直流调速讲义

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1、第一章 直流电动机原理直流电动机是利用通电导体在磁场中受到电磁力的作用而发生运动的原理工作的。电流流过线圈，在磁场的作用下线圈产生转矩，使电动机旋转。从能量角度上讲，直流电动机是一种机电能量转换元件，其作用是将电能转换为机械能。要对直流电动机进行调速控制，首先需要分析直流电动机的运行过程及其特点。一、基本结构1.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；2.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴3.气隙二、直流电机的励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例 分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式）他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电

2、流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。*说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。三、型号和额定值1.型号： Z 2-9 2 铁心长度代号 机座号 第二次改型设计 直流2.额定值额定功率：发电机PN：输出电功率；电动机PN：输出机械功率；额定电压：UN；额定电流：IN；额定值之间的关系：发电机：PN= UN IN；电动机：PN= UNINN二、直流电机运行原理直流发电机：实质上是一台装有换向装置的交流发电机； 原理：导体切割磁力线产生感应电动势 e=BLV； 直流电动机：实质上是一台装有换向装置的

3、交流电动机； 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL 。*说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。1、直流电动机的电枢电动势直流电动机运行时，当电枢绕组导体在磁场中作相对运动时，将会产生感应电动势，该感应产生在直流电动机的电枢上，又称电枢电动势或反向电动势，其大小为： （1-1）其中Ce电动机的电势常数，取决于电动机的结构； 电动机内部的磁通； n电动机的转速。由此可见，对于直流电动机来说，其电枢电动势E正比于磁通和转速n。当直流电机工作于发电机状态时，其产生的电动势的大小也可以这样计算。 在闭环系统中使用的测速发电机TG也是使用

4、这样的原理来工作的：转速和TG输出的电动势成正比关系。转速越高，测速发电机输出的电压越高。2、直流电动机的电压平衡方程可以把直流电动机等效成如图的电路可得电势平衡方程 （1-2）从电压平衡方程中可以看出，直流电机处于电动机状态下运行3、直流电动机转速方程将式代入电压平衡方程可得：整理即得电动机的转速方程： (0-1)式（1-3）直流调速中最重要的一个方程，它直接揭示了直流电动机的转速与哪些参数有关。直流电动机的机械特性曲线也可以从此式中推导出来。4、直流电动机中的电流直流电动机产生转矩的原因就是电枢上有电流流过，产生电磁力及电磁转矩。由力的计算式可知，电动机输出的电磁转矩与电枢电流直接相关。直

5、流电动机电磁转矩与电流的关系： (0-2)其中CT 为转矩常数可以通过限制电动机的电枢电流来限制电动机输出的转矩，这是一个非常重要的概念，即直流电动机系统中，电流直接代表了直流电动机输出转矩（负载）的大小。这也可以用来解释为什么一般情况下直流电动机负载增加以后转速会下降：当负载增加，电流增大，根据转速方程，U-IR减小，电动机的转速降低。此外，由于电流的增加，电枢电阻上的发热量亦会增加Q=I2Rt，这就是直流电动机在重负载或堵转情况下，容易过热损坏的主要原因。5、直流电动机的机械特性1.定义：当 时，2.并激电动机的机械特性： 若忽略电枢反应，则为一直线； n n0 1（硬）2（软） Tem*

6、说明：n0为理想空载转速；大，机械特性硬；小，机械特性软。6、直流电动机的起动1.定义：从静止到稳定运行；2.要求：尽量大；小3.直接起动电流：n=0,Ea=0时，一般为1020倍；4.限制起动电流的方法：电枢回路中串接起动电阻；降低电压。5.起动方法：全压起动（直接起动）；电枢回路串联电阻起动；降低电压。7、直流电动机的调速1.公式：2.调速方法：改变电枢端电压调速（调压调速）改变电枢回路调节电阻Ra；（串电阻调速）改变If弱磁调速；（削弱磁场调速）改变电源电压Ud调速，调压调速装置的种类很多，从最早的G-M系统，到广泛使用的V-M系统。现在随着电力电子技术的发展，小功率的直流调压调速系统越

7、来越多的使用IGBT或电力晶体管的PWM系统。调压调速的控制量是电压，它与被控量之间是简单的线性关系。调压调速的机械特性曲线如图所示，是线性的。改变电枢电压Ud得到的是一族平行直线。因此很容易实现高性能的控制。改变电枢回路电阻调速在电动机的主回路中串联入一个电阻器，这时电动机转速公式中的电枢回路总电阻R其中Ra为电动机的电阻， Rj为调速电阻的阻值。改变励磁磁通调速直流电动机转速公式中的分母项即直流电动机的励磁磁通。通过改变励磁磁通同样可以实现电动机的调速。如图所示：结论：对于要求在一定范围内无级平滑调速，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻一般只能有级调速；减弱磁通虽能无级调速，但调速范围

8、不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。四、转向的改变由知，改变转向的方法：改变的方向；改变的方向（常用）。*说明：方法，由于激磁绕组电感大，可能导致绝缘击穿。第二章 自动控制原理基础一、概述对于一个控制系统，把它的控制量看成是输入，把被控量看成是输出。这样就可以把这个系统用类似于电子电路中放大装置的符号来表示，如图。对于一个自动控制系统，总有一个（或若干个）输入作为控制量；也有一个或者是若干个输出作为控制量。电子电路中的放大器是对电压信号或者是电流信号进行放大的装置，我们以放大系数K作为放大器的主要参数。 (0-3)对于

9、一个典型的电压放大电路，输入和输出分别为Ui和Uo，则该放大电路的放大系数： (0-4)类似的，自动控制系统也可以看成是将某一种物理量经过变换转换成另一种物理量的装置。因此我们也可以用类似于放大系数K这样一个参数来表示自动控制系统的特性，在自动控制原理中，我们把这个表示自动控制系统输入输出关系的参数叫“传递函数”，用字母G表示。传递函数G所代表的意义比放大系数K要来得丰富。如一个调压调速的直流电动机，其输入为给定电枢电压Ud，输出为转速n，其传递函数：再如一个电加热器，接在电路中，它产生的热量（温度）和加热器上所加的电压有关。可以把温度T看作是输出，电压U看作是输入。该电加热器的传递函数：传递

10、函数G的意义远比一个比例系数来的广泛。传递函数可以表示输入和输出的动态关系。如电动机起动时，电压往往一瞬间就可以达到额定电压，但即使是加速性能很好的电动机，转速的上升都无法跟上电压，而是有一个数秒钟的加速过程。这类似于电路中的动态过程，我们称之为自动控制系统的动态响应。关于动态响应的内容可以参照自动控制原理的教科书。二、自动控制系统的组成任何形式的自动控制系统，都包括控制器和控制对象两部分。其基本结构可用下图进行描述。这代表的是自动控制系统的物理结构。实际的自动控制系统并没有这么简单，其控制作用也并非单向的。而且在实际研究时，我们往往把自动控制系统抽象成框图，以便进行更深入的理论分析。一般根据

11、自动控制系统中有无反馈，把自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。1、开环控制系统把输入经过控制器最后输出的通路看作是放大电路中的信号流向。图中所示的自动控制系统框图中，信号的流向是单向的：从输入经控制器到输出，中间没有任何回路存在，称之为开环控制系统。2、闭环控制系统上图的自动控制系统，我们除了可以看到一个从输入到输出的信号通路以外，还可以看到另一条从输出端引回到输入的信号通路。由于该通路的方向与原信号流的方向相反，我们把该信号通路称为反馈；而原来从输入到输出的信号通路叫前向通路。反馈通路和前向通路构成了一个闭合的环。这种具有反馈通路，并于前向通路构成了一个闭合信号环的控制系统称为。第三

12、章 晶闸管直流调速系统的构成一、直流调速系统的组成晶闸管直流调速系统的结构可以用若干个具有独立功能的自动控制系统框图进行描述。1、直流电动机（1）直流电动机的输入输出关系。在V-M系统中，直流电动机都是采用调压调速方式控制的，因此很容易得出结论：直流电动机的输入量是电枢电压Ud，输出量是电动机的转速n。其传递函数可以表示为：上面的关系通过电动机的转速公式推导出来。忽略电动机的负载T即公式中的IdR这一项，则，得到：（2）电动机的自动控制系统框图如图实际上电动机的负载T/Id的作用往往不能忽略。同过分析可知，电动机的负载最终也是影响电动机的转速。因此可以把电动机的电流看成是另一个输入。这样，电动

13、机的系统框图可以画成如下形式：2、晶闸管整流装置VF、VR（1）整流装置在直流调速系统中，晶闸管整流装置是调压调速的可控直流源。它是通过调整门极触发信号的触发延迟角来控制整流装置输出的平均电压Ud。当触发脉冲依次送给三相全桥整流电路的六个晶闸管的门极时，三相全桥整流电路就能够输出整流波形，其平均电压Ud与触发延迟角有关，当主回路电流连续时，整流电压的平均值可以通过下式求得：(0-5)其中U2整流装置输入电压的线电压有效值此式成立的前提是电枢电流连续，在多数情况下，由于直流调速电动机电枢回路的电感较大，电流基本能保持连续。以三相交流电中的一相来研究触发延迟相位控制的实现。如图，随着触发延迟角的增

14、加，全波整流波形变得不完整，整流电路输出电压的平均值Ud也随之降低。由于触发延迟角的大小可以通过专门的电路很方便地进行调节和控制，因此整流电路的输出电压可控。即可以通过这种方式来对直流电动机进行调压调速。综合考虑三个相的电压叠加，实际三相全波整流电路输出的电压波形如下：所以，晶闸管整流装置可以看作是一个使用触发延迟角作为输入量、以整流电压Ud作为输出控制系统。其传递函数为：为了方便起见，也可以写成如下形式：在实验台上，晶闸管整流装置是VF1、VF2、VR1、VR2四块面板。其中VF1和VF2是正组晶闸管，VR1、VR2是反组晶闸管，可逆系统中需要使用4块，不可逆系统一般用VF1和VF2就可以了

15、。3、触发脉冲发生器GTD不管是单相整流电路也好，三相整流电路也好，都需要有序的触发脉冲才能正常工作。此外，为了实现触发脉冲相位控制，触发延迟角必须可调，即触发脉冲的相位必须在0180之间可调的。实际的触发脉冲发生器是使用锯齿波进行移相触发的，因此我们又称之为“锯齿波移相触发器”。其基本原理如图所示：在实验中，我们使用的是KC04集成触发器。对应的实验面板是GTD。4、输入给定装置FGS电动机的转速最终应该是由人来操控的，这就需要有一个输入给定装置将操作者的控制意图转换成实际的输入给定信号。一般来说我们是通过电位器来实现控制给定的。对应的面板是FGS。电位器的外形就是一个旋钮，旋钮的内部结构如

16、下：旋钮的面板上刻有刻度，对应于电动机的转速。根据实际的需求，将电位器旋至相应的位置，这时电位器就能将控制要求转换成电压，送至触发脉冲发生器。此外，FGS面板除了能进行给定外，还能对测速发电机反馈的信号进行调理，然后传送到调节器ACR或ASR。该反馈信号亦传送至FGS面板上的转速表。调节器面板ASR，ACR5、调节器在闭环系统中，调节器的功能至关重要。可以说，直流调速系统的稳定与否，调速性能如何，抗扰性能等都和调节器的设计有关。在调速系统中常用的调节器有两种，电流调节器ACR和速度调节器ASR。速度调节器的作用是对闭环系统的速度环进行整定和调节。电流调节器主要针对的是电流环，此外，电流调节器还

17、兼具有电流截止负反馈的功能。其他常用面板除了上述的几个主要控制单元以外，系统往往还需要其他一些辅助面板才能正常运行或具有某种功能。稳压电源面板：为控制电路提供15V的直流稳压电源。电流反馈器TCV：与ACR一起实现电流截止负反馈的功能。逻辑控制器DLC：在逻辑选触无环流可逆系统中实现逻辑控制的功能。同步信号单元TC1、TC2：为触发脉冲发生器GTD提供同步信号。参数选择器PCB：参数选择器上有很多不同阻值的电阻以及电容器，它们的作用是对电流调节器ACR和转速调节器ASR的PI参数进行调整。以使系统获得更好地动、静态性能。仪表单元面板：包括电压表和电流表，其量程较大，主要对系统主回路进行测量。主

18、回路器件：主回路也叫电枢回路，是电动机的工作回路。从原理上讲，电枢回路只需要一个可控直流源（晶闸管整流装置）和直流电动机即可。但是实际的直流调速系统中主回路还是比较复杂的，典型的主回路如图所示：其中主要包括了以下的元器件：晶闸管三相全桥整流装置VF1、VF2，直流电动机M，平波电抗器L，隔离变压器TR，电流反馈器TCV。此外如果使用的是他励直流电动机，那么还需要有专门直流电动机的励磁回路。二、直流调速系统的机械特性1、直流调速系统的机械特性调速系统的目的是将电能转换成机械能（动能），以便能带动机械负载运行。因此有必要研究调速系统的转速-转矩特性，把调速系统的转速-转矩关系称为机械特性。通俗地说

19、，就是当电动机的负载发生变化时，其转速将如何变化。上图是典型的直流电动机调压调速的机械特性曲线。横坐标是转矩，即系统稳定状态下负载的大小；纵坐标是电动机的转速。从图中可以看出，当电枢电压不变时，电动机的转矩增加（负载增加），则转速下降，其分别对应Ua、Ub两条实线；当负载不变，电枢电压增加时，电动机的转速提升，如Tnom所对的虚线，因UaUb，所以转速nnom anom b。2、静差率在研究调速系统时，我们还常常用到一些跟机械特性相关的参数。其中比较典型的是静差率S，它描述的是在额定电压下电动机加额定负载后的转速下降率，即调速系统的抗扰性能。静差率S的定义如下：(0-6)对于一个调速系统来说，

20、总是希望静差率越小越好，此时机械特性曲线的斜率接近于零，这样系统的抗扰性能就强。课题一 电流截止负反馈直流调速系统一、系统组成电流截止负反馈直流调速系统是一个相对比较简单的闭环调速系统。在结构上是转速负反馈的单闭环结构，内部具有电流截止负反馈环节。其详细的组成情况如图所示。主要包括如下部件：FGS给定单元，ACR电流调节器，GTD触发脉冲发生器，VF1、VF2晶闸管整流桥，TCV电流反馈单元，TC同步变压器，TR三相隔离变压器，M直流电动机，G直流发电机，TG测速发电机，Rg直流发电机负载电阻。二、调试步骤1、检验设备2、按图连接线路3、接通电源，进行试运行4、整定系统参数5、调整负反馈系数6

21、、调整电流截止负反馈系数7、整定ACR的PI参数8、绘制机械特性曲线课题二 双闭环不可逆调速系统一、系统组成双闭环不可逆调速系统包含了速度环和电流环两个闭环。电流环是内环，调节器ACR，速度环是外环，调节器ASR。此系统同样应具有电流截止负反馈。其详细的组成情况如图所示。主要包括如下部件：FGS给定单元，ASR速度调节器，ACR电流调节器，GTD触发脉冲发生器，VF1、VF2晶闸管整流桥，TCV电流反馈单元，TC同步变压器，TR三相隔离变压器，M直流电动机，G直流发电机，TG测速发电机，Rg直流发电机负载电阻，PCB参数面板。二、调试步骤1、检验设备2、按图连接线路3、接通电源，进行试运行4、

22、整定系统参数5、调整负反馈系数6、调整电流截止负反馈系数7、整定ACR和ASR的PI参数8、绘制机械特性曲线课题三 逻辑选触无环流可逆调速系统一、系统组成逻辑选触无环流可逆调速系统可以实现可逆运行，因此需要正组晶闸管VF1、VF2和反组晶闸管VR1、VR2配合工作。正反转的协调及环流的控制主要依靠DLC逻辑控制器来进行。其详细的组成情况如图所示。主要包括如下部件：FGS给定单元，ASR速度调节器，ACR电流调节器，DLC逻辑控制器，GTD触发脉冲发生器，VF1、VF2、VR1、VR2晶闸管整流桥，TCV电流反馈单元，TC同步变压器，TR三相隔离变压器，M直流电动机，G直流发电机，TG测速发电机，Rg直流发电机负载电阻，PCB参数面板。二、调试步骤1、检验设备2、按图连接线路3、接通电源，进行试运行4、整定系统参数5、调整负反馈系数6、调整电流截止负反馈系数7、整定ACR、ASR的PI参数8、绘制机械特性曲线课题四 错位选触无环流可逆调速系统课题五 可控环流可逆调速系统