晶闸管—直流电动机调速系统
晶闸管-直流电动机调速系统信号极性的确定
晶闸管－直流电动机调速系统信号极性的确定晶闸管-直流电动机调速系统是职业学校电气自动化专业学习的内容，是维修电工工种高级工、技师职业资格鉴定的重要内容之一。
在讲授闭环调速系统时，各控制单元输入信号极性的确定是个难点，笔者一直担任直流调速系统模块的教学工作，现就信号极性的确定方法谈一下自己的体会。
一、根据反馈的概念确定信号的极性在直流调速系统中，反馈的过程为：取出一部分或全部系统输出信号（电压或电流）反馈到系统的输入端，与输入信号（电压或电流）相合成。
反馈的类型有正反馈和负反馈，即对输入信号起加强作用的为正反馈，起削弱作用的为负反馈。
若为负反馈则反馈信号与输入给定信号相反，正反馈则反馈信号与输入给定信号极性一致，根据这一原则，如在图1所示带电流正反馈的电压负反馈调速系统静态结构图中：Ui是电流正反馈信号，极性为“＋”，Un＊为输入给定信号，极性为“＋”；Uu为电压反馈信号，极性为“－”；Un＊与Ui极性一致，则为正反馈；Un＊与Uu极性相反，则为负反馈。
所以此系统是带电流正反馈的电压负反馈调速系统。
又如在图2中的电流、转速双闭环调速系统中，若Un＊极性为”＋”，则转速反馈信号Un极性为“－”；ASR的输出是“＋”，电流负反馈的信号Ui为“－”。
Un＊与Un的极性相反，确保为负反馈；与Ui的极性相反，构成负反馈。
因此，本系统为电流、转速负反馈双闭环调速系统。
有了负反馈后本系统具有良好的静、动态控制性能。
二、根据各控制单元的工作原理确定信号的极性学生可以通过验证性实验来进一步理解系统的控制过程和控制性能比较，理解给定信号和反馈信号的极性是要变化的，根据系统各控制单元的原理来确定信号的极性。
如图3为转速单闭环调速系统，ACR是PI调节器，为反相放大器，由触发器GT的工作原理，其控制电压Uct必须为“＋”，为保证Uct为“＋”，那ACR的输入信号电压Un＊的极性必须为“－”，即为负给定，因此转速负反馈信号的Un在由TG两端取出时其极性要为“＋”，保证为负反馈。
实验一 晶闸管直流调速系统主要单元的调试
实验二晶闸管直流调速系统主要单元的调试一、实验目的(1)熟悉直流调整系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。
(2)掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。
二、实验所需挂件及附件三、实验内容(1)速度调节器的调试(2)电流调节器的调试(3)“零电平检测”及“转矩极性鉴别”的调试(4)反号器的调试(5)逻辑控制器的调试四、实验方法将DJK04挂件的十芯电源线与控制屏连接，打开电源开关，即可以开始实验。
220(1)速度调节器的调试①调节器调零将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。
调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
②调整输出正、负限幅值把“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，观察调节器输出正电压的变化。
③测定输入输出特性再将反馈网络中的电容短接（将“5”、“6”端短接），使速度调节器为P （比例）调节器，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅，并画出曲线。
④观察PI特性拆除“5”、“6”短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。
改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。
(2)电流调节器的调试①调节器的调零将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。
实验一晶闸管直流调速系统主要单元调试
uT
uu
uv
uw
uu
1# 2# 3# 4# 5# 6#
如何调准90°?
二、单闭环系统的调试步骤
1、各单元的调试
（2）转速调节器ASR的调试
R0 RP1
R0
R1 C1
+ +
ASR
Rbal
+15V
RP1
Uct
RP2
-15V
限幅值和参数
二、单闭环系统的调试步骤
1、各单元的调试 （3）主电路的调试
直流电流表 B1 A
（3）按测得数据，画出两个电平检测器的 回环。
4．反号器（AR）的调试
测定输入输出比例，输入端加+5V电压， 调节RP，使输出端为-5V
5．逻辑控制器（DLC）的调试
测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表：
UM 输入
UI
1 1 0 0 01 1 0 0 1 00
Uz(Ublf) 0 0 0 1 1 1 输出
2 测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的 额定值(1.1A).
3 双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接， 故在使用时，必须使两探头的地线同电位(只用一根 地线即可)，以免造成短路事故。
四、思考题
1．闭环系统的调试原则是什么？ 2．如何整定系统的零位？ 3．如何整定反馈系数α? 4 . 如果发现闭环后，转速很高且不可控，
3、系统的闭环调试
（2）系统闭环运行；（3）闭环静特性测试 +
R1
C1
~
G
-
-15V
RP1
U
* g
R0
R0
++ +
ASR
实验一 单闭环晶闸管直流调速系统实验
c．调节给定电压 ，使直流电机空载转速 转/分，再调节测功机加载旋钮，在直流电机空载至额定负载 范围内，测取6点，读取电机转速 ，电机电枢电流 ，即可测出系统的开环特性 。
1200
1257
1305
1358
1412
1472
1
0.84
0.68
4．如何确定转速反馈的极性与把转速反馈正确地接入系统中？又如何调节转速反馈的强度，在线路中调节什么元件能实现？
答：测量反馈电压。调节FBS中的RP。
3．测取调速系统在带转速负反馈时的有静差闭环工作的静特性
4．测取调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性
三．实验线路及原理
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈、电流反馈、电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。
1487
1493
1497
1500
1500150010.840.68
0.52
0.36
0.2
图1-2系统机械特性曲线
由此可见，有转速负反馈时，电机转速相比无转速负反馈的开环工作模式几乎没有下落，前者转速降落至1378转每分钟，后者为1200转每分钟；而带负反馈无静差的系统比负反馈有静差的系统有更佳的控制效果。
给定为零。
9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地
线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。
六．实验内容
1．移相触发电路的调试（主电路未通电）
直流调速系统实验指导书
直流调速系统实验指导书江西理工大学应用科学学院机电工程系2007年10月目录实验一晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 (1)实验二晶闸管直流调速系统主要单元调试 (6)实验三不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究 (9)实验四双闭环晶闸管不可逆直流调速系统 (13)实验五逻辑无环流可逆直流调速系统 (18)实验六双闭环可逆直流脉宽调速系统 (22)实验一晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定一．实验目的1．了解电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。
2．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。
3．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。
二．实验内容1．测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R2．测定晶闸管直流调速系统主电路电感L3．测定直流电动机的飞轮惯量GD24．测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数T d5．测定直流电动机电势常数C e和转矩常数C M6．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数T M三．实验系统组成和工作原理晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机——发电机组等组成。
本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变U g的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。
四．实验设备及仪器1．教学实验台主控制屏。
2．NMCL—33组件3．NMEL—03组件4．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）5．直流电动机M036．双踪示波器7．万用表五．注意事项1．由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。
2．为防止电枢过大电流冲击，每次增加U g须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。
3．电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。
六．实验方法1．电枢回路电阻R的测定电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻R a，平波电抗器的直流电阻R L和整流装置的内阻R n，即R=R a+R L+R n为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图1-1所示。
第四章 可逆直流调速系统
使U df 增加；2ALR的输入信号也正向增加，但由于
2ALR是反相器，故其输出u c t 2由正值减小，甚至变
成负值。反组VR的触发脉冲由零位后移，甚至进入
逆变位置，但反组的逆变电压U d r 小于正组的整流
电由压正组U流df 向。反因组此的，直在流两环组流变I流c 装。置此之时间正仍组然变存流在装着置
由晶闸管供电的直流调速系统，直流电动机 的励磁功率约为电机额定功率的3%～5%。反接 励磁所需的两组晶闸管变流装置的容量，比在电 枢可逆系统中所用晶闸管变流装置要小得多，从 而可节省设备投资。但由于励磁回路电感大，时 间常数较大，系统的快速性很差。而且反转过程 中，当磁通减小时，应切断电枢电压，以免产生 原来方向的转矩阻碍反向，此外要避免发生飞车 现象。这样就增加了控制系统的复杂性。
依据实现无环流原理的不同，无环流可逆系
1.可逆运行的实现方法 可逆运行的实现方法多
种多样，不同的生产机械可
根据各自的要求去选择，在
要求频繁快速正反转的生产 图4-1两组晶闸管供电的可逆电路 机械，目前广泛采用的是两
组晶闸管整流装置构成的可逆线路，如图4-1所示。 一组供给正向电流，称之为VF组，另一组供给反 向电流，称之为VR组。
当电动机正转时，由正组VF供电；反转时 则由反组VR供电。两组晶闸管分别由两套触发 脉冲控制，灵活地控制直流电动机正、反转和 调速。但不允许两组晶闸管同时处于整流状态， 否则将造成电源短路。为此对控制电路提出了 严格的要求。对于由两组变流装置构成的可逆 线路，按接线方式不同又可分为反并联连接和 交叉连接两种线路。
4.1 晶闸管-电动机可逆调速系统（V-M可 逆系统）
4.1.1晶闸管-电动机可逆调速系统的基本结构 根据直流电动机的电磁转矩公式 Te CmΦd I d 可
转速负反馈晶闸管-直流电动机调速系统原理图
1、主回路采用半控桥式全波整流电路。
在主回路中加平波电抗器L，减少整流器输出电流的脉动并尽可能使电流连续。
这时电路呈感性，为了保证晶闸管可靠换相而不失控，故接入续流二极管V2，同时，为了保证晶闸管过电压损害，加入RC阻容吸收装置（R1C1,R4C4)。
2、给定电压和转速负反馈回路，由变压器输出的交流110V电源经过全波整流和C13,R7,C14组成的π形滤波后的直流电压为给定电源。
RP4为调速电位器，RP3为高速上限调整用电位器，RP5为低速下限调整用滤波器，调节RP4可以得到不同的给定电压Ug。
TG为测速发电机，其输出电压与转速成正比。
通过转速负反馈提高系统的机械特性硬度，电位器RP6可调整反馈深度。
给定电压Ug和测速反馈电压Utg反极性串联后由117和157输出到放大器。
3、放大电路，117及157两端输入给定电压与反馈电压综合而成的差值信号。
V31为电压放大，放大后的控制信号给锯齿波发生器的晶体管V32，V32相当于一个可变电阻，改变输入信号的大小，就改变了电容C7的充电时间，进行移相。
V8,V9为输入信号的正负向限幅之用。
电容C8对给定及测速电压起滤波作用，还起给定积分作用，即对输入信号的突变起缓冲作用。
4、C5,R5,R23组成的电压微分负反馈电路。
是为了避免系统发生振荡而设的。
振荡最易在低速运行时出现。
5、电流截止负反馈由1Rg、RP2、V10、V33等元件组成，它是防止电动机在高速起动，正反转切换等情况下电流过大而设。
主回路电流在允许范围内时，1Rg上产生的压降不足以使V10击穿，V33截止，该环节不起作用，当主回路超过时，V10击穿，V33趋近导通，则C7的充电受V33的分流而变慢，触发脉冲后移，整流器输出电压变低，主回路电流降到规定值之内，调节RP2就可以改变主回路电流的限制数值，C9滤波，R14是保证V33在V10击穿以前可靠的截止。
6、触发脉冲电路由同步信号，移相环节和脉冲形成三部分组成。
小容量晶闸管直流调速系统的分析与排故
课题：小容量晶闸管直流调速系统1原理简介该调速系统适用于4千瓦以下的直流电动机的无级调速. 1）控制电路a 给定电压Ug由稳压电源通过电位器R21、R23和R22供给。
其中R21整定最高给定电压（对应最高转速），R22整定最低给定电压（对应最低转速）。
R23为手动调整电位器。
b 电压负反馈信号UFV电压负反馈信号UFV由电阻R13，R14和电位器R20分压后取出，UFV与他励直流电动机的电枢两端并联，因而UFV 电压与电枢电压UA成正比，调节R20即可调节电压负反馈量的大小，从图中可以看出由于电压信号为负反馈所以UFV 与UG的极性是相反的，电阻R13是限制UFV上限电阻，电阻R14是限制UFV下限电阻。
c 电流正反馈电路由电位器R18取出。
电枢电流IA主要流过取样电阻R8。
R18取出的电压Ufi与IaR8成正比，亦即Ufi与电枢电流Ia 成正比。
调节R18即可调节电流反馈量的大小。
2）主电路主电路由Va、Vb、V1、V2、组成单相半控桥式整流电路，C8、R10及C7、R12是交,直流过电压保护电路，L为平波电抗器,能限制电流脉动,改善换向条件,减少电枢损耗,并使电流连续,L两端的电阻R11能保证可靠触发,并且在主电路突然断路时,为电抗器提供放电回路,减少电抗器产生的过程.工作过程中只要给VSA、VSB加入尖顶脉冲信号晶闸管就能导通，电动机就能启动运行，因为采用桥式整流电路，故工作时VSA、VSB是轮流导通的的，改变晶闸管门极的脉冲相位，就可以实现对电动机的调速控制。
为了加快制动和停车,采用了能耗制动,R9为能耗制动电阻.电动机励磁由单独的整流电流VC3供电.为了防止失磁而引起的飞车事故,在励磁电路中串入电流继电器KA,只有当励磁电流大于某数值时,KA才动作.在主电路的接触器KM的控制回路中,串接KA常开触头.KA的动作电流可通过分流电位器R17来调整.钮子开关SB是调速系统的启动开关。
3）触发电路由单结晶体管VS为核心组成张弛振荡器，R15为输出电阻，R2为温度补偿电阻。
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7.1 晶闸管—直流电动机调速系统
采用晶闸管可控整流电路给直流电动机供电，通过移相触发，改变直流电动机电枢电压，实现直流电动机的速度调节。
这种晶闸管—直流电动机调速系统是电力驱动中的一种重要方式，更是可控整流电路的主要用途之一。
可以图7-1所示三相半波晶闸管—直流电动机调速系统为例，说明其工作过程和系统特性。
直流电动机是一种反电势负载，晶闸管整流电路对反电势负载供电时，电流容易出现断续现象。
如果调速系统开环运行，电流断续时机械特性将很软，无法负载；如果闭环控制，断流时会使控制系统参数失调，电机发生振荡。
为此，常在直流电机电枢回路内串接平波电抗器Ld，以使电流Id尽可能连续。
这样，晶闸管—直流电动机调速系统的运行分析及机械特性，必须按电流连续与否分别讨论。
8.1.1 电流连续时
如果平波电抗器Ld电感量足够大，晶闸管整流器输出电流连续，此时晶闸管—直流电动机系统可按直流等值电路来分析，如图7-2所示。
图中，左半部代表电流连续时晶闸管整流器的等效电路，右半部为直流电动机的等效电路。
由于电流连续，晶闸管整流器可等效为一个直流电源Ud与内阻的串联，Ud为输出整流电压平均值
（7-1）
式中U为电源相压有效值，为移相触发角。
电流连续情况下，晶闸管有换流重迭现象，产生出换流重迭压降，相当于整流电源内串有一个虚拟电阻，其中LB为换流电感。
再考虑交流电源（整流变压器）的等效内电阻Ro，则整流电源内阻应为，如图所示。
电流连续时直流电动机可简单地等效为为反电势E与电枢及平波电抗器的电阻总和Ra 串联，而平波电抗器电感Ld在直流等效电路中是得不到反映的。
这样，根据图7-2等效电路，可以列写出电压平衡方程式为
（7-2）
式中，Ce为直流电机电势常数，φ为直流电机每极磁通。
求出电机转速为
（7-3）
可以看出，在电枢电流连续的情况下，当整流器移相触发角固定时，电动机转速随
负载电流Id的增加而下降，下降斜率为。
当角改变时，随着空载转速点no的变化，机械特性为一组斜率相同的平行线。
但是在一定的平波电抗器电感Ld下，当电流减小到一定程度时，Ld中储能将不足以维持电流连续，电流将出现断续现象，此时直流电动机机械特性会发生很大变化，不再是直线，图7-3中以虚线表示。
这部分的机械特性要采用电流断续时的运行分析来确定。
二、电流断续时
电枢电流断续时不再存在晶闸管换流重迭现象，晶闸管整流器供电直流电动机系统须采用图7-4所示交流等效电路来分析。
在此电路中，u2为相电压瞬时值，显然只有当它大于电枢反电势Ea时晶闸管才能导通，如图7-5所示。
由于id断续，电路分析时必须计入平波电感Ld的作用，回路电压平衡方程为
（7-4）
图7-4 电流断续时，晶闸管—直流电动机等效电路图7-5 电流断续时的电枢电流
为分析简便起见，先忽略等效内阻，求解出机械特性后再作为系统内阻对特性斜率进行修正。
这样，可采用积分求解如下微分方程
（7-5）
式中C为积分常数，可由图7-5中边界条件
（7-6）
解出
（7-7）
式中为三相半波整流器移相触发角计算起点（）的相位。
将式（7-7）代入式（7-5），可得
（7-8）
由于电流不连续，只在一段时间内有电流。
设晶闸管导通角为，则又有一边界条件
（7-9）
可用来求取反电势Ea与、之间的关系。
即
（7-10）
在并励直流电动机中，，故由上式可转而求得转速n和及的关系为
（7-11）
由于晶闸管导通角和负载电流大小有关，故上式实际上隐含地给出了直流电机电流断续时的机械特性，只是关系复杂不直观，需要通过求解电机电枢电流Id与导通角间
的关系来揭示。
按照定义，电枢电流平均值Id为
式中，为每周内换流次数，三相半波和三相桥式整流电路。
将式（7-8）和式（7-10）代入上式并经积分和整理，可得负载电流和导通角之间的关系为：
（7-12）
这样，就可以为参变量，将式（7-11）和式（7-12）联系起来，求得不同和下、三相半波晶闸管整流器供电直流电动机的机械特性，由于直流电机电磁转矩，故特性曲线用作横坐标，如图7-6所示。
图7-6 三相半波晶闸管整流器供电直流电机机械特性
由于是由单一组整流器供电的不可逆直流调速系统，电机系统只可工作在的第Ⅰ象限和的第Ⅳ象限。
第Ⅰ象限内，晶闸管移相触发角，整流器工作在可控整流状态；电机转速n、电磁转矩同方向，直流电机运行在电动状态。
第Ⅳ象限内，，整流器工作在有源逆变状态；电机转速与电磁
转矩反方向，直流电动机运行在反转制动状态，并将转子机械动能变成电能经可控整流器返回交流电源。
无论是第Ⅰ或第Ⅳ象限，当电机电流Id较小时晶闸管导通角，电流断续，机械特性变得很软，随着负载增加转速下降很快；当负载增大到一定数值时，，电流进入连续状态。
由于分析中忽略电枢电阻，机械特性变成水平；如计及电阻影响，则电流连续时特性将具有一定斜度，其斜度为。
电流断续时直流电机电枢回路等效电阻增加很多，除使机械特性变软外，还会使调速系统调节器特性变坏，往往引起系统振荡，此时应设法减小电流断续的范围，为此应设计好平波电抗器的电感量。
晶闸管—直流电动机系统中平波电抗器电感量按最小电流IL min下仍
能保证电流连续为原则来选择。
因为电流连续的条件是晶闸管导通角，则由式（7-12）可推得
一般IL min由调速系统设计确定，约为（5～10%）额定电枢电流。
这样，保证电流连续的电感量为
（7-13）
一般来说整流相数越多、整流器脉波数越多，整流电压脉动减小，所需电感量可选小些。