第六章 直流调速系统

1. 第六章 直流调速系统 §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 §6-2 无静差直流调速系统 §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 §6-7 可逆直流调速系统 . 6-1 .

2. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 直流电动机的调速方法有几种？ 直流电动机的转速公式： 由此可以看出，直流电动机有三种调速方法： (1) 改变电枢供电电压Ud (2) 改变磁通Φ （3）改变电枢回路电阻（串附加电阻） . 6-2 .

3. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 • 一、开环调速系统 1．系统的组成 • 直流电动机 . 6-3 .

4. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 当电动机处于稳态运行时，did/dt=0，dn/dt=0，上式可写成 • 晶闸管整流电路 作用：把交流电变换成直流电。 晶闸管有很多优点，但使用不当也会出现故障，甚至损坏元件，应加保护电路。 形式：单相整流电路和三相整流电路。 6-4

5. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 • 触发电路 形式：单结晶体管触发电路、正弦波触发电路、 锯齿波触发电路。 2． 基本工作原理 给定输入信号Uc，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使交流电源整流出直流电压Udo供给直流电动机，使电动机以一定的速度旋转。 • 电动机的机械特性为： 其中 • 为系统的开环稳态速降 . 6-5 .

6. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 缺点：当外界有扰动（例如负载波动）时，开环系统不能自动进行补偿。 • 二、转速负反馈有静差直流调速系统 增加放大环节 增加了转速检测环节 . 6-6 .

7. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 系统的自动调节过程： TL↑→n↓ →Ufn↓ →ΔU↑=Usn-Ufn →Uk↑ →脉冲前移 →Ud↑ →n↑ • 具有比例放大器的调速系统一定是有差的。 如无差，则ΔU=0→Uk、Udo均为零，电动机不可能旋转。 • 三、闭环系统的稳态数学模型 • 1.稳态框图 放大器：ΔU=Usn-Ufn • Uk=KpΔU • Kp为放大器的放大倍数 触发器和晶闸管整流装置：Udo=KtrUk . 6-7 . Ktr为触发器和晶闸管整流装置的放大倍数

8. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 电动机： 其中 反馈环节：Ufn=αnn 式中αn为速度负反馈系数 系统的稳态框图: . 6-8 .

9. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 • 2.系统的静特性方程式： 其中 ——闭环系统的稳态速降 Kn=KpKtrKmαn 为转速负反馈系统的开环放大倍数。 3.系统的静特性分析： 加转速负反馈后，闭环系统的稳态速降Δnc是开环系统转速降Δn0的1/（1+Kn）倍。 . 6-9 .

10. §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 闭环后使机械特性变硬的物理实质: n n0 闭环 B C A Udo3 Udo2 开环 Udo1 Id Id1 Id3 闭环系统中，由于引入转速负反馈，转速稍有下降，反馈电压也随之减少，通过放大器的比较和放大，提高晶闸管整流装置的输出电压Udo1，使系统工作在新的机械特性上，因而转速能有所回升，使得闭环系统的稳态速降比开环时小得多。 §6-1 . 6-10 .

11. §6-2 无静差直流调速系统 • 、比例-积分调节器 输入与输出关系: 1、比例（P）调节器 输入与输出特性曲线: Ui U0 U0 -Ui t . 6-11 .

12. §6-2 无静差直流调速系统 • 特点: • 输出电压与输入电压成正比。 • 输出量立即响应输入量的变化。 • 比例系数可调的比例调节器 因为A点为虚地 由if≈i0得 由分压电路知 . 6-12 .

13. §6-2 无静差直流调速系统 其中 调节电位器R2可使增益在K1--(1+R2/R3)K1之间变化。 2、积分（I）调节器 输入与输出关系: . 6-13 .

14. §6-2 无静差直流调速系统 输入与输出特性曲线： U0 Ui U0 -Ui t 特点： • 输出电压取决于输入量对时间的积累过程，而且还和初始值有关。 • 当输入不等于零时，其输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止。 比例（P）调节器能立即响应输入信号，加快响应过程；而积分(I)调节器要经过一段时间的积累，但最后可以消除误差。 比例(P)+积分(I)=比例积分（PI）调节器 . 6-14 .

15. §6-2 无静差直流调速系统 3、比例积分（PI）调节器 输入与输出关系: 输入与输出特性曲线: U0初始值 Ui U0 . 6-15 . t

16. §6-2 无静差直流调速系统 特点 ： • 输出量立即响应输入量的变化——响应快。 • 当输入不等于零时，其输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止——消除偏差。 二、调节器的实用线路 • 调节器零点的调节、零点漂移的抑制和锁零电路 • 寄生振荡的消除 • 调节器的输入限幅和输入滤波电路 . 6-16 . • 调节器的输出限幅电路

17. . 6-17 .

18. §6-2 无静差直流调速系统 二极管箝位的输出限幅电路（又称外限幅） M点对地电压 VD3 管压降 当输出电压Uc>UM+UD→二极管VD3导通→输出电压被箝位在UM+UD的数值上，即UcM+=UM+UD。 • 调节器的输出功率放大电路: • 集成运算放大器的最大输出功率是有限的，因此，一般不能直接驱动负载，而必须外加功率放大电路(见6-17)。 . 6-18 .

19. §6-2 无静差直流调速系统 • 三、无静差系统的实现 比例调节器→比例积分调节器——无静差系统 • 6-19

20. §6-2 无静差直流调速系统 在调节过程的初、中期，速降Δn较大，比例部分起主要作用，它首先阻止转速下降，使转速回升。 调节过程的后期，积分部分起主要作用，并最后消除偏差。 §6-2 . 6-20 .

21. §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 • 问题的提出： 一、限流保护的组成及工作原理 直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，会烧坏晶闸管元件和电机，须加以限制。 • 解决办法： 若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但系统中如存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度。 如何解决？加电流截止负反馈环节 6-21

22. §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 二、带电流截止负反馈环节的转速负反馈调速系统 • 系统的组成： 电流截止负反馈环节 . 6-22 .

23. §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 • 电流截止负反馈环节的工作原理： 当Id较小,即IdRc≤Uo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。 当Id较大，即IdRc≥Uo时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用，ΔU减小，Udo下降，Id下降到允许最大电流 6-23

24. §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 • 稳态框图 6-24

25. §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 • 静特性方程式 当Id较小时，二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。 当Id较大时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用。 . 6-25 .

26. §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 • 静特性曲线 转速负反馈 截止负反馈 §6-3 . 6-26 .

27. §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 一、电压负反馈调速系统 • 组成 电压负反馈 6-27

28. §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 • 稳态框图 电压反馈系数 • 6-28

29. §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 • 静特性方程式 其中 Kv=KpKtrαv 减为开环的1/1+Kv • 特点 • 扰动量IdRa不包围在电压负反馈环内，不能被反馈作用抑制。 • 对电动机磁场的扰动也无能为力，因此电压负反馈系统的调速效果不及转速负反馈。 如何解决？ 加电流正反馈环节 • 6-29

30. §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 二、电压负反馈加电流正反馈调速系统 1、组成 电流正反馈 • 6-30

31. §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 2.稳态框图 电流正反馈 电流正反馈 3.静特性方程式 • 6-31

32. §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 4．特点 • 由电流正反馈产生的第四项，可抵消第二、三项稳态速降，从而减小转速降落，提高机械特性硬度。 • 正反馈环节容易引起振荡，一般很少单独采用，通常与电压负反馈配合使用，起辅助的补偿作用。 • 本节要点： ？ 电压负反馈、电流正反馈系统是怎样提出来的  ？ 电压负反馈、电流正反馈系统的结构特点  ？ 稳态框图的画法  ？ 静特性方程式的求取  ？ 系统特点  §6-4 • 6-32

33. §6-5 小功率有静差直流调速 • 系统实例分析 一、结构特点和技术数据 • 适用于4KW以下直流电动机无级调速 • 装置的电源电压为单相交流220V • 输出电压为直流160V • 输出最大电流30A • 励磁电压为直流180V，励磁电流为1A • 系统主要配置Z3系列（电枢电压160V，激磁电压180V）的小型直流他励电动机 • 6-33

34. 6-34

35. §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 KZD-II型直流调速系统的组成框图： • 6-35

36. §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 具有电压负反馈和电流正反馈环节的调速系统原理图 • 6-35

37. §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 分析晶闸管调速系统线路的一般顺序是： 主电路→触发电路→控制电路→辅助电路（包括保护、指示、报警等） • 6-34

38. §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 二、定性分析 主电路 作用：给直流电动机供电 • 采用单相桥式半控桥整流电路 能够确保的最大直流电压为: Ud=220V×0.95×0.9=188V • 平波电抗器Ld: 限制电流脉动，改善换向条件，减少电枢损耗，并使电流连续。 • 电抗器Ld两端并联一电阻（R11）:减少掣住电流建立的时间。 • 电动机励磁由单独的整流电路供电. 触发电路 • 6-34 • 采用由单结晶管（UJT）组成的张弛振荡器。

39. §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 放大电路 作用：把微小的偏差电压进行放大 控制电路 • 反馈形式的选择 采用电压负反馈和电流正反馈环节来代替转速负反馈 • 控制信号的综合 控制信号为给定信号Us、电压负反馈信号Ufv和电流正反馈信号Ufi的综合，即ΔU＝Us-Ufv-Ufi。 • 6-35

40. §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 电流截止保护电路 Id较小时→UI’较小→2CW9截止、V4截止→电流截止负反馈环节不起作用。 Id较大时→UI’较大→2CW9导通、V4导通→有ib →将C1旁路→使ic减小→脉冲后移→Ud减小→限制电流Id的增加。 抗干扰、消振荡环节 • 6-36

41. §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 三、系统的自动调节过程 • 当负载增加时，由于电流Id的增加，Ud的降低，使Ufi增加、Ufv减少，从而使△U增加（△U=Us-Ufv+Ufi），UK增加，整流装置输出电压Udo增加。并进而使电流增加，电磁转矩Td增加。 §6-5 • 6-37

42. §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 问题的提出 • 采用比例积分调节器的单闭环调速系统，实现了转速的无静差调速。 电流截止负反馈虽然能限制起动电流 但随着n↑→E↑→ →Td ↓→n上升慢→ts长 许多生产机械很大一部分时间工作在过渡过程中。有的甚至几秒钟就正反转一次。 • 6-38

43. §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 • 为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。 希望： 充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使Id=Idm →Td=Tdm →使n直线上升，→使ts↓。 • 一、双闭环调速系统的组成 电流互感器 • 6-39

44. §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 电流环—内环 • 两个环： 速度环—外环 • 速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅。 • 速度、电流调节器输入输出信号极性的确定 • 6-40

45. §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 二、双闭环调速系统的工作原理 • 电流调节器ACR的调节作用：稳定电流 稳态时△Ui=-Usi+Ufi=0 • 自动限制最大电流 Id↑>Idm→Ufi↑→ΔUi↓=Usi-Ufi →UC↓→脉冲后移→Ud↓→Id↓ • 6-41

46. §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 • 能有效抑制电网电压波动的影响 单闭环： U~↑→Ud↑→Id↑→n↑ →Ufn↑→ΔU↓=Usn-Ufn →Uc↓→脉冲后移 →Ud↓→n↓ 通过n的变化进行调节，慢 双闭环： U~↑→Ud↑→Id↑→Ufi↑→ΔUi↓=Usi-Ufi →Uc↓→脉冲后移→Ud↓→Id↓ 通过Id的变化进行调节，（快、影响小） • 6-42

47. §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 • 速度调节器ASR的调节作用 ：稳定转速 稳态时△Un=Usn-Ufn=0 调节过程： TL↑→n↓ →Ufn↓ →ΔUn↑(=Usn-Ufn)>0 → →ΔUi↑(=-Usi+Ufi)<0 →UC↑ →脉冲前移→Ud↑ →n↑ 三、双闭环调速系统的机械特性 • 6-43

48. §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 双闭环调速系统具有的优点： • 具有良好的静特性（较理想的挖土机特性） • 具有较好的动态特性，起动时间短（动态响应快）， 超调量也较小。 • 系统抗扰动能力强。 • 由两个调节器分别调节电流和转速，可以分别进行设计，分别调整，调整方便。 • 6-44

49. §6-7 可逆直流调速系统 一、可逆调速系统的电路 改变电磁转矩的方向有两种方法： 改变电动机电枢电流的方向 ------电枢可逆电路 改变电动机励磁磁通的方向 ------磁场可逆电路 电枢可逆电路 • 接触器切换电枢可逆电路 • 6-45

50. §6-7 可逆直流调速系统 特点：结构简单、经济，但切换速度低，噪声较大， 触点寿命较短。 适用：要求不高，动作不频繁的小容量的生产机械上。 • 晶闸管开关切换电枢的可逆电路 特点：切换速度快，电路比较简单，而且工作是完全不存在环流，工作可靠性比较高；但对晶闸管耐压和电流容量的要求比较高。 • 6-46