《自动控制原理》第6章

第6章 直流调速系统 3） D、s、Δned三者之间的关系 在调压调速系统中，nmax 就是电动机的额定转速ned ，即
nmax=ned。而调速系统的静差率是指系统最低速时的静差率，
Id ，必须使电枢电流峰值id
max 较大，这就要求增大（Ud0-E），
而Ud0由整流装置决定不能改变，故只能降低E（即转速）方能 适应负载电流的增大。这样就造成了电流断续时系统机械特性
特别软的现象。随着转速的下降，脉冲电流底部宽度逐渐增大，
直到电枢电流达到临界连续状态。
第6章 直流调速系统 6.1.4 直流调速系统的主要性能指标 所有的可控生产设备，其生产工艺对控制性能都有一定的
当整流装置负载电流断续时，其输出电压比较复杂，电动
机的机械特性也比较复杂，有关内容可参考“电力电子变流技 术”相关内容，这里不再赘述。这里只从物理概念上分析一下 此时机械特性的一些特点。
第6章 直流调速系统 特点一: 电流断续使系统的理想空载转速n0升高。当电动
机的反电动势大于或等于整流装置的输出电压, 即Ud0≤E时，
电动机的电枢电压Ud，从而实现调压调速的目的。如图6-5所示
为该系统的机械特性，从图中可知其机械特性曲线为一簇相互 平行的直线， 特性硬。
第6章 直流调速系统
图6-4 旋转变流机组供电的调速系统原理图
第6章 直流调速系统
图6-5 G－M系统的机械特性
第6章 直流调速系统 2） 晶闸管—电动机系统 由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸 管—电动机系统，简称U－M系统。如图6-6所示，这类系统通 过改变给定电压Ugn来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的相位，
1 m n Em sin cos I d R Ce π m
式中: Ce=KeΦ ed，是电机在额定磁通下的电动势转速比。
第6章 直流调速系统 改变控制角α ，即改变电枢电压可得到一簇平行直线， 如图6-7所示, 与电动机的机械特性很相似。当电流很小可能 出现断续时，在图中采用虚线画法。这是因为上述机械特性不 适合电流断续时的真实情况。由此可见，只要电动机电枢电流 连续，调节触发整流装置的输出，就可很好地调节电动机转速。
③ 加、减速频繁启、制动的设备为提高效率，需要尽快地
加、减速。不适合快速改变转速的设备，则要求启、制动尽可 能地平稳。
第6章 直流调速系统 1． 稳态性能指标 1） 调速范围 电力拖动控制系统的调速范围是指电动机在额定负载下， 运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比，用D表示，即
nmax D nmin
第6章 直流调速系统 从生产设备的控制对象来看，电力拖动控制系统有调速系 统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统基 本上都是通过控制转速（实质上是控制电动机的转矩）来实现 的。因此，直流调速系统是最基本的拖动控制系统。 直流电动机的转速方程式为
U IR n K e
式中：n为转速，单位为r/min；U为电枢电压，单位为V；I为
第6章 直流调速系统
图6-2 改变励磁电流调速的机械特性
第6章 直流调速系统 3． 电枢回路串电阻调速方式 在电动机电枢回路串接附加电阻，改变串接电阻的阻值， 也可调节转速，此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。
这种调速方式只能进行有级调速，且串接电阻有较大能量
损耗，电动机的机械特性较软，转速受负载影响大，轻载和重 载时转速不同。其次该调速方案中调速电阻长期运行损耗大， 经济性差，一般只应用于少数性能要求不高的小功率场合。 其机械特性如图6-3所示。
第6章 直流调速系统 所有这些对生产设备的性能指标，由于其生产工艺过程不 同， 要求就当然不尽相同，但归纳起来有以下三个方面：
① 调速 在一定的范围之内有级或无级地调节转速。调速
系统的旋转方向允许正、反向的，称之为可逆系统，只能单方 向运行的则称之为不可逆系统。 ② 稳速 以一定的精度在要求的转速上稳定运行。对各种 可能的干扰，都不允许有过大的转速变化，从而保证产品质量。
第6章 直流调速系统
第6章 直流调速系统
6.1 直流调速系统概述 6.2 单闭环直流调速系统 6.3 双闭环无静差直流调速系统 6.4 可逆直流调速系统
习题6
第6章 直流调速系统
6.1 直流调速系统概述
6.1.1 直流调速系统的基本概念 电动机是将电能转化为机械能的一种有力工具，根据电动 机供电方式的不同,它可分为直流电动机和交流电动机。由于直 流电动机具有良好的启、制动性能，而且可以在广范围内平滑 的调速，因此，在轧钢设备、矿井升降设备、挖掘钻探设备、 金属切削设备、造纸设备、电梯等需要高性能可控制电力拖动 的场合得到了广泛的应用。但直流电动机本身有着一些不可避 免的缺陷，譬如存在换相问题、结构复杂、维修较困难、成本 较高等因素，制约了直流拖动系统的发展。近来年，随着计算 机控制技术和电力电子技术的发展，也推动了交流拖动技术的 迅猛发展，有代替直流拖动系统的趋势。然而，直流拖动系统 在理论和实践等方面发展比较成熟，从控制角度考虑，它又是 交流拖动系统的基础， 故应先很好地学习直流拖动系统。
对于调压调速系统来说，电动机的最高转速nmax即为其额定 转速 ned 。 D 值越大，系统的调速范围越宽。对于少数负载很轻 的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载时的转速来定义调 速范围。调速范围又称做调速比。根据这个指标，电力拖动系 统可分为：调速范围小的系统，一般指D＜3； 调速范围中等的 系统， 一般指3≤D＜50； 调速范围宽的系统，一般指D≥50。 现代电力拖动控制系统的调速范围可以做到D≥10 000。
' E0 2U 2
2U 2 n Ce
' 0
而当电流连续时
E0 1.17U 2 cos
1.17U 2 cos n Ce
' 0
由此可见， 同样的控制角，电流断续后的理想空载转速要比电
流连续时的高。
第6章 直流调速系统 特点二：电流断续使系统的机械特性出现非线性上翘现象， 即使负载电流发生很小的变化也可能引起转速很大的变化。 当 电枢电流id断续时，为底部宽度较窄的脉冲电流。电枢电流的 平均值Id与脉冲电流波形所包围的面积成正比，为产生一定的
第6章 直流调速系统
图6－1 改变电枢电压调速的机械特性
第6章 直流调速系统 2． 改变励磁电流调速方式 改变电动机励磁回路的励磁电压大小，可改变励磁电流大
小，从而改变励磁磁通大小而实现调速，此种调速方式称为改
变励磁电流调速方式。对他励电动机来说，磁通在额定值时， 其铁芯已接近饱和，增加磁通的余地很小，因此，励磁电流一 般只能小于额定励磁电流。所以，改变励磁调速方式的励磁磁 通总小于或等于额定励磁。此时，电动机的转速高于额定转速， 其机械特性上移。即减弱磁通，转速升高。电动机的最高转速 受电动机换向和机械强度的限制，故调速范围不大。其机械特 性如图6-2 所示。
要求。例如，在机械加工工业中，精密机床要求的加工精度达
百分之几毫米；重型铣床的进给机构需要在很宽的范围内调速， 其最高进给速度可达600 mm/min，而精加工时最低进给速度只
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有2 mm/min；又如，巨型轧钢设备，需要轧钢机的轧辊在不到
一秒的时间内就得完成从正转到反转的全部过程，而且操作频 繁；轧制板材的轧钢机的定位系统，其定位精度要求不大于 0.01mm。再如，高速造纸机，抄纸速度可达到1000m/min，要 求稳速误差小于±0.01%。
占5%；当n0=500r/min时，转速降落占10%；当n0=50r/min时，
转速降落占100%，电动机就停止转动了。由此可见，离开了 对静差率的要求，调速范围便失去了意义。由此看来，一个调
速系统的调速范围，是指在最低速时满足静差率要求下所能达
到的最大范围。脱离了对静差率的要求，任何调压调速系统都 可以得到极高的调速范围；脱离了调速范围，要满足要求的静 差率也就容易得多了。
然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。例如有a、b两
条调压调速系统的机械特性，两者的硬度相同，即额定速降 Δneda=Δnedb，如果理想空载转速不相同，那么它们的静差率肯 定不同。根据定义式，由于n0a>n0b，所以sa>sb。这就是说， 对 于同样硬度的机械特性，理想空载转速越低，静差率越大， 转
速的相对稳定度也就越差。也就是说，在电力拖动系统中， 如
果能满足最低转速运行时静差率s的要求，则高速时就不成问题 了。所以一般所说静差率的要求是指系统最低速时能达到的静
差率指标。
第6章 直流调速系统 调速范围和静差率这两项指标是相互联系的，例如，额定 负载时的转速降落Δned=50r/min，当n0=1000r/min时，转速降落
晶闸管截止关断，电动机电枢电流为0，这时电动机的反电动 势由于电动机惯性的作用，几乎不发生变化，整流装置的输出
电压为E0′。 以三相半波电路为例，
有60°≤α≤150°时
E0 2U 2 sin(30 ) 2U 2 sin(30 ) n Ce
' 0
第6章 直流调速系统 当α ≤60°时
进而可改变晶闸管整流器的输出电压Ud的大小，从而达到改变
直流电动机转速的目的。其机械特性如图6-7所示。
第6章 直流调速系统
图6-6 晶闸管—电动机系统
第6章 直流调速系统
图6-7 U－M系统的机械特性
第6章 直流调速系统 6.1.3 晶闸管直流调速系统的开环机械特性 对于U－M调速系统来说，是由晶闸管触发整流装置提供直
电枢电流，单位为A；R为电枢回路总电阻，单位为Ω ；Φ 为励 磁磁通，单位为Wb；Ke为由电动机结构决定的机电系数。
第6章 直流调速系统 由上式可以得出，调节直流电动机转速的方法有三种：
① 改变电枢供电电压U。
② 改变励磁磁通Φ 。 ③ 改变电枢回路电阻R。
第6章 直流调速系统 6.1.2 直流调速方式 1． 改变电动机的电枢电压U的调速方式 改变直流电动机的电枢电压U时，其理想空载转速n0也改变， 当电动机电枢电流（即负载电流）I不变时，转速降Δn不变。 所以，直流电动机的机械特性的硬度不变，其机械特性是一簇 以U为参数的平行线。改变电动机电枢电流，其机械特性基本 上是平行上下移动，转速随之改变，这种调速方式称为改变电 枢电压调速方式。其机械特性如图6－1所示。考虑到电动机的 绝缘性能，电枢电压的变化只能在小于额定电压的范围内适当 调节，即这种调速方式只能在额定转速以下调节电动机转速。 转速调节的下限受低速时运转不稳定性的限制。对于要求在一 定范围内无级平滑调速的系统来说，此调速方式较好。改变电 枢电压调速（简称调压调速）是调速系统的主要调速方式。
流电源的，其供给电动机的电压因负载的变化而不同。由电力
电子变流技术知识知，当整流装置负载电流连续时, 整流装置 输出电压为
π U d Em sin cos m m
式中：Em为α=0时的整流电压波形峰值；m为交流电源一周期 内的整流电压波头数。因此，可得出电枢电流连续时调速系 统的转速方程为
第6章 直流调速系统
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 负载所引起的转速降落Δ ned 与理想空载转速n0 之比，称做静差 率，用s表示，即
ned n0 ned s n0 n0
或用百分数表示为
ned s 100% n0
第6章 直流调速系统 由上式可知，静差率是用来表示负载转矩变化时电动机转 速变化的程度的，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差 率越小，转速的变化程度越小，稳定度越高。
第6章 直流调速系统
图6-3 电枢回路串电阻调速的机械特性
第6章 直流调速系统 4． 直流电动机调压调速系统的主要形式 1） 旋转变流机组系统 如图6-4所示为旋转变流机组供电的直流调速系统原理图。 该系统的主要部件为G——直流发电机，M——直流电动机， 故简称G－M系统。直流发电机G由原动机M（交流异步电动机 ～ 或同步电动机）拖动，ΦG 和ΦM 分别是发电机和电动机励磁回 路的磁通。 系统由原动机拖动直流发电机，改变发电机励磁回 路的磁通ΦG 即可改变发电机的输出电压UG ，也就改变了直流