第2章1直流电动机调速方法
直流调速系统
GT
Ud
Id
-
- Un +
+ RP2
-
n
+ IG
-
U tg
V-M闭环系统原理框图
-
( a ) 给 定 环 节 —— 产 生 控 制 信 号 ： 由 高 精 度 直 流 稳压电源和用于改变控制信号的电位器组成。 (b)比较与放大环节——信号的比较与放大；由P、I、 PI运放器组成
(c)触发器和整流装臵环节（组合体）--功率放大
nnom 1000r/min、 Ra=0.05Ω
晶闸管整流器的内阻
Ks=30 问 题
Rrec=0.13Ω
要求D=20，s≤5%
问若采用开环V-M系统能否满足要求？ 若采用α=0.015V·min/r转速负反馈闭环系统，问放大 器的放大系数为多大时才能满足要求？
解（1）设系统满足D=20，检验系统是否满足s≤5%？
特点：
损耗较大、有级 调速，机械特性 较软。 (2)弱磁调速 特点： 只能弱磁，调 速范围小
工程上，常将调压与调磁相结合，可以扩大调速范围 。
n
Φn Φ2 Φ1 Φ1 Φ2 Φn nn Un U d3 U d2 U d1 Ten
图1-2 调压和调 磁时的机械特性
U d1 U d2 U d3 U n
①系统结构图
U n
Un U d0
电动机
U n
放大器
U ct 整流器及
触发装置
n
速度检测
②系统中各环节的稳态输入输出关系如下： 电压比较环节 放大器
* U n U n Un
U ct K P U n
晶闸管整流器及触发装臵 U d 0 K sU ct
简述直流电动机的调速方法。
简述直流电动机的调速方法。
直流电动机是一种无刷直流电机,其工作原理基于电枢的旋转,其调速方法
主要有以下几种:
1. 电阻调速:将直流电动机接入电阻器中,通过改变电阻的大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速范围宽,但缺点是调速效率低,而且电阻器易损坏。
2. 电容调速:在直流电动机的转轴上加装电容,通过改变电容的大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速效率高,但缺点是需要较大的电容,而且容易引起电动机故障。
3. 串激调速:在直流电动机的转轴上串联一个电阻和一个电感,通过改变它们的相对大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速范围宽,但缺点是需要复杂的电路,而且容易引起电动机故障。
4. 反相调速:在直流电动机的转轴上加装一个电容器和一个电阻,通过改变它们的相对大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速效率高,但缺点是需要较大的电容器,而且容易引起电动机故障。
除了以上几种调速方法外,还有一些其他的方法,例如脉冲调速、积分调速等。
这些方法在实际应用中要根据具体情况选择使用。
直流电动机的调速方法的选择应该考虑到调速范围、调速效率、电动机的性能和稳定性等因素。
在实际应用中,需要根据具体的情况和要求选择合适的调速方法。
电力拖动自动控制系统-运动控制系统(_阮毅_陈伯时)课后思考题答案 (2)
int i,j;
for(i=0;p1[i];i++); for(j=0;p2[j];j++) p1[i++]=p2[j];
p1[i]='\0'; 注意：这三个是填空题 答案
if(t%2==0) x=10*x+t; n=n/10;
注意这两个是改成题答案 *t = 0; if (d%2 != 0) 2. 请编写函数fun,其功能是:计算并输出当x<0.97时下列多项式的值, 直到｜Sn-S(n-1)｜<0.000001为止。Sn=1+0.5x+0.5(0.51)/2!x(2)+...+ 0.5(0.5-1)(0.5-2) .....(0.5-n+1)/n!x(n) 输入0.21后,则输出为s=1.100000。 double s1=1.0,p=1.0,sum=0.0,s0,t=1.0; int n=1; do {s0=s1; sum+=s0; t*=n; p*=(0.5-n+1)*x; s1=p/t;n++;}while(fabs(s1-s0)>1e-6); return sum; t = x; t *= (-1.0)*x/n; while (fabs(t) >= 1e-6);
一、可以作为填空题或简答题的 2-1 简述直流电动机的调速方法。 答：直流调速系统常以（调压调 速）为主，必要时辅以（弱磁调速） ，以（扩大调速范围） ， 实现 （额定转速以上调速） 。
2-2 直流调压调速主要方案有（G-M 调速系统，V-M 调速系统，直流 PWM 调速系统） 。 2-3 V-M 调速系统的电流脉动和断续是如何形成的？如何抑制电流脉 动？ 11-12 答：整流器输出电压大于反电动势时，电感储能，电流上升，整 流器输出电压小于反电动势 时，电感放能，电流下降。整流器输出电 压为脉动电压，时而大于反电动势时而小于，从而导 致了电流脉动。 当电感较小或电动机轻载时，电流上升阶段电感储能不够大，从而导致 当电流下降时， 电感已放能完毕、电流已衰减至零，而下一个相却尚 未触发，于是形成电流断续。 2-4 看 P14 图简述 V-M 调速系统的最大失控时间。 14 答：t1 时刻某一对晶闸管被触发导通，触发延迟角为α1，在 t2>t1 时刻，控制电压发生变 化，但此时晶闸管已导通，故控制电压 的变化对它已不起作用，只有等到下一个自然换向点 t3 时刻到来时， 控制电压才能将正在承受正电压的另一对晶闸管在触发延迟角α2 后导 通。t3-t2 即为失控时间，最大失控时间即为考虑 t2=t1 时的失控时 间。 2-5 简述 V-M 调速系统存在的问题。16 答：整流器晶闸管的单 向导电性导致的电动机的不可逆行性。 整流器晶闸管对过电压过电流 的敏感性导致的电动机的运行不可靠性。 整流器晶闸管基于对其门极 的移相触发控制的可控性导致的低功率因数性。 2-6 简述不可逆 PWM 变换器 （无制动电流通路与有制动电流通路） 各个工作状态下的导通 器件和 电流通路。17-18 2-7 调速时一般以电动机的（额定转速）作 为最高转速。 2-8 （调速范围）和（静差率）合称调速系统的（稳态 性能指标） 。 2-8 一个调速系统的调速范围，是指（在最低转速时还 能满足所需静差率的转速可调范围） 。 2-9 简述转速反馈控制的直流 调速系统的静特性本质。 答：在闭环系统中，每增加（或减少）一点 负载，就相应地提高（或降低）一点电枢电压， 使电动机在新的机械 特性下工作。因此闭环系统的静特性本质上就是无数开环机械特性上各 取 一个相应的工作点连接而成的。 2-10 简述比例反馈控制的规律。 答：比例控制的反馈控制系统是（被调量有静差）的控制系统； 反馈 控制系统的作用是（抵抗前向通道的扰动，服从给定） ； 反馈1.编写 一个函数fun,它的功能是:实现两个字符串的连接(不使用库函数 strcat),即把p2所指的字符串连接到p1所指的字符串后。 实现两个字符串连接
电力拖动自动控制系统-运动控制系统课后参考答案第二章
第二章作业思考题：2-1直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？1.电枢回路串电阻调速特点：电枢回路的电阻增加时，理想空载转速不变，机械特性的硬度变软。
反之机械特性的硬度变硬。
2.调节电源电压调速特点：电动机的转速随着外加电源电压的降低而下降，从而达到降速的目的。
不同电源电压下的机械特性相互平行，在调速过程中机械特性的硬度不变，比电枢回路串电阻的降压调速具有更宽的调速范围。
3.弱磁调速特点：电动机的转速随着励磁电流的减小而升高，从而达到弱磁降速的目的。
调速是在功率较小的励磁回路进行，控制方便，能耗小，调速的平滑性也较高。
2-2简述直流 PWM 变换器电路的基本结构。
IGBT，电容，续流二极管，电动机。
2-3直流 PWM 变换器输出电压的特征是什么？直流电压2-4为什么直流PWM变换器-电动机系统比V-M系统能够获得更好的动态性能？直流PWM变换器-电动机系统比V-M系统开关频率高，电流容易连续，谐波少，电动机损耗及发热都较小；低速性能好，稳速精度高，调速范围宽；若与快速响应的电动机配合，则系统频带宽，动态响应快，动态抗扰能力强；电力电子开关器件工作在开关状态，导通损耗小，当开关频率适中时，开关损耗也不大，因而装置效率较高；直流电源采用不控整流时，电网功率因数比相控整流器高。
2-5在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时，电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什么？电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中，电动机电枢两端电压仅取决于直流。
电路中无电流，因为电动机处已断开，构不成通路。
2-6直流PWM变换器主电路中反并联二极管有何作用？如果二极管断路会产生什么后果？反并联二极管是续流作用。
若没有反并联二极管，则IGBT的门极控制电压为负时，无法完成续流，导致电动机电枢电压不近似为零。
2-7直流 PWM 变换器的开关频率是否越高越好？为什么？不是越高越好，因为太高的话可能出现电容还没充完电就IGBT关断了，达不到需要的输出电压。
电机及拖动 第二章习题答案
第二章直流电动机的电力拖动答：由电动机作为原动机来拖动生产机械的系统为电力拖动系统。
一般由电动机、生产机械的工作机构、传动机构、控制设备及电源几部分组成。
电力拖动系统到处可见，例如金属切削机床、桥式起动机、电气机车、通风机、洗衣机、电风扇等。
答：电动机的理想空载转速是指电枢电流I a=0时的转速，即。
实际上若I a=0，电动机的电磁转矩T em=0，这时电动机根本转不起来，因为即使电动机轴上不带任何负载,电机本身也存在一定的机械摩擦等阻力转矩（空载转矩）。
要使电动机本身转动起来，必须提供一定的电枢电流I a0（称为空载电流），以产生一定的电磁转矩来克服这些机械摩擦等阻力转矩。
由于电动机本身的空载摩擦阻力转矩很小，克服它所需要的电枢电流I a0及电磁转矩T0很小，此所对应的转速略低于理想空载转速，这就是实际空载转速。
实际空载转速为简单地说，I a=0是理想空载，对应的转速n0称为理想空载转速；是I a= I a0实际空载，对应的转速n0’的称为实际空载转速，实际空载转速略低于理想空载转速。
答：固有机械特性与额定负载转矩特性的交点为额定工作点，额定工作点对应的转矩为额定转矩，对应的转速为额定转速。
理想空载转速与额定转速之差称为额定转速降，即：答：电力拖动系统稳定运行的条件有两个，一是电动机的机械特性与负载的转矩特性必须有交点；二是在交点（T em =T L）处，满足，或者说，在交点以上（转速增加时）,T em<T L，而在交点以下（转速减小时）,T em>T L。
一般来说，若电动机的机械特性是向下倾斜的，则系统便能稳定运行，这是因为大多数负载转矩都随转速的升高而增大或者保持不变。
答：只有（b）不稳定，其他都是稳定的。
答：他励直流电动机稳定运行时，电枢电流：可见，电枢电流I a与设计参数U、C eΦ、R a有关，当这些设计参数一定时，电枢电流的大小取决于电动机拖动的负载大小，轻载时n高、I a小，重载时n低、I a大，额定运行时n=n N、I a=I N。
第2章 直流电机的工作原理及拖动
直流发电机的工作原理
同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈 中的感应电动势的方向也是交变的，而通 过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、 B上输出的电动势是极性不变的直流电动 势。在电刷A、B之间接上负载，发电机 就能向负载供给直流电能。这就是直流发 电机的基本工作原理。
电机的可逆原理
一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也 可以作为发电机运行，取决于外界输入能量的 不同条件。 将直流电流施加于电刷，输入电能，电机能将 电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，成为 电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢 旋转，输入机械能，电枢绕组便能切割磁场的 磁磁感应线产生感应电动势，电机能将机械能 转换为直流电能，从电刷端引出直流电动势， 作发电机运行。
2.1 直流电机的基本结构
直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复 杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和 起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产 机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采 用直流电动机驱动。 直流电动机的应用: （1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿 山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大 型设备。 （2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机 等。
2.6他励直流电动机的机械特性
所谓直流电动机的机械特性就是电机的转 速 n 随着负载转矩 T 的变化情况，研究电 机转速变化能够有助于更好地控制电机按 照生产工艺的要求拖动生产机械，高效率 、低损耗地运行。
2.6.1. 他励直流电动机机械特性方程
直流电动机的机械特性方程是由感应电动势方程、电磁 转矩方程和电压平衡方程推导出来的，即：
2.8.2 直流电动机的反接制动
对位能负载而言，反接制动有两种情况： 一是转速反向的反接制动，另一是电压反 接的反接制动。
直流电机调速公式
直流电机调速公式
直流电机的调速公式为：E=Cφn，其中E是电枢绕组中的感应电动势，近似等于电机的外加电枢电压；C是与电机结构有关的常数；φ是电机励磁磁通；n是电机转速。
另外，直流电机调速的方法有两种：恒转矩调速和恒功率调速。
恒转矩调速是在气隙磁通恒定下调整电枢电压U，就可以调整直流电机的转速n；而恒功率调速是在电枢电压U恒定下调整气隙磁通Φ，同样可以调整电机的转速n。
以上内容仅供参考，如需更多信息，建议查阅直流电机相关书籍或咨询专业人士。
第二章 单闭环直流调速系统ppt课件
由于反馈电压与给定电压同为负，成为正反馈，只要给定电压稍大 于零，经反馈电压叠加后，偏差电压会越来越大，电机转速急速升高，造 成飞车事故。
在转速单闭调速实验中表现为：给定从零增加一点，电机转速急速 升高，再减小给定，电机转速不减小，失控。
四、闭环调速与开环调速的比较
静特性方程： nCKep1KsUKn*Ce1RKId 闭环转速降
nb
IdR
1 K Ce
机械特性方程： n U d I d R
Ce
开环转速降
nk
IdR Ce
① 闭环静特性比开环机械特性硬得多。负载电流相等时
nb
nk
1 K
②
闭环系统的静差率要比开环小得多。理想空载转速相等时，
1、开环调速系统采用正给定电压，为什么单闭环调速系统要采用负 给定电压？改变给定电压时调节哪个旋钮？
2、为什么要求触发电路中Ulf端接地？ 3、接线前，设备初始状态检查和调整包含哪些注意事项？ 4、什么是触发电路的最大移相控制电压？如何测出该电压值？ 5、主电路中为什么要串入电抗器？值取多大？ 6、怎样将两个可调电阻并联使用？ 7、怎样判断转速反馈是负负馈？如果接成了正反馈，怎样改正？ 8、怎样测试调节器放大系数、整流装置放大系数和转速反馈系数？
② 被控量总是跟随给定量变化。 即转速跟随给定电压变化。 ③ 闭环系统对作用于闭环内前向通道上的干扰有调节作用。 而作用于 闭环外或非前向通道上的干扰没有调节作用。
.
14
.
15
思考题：
1．什么是有静差调速系统？
2．闭环调速系统对什么样的干扰有调节作用？ 试举例说明。
.
16
直流电动机的调速方法
直流电动机的调速方法1.改变牵引电动机端电压U D ：U D=D A U FA D ——主电路每条之路串联的电动机台数；上式说明：改变每条支路电动机台数叫串并联转换。
若两台电动机是串联 A D =2;若两台电动机是并联 A D =1;电动机端电压增加一倍，电动机转速n D 就可以提高一倍。
故提高电动机端电压可以通过主电路中串并联转换，也可以通过调节发电机的端电压U F 进行。
2.电动机的磁场削弱：直流电动机的速率特性DL D D D D C R I U n Φ-= U D ——端电压（V ）；I D ——电枢电流（A ）；R D ——电动机内部电阻；C E ——与电机有关常数；D φ——电动机的励磁磁通（wb ）下图说明磁场削弱原理，串励绕组两端并联一级或数级分路电阻。
a.削弱前 b.削弱后a.磁场削弱进行之前削弱接触器X C 没有闭合，磁场削弱电阻对串励绕阻W 不起作用，即串励绕阻的绕阻电流等于电枢电流 I D =I DL ，这种状态为“满磁场”。
b. 磁场削弱接触器X C 闭合后，磁场削弱电阻对串励绕阻W 起分路作用，所流过绕阻电流若是小于电枢电流，即，I DL ＜I D 这种状态就是磁场削弱。
电动机励磁电流I DL 与电枢电流比值β%表示磁场削弱的深度，β称电动机磁场削弱系数。
β=D DL I I （%）在恒压情况下, 按n D=D e DD D C R I U φ- D φ减小，n D 增加说明由恒电压电源供电的电动机，磁场削弱后电动机的稳定转速要高于磁场削弱前电动机的转速。
但n D 是靠从电源取得更大的功率来保证。
3.变压下的磁场削弱时的速率特性和转矩特性对于串励电动机，在磁场削弱的情况下，励磁电流只是电枢电流的一部分，即I DL = β I D 若电动机的磁通D φ与励磁电流DL I 成正比从n D=De D D D C R I U φ-看出，同一D I 下n D 提高了β1倍。
从D M D I C M D φ=（C M ——电动机有关常数）可以看出转矩M D 减小了β倍。
电机与拖动课后习题答案
答：PWM开关频率快、周期短。 直流PWM变换器和晶闸管整流装置均可看作是一阶惯性 环节。其中直流PWM变换器的时间常数Ts等于其IGBT控 制脉冲周期（1/fc），而晶闸管整流装置的时间常数Ts通常 取其最大失控时间的一半（1/（2mf））。因fc通常为kHz 级，而f通常为工频（50或60Hz），m为一周内整流电压的 脉波数，通常也不会超过20，故直流PWM变换器时间常数 通常比晶闸管整流装置时间常数更小，从而响应更快，动 态性能更好。
2-5 在直流脉宽调速系统中，当电动机停止不动时， 电枢两端是否还有电压？电路中是否还有电流？为什 么？ 答：电枢两端还有电压，因为在直流脉宽调速系统中， 电动机电枢两端电压仅取决于直流PWM变换器的输 出。电枢回路中还有电流，因为电枢电压和电枢电阻 的存在。 2-6 直流PWM变换器主电路中反并联二极管有何作 用？如果二极管断路会产生什么后果？ 答：为电动机提供续流通道。若二极管断路则 会使电动机在电枢电压瞬时值为零时产生过电 压。电枢电压不可控，无法调速
第一次习题课
第2章
转速反馈控制的直流调速系统 （思考题）
思考题
2-1:直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？
答：（1）调节电枢供电电压； 一定范围内无级平滑调速 （2）减弱励磁磁通； 小范围内平滑调速，往往与调压方案配 合使用 （3）改变电枢回路电阻 动机系统比晶闸管整流 器—电动机系统能够获得更好的动态性能？
2-9 在晶闸管整流器-电动机开环调速系统中，为什么转速随负 载增加而降低？
答：负载增加意味着负载转矩变大，电机减速，并且在减速过程中， 反电动势减小，于是电枢电流增大，从而使电磁转矩增加，达到与 负载转矩平衡，电机不再减速，保持稳定。故负载增加，稳态时， 电机转速会较增加之前降低。
《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法
《电力拖动自动控制系统》-第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法第二章转速、电流双闭环直流调速系统和调节器的工程设计方法内容提要：转速、电流双闭环控制的直流调速系统是应用最广性能很好的直流调速系统。
本章着重阐明其控制规律、性能特点和设计方法，是各种交、直流电力拖动自动控制系统的重要基础。
我们将重点学习：●转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性●双闭环直流调速系统的数学模型和动态性能分析●调节器的工程设计方法●按工程设计方法设计双闭环系统的调节器●弱磁控制的直流调速系统2.1 转速、电流双闭环直流调速系统及其静特性问题的提出：第1章中表明，采用转速负反馈和PI调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。
但是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。
1. 主要原因是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。
在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值 Idcr 以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。
2．理想的启动过程a) 带电流截止负反馈的单闭环调速系统b) 理想的快速起动过程 2-1直流调速系统起动过程的电流和转速波形性能比较：带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程如图所示，起动电流达到最大值Idm 后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。
理想起动过程波形如图所示，这时，起动电流呈方形波，转速按线性增长。
这是在最大电流（转矩）受限制时调速系统所能获得的最快的起动过程。
3. 解决思路为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值Idm的恒流过程。
按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变，那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。
第2章 转速反馈控制的直流调速系统(第三周)
1. 被调量有静差
从静特性分析中可以看出，由于采用了比例放大
器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳 态性能越好。然而，Kp =常数，稳态速差就只能减 小，却不可能消除。因为闭环系统的稳态速降为
ncl
RI d Ce (I
K)
只有 K = ，才能使 ncl = 0，而这是不可能的。
因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。实际
式中: K KpKs 闭环系统的开环放大系数
Ce
系统的静特性方程式
n
K
p
KsU
* n
RId
Ce (1 K ) Ce (1 K )
2.3 转速反馈控制的直流调速系统
2.3.2 比例控制的直流调速系统
闭环系统静特性和开环系统机械特性
n op
n cl
n
K
p
KsU
* n
RId
(静特性方程)
n
K
p
K
sU
✓nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低转速
✓一般取nN≈nmax
2.2 稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
2.2.1转速控制的要求和稳态调速性能指标
稳态性能指标：
调速范围 静差率
D= nmax n min
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加
到额定值所对应的转速降落ΔnN与理想空载转速n0之比：
比较一下开环系统的机械特性和闭环系统的静特 性，就能清楚地看出反馈闭环控制的优越性。如果 断开反馈回路，则上述系统的开环机械特性为
n Ud0 IdR Ce
K
p
KsU
* n
Ce
RId Ce
n0op
他励直流电机的调速
DPL min
显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。
19
他励直流电动机的调速
4、恒功率负载配恒转矩调速
1 负载转矩 TL n n n max
nmin TL
电动机容许输出转矩 T C 只有在最低转速时才有：
P PL
T T
T TL
Ia I N
电机得到了充分利用。 在高于最低转速时： 电机未被充分利用。
16
T TL
Ia I N
他励直流电动机的调速
2、恒功率负载配恒功率调速
T PL和 P 均为常数， L 和 T 均与 n 成反比，只 要选择 P 与 PL 相等， 在任何转速下均有：
n
T
TL
P PL
这是一种理想的配合，转速 电机既满足了负载要求， 是从额定转速向上调，所以 又得到了充分利用。 额定转速为系统的最低转速。
9
他励直流电动机的调速
n02
3、减弱磁通调速 n
C
B A TL
n
iaHale Waihona Puke ian2 n01 n1
nN
n0
I a1
I aN
A’
2 1 N
n1
nN
Tem t=0
n t
10
他励直流电动机的调速
优点： 由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而
控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。 弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大， 但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率 基本不变，因此经济性是比较好。
3
他励直流电动机的调速
D与δ%相互制约：
nmax nmax nmax nmax D nmin n0 min n N n N n N (1 ) n N
直流电动机的调速方法
直流电动机的调速方法直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。
直流电动机调速系统较早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。
该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。
30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。
这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。
但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。
近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。
特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。
电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为(1)式中Ua——电枢供电电压（V）；Ia ——电枢电流（A）；Ф——励磁磁通（Wb）；Ra——电枢回路总电阻（Ω）；CE——电势系数，，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。
由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。
1. 改变电枢回路电阻调速各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图1(a)所示。
此时转速特性公式为(2)式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。
{{分页}}图1(a) 改变电枢电阻调速电路图1(b) 改变电枢电阻调速时的机械特性当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低。
第2章1直流电动机调速方法讲课教案
常用的可控直流电源有以下三种
旋转变流机组——用交流电动机和直流发 电机组成机组，以获得可调的直流电压。
静止式可控整流器——用静止式的可控整 流器，以获得可调的直流电压。
直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定 直流电源或不控整流电源供电，利用电力 电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产 生可变的平均电压。
i
O
用晶闸管 VT1 和VT4 中仍流过
VT 2,3
O i
电流id，并不关断
2
O u
VT 1,4
至ωt=π+a 时刻，给VT2和VT3 O
加触发脉 冲 ，因VT2 和 VT3本
已承受正电压，故两管导通
wt
I
d
I
d
I
d
I
d
wt Id
wt
wt wt wt
wt
b)
图2-8 单相半控桥带 阻感负载时的电路及波形 21
制电压 Uc 来移动触发脉冲
的相位，即可改变整流电压
Ud ，从而实现平滑调速。
图2-8a 单相全控桥电路
20
晶闸管整流电路原理
➢ 为便于讨论，假设电路已工作
于稳态，id的平均值不变。
2
O
➢ 假设负载电感很大，负载电流 u
d
id连续且波形近似为一水平线
O
i
d
u2过零变负时，由于电感的作
iO
VT 1,4
n0
调节过程：
增加电阻 Ra R R n ，n0不变；
调速特性：
转速下降，机械特性 O 曲线斜率变大，特性
变软。
UR n I
Ke Ke
nN
n1
Ra
n2 n3
直流电动机的三种调速方法
直流电动机的三种调速方法
直流电动机的三种调速方法包括：
1. 电压调速方法：通过改变直流电动机的电压来调节转速。
当提高电压时，电动机的转速也会增加，反之亦然。
这种方法简单、成本较低，但调速精度较低。
2. 变阻调速方法：通过改变电动机的外部电阻来控制电流大小，从而达到调节转速的目的。
增加电阻会减小电流，从而使转速降低。
这种方法精度较高，但效率较低。
3. 脉宽调制（PWM）调速方法：通过改变直流电动机的供电电压的脉宽比来调节电流大小，从而控制转速。
通过不断调整脉宽比，可以实现精确的调速效果。
这种方法具有较高的调速精度和较高的效率，被广泛应用于各种直流电动机的调速控制系统中。
直流电机调速概述
M
o
M2
M1
一、调速指标：
两大指标：技术指标和经济指标。
（一）、技术指标：
包括调速范围D，静差率δ%， 平滑性，调速时的允许输出。
1、调速范围D：
D nmax Vmax nmin Vmin
不同生产机械要求的调速范围是不同的。
车床D=20---120；龙门刨床D=10---40； 轧钢机D=3---120；造纸机D=3---20等。 D指生产机械的总的调速范围。 机械和电气配合的为两者调速范围的乘积。
(3)、电动机在转速反向的反接制动下工作， 转速为－600转/分，电枢电流为50安， 求电枢内串联的电阻，电机轴上的转矩， 电网供给的功率，电机轴上输入的功率， 电枢回路外串电阻消耗的功率各为多少？
2、一台他励电动机，U N 220伏，I N 53.7安
PN 10千瓦，nN 3000 转 / 分，
相邻两级转速之比，
ni1
ф=1为无级调速，连续可调，级数接近于无穷大，
一般ф取为1.26,1.14,1.58 等。
4、调速时的容许输出
指电机在得到充分利用的情况下， 在调速过程中轴上所能够输出的功率和转矩。
T=CTΦIa P=TΩ/1000=(T/1000)*(2πn/60)=Tn/9550 P的单位为千瓦。 不同类型的电机采用不同的调速方法， 容许输出的功率与转矩随转速变化的规律是不同的。
U0—整流电压，R0—整流装置内阻，
若是机组为发电机电枢电阻。
优点：特性硬度不变，D大，平滑性好。但投资大。
n
U1
U2
0
U3 T U4
三、弱磁调速
1、物理过程：小容量可在励磁回路串接可调电阻，
大容量用单独可控硅整流装置向励磁回路供电。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
I TL KT
原因：
负载不变，则定子电流保持不变，随着 转速下降，外加电阻损耗加大！
8
2.1.2 改变电枢电压调速
工作条件：
保持励磁 = N ； n
保持电阻 R = Ra；
n0
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 O
制电压 Uc 来移动触发脉冲
的相位，即可改变整流电压
Ud ，从而实现平滑调速。
图2-8a 单相全控桥电路
21
晶闸管整流电路原理
➢ 为便于讨论，假设电路已工作
于稳态，id的平均值不变。
2
O
➢ 假设负载电感很大，负载电流 u
d
id连续且波形近似为一水平线
O
i
d
u2过零变负时，由于电感的作
iO
VT 1,4
14
常用的可控直流电源有以下三种
旋转变流机组——用交流电动机和直流发 电机组成机组，以获得可调的直流电压。
静止式可控整流器——用静止式的可控整 流器，以获得可调的直流电压。
直流斩波器或脉宽调制变换器——用恒定 直流电源或不控整流电源供电，利用电力 电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产 生可变的平均电压。
+
-
U
+ Ea -
Ia
M
Ra+Rc If
以及励磁电流。
＋ Uf
－
4
2.1 直流电机调速方法
他励直流电动机的基本方程式
U E IR
E
Ken
n U IR Ke
(2-1)
式中 n — 转速（r/min）；
U — 电枢电压（V）；
I — 电枢电流（A）； R — 电枢回路总电阻（ ）； — 励磁磁通（Wb）； Ke — 由电机结构决定的电动势常数。
32
思考
1.设计一种串电阻启动的电阻投切控制电 路，并绘制电流及转速随时间的变化曲线
2.把一个高频方波电压直接加到电机绕组 上，电流如何变化？
返回目录
33
15
2.2.1 旋转变流机组
图2-4旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
16
• G-M系统工作原理
由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机） 拖动直流发电机 G 实现变流
由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电，拖动 直流发电机 G E发电作为G的励磁电源。
调节G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U， 从而调节电动机的转速 n 。
工作条件：
保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ；
调节过程： 减小励磁 N
n ， n0
调速特性： 转速上升，机械特性 曲线变软。
n U R I
n
Ke Ke
n3
n0
nn12 nN
N
1
2 3
O
TL
Te
图2-3 调磁调速特性曲线 11
2.1.3 调磁调速
工作效率：
工作效率
23
• 等效电路分析
如果把整流装置
内阻移到装置外边，
看成是其负载电路
R
L
电阻的一部分，那 + 么，整流电压便可
Id
+
以用其理想空载瞬
Ud0
E
时值 ud0 和平均值
_
_
Ud0 来 表 示 ， 相 当
于用图示的等效电
路代替实际的整流 电路。
图2-9 V-M系统主电路的等效电路图
24
• 瞬时电压平衡方程
路的形式而异，对于一般的全控整流电路，
当电流波形连续时，Ud0 = f () 可用下式
表示
26
• 整流电压的平均值计算
U d0
2 π Um
cos
(2-2)
式中 —从自然换相点算起的触发脉冲控制角； Um— = 0 时的整流电压波形峰值；
特点: 用触发脉冲的相位角 控制整流电 压的平均 值Ud0
这 样 的 调 速 系 统 简 称 G-M 系 统 ， 国 际 上 通 称 Ward-Leonard系统。
17
• G-M系统机械特性
第II象限
n
n0
-TL O
第I象限
n1 n2
TL
Te
第III象限
第IV象限
图2-5 G-M系统机械特性
18
• G-M系统的特点
可实现正反转运行以及电机转速的连续调节，解 决了早期直流电机的调速控制问题
减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往 往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速） 以上作小范围的弱磁升速。 因此，现代直流调速系统以调压调速为主。
13
2.2 直流调速系统中的可控直流电源
根据前面分析，调压调速是直流调速系 统的主要方法，而调节电枢电压需要有 专门向电动机供电的可控直流电源。 本节介绍几种主要的可控直流电源。
27
3.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性
当电流连续时，V-M系统的机械特性方程式为
n
1 Ce
(U d 0
IdR)
1 Ce
(2 π
Um
cos
IdR)
（2-3）
式中 Ce = KeN —电机在额定磁通下的电动势系数。
28
3.2.4 晶闸管-电动机系统的机械特性
n
改变控制角，得一
族平行直线，这和 G-M 系 统 的 特 性 很 相似，如右图所示。
5
2.1 直流电机调速方法
可以看出，有三种方法可以调节电动机 的转速：
（1）改变电枢回路电阻 R； （2）调节电枢供电电压 U ；
（3）减弱励磁磁通 。
下面分别从其调速原理，机械特性，工作效率 几方面进行分析。
6
2.1.1 改变电枢回路电阻调速
工作条件：
保持励磁 = N ； n
保持电压 U =UN ；
ud0
E
id R
L
did dt
式中
E — 电动机反电动势；
id — 整流电流瞬时值； L — 主电路总电感；
R — 主电路等效电阻；
且有 R = Rrec + Ra + RL；
(2-2)
25
整流电压控制
对ud0进行积分，即得理想空载整流电压 平均值Ud0 。
Ud0与触发脉冲相位角 的关系因整流电
△n = Id R / Ce
O
IL
Id
图2-10 电流连续时V-M系统的机械特性
29
• V-M系统的特点
与G-M系统相比：
经济性和可靠性上都有很大提高 技术性能上显示出较大的优越性。晶闸管可控
整流器的功率放大倍数在104 以上，其门极 电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发 电机那样需要较大功率的放大器。 在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而 晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的 动态性能。
n0
调节过程：
增加电阻 Ra R R n ，n0不变；
调速特性：
转速下降，机械特性 O 曲线斜率变大，特性
变软。
n U R I Ke Ke
nN
n1
Ra
n2 n3
R1
R2
R3
IL
I
图2-1 调阻调速特性曲线 7
2.1.1 改变电枢回路电阻调速
工作效率：
工作效率
电机电磁功率 电源输出功率
工作效率 EI Ken UI U
30
• V-M系统的问题
由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反 向，给系统的可逆运行造成困难。
晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与 di/dt 都十分敏感，若超过允许值会在很短的 时间内损坏器件。
由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变， 殃及附近的用电设备，造成“电力公害”。
31
小结
三种调速方法 两种可控直流电源
第2章 直流电机调速系统
内容提要 2.1 直流电机调速方法 2.2 直流调速系统中的可控直流电源 2.3 直流PWM调速方法 2.4 直流电机闭环调速系统
1
第2章 直流电机调速系统
内容提要 2.1 直流电机调速方法 2.2 直流调速系统中的可控直流电源 2.3 直流PWM调速方法 2.4 直流电机闭环调速系统
电机电磁功率 电源输出功率
工作效率 EI U IR UI U
说明：在较大调速范围内，电机工作效率保持不 变！
12
▪ 三种调速方法的性能比较
改变电阻调速工作效率较低；只能实现有级调速； 目前在大功率直流电机的启动等方面有所应用；
调节电枢供电电压的方式在一定范围内可实现无级 平滑调速，工作效率高；
2
引言
直流电动机具有如下优点：
良好的起、制动性能 - 线性的转矩-电流曲线
调速范围宽
- 线性的机械特性曲线
控制算法简单，易于实现
在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领 域中得到了广泛的应用
3
2.1 直流电机调速方法
他励直流电动机等效电路
他励直流电动机等效 回路：定子电感，定 子电阻，供电电压， 定子电流，励磁绕组
曲线平行下移。
n U R I Ke Ke
nN
n1
UN
n2
U1
n3
U2
U3
IL
I
图2-2 调压调速特性曲线 9
2.1.2 改变电枢调压调速
工作效率：
工作效率
电机电磁功率 电源输出功率
工作效率 EI Ken 1 UI IR Ken
说明：在较大调速范围内，电机工作效率近似不 变！
10
2.1.3 调磁调速