第2章-单闭环直流调速系统

交直流调速系统
ud
u
a
u b
u
c
ud
Ud
ud
u
a
u
b
u
c
u
d U E
d
E
0
α
ωt
0
α
ωt
id
i
c
i
a
i
b
i
c
id
0
ωt
0
ωt
a）电流连续
b）电流断续
V图7 V-M系统电流波形
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3.开环系统机械特性 开环系统机械特性
电流连续时： 电流连续时：
电流断续时： 电流断续时：
晶闸管整流 器可看成是 一个线性的 可控电压源
原 理 ： 调节I 调节 f→U改变 改变 →转速 变化。 转速n变化 转速 变化。 改变方向， 转 改变方向，n转 向跟着改变。 向跟着改变。
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特 点 ：
设备多、体积大、 设备多、体积大、 费用高、效率低、 费用高、效率低、 安装维护不便、运 安装维护不便、 行有噪声。
2、静止可控整流器 利用静止的可控整流器 如晶闸管 、静止可控整流器--利用静止的可控整流器 利用静止的可控整流器(如晶闸管 可控整流器)，获得可调的直流电压。（ 。（V-M系统） 系统） 可控整流器 ，获得可调的直流电压。（ 系统
1、旋转变流机组 用交流电动机拖动直流发电 、旋转变流机组----用交流电动机拖动直流发电 以获得可调的直流电压（ 系统）。 机，以获得可调的直流电压（G-M系统）。 系统
+ 励 磁 电 源
~
GE M
~ + 放 大 装 置
n
G
+(-)
n U
M
+
If
-
(+)
图3 G-M系统原理图 系统原理图
组 成 ： 由 M~ 拖 动 G = →G= 给 M=供电 直 供电→直 供电 流励磁发电 机 GE 给 G = 励磁。 和M=励磁。 励磁
缺点: 缺点:可逆 难；过电 压、过电 流 ； 电流
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3、直流斩波器或脉宽调制变换器 、
VT + 强迫关断电路 + VD
u
ton
Us
Us
Ud
T
M
（a）原理图
0
t
（b) 电压波形
直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形图 图5 直流斩波器 电动机系统的原理图和电压波形图
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原理： 原理： VT工作于开关状态。VT通时，U加到 ；VT断时， 工作于开关状态。 通时 通时， 加到 加到M； 断时 断时， 工作于开关状态 U与M断开， M经VD续流， 两端电压接近于零 。 平均 断开， 经 续流， 与 断开 续流 两端电压接近于零。 电压可通过改变VT的导通和关断时间来调节 的导通和关断时间来调节， 电压可通过改变 的导通和关断时间来调节，从而调 的转速。 节M的转速。 的转速
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例题1-1 某直流调速系统电动机额定转 例题 速为， 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 求静差率 时 ？ 如果要求静差率20%， 则调速范围是 如果要求静差率 ， 多少？如果希望调速范围达到10， 多少 ？ 如果希望调速范围达到 ， 所能 满足的静差率是多少？ 满足的静差率是多少？
n n0a ∆ nNa a n0b ∆ nNb b 0 TeN 图6 不同转速下的静差率 Te
静差率与机械特性硬度的区别（续） 静差率与机械特性硬度的区别（
例如： 时降落10r/min，只占 例如：在1000r/min时降落 时降落 ，只占1%； ； 时同样降落10r/min，就占 在100r/min时同样降落 时同样降落 ，就占10%； ； 如果在只有10r/min时，再降落 如果在只有 时 再降落10r/min，就占 ， 100%，这时电动机已经停止转动。 ，这时电动机已经停止转动。
∆nN ∆nN s= = n0 min nmin + ∆nN
于是， 于是，最低转速为 ∆nN (1 − s )∆nN nmin = − ∆nN = s s
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而调速范围为
nmax nN D= = nmin nmin
将上面的式代入 nmin，得
nN s D= ∆nN (1 − s )
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要求30%时，调速范围为 解 要求 时
D= nN s 1430 × 0.3 = = 5.3 ∆nN (
若要求20%，则调速范围只有 ， 若要求
D= 1430 × 0.2 = 3.1 115 × (1 − 0.2)
若调速范围达到10， 若调速范围达到 ，则静差率只能是
n0
n3 n2 n1 nN
ΦN Φ1 Φ2 Φ3
0
TL
Te
图2-3 调磁调速特性曲线
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调压调速的关键装置---可控直流电源 二、调压调速的关键装置--可控直流电源
常用的可控直流电源有以下三种： 常用的可控直流电源有以下三种：
1、旋转变流机组 、 3、直流斩波 器或脉宽调制 变换器
2、静止式 、 可控整流器
n n0 nN n1 n2 n3
Ra R1 R2 R3
0
IL
图2-2 调阻调速特性曲线
I
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n
（3）调磁调速
工作条件： 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程： 调节过程： 减小励磁 ΦN → Φ↓ Φ ↓ → n ↑ ， n0 ↑ 调速特性： 调速特性： 转速上升， 转速上升，机械特性 曲线变软。 曲线变软。
式中： 式中：
R = Ra + Rn + Rl
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（1）调压调速
工作条件： 工作条件： 保持励磁 Φ = ΦN ； 保持电阻 R = Ra 调节过程： 调节过程： 改变电压 UN → U↓ ↓ 调速特性： 调速特性： 机械特性曲线平行下 移。
n n0 nN n1 n2 n3 0 IL
UN U1 U2 U3
1、直流他励电动机供电原理图 、
Id
图1-1直流他 直流他 励电动机供电 原理图
Rn + 直流 电源
+
Ud
Ra E
M
+
Φ
U d0
Rl
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2.直流他励电动机转速方程 直流他励电动机转速方程
U do = E + I d R
E =C e n = K e Φ n
U d 0 − I d R U d − I d Ra E n= = = Ke Φ Ke Φ Ke Φ
上式表明调压调速系统的调速范围、 上式表明调压调速系统的调速范围 、 静差率和额定速降之间所应满足的关系。 静差率和额定速降之间所应满足的关系 。 对于同一个调速系统， 值一定， 对于同一个调速系统， ∆nN 值一定，可见 ，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越 如果对静差率要求越严， 小时，系统能够允许的调速范围也越小。 小时，系统能够允许的调速范围也越小。
因此， 因此，调速范围和静差率这两项指标并 不是彼此孤立的， 不是彼此孤立的，必须同时提高才有意义 。调速系统的静差率指标应以最低速时所 能达到的数值为准。 能达到的数值为准。
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调速范围、 3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
为最高转速，转速降落为∆ 设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为∆nN 则按照上面分析的结果， ，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该 是最低速时的静差率，即 是最低速时的静差率，
电动机平均电压
优点: 优点
t on U s = ρU s ρ为占空比 Ud = T
缺点: 缺点 容量不大
运行稳定、效率高、 运行稳定、效率高、静动 态性能好； 态性能好；
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三、调速指标 1、调速范围 生产机械要求电动机提供的最高转速和最低 转速之比叫做调速范围， 表示， 转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即
由上例可以看出， 由上例可以看出 ， 开环调速系统的额定速降是 275 r/min，而生产工艺的要求却只有 ，而生产工艺的要求却只有2.63r/min，相差 ， 几乎百倍！ 几乎百倍！ 由此可见，开环调速已不能满足要求， 由此可见，开环调速已不能满足要求，需采用反 馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。 馈控制的闭环调速系统来解决这个问题。
nmax D= nmin
其中n 一般都指电机额定负载时的转速， 其中 min 和nmax 一般都指电机额定负载时的转速， 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床， 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用 实际负载时的转速。 实际负载时的转速。
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2、静差率 、 当系统在某一转速下运行时， 当系统在某一转速下运行时，负载由理想空 载增加到额定值时所对应的转速降落 ∆nN ，与理 之比， 想空载转速 n0 之比，称作静差率 s ，即
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当电流连续时， 解 当电流连续时，V-M系统的额定速降为 系统的额定速降为
I dN R 305 × 0.18 ∆n N = = r / min = 275r / min Ce 0.2
开环系统机械特性连续段在额定转速时的静差率为
sN = ∆nN 275 = = 0.216 = 21.6% nN + ∆nN 1000 + 275
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2-2 单闭环转速负反馈有静差直流调速系统
开环存在的问题： 开环存在的问题： 问题的 提出
例 1-2：某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其 ：某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机， 额定数据如下： 额定数据如下 ： 60kW、 220V、 305A、 1000r/min， 、 、 、 ， 采用V-M系统，主电路总电阻 系统， 采用 系统 主电路总电阻0.18 ，电动机电动势 系数为0.2。 系数为 。如果要求调速范围 D = 20，静差率5%， ，静差率 ， 采用开环调速能否满足？ 若要满足这个要求， 采用开环调速能否满足 ？ 若要满足这个要求 ， 系统 的额定速降最多能有多少？ 的额定速降最多能有多少？