第2讲 直流电机的调速方法
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《微特电机及其控制》——电机控制技术 1
第2章
直流电机的控制
本学时主要内容
• 2.1 直流电机结构与原理回顾
• 2.2 直流电机调速方法 • 2.3 直流调速系统中的可控直流电源 • 2.4 直流PWM调速方法
• 2.5 直流电机转速单闭环调速系统 • 2.6 直流电机转速和电流双闭环调速系统 • 2.7 直流电机调速系统仿真与设计
【例2-1】
求额定转矩：
TN
N
PN
60 PN 5500 9.55 35 (Nm) 2π nN 1500
（0, n0）：（0, 1661） （TN, nN）： （35,1500）
n (r/min) 1661 1500
得到两组坐标：
硬度：
Te 35 = 0.217 n 1661-1500
n 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = Ra ； n0 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲 0 线变软。
《微特电机及其控制》——电机控制技术
n3 n2 n1 nN
Ra U n Ia Ce Ce
（2）调速平滑，可以做到无级调速。 （3）由于励磁磁通只能相对于额定磁通ΦN下调，电机 转速相对于额定转速上升，带载能力下降，电磁功率基 本保持不变，因此调励磁调速又称为弱磁升速控制，属 于恒功率调速。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 19
例2-2
【例2-2】已知他励电动机的 PN=2.2kW, UN=220V ， IN=12.4A， Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求： （1）TL=0.5TN 时, n=? 【解】（1） TL=0.5TN 时 （2） =0.8 N 时, n=?
2π
《微特电机及其控制》——电机控制技术
7
2.1.3 他励直流电机的数学模型
他励直流电机的稳态方程：
U a I a Ra E E CeΦn T C ΦI T a e
以上公式反映的概念：
(1) 电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只 能改变 或 n。 (2) 若忽略绕组中的电阻Ra ，则 U a = E CeΦn ，可见当外 加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变 可调速。 (3) 当 一定时，转矩与电枢电流成正比。
《微特电机及其控制》——电机控制技术
U N Ra R n Ia Ce Ce
14
2.2.1 改变电枢回路电阻调速
工作效率： 工作效率 = 电机电磁功率Pe 输入电功率Pin
EI a Ce n = U N Ia UN
说明：随着转速下降，效率降低！
TL 原因： I a CT
E CeΦn
E U a I a Ra 220 0.5 12.4 CeΦN 0.143 nN nN 1500
PN PN 2.2 TN =9550 9550 14Nm ΩN nN 1500
TN CT ΦN I N
《微特电机及其控制》——电机控制技术
TN 14 CT ΦN 1.13 I N 12.4
2.1.1 直流电机的结构
1. 转子（电枢） 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子
永磁式：由永久磁铁做成。
励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
If Uf Ia If
M U U 他励
M
U
M 串励
U
M 复励
4
并励
《微特电机及其控制》——电机控制技术
2.1.2 直流电机的工作原理
（1）改变电枢回路电阻 Ra； （2）调节电枢供电电压 Ua ； （3）调节励磁磁通 。
下面从调速原理、机械特性 ( 人为 ) 、效率方面进行分析。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 13
2.2.1 改变电枢回路电阻调速
2.2.1 改变电枢回路电阻调速
工作条件： n 保持励磁 = N ； n0 nN 保持电压 U =UN ； n1 Ra 调节过程： n2 R1 n3 增加电阻R(Ra+R) R2 n ，n0不变； R3 调速特性： 转速下降，机械特性 0 IL(TL) Ia(Te) 曲线斜率变大，特性 变软。 变电阻调速特性曲线
特点：
负载不变时，则电枢电流保 持不变，输入电功率也不变， 但随着转速下降，外加电阻 损耗加大！
（1）属于有级调速； （2）效率低，只用于小型直流电机调速或大功率直 流电机的起动控制。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 15
2.2.2 调节电枢电压调速
2.2.2 调节电枢电压调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra； 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。
固有机械特性方程：
n n0
Te
1661 4.6Te
0
35
Te(Nm)
《微特电机及其控制》——电机控制技术
12
2.2 直流电机的调速方法
2.2 直流电机的调速方法
U a I a Ra n Ce
Ua Ra n T 2 e CeΦ CT CeΦ
有三种方法可以调节电机的转速：
第2章
直流电机的控制
第2章 直流电机的控制
直流电机具有良好的起动和制动性能、易于控制和平滑调 速、调速范围宽，在许多调速和快速正反向的电力传动系统
中得到了广泛应用。
近年来，虽然高性能交流电机调速技术发展很快，交流调
速系统已逐步取代直流调速系统，但直流调速系统在理论和 实践上都比较成熟，目前仍有应用；而且从控制规律的角度 来看，直流调速系统又是交流调速系统的基础。因此，掌握 直流电机调速技术是非常必要的。
(1) 机械特性方程
U a I a Ra Ua Ra n T 2 e CeΦ CeΦ CTCeΦ
直流电机在额定条件（Ua=UN，Φ=ΦN）下和电枢回路不接任何 电阻时的机械特性，称为“固有机械特性”或“自然机械特性”。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 9
2.1.4 他励直流电机的机械特性
《微特电机及其控制》——电机控制技术
n n0
Ua Ra n Ia CeΝ CeΝ
nN n1 n2 n3
UN U1
U2 U3
0
IL(TL)
Ia(Te)
调压调速特性曲线
16
2.2.2 调节电枢电压调速
工作效率：
EI a U a I a Ra I a Ra 1 Ua Ia Ua Ua
《微特电机及其控制》——电机控制技术 2
2.1 直流电机的原理与数学模型
2.1 直流电机的原理与数学模型
2.1.1 直流电机的结构
电枢绕组 磁极 励磁绕组 机座
S + + + + + N + S
直流电机由 定子 (磁极) 、转子(电枢) 和机座等部 转子铁心 分构成。
+ + +
+ + N +
3
《微特电机及其控制》——电机控制技术
《微特电机及其控制》——电机控制技术 8
2.1.4 他励直流电机的机械特性
2.1.4 他励直流电机的机械特性
——是指电机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的 条件下，也就是电机处于稳态运行时，电机的转速与电磁转矩 之间的关系，即n=f(Te)。
U a I a Ra E E CeΦn T C ΦI T a e
20
例2Biblioteka Baidu2
UN Ra TN 220 0.5 14 n 2 CeΦN CeCT ΦN 2 0.143 0.143 1.13 2 1538.46 21.66 1516.8(r / min)
（2） =0.8 N 时
UN Ra n T 2 N CeΦ CeCT Φ 220 0.5 14 2 0.8 0.143 0.143 1.13 0.8 1923 33.84 1889(r / min)
《微特电机及其控制》——电机控制技术 21
2.2 直流电机调速方法
三种调速方法的比较:
调速方式 调速原理
调速特性
改变电枢回路电阻调速 调压调速
在电枢回路中串联可调 调节电枢电压 电阻 n0不变，Radj越大特性 越软 η∝n，转速越小效率 越低 n0∝U，硬度β 不变 同样TL下，n越 高η越高
调励磁调速
N
1 2 3 IL(TL) Ia(Te)
18
调磁调速特性曲线
2.2.3 调节励磁调速
Pe EI a U N I a Ra = = = Pin U N I a UN 说明：在较大调速范围内，电机工作效率保持不变！ 特点：
工作效率： （1）直流电机的励磁电流比电枢电流小得多，调励磁 电流控制较容易；
【例2-1】
【例2-1】一台Z2-51型他励直流电动机，已知额定功率
5.5kW，额定电压220V，额定电流31A，额定转速1500r/min， 假设电机在额定负载下的铜耗占总损耗ΣP 的50%，求该电机 的固有机械特性。 【解析】 分析：求两点坐标（0, n0）和（TN, nN）
先求电枢电阻： 由
2.1.2 直流电机的工作原理
电刷
+ U –
换向器
N I I S
直流 电源
电刷 电刷
换向器 换向器
线圈
《微特电机及其控制》——电机控制技术
5
2.1.3 他励直流电机的数学模型
2.1.3 他励直流电机的数学模型
+ ua – ia Ra La
e
+ –
if Φ
+ Ua –
Ia
Ra E + –
If Φ
（a）动态等效电路
《微特电机及其控制》——电机控制技术
0
第2章
直流电机的控制
本章主要内容
• 2.1 直流电机结构与原理回顾 • 2.2 直流电机调速方法
• 2.3 直流调速系统中的可控直流电源 • 2.4 直流PWM调速方法
• 2.5 直流电机转速单闭环调速系统 • 2.6 直流电机转速和电流双闭环调速系统 • 2.7 直流电机调速系统仿真与设计
说明：在较大调速范围内，电机工作效率近似不变！
特点： （1）工作时电枢电压有一定的范围，电压调节时，
不允许超过UN,而 n Ua，所以调速只能向下调。 （2）可得到平滑、无级调速。 （3）调速范围较大。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 17
2.2.3 调节励磁调速
2.2.3 调节励磁调速
(2) 机械特性曲线
Ua Ra Te n T n0 2 e CeΦ CTCeΦ
n n0 n1 nN
① 理想空载转速n0
② 转速降落（速降）
Δn ΔTe T1 TN Te
Δn= T1/β
③ 机械特性硬度(斜率)
Te CTCeΦ 2 = n Ra
人为机械特性？
10
0
《微特电机及其控制》——电机控制技术
（b）稳态等效电路
【电压方程】
ua Ra ia La dia dt e
U a I a Ra E
E CeΦn
【反电势方程】
e CeΦn
【转矩方程】
Te CTΦia
《微特电机及其控制》——电机控制技术
Te CTΦI a
6
2.1.3 他励直流电机的数学模型
ua——电枢绕组电压（V）； Ua——电枢绕组平均电压（V）； ia——电枢绕组电流（A）； Ia——电枢绕组平均电流（A）； Ra——电枢绕组电阻（Ω）； La——电枢绕组电感（H）； e——电枢绕组中感生反电势（V）; E——电枢绕组中感生反电势平均值（V）; Ce——电动势结构常数（V/（Wb· r/min））； Φ——励磁磁通（Wb）； n——电机转速（r/min）； Te——电磁转矩（N· m）； 60 Ce 。 CT——转矩结构常数(N· m/(Wb· A))， CT
2 IN Ra 0.5(U N I N PN )
0.5(U N I N PN ) Ra 0.687 2 IN
U N I N Ra CeΦN 0.132 (Nm/rpm) nN UN 这样有： n0 1661 (r/min) Ce N
再求：
《微特电机及其控制》——电机控制技术 11
调节励磁电流， 改变励磁磁通 Φ越小，n0越大， 特性越软
效率
η不变
特点
可实现平滑调速； 可实现平滑调速； 有级调速；效率较低； 励磁调节简单； 调速范围宽；只 适用于小功率电机调速 只能弱磁升速， 能向下调速；效 或大功率电机起动控制 属恒功率调速； 率较高 效率高
第2章
直流电机的控制
本学时主要内容
• 2.1 直流电机结构与原理回顾
• 2.2 直流电机调速方法 • 2.3 直流调速系统中的可控直流电源 • 2.4 直流PWM调速方法
• 2.5 直流电机转速单闭环调速系统 • 2.6 直流电机转速和电流双闭环调速系统 • 2.7 直流电机调速系统仿真与设计
【例2-1】
求额定转矩：
TN
N
PN
60 PN 5500 9.55 35 (Nm) 2π nN 1500
（0, n0）：（0, 1661） （TN, nN）： （35,1500）
n (r/min) 1661 1500
得到两组坐标：
硬度：
Te 35 = 0.217 n 1661-1500
n 工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = Ra ； n0 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升，机械特性曲 0 线变软。
《微特电机及其控制》——电机控制技术
n3 n2 n1 nN
Ra U n Ia Ce Ce
（2）调速平滑，可以做到无级调速。 （3）由于励磁磁通只能相对于额定磁通ΦN下调，电机 转速相对于额定转速上升，带载能力下降，电磁功率基 本保持不变，因此调励磁调速又称为弱磁升速控制，属 于恒功率调速。
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例2-2
【例2-2】已知他励电动机的 PN=2.2kW, UN=220V ， IN=12.4A， Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求： （1）TL=0.5TN 时, n=? 【解】（1） TL=0.5TN 时 （2） =0.8 N 时, n=?
2π
《微特电机及其控制》——电机控制技术
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2.1.3 他励直流电机的数学模型
他励直流电机的稳态方程：
U a I a Ra E E CeΦn T C ΦI T a e
以上公式反映的概念：
(1) 电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只 能改变 或 n。 (2) 若忽略绕组中的电阻Ra ，则 U a = E CeΦn ，可见当外 加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变 可调速。 (3) 当 一定时，转矩与电枢电流成正比。
《微特电机及其控制》——电机控制技术
U N Ra R n Ia Ce Ce
14
2.2.1 改变电枢回路电阻调速
工作效率： 工作效率 = 电机电磁功率Pe 输入电功率Pin
EI a Ce n = U N Ia UN
说明：随着转速下降，效率降低！
TL 原因： I a CT
E CeΦn
E U a I a Ra 220 0.5 12.4 CeΦN 0.143 nN nN 1500
PN PN 2.2 TN =9550 9550 14Nm ΩN nN 1500
TN CT ΦN I N
《微特电机及其控制》——电机控制技术
TN 14 CT ΦN 1.13 I N 12.4
2.1.1 直流电机的结构
1. 转子（电枢） 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。
2. 定子
永磁式：由永久磁铁做成。
励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。
If Uf Ia If
M U U 他励
M
U
M 串励
U
M 复励
4
并励
《微特电机及其控制》——电机控制技术
2.1.2 直流电机的工作原理
（1）改变电枢回路电阻 Ra； （2）调节电枢供电电压 Ua ； （3）调节励磁磁通 。
下面从调速原理、机械特性 ( 人为 ) 、效率方面进行分析。
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2.2.1 改变电枢回路电阻调速
2.2.1 改变电枢回路电阻调速
工作条件： n 保持励磁 = N ； n0 nN 保持电压 U =UN ； n1 Ra 调节过程： n2 R1 n3 增加电阻R(Ra+R) R2 n ，n0不变； R3 调速特性： 转速下降，机械特性 0 IL(TL) Ia(Te) 曲线斜率变大，特性 变软。 变电阻调速特性曲线
特点：
负载不变时，则电枢电流保 持不变，输入电功率也不变， 但随着转速下降，外加电阻 损耗加大！
（1）属于有级调速； （2）效率低，只用于小型直流电机调速或大功率直 流电机的起动控制。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 15
2.2.2 调节电枢电压调速
2.2.2 调节电枢电压调速
工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电阻 R = Ra； 调节过程： 改变电压 UN U U n ， n0 调速特性： 转速下降，机械特性 曲线平行下移。
固有机械特性方程：
n n0
Te
1661 4.6Te
0
35
Te(Nm)
《微特电机及其控制》——电机控制技术
12
2.2 直流电机的调速方法
2.2 直流电机的调速方法
U a I a Ra n Ce
Ua Ra n T 2 e CeΦ CT CeΦ
有三种方法可以调节电机的转速：
第2章
直流电机的控制
第2章 直流电机的控制
直流电机具有良好的起动和制动性能、易于控制和平滑调 速、调速范围宽，在许多调速和快速正反向的电力传动系统
中得到了广泛应用。
近年来，虽然高性能交流电机调速技术发展很快，交流调
速系统已逐步取代直流调速系统，但直流调速系统在理论和 实践上都比较成熟，目前仍有应用；而且从控制规律的角度 来看，直流调速系统又是交流调速系统的基础。因此，掌握 直流电机调速技术是非常必要的。
(1) 机械特性方程
U a I a Ra Ua Ra n T 2 e CeΦ CeΦ CTCeΦ
直流电机在额定条件（Ua=UN，Φ=ΦN）下和电枢回路不接任何 电阻时的机械特性，称为“固有机械特性”或“自然机械特性”。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 9
2.1.4 他励直流电机的机械特性
《微特电机及其控制》——电机控制技术
n n0
Ua Ra n Ia CeΝ CeΝ
nN n1 n2 n3
UN U1
U2 U3
0
IL(TL)
Ia(Te)
调压调速特性曲线
16
2.2.2 调节电枢电压调速
工作效率：
EI a U a I a Ra I a Ra 1 Ua Ia Ua Ua
《微特电机及其控制》——电机控制技术 2
2.1 直流电机的原理与数学模型
2.1 直流电机的原理与数学模型
2.1.1 直流电机的结构
电枢绕组 磁极 励磁绕组 机座
S + + + + + N + S
直流电机由 定子 (磁极) 、转子(电枢) 和机座等部 转子铁心 分构成。
+ + +
+ + N +
3
《微特电机及其控制》——电机控制技术
《微特电机及其控制》——电机控制技术 8
2.1.4 他励直流电机的机械特性
2.1.4 他励直流电机的机械特性
——是指电机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的 条件下，也就是电机处于稳态运行时，电机的转速与电磁转矩 之间的关系，即n=f(Te)。
U a I a Ra E E CeΦn T C ΦI T a e
20
例2Biblioteka Baidu2
UN Ra TN 220 0.5 14 n 2 CeΦN CeCT ΦN 2 0.143 0.143 1.13 2 1538.46 21.66 1516.8(r / min)
（2） =0.8 N 时
UN Ra n T 2 N CeΦ CeCT Φ 220 0.5 14 2 0.8 0.143 0.143 1.13 0.8 1923 33.84 1889(r / min)
《微特电机及其控制》——电机控制技术 21
2.2 直流电机调速方法
三种调速方法的比较:
调速方式 调速原理
调速特性
改变电枢回路电阻调速 调压调速
在电枢回路中串联可调 调节电枢电压 电阻 n0不变，Radj越大特性 越软 η∝n，转速越小效率 越低 n0∝U，硬度β 不变 同样TL下，n越 高η越高
调励磁调速
N
1 2 3 IL(TL) Ia(Te)
18
调磁调速特性曲线
2.2.3 调节励磁调速
Pe EI a U N I a Ra = = = Pin U N I a UN 说明：在较大调速范围内，电机工作效率保持不变！ 特点：
工作效率： （1）直流电机的励磁电流比电枢电流小得多，调励磁 电流控制较容易；
【例2-1】
【例2-1】一台Z2-51型他励直流电动机，已知额定功率
5.5kW，额定电压220V，额定电流31A，额定转速1500r/min， 假设电机在额定负载下的铜耗占总损耗ΣP 的50%，求该电机 的固有机械特性。 【解析】 分析：求两点坐标（0, n0）和（TN, nN）
先求电枢电阻： 由
2.1.2 直流电机的工作原理
电刷
+ U –
换向器
N I I S
直流 电源
电刷 电刷
换向器 换向器
线圈
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5
2.1.3 他励直流电机的数学模型
2.1.3 他励直流电机的数学模型
+ ua – ia Ra La
e
+ –
if Φ
+ Ua –
Ia
Ra E + –
If Φ
（a）动态等效电路
《微特电机及其控制》——电机控制技术
0
第2章
直流电机的控制
本章主要内容
• 2.1 直流电机结构与原理回顾 • 2.2 直流电机调速方法
• 2.3 直流调速系统中的可控直流电源 • 2.4 直流PWM调速方法
• 2.5 直流电机转速单闭环调速系统 • 2.6 直流电机转速和电流双闭环调速系统 • 2.7 直流电机调速系统仿真与设计
说明：在较大调速范围内，电机工作效率近似不变！
特点： （1）工作时电枢电压有一定的范围，电压调节时，
不允许超过UN,而 n Ua，所以调速只能向下调。 （2）可得到平滑、无级调速。 （3）调速范围较大。
《微特电机及其控制》——电机控制技术 17
2.2.3 调节励磁调速
2.2.3 调节励磁调速
(2) 机械特性曲线
Ua Ra Te n T n0 2 e CeΦ CTCeΦ
n n0 n1 nN
① 理想空载转速n0
② 转速降落（速降）
Δn ΔTe T1 TN Te
Δn= T1/β
③ 机械特性硬度(斜率)
Te CTCeΦ 2 = n Ra
人为机械特性？
10
0
《微特电机及其控制》——电机控制技术
（b）稳态等效电路
【电压方程】
ua Ra ia La dia dt e
U a I a Ra E
E CeΦn
【反电势方程】
e CeΦn
【转矩方程】
Te CTΦia
《微特电机及其控制》——电机控制技术
Te CTΦI a
6
2.1.3 他励直流电机的数学模型
ua——电枢绕组电压（V）； Ua——电枢绕组平均电压（V）； ia——电枢绕组电流（A）； Ia——电枢绕组平均电流（A）； Ra——电枢绕组电阻（Ω）； La——电枢绕组电感（H）； e——电枢绕组中感生反电势（V）; E——电枢绕组中感生反电势平均值（V）; Ce——电动势结构常数（V/（Wb· r/min））； Φ——励磁磁通（Wb）； n——电机转速（r/min）； Te——电磁转矩（N· m）； 60 Ce 。 CT——转矩结构常数(N· m/(Wb· A))， CT
2 IN Ra 0.5(U N I N PN )
0.5(U N I N PN ) Ra 0.687 2 IN
U N I N Ra CeΦN 0.132 (Nm/rpm) nN UN 这样有： n0 1661 (r/min) Ce N
再求：
《微特电机及其控制》——电机控制技术 11
调节励磁电流， 改变励磁磁通 Φ越小，n0越大， 特性越软
效率
η不变
特点
可实现平滑调速； 可实现平滑调速； 有级调速；效率较低； 励磁调节简单； 调速范围宽；只 适用于小功率电机调速 只能弱磁升速， 能向下调速；效 或大功率电机起动控制 属恒功率调速； 率较高 效率高