S越大，相对稳定性越差，越难满足生产机械的要求。调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。nnom2TNnnom1n0121相同n0，斜率越大，（即机械特性越软）s就越大，相对稳定性越差。调速范围、静差率和额定速降之间的关系 先注意两点：1.在直流电机调压调速系统中，最高转速nmax为电机额定转速nnom；2.在整个调速范围内，转速降落n都相等，为固有额定速降nnom。于是，最低转速为： 上式表示调压调速系统的D、S和nnom之间所应满足的关系。对于同一个调速系统， nnom值一定，如果对静差率要求越严，即s 值越小时，系统能
21、够允许的调速范围也越小。结论：结论：一般在设计调速方案前，已由生产机械的要求确定D和s的值，这时可算出允许的转速降落 即一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。n例例题题4-1 某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降 nN = 115r/min，当要求静差率30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？解解 要求30%时，调速范围为 若要求20%，则调速范围只有 若调速范围达到10，则静差率只能是1.7.3 1.7.3 调速动态指标调速动态指标 常用的两类动态性能指标:给定输入的跟随性能
22、指标扰动输入的抗干扰性能指标 调速系统的动态指标以抗扰性能为主，随动系统的动态指标则以跟随性能为主。给定输入的跟随性能指标 阶跃响应阶跃响应：通常以输出量的初始值为零，给定信号为单位：通常以输出量的初始值为零，给定信号为单位阶跃信号变化下的过渡过程作为典型的跟随过程。阶跃信号变化下的过渡过程作为典型的跟随过程。trt C(t)oC1、上升时间tr：评价系统的响应速度；2、调节时间 ts：同时反映响应速度和阻尼程度的综合性指标。3、超调量 ：评价系统的阻尼程度,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。超调量越小，则相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。但同时会引起调
23、节时间加长。快速性和稳定性往往是相互但同时会引起调节时间加长。快速性和稳定性往往是相互矛盾的，设计系统时要综合考虑。矛盾的，设计系统时要综合考虑。 以系统稳定运行中突加一个使输出量降低的负扰动N（t）后的过渡过程作为典型的抗扰过程。CmaxC2tv5%(或2%)C2tmC(t) N(t)toC1N扰动输入的抗干扰性能指标 （）最大动态降落最大动态降落Cmax% （）恢复时间）恢复时间t tv v 小结：小结：n解决了直流拖动控制系统中第一个问题：解决了直流拖动控制系统中第一个问题：直流调速方法n第二、第三节将要解决直流拖动控制系第二、第三节将要解决直流拖动控制系统中第二个问题：统中第二个问题：直流调速电源
