稳态调速性能指标和直流调速系统的机械特性
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2.2 稳态调速性能指标和 直流调速系统的机械特性
任何一台需要控制转速的设备，其生 产工艺对调速性能都有一定的要求。 归纳起来，对于调速系统的转速控制 要求有以下三个方面：
2015-5-5
1
一、调速要求
对于调速系统转速控制的要求： （1）调速——在一定的最高转速和最低转速范
围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节 转速； （2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定 运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动， 以确保产品质量；
2015-5-5 9
注意
调速范围和静差率这两项指标并不是彼此 孤立的，必须同时提才有意义。 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。 调速系统的调速范围，是指在最低速时还 能满足所需静差率的转速可调范围。
2015-5-5
10
例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为 nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min， 1) 当要求静差率s≤30%时，允许多大的调 速范围？ 2) 如果要求静差率s≤ 20%，则调速范围是 多少？ 3) 如果希望调速范围达到10，所能满足的 静差率是多少？
2015-5-5 3
二、调速指标 2、静差率s
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：
n N s n0
（2-28）
用百分数表示
n N （2-29） s 100% n0
2015-5-5
式中
nN = n0 - nN
4
静差率与机械特性硬度的区别
2015-5-5 8
结论：
对于同一个调速系统， nN 值一定，由式（2-28） 可见，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小 时，系统能够允许的调速范围也越小。 静差率用来衡量调速系统在在负载变化下转速的的 稳定度； 机械特性越硬，静差率越小，转速稳定度越高； 调速范围和静差率两个指标合称为调速系统的稳态 性能指标。
U d 0 RId K sU c RId n Ce Ce Ce
2015-5-5
（2-31）
15
ห้องสมุดไป่ตู้
开环调速系统静态结构图
图2-16 开环调速系统稳态结构图
2015-5-5 16
开环调速系统的机械特性
额定速降 ΔnN=RIN/Ce 制约了开环直 流调速系统中 的调速范围和 静差率
图2-17 开环直流调速系统的机械特性
UPE来统一表示可控直流电源。
如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高 ，开环 系统都能满足一定范围内的无级调速。但如果对静差率 有一定的要求，开环系统往往不能满足要求。
2015-5-5 13
开环调速系统的组成及工作原理
2015-5-5
图2－15 开环调速系统的原理图
14
机械特性
开环调速系统中各环节的稳态关系如下： 电力电子变换器 U d 0 K sU c 直流电动机 U d 0 I dR n Ce 开环调速系统的机械特性为
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20
静差率与机械特性硬度的区别（续）
例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在 100r/min时同样降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占 100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落 完了。 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此 孤立的，必须同时提才有意义。 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。
7
3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
nmax nN 而调速范围为 ：D n n min min
nN s D 将上面的式代入 nmin，得： nN (1 s )
（2-28）
由此可得： DnN nN S I dN R S , nN , nN nN DnN D(1 S ) Ce
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nN s 1000 0.05 nN 2.63r / min D(1 s) 20 (1 0.05)
19
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 2.63r/min，相差几乎百倍！
由此可见，开环调速已不能满足要求，需 采用转速反馈控制的闭环调速系统来解决 这个问题。
2015-5-5
18
解:
当电流连续时，V-M系统的额定速降为
I dN R 305 0.18 nN =275r/min Ce 0.2
开环系统在额定转速时的静差率为
nN 275 sN 0.216 21.6% nN nN 1000 275
如要求 D 20 ，s 5% ，即要求
11
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解 1)在要求s≤ 30%时，允许的调速范围为
nN s 1430 0.3 D 5.3 n N (1 s) 115 (1 0.3)
2)若要求s≤ 20%，则允许的调速范围只有
1430 0.2 D 3.1 115 (1 0.2)
3)若调速范围达到10，则静差率只能是
然而静差率和机械 特性硬度又是有区 别的。一般调压调 速系统在不同转速 下的机械特性是互 相平行的 。对于同 样硬度的特性，理 想空载转速越低时， 静差率越大，转速 的相对稳定度也就 越差。 图2-14 不同转速下的静差率
2015-5-5 5
特性a和b的 硬度相同， 特性a和b额 定速降相同， 特性a和b的 静差率不相 同。
2015-5-5 6
3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
电机额定转速nN为最高转速，额定速降为nN，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：
nN nN s n0 min nmin nN
于是，最低转速为：
nmin
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nN (1 s)nN nN s s
Dn N 10 115 s 0.446 44.6% n N Dn N 1430 10 115
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二、 直流调速系统的机械特性（开环调速）
开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。
调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。
晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，用
2015-5-5 17
例题2-2
某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其 额定数据如下：60kW，220V，305A， 1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻 R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。 如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，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ΔnN最多能有多少？
（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、
减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要 求起、制动尽量平稳。
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二、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nmax和最低 转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即 nmax （2-25） D
nmin
nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低 转速； 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可 用实际负载时的最高和最低转速。
任何一台需要控制转速的设备，其生 产工艺对调速性能都有一定的要求。 归纳起来，对于调速系统的转速控制 要求有以下三个方面：
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一、调速要求
对于调速系统转速控制的要求： （1）调速——在一定的最高转速和最低转速范
围内，分挡地（有级）或 平滑地（无级）调节 转速； （2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定 运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动， 以确保产品质量；
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注意
调速范围和静差率这两项指标并不是彼此 孤立的，必须同时提才有意义。 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。 调速系统的调速范围，是指在最低速时还 能满足所需静差率的转速可调范围。
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例题2-1
某直流调速系统电动机额定转速为 nN=1430r/min，额定速降ΔnN=115r/min， 1) 当要求静差率s≤30%时，允许多大的调 速范围？ 2) 如果要求静差率s≤ 20%，则调速范围是 多少？ 3) 如果希望调速范围达到10，所能满足的 静差率是多少？
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二、调速指标 2、静差率s
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：
n N s n0
（2-28）
用百分数表示
n N （2-29） s 100% n0
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式中
nN = n0 - nN
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静差率与机械特性硬度的区别
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结论：
对于同一个调速系统， nN 值一定，由式（2-28） 可见，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小 时，系统能够允许的调速范围也越小。 静差率用来衡量调速系统在在负载变化下转速的的 稳定度； 机械特性越硬，静差率越小，转速稳定度越高； 调速范围和静差率两个指标合称为调速系统的稳态 性能指标。
U d 0 RId K sU c RId n Ce Ce Ce
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ห้องสมุดไป่ตู้
开环调速系统静态结构图
图2-16 开环调速系统稳态结构图
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开环调速系统的机械特性
额定速降 ΔnN=RIN/Ce 制约了开环直 流调速系统中 的调速范围和 静差率
图2-17 开环直流调速系统的机械特性
UPE来统一表示可控直流电源。
如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高 ，开环 系统都能满足一定范围内的无级调速。但如果对静差率 有一定的要求，开环系统往往不能满足要求。
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开环调速系统的组成及工作原理
2015-5-5
图2－15 开环调速系统的原理图
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机械特性
开环调速系统中各环节的稳态关系如下： 电力电子变换器 U d 0 K sU c 直流电动机 U d 0 I dR n Ce 开环调速系统的机械特性为
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20
静差率与机械特性硬度的区别（续）
例如：在1000r/min时降落10r/min，只占1%；在 100r/min时同样降落10r/min，就占10%； 如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占 100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落 完了。 因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此 孤立的，必须同时提才有意义。 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。
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3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
nmax nN 而调速范围为 ：D n n min min
nN s D 将上面的式代入 nmin，得： nN (1 s )
（2-28）
由此可得： DnN nN S I dN R S , nN , nN nN DnN D(1 S ) Ce
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nN s 1000 0.05 nN 2.63r / min D(1 s) 20 (1 0.05)
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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 2.63r/min，相差几乎百倍！
由此可见，开环调速已不能满足要求，需 采用转速反馈控制的闭环调速系统来解决 这个问题。
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解:
当电流连续时，V-M系统的额定速降为
I dN R 305 0.18 nN =275r/min Ce 0.2
开环系统在额定转速时的静差率为
nN 275 sN 0.216 21.6% nN nN 1000 275
如要求 D 20 ，s 5% ，即要求
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解 1)在要求s≤ 30%时，允许的调速范围为
nN s 1430 0.3 D 5.3 n N (1 s) 115 (1 0.3)
2)若要求s≤ 20%，则允许的调速范围只有
1430 0.2 D 3.1 115 (1 0.2)
3)若调速范围达到10，则静差率只能是
然而静差率和机械 特性硬度又是有区 别的。一般调压调 速系统在不同转速 下的机械特性是互 相平行的 。对于同 样硬度的特性，理 想空载转速越低时， 静差率越大，转速 的相对稳定度也就 越差。 图2-14 不同转速下的静差率
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特性a和b的 硬度相同， 特性a和b额 定速降相同， 特性a和b的 静差率不相 同。
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3. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
电机额定转速nN为最高转速，额定速降为nN，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：
nN nN s n0 min nmin nN
于是，最低转速为：
nmin
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nN (1 s)nN nN s s
Dn N 10 115 s 0.446 44.6% n N Dn N 1430 10 115
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二、 直流调速系统的机械特性（开环调速）
开环调速系统，即无反馈控制的直流调速系统。
调节控制电压Uc就可以改变电动机的转速。
晶闸管整流器和PWM变换器都是可控的直流电源，用
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例题2-2
某龙门刨床工作台拖动采用直流电动机，其 额定数据如下：60kW，220V，305A， 1000r/min，采用V-M系统，主电路总电阻 R=0.18Ω，电动机电动势系数Ce=0.2Vmin/r。 如果要求调速范围D=20，静差率s≤5%，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ΔnN最多能有多少？
（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、
减速尽量快；不宜经受剧烈速度变化的机械则要 求起、制动尽量平稳。
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二、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nmax和最低 转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即 nmax （2-25） D
nmin
nmax和nmin是电动机在额定负载时的最高和最低 转速； 对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可 用实际负载时的最高和最低转速。