第五章 直流电动机调速控制系统

一. 可控变流装置
1.旋转变流机组
结构如图 工作原理： 交流电动机为原动机，工作时 转速基本恒定，由它拖动的直流 发电机G给需要调速的直流电动M 的电枢供电。GE为一台小型直流 发电机，可与交流电动机、直流 发电机同轴相连，也可另设一台 小型交流电动机对其拖动，它提 供一小容量的直流电源供直流发 电机和直流电动机励磁用，所以 又称GE为励磁发电机。旋转变流 机组供电的直流调速系统可简称 为G-M系统。改变G的励磁电流If 的大小时，也就改变了G的输出电 压U，进而改变了直流电动机M的 转速 。
2. 转速负反馈调速系统静特性分析
静特性通常是指闭环系统在稳态工作时电动机的转速 n 与负载电流I（或转矩M） 的关系。即：
n f (I )
（5-7）
研究系统的静特性，就是要找出减小稳态速降，扩大调速范围的途径，改善系 统的调速性能。以带有转速负反馈的V—M系统为例，给出求系统静特性的一般方 法和步骤 。常用方法有： 一种是在得到各环节的输入输出关系以后，联立各环节的表达式，消去中间 变量求取静特性方程。 第二种方法是在求得各环节输入输出关系后画出系统的稳态结构图，然后运用 结构图的变换规则及线性系统分析的叠加原理来求取系统的静特性方程。
第五章 直流电动机 调速控制系统
提纲
第一节 直流调速的基础知识
第二节 反馈控制直流调速系统 第三节 无静差直流调速系统 第四节 直流可逆调速系统简介
第一节 直流调速的基础知识
直流电动机
电动机 交流电动机 电力拖动系统 交流调速系统 直流调速系统
直流电动机优点： 转矩易于控制，具有良好的起制动性能，在相当长的时间内 ，一直在高性能调速领域占有绝对的统治地位。此外，直流调 速技术方面的理论相对成熟，其研究方法和许多基本结论很容 易在其它调速领域内推广，所以直流调速一直是研究调速技术 的主流。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而 且从控制角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此， 为了保持由浅入深的教学顺序，本章将对直流调速的基本理论 做较详细的介绍。
二. 转速负反馈自动调速系统
1. 转速负反馈调速系统的组成及工作原理
与上图不同的是加了电压放大器。 其作用一是为了解决因反馈信号作 用，正常工作为得到足够的触发器 控制电压使所需给定电源电压过高 的问题，二是提高闭环调整精度的 需要。
工作原理： 系统中，由给定电位器给出一个 控制电压Un，与反馈回来的速度反 馈电压Un一起加到放大器输入端上， 其差值信号 Un=Un- Un被放大Kp倍 后，得Uct做为触发器的控制信号，触 发器产生相应相位的脉冲去触发整流 器中的晶闸管。整流输出的直流电压 Ud加在了电枢两端，产生电流Id，使 电动机以一定的转速旋转。
n0 n1 nnom S n0 n0
（5-3）
静差率百分数表示：
S
nnom 100% n0
对一般系统来说，S越小时说明系统转速的相对稳定性越好。而对同一系统 而言，静差率不是定值，电动机工作速度降低时，静差率就会变大。请看图5-5。 给出了系统两条稳定工作特性，对应 于电枢上两个不同的外加电压。对于调压 调速来说，两条特性是平行的，即在负载 相同时，两种情况下转速降落值应是相同 n nom 的，若是额定负载，两者的速降均为 。而根据静差率S的定义，因 n01 n 02 ， 显然有S1<S2。
其中，调速范围D、静差率S取决于生产加工工艺要求 ，是无法变更的。为使上式成立，只能设法减少额定负载下 的转速降落。 无反馈控制的开环调速系统，额定负载下的转速降落值为：
n nom I dnom R Ce
其中，R是电枢回路总电阻，为系统固有参数， Idnom是对 应额定负载时的电流，也是固定的。所以，一般开环系统无 法满足一定调速范围和静差率性能指标要求。
直流调速的基础知识
在稳定运转时，直流电动机的转速与其它参量的关系 ：
n
式中：
U IR Ke
（5-1）
n ——电机转速（r/min）
U I R Ke
——电枢电压（V）
——电枢电流（A）
——电枢回路Baidu Nhomakorabea电阻（ ） ——励磁磁通（Wb） ——由电机结构决定的结构常数
由（5-1）式可知，直流电动机的调速方法有三种：
3. 直流斩波器
图5-4 斩波器 -电动机系统的原理图和电压波形图
工作原理： 图5-49a中，当VT被触发导通时，电源电压Us加到电动机电枢上；当VT在控 制信号作用下，通过强迫关断电路关断时，电源与电动机电枢断开，电动机经二 极管VD续流，此时，图中A、B两点间电压接近零。若使晶闸管反复通断，就得 到A、B间电压波形如图b。常用的是周期T不变，改变导通时间ton,进而改变输出 直流电压平均值，最终完成转速调节，这种方式称脉冲宽度调制，此时系统简称 PWM调速系统。目前，由于全控型电力电子器件的发展，作为开关用的VT（半 控型）已被取代，线路被优化，性能更优越。
结论：调速系统只要在调速范围的最低 工作转速时满足静差率要求，则其在整个调 速范围内都会满足静差率要求。
图5-5 不同转速下的静差率
3. 调速范围与静差率的关系 静差率和调速范围必须同时考虑才有意义，由各自的 定义式可知：提调速范围时，任何系统的调速范围都可以 很大；而单提静差率，大多数系统也会较容易满足。 对同一个系统 ，有：
n f (I )
在第一种方法中，联立上述五个关系式并消去中间变量，整理后,即得转速负 反馈闭环调速系统的静特性方程式：
n
式中：
K p K sU n RId Ce(1 K p K s / Ce)
图5-7 采用比例放大器的转速负反馈闭环调速系统
我们知道测速发电机的电枢电动势Etg为：
Etg Ketgtgn
其中：
（5-6）
Ketg ——由测速机结构决定的常数
tg ——测速发电机励磁磁通量
n ——测速发电机转速，即电动机转速
由于Ketg、 tg是不变的常量，测速机与电动机同轴联接是同一个转速 n，所
方法一：
电压比较环节：
放大器： Uct=KpUn
晶闸管触发与整流装置： Udo=KsUct
Un=UnUn
速度检测环节：
Un n
图5-8 转速负反馈闭环调速系统稳态结构图
V-M系统开环机械特性 其中： Kp——放大器的电压放大系数 Ks——晶闸管触发与整流装置的电压放大系数 ——测速反馈系数，单位为Vmin/r
nnom S n0nin
nnom (1 S )nnom nmin n0 min nnom nnom S S
由调速范围（对于调压调速
nmax nnom ），
n D max nmin
nnom nmin
将上页的 nmin 表达式代入本式，得
nnomS D nnom(1 S )
以测速机的电枢电动势 Etg 反映了电动机的转速。测速机电动势 Etg与其电枢端 电压Utg 相差无几，在这个意义上我们说，测速机电枢两端的电压Utg 反映了电 动机的转速。
调速过程：
在稳态工作时，假如电动机工作在额定转速，当负载增加时，电流Id增大，电 动机转速 n 下降，测速发电机 Utg减小，Un按分压关系成比例减小，由于速度给定 电压Un没有改变，所以Un 增大，放大器输出Uct增大，它使晶闸管整流器控制角 减小（导通角增大），使晶闸管整流电压Ud增加，电动机转速回升到接近原来的额 定转速值。过程：
1. 改变电枢回路电阻R
对于要求大范围无级调速的系统 来说，改变电枢回路总电阻的方案难 以实现
2. 改变励磁磁通Ф
改变电动机磁通Ф的方案虽然可以平 滑调速，但调速范围不可能很大
3. 改变电枢外加电压U
调速范围宽、简 单易行、负载适应性 广，是当今直流电动 机调速的主要方法。
调电枢端电压U的方法调速，此时 电动机磁通Ф应为最大值(额定值)且保 持不变，以求得充分发挥电动机的负 载能力。而在额定转速(基速)以上时， 因电枢端电压U已不允许再增加，可采 用减弱磁通Ф的方法使电动机的转速 进一步提高，从而提高整个系统的速 度调节范围
如果在负载增加的同时设法增大系统的给定电压 Un，就会使电动机电枢两端的 电压Ud增大，电动机的转速就会升高。若Un增加量大小适度，就可以使因负载增加 而产生的 n被Ud升高而产生的速升所弥补，结果会使转速n接近保持在负载增加前 的值上。 这样，既能使系统有调速能力，又能减少稳态速降，使系统具有满足要求的调 速范围和静差率。 系统组成如图 我们可以在与调速电动机 同轴接一测速发电机TG，这 样就可以将电动机转速 n 的大 小转换成与其成正比的电压信 号Un，把Un与Un相比较后， 去控制晶闸管整流装置以控制 电动机电枢两端的电压Ud就 可以达到控制电动机转速 n 的 目的。
图5-6 转速闭环调速系统
转速闭环调速原理：
Un反映了电动机的转速，并被反回到输入端参与了控制， 故称做转速反馈。又因为Un极性与给定信号Un 相反，所以进 一步称为转速负反馈。 当电动机负载增加时，转速n下降，Un 下降，而Un 没变， Un=Un_ Un 增大，晶闸管整流器输出电压Ud增高，电动机转速 回升，使转速接近原来值；而在负载减少，转速 n上升时，Un 则会增大，Un 会下降，Ud也会相应降低，电动机转速 n 下降 到接近原来转速。 这种系统是把反映输出转速 n的电压信号Un 反馈到系统输入 端，与给定电压 Un 比较，形成了一个闭环。由于反馈作用，系 统可以自行调整转速，通常把这种系统称作闭环控制系统。又由 于是反馈信号作用，达到自动控制转速的目的，所以常把这种控 制方式称做反馈控制。
GT为晶闸管触发装置 ，V为晶闸管整流器， 合起来为一可控直流电 源。可控直流电源给直 流电动机电枢供电组成 直流调速系统。这类直 流调速系统简称V-M系 统
工作原理： 改变GT的输入信号大小，就可改变GT输出脉冲的相位，晶闸管在不同的相位 处开始导通，使整流器输出的电压平均值Ud大小变化，进而改变电动机的转速。 和传统的G-M系统相比，晶闸管可控直流电源的功率放大倍数高出旋转变流机组 两到三个数量级，而系统反应速度也要高出二个数量级以上。
二. 转速控制的要求和调速指标
调速 稳速 速度变化率
1.调速范围
生产机械要求电动机所提供的最高转速与最低转速之比称为调速系统的调速 范围。常用字母D来表示。
nmax D nmin
2.静差率
（5-2）
nmin 通常指电动机带上额定负载时的转速值。 这里 nmax 、
系统转速的变化主要由负载变化引起，反映负载变化对转速影响的一个指标 被定义为静差率。其定义为：调速系统在额定负载下的转速降落与理想空载转速 之比。静差率用字母S表示：
（5-5）
上式表明，同一系统的调速范围、静差率和额定转速 降落三者之间有密不可分的联系。对静差率值要求越小， 能得到的调速范围也将越小。 Back
第二节 反馈控制直流调速系统
一. 反馈控制的基本概念
系统的调速范围、静差率、额定负载下的转速降落之间 有确定的关系式： nnomS
D nnom(1 S )
负载nUtgUnUnUctUdn
同理当负载下降时转速 n上升，其调整过程可示意为：
负载nUtgUnUnUctUdn
转速负反馈控制系统有两个主要特点：
（1）利用被调量的负反馈进行调节，也就是利用给定量与反馈量之差即误差进行控 制，使之维持被调量接近不变。 （2）为了尽可能维持被调量不变，减小稳态误差，这样就得使误差量Un变得很小。 这种系统是靠给定与反馈之差调整的，从原理上说，是不能做到被调量在负载的变化 下完全不变的，总是有一定的误差，因此这类系统叫做“有差调节系统”。
图5-1 旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）
如果改变If的方向 ，则U的极性和n的方 向都跟着改变，实现 G-M系统的可逆运行 。 由于能够实现回馈 制动，G-M系统在允 许的转矩范围内可以四 象限运行，其完整的机 械特性如图5-2 。
图5-2 G-M系统的机械特性
2. 晶闸管整流
图5-3 晶闸管整流装置供电的直流调速