直流电动机的典型控制系统共47页
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三、直流电机的电枢绕组和磁场
对于小容量电机，电枢直径小，电枢铁心外圆不宜开 太多槽时，往往在一个槽的上层和下层各放两个元件边， 即把一个实槽当成u个虚槽使用。虚槽数与实槽数Z之间的 关系为
Z u u Z S K( 3 5 )
为分析方便起见，本书中均设u=1。
三、直流电机的电枢绕组和磁场
节距
二、直流电机的基本结构与铭牌
直流电机主要系列介绍
为了满足各行各业对产品的不同要求，生产厂将产品 制成不同型号系列。所谓系列就是指产品的结构和形状基 本相似，而某种性能参数例如容量则按一定等级递增的一 系列产品。对于电机来说，系列产品的电压、转速、机座 号和铁心长度都有一定的等级。 型号
它表示电机的类别。例如：Z2—12 的含义为 Z：直 流；2：设计序号；1：铁心长度；2：机座号
二、直流电机的基本结构与铭牌
4）电刷装置 电刷装置用以引入 或引出直流电压和直流电流。电 刷装置由电刷、刷握杆和刷杆座 等组成。电刷放在刷握内，用弹 簧压紧，使电刷与换向器之间有 良好的滑动接触，如图3-7所示， 刷握固定在刷杆上，刷杆装在圆 环形的刷杆座上，相互之间必须 绝缘。刷杆座装在端盖或轴承内 盖上，圆周位置可以调整，调好 以后加以固定。
二、直流电机的基本结构与铭牌
(4) ZD型系列电机主要用于需要广泛调速并具有较大 过载能力的场所，如大型机床、卷扬机、起重设备等。
(5) ZQD型系列是直流牵引电动机， 用于牵引车辆。
三、直流电机的电枢绕组和磁场
直流电机的电枢绕组
➢ 直流电枢绕组的基本知识
电枢绕组元件 电枢绕组元件由绝缘铜线绕制而成，每个元件有两个
换向器和电刷的作用，在电刷A、B两端输出的电动势是方向不 变的直流电动势。若在电刷A、B之间接上负载，发电机就能向
直流调速自动控制系统详解演示文稿
电动机：额定数据为10KW，220V，55A，1000r/min，电枢电阻 Ra=0.5Ω；
晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联接，二次
线电压U21=230V，电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻R=1.0Ω； 测速发电机：永磁式，额定数据为23.1KW，110V，0.21A，1900r/min；
机械特性硬度一样,S是否一样??
第二十四页，共107页。
3. 静差率与机械特性硬度的区别
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。 ▪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。
第二十五页，共107页。
4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN， 则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
第十二页，共107页。
2 直流PWM变换器-电动机系统
思考：
（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路的电压系数 是什么？
（2）制动时
VT1和VT2
如何交替工作？
第十三页，共107页。
※PWM系统的特点
（1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电
机损耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，
可达1:10000左右； （4）若与快速响应的电机配合，动态响应快，
动态抗扰能力强；
第十四页，共107页。
※ PWM系统的特点（续）
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小， 当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置 效率较高；
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比 相控整流器高。
晶闸管触发整流装置：三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联接，二次
线电压U21=230V，电压放大系数Ks=44；V-M系统电枢回路总电阻R=1.0Ω； 测速发电机：永磁式，额定数据为23.1KW，110V，0.21A，1900r/min；
机械特性硬度一样,S是否一样??
第二十四页，共107页。
3. 静差率与机械特性硬度的区别
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。 ▪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。
第二十五页，共107页。
4. 调速范围、静差率和额定速降之间的关系
设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN， 则该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
第十二页，共107页。
2 直流PWM变换器-电动机系统
思考：
（1）什么是电压系数，不可逆PWM变换电路的电压系数 是什么？
（2）制动时
VT1和VT2
如何交替工作？
第十三页，共107页。
※PWM系统的特点
（1）主电路线路简单，需用的功率器件少； （2）开关频率高，电流容易连续，谐波少，电
机损耗及发热都较小； （3）低速性能好，稳速精度高，调速范围宽，
可达1:10000左右； （4）若与快速响应的电机配合，动态响应快，
动态抗扰能力强；
第十四页，共107页。
※ PWM系统的特点（续）
（5）功率开关器件工作在开关状态，导通损耗小， 当开关频率适当时，开关损耗也不大，因而装置 效率较高；
（6）直流电源采用不控整流时，电网功率因数比 相控整流器高。
直流电机原理及控制PPT课件
Ts max
1 mf
(1-13)
式中 f — 交流电流频率（Hz）； m — 一周内整流电压的脉冲波数。
Ts 值的选取
在一般情况下，可取其统计平均值 Ts = Tsmax /2， 并认为是常数。
也可按最严重的情况考虑，取Ts = Tsmax 。
各种整流电路的失控时间（f =50Hz）
整流电路形式 单相半波
图1-15 晶闸管触发与整流装置动态结构框图
1.3 直流脉宽调速系统的主要问题
自从全控型电力电子器件问世以后， 就出现了采用脉冲宽度调制（PWM）的高 频开关控制方式形成的脉宽调制变换器直流电动机调速系统，简称直流脉宽调 速系统，即直流PWM调速系统。
1.3.1 PWM变换器的工作状态和电压、 电流波形
ud0为整流电压理 想空载瞬时值 。
R
+
Id
ud0
_
L
+
E
_
图1-7 V-M系统主电路的等效电路图
• 瞬时电压平衡方程
ud0
E
id R
L
did dt
式中
E — 电动机反电动势（V）；
id — 整流电流瞬时值（A）； L — 主电路总电感（H）；
R — 主电路等效电阻（）， R = Rrec + Ra + RL。
进行直流调速系统分析或设计时，须 事先求出这个环节的放大系数和传递函 数。
• 晶闸管触发和整流装置的放大系数的计算
晶闸管触发和整流 装置的放大系数
Ks
U d U c
(1-12)
如果不可能实测特性，
只好根据装置的参数
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
估算。
图1-13 晶闸管触发与整流装置的输 入-输出特性和的测定
第三章 直流电动机速度控制系统
1-3
第一节 础
直流电动机控制基
从图中可以看出，接入直 流电源以后，电刷A为正极 性，电刷B为负极性。电流 从正电刷A经线圈ab、cd， 到负电刷B流出。根据电磁 力定律，在载流导体与磁 力线垂直的条件下，线圈 每一个有效边将受到一电 磁力的作用。电磁力的方 向可用左手定则判断，伸 开左手，掌心向着N极，4 指指向电流的方向，与4指 垂直的拇指方向就是电磁 力的方向。在图示瞬间， 导线ab与dc中所受的电磁 力为逆时针方向，在这个 电磁力的作用下，转子将 逆时针旋转．即图中S的方 向。
1-37
在 t on t T
在 T t T t on
轻载电动状态
id 2 t2 ton 3 T
1 0 4 t4
t
(d) 轻载电动状态的电流波形
VT1 、 2 、 2 和VD1四个管子轮流导通。 VD VT
1-38
t t 2 时刻，id=0， 2 导通， VT
反电动势E沿回路3输送反向电流， t T 时刻， 2 关断， VT 反向电流沿回路4经 VD1 续流，
nmax D nmin
（3-5）
• 对于基速以下的调速系统而言 nmax n N 。 • 对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的 转速来定义最高转速 n max ，和最低转速 nmin 。
1-23
2. 静差率
• 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时电动机转速的变 化率，称为静差率s。
1-26
3. D与s的相互约束关系
nN s D nN ( 1 s )
（3-8）
• 在直流机变压调速系统中，对于某一台确定的 电动机，其 n N 和 n N 都是常数， • 对系统的调速精度要求越高，即要求s越小， 则可达到的D必定越小。 • 当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就 越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。
第一节 础
直流电动机控制基
从图中可以看出，接入直 流电源以后，电刷A为正极 性，电刷B为负极性。电流 从正电刷A经线圈ab、cd， 到负电刷B流出。根据电磁 力定律，在载流导体与磁 力线垂直的条件下，线圈 每一个有效边将受到一电 磁力的作用。电磁力的方 向可用左手定则判断，伸 开左手，掌心向着N极，4 指指向电流的方向，与4指 垂直的拇指方向就是电磁 力的方向。在图示瞬间， 导线ab与dc中所受的电磁 力为逆时针方向，在这个 电磁力的作用下，转子将 逆时针旋转．即图中S的方 向。
1-37
在 t on t T
在 T t T t on
轻载电动状态
id 2 t2 ton 3 T
1 0 4 t4
t
(d) 轻载电动状态的电流波形
VT1 、 2 、 2 和VD1四个管子轮流导通。 VD VT
1-38
t t 2 时刻，id=0， 2 导通， VT
反电动势E沿回路3输送反向电流， t T 时刻， 2 关断， VT 反向电流沿回路4经 VD1 续流，
nmax D nmin
（3-5）
• 对于基速以下的调速系统而言 nmax n N 。 • 对于少数负载很轻的机械，也可用实际负载时的 转速来定义最高转速 n max ，和最低转速 nmin 。
1-23
2. 静差率
• 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时电动机转速的变 化率，称为静差率s。
1-26
3. D与s的相互约束关系
nN s D nN ( 1 s )
（3-8）
• 在直流机变压调速系统中，对于某一台确定的 电动机，其 n N 和 n N 都是常数， • 对系统的调速精度要求越高，即要求s越小， 则可达到的D必定越小。 • 当要求的D越大时，则所能达到的调速精度就 越低，即s越大，所以这是一对矛盾的指标。
第五章 直流电动机调速控制系统
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。
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。
（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
例题
某生产机械由他励直流电动机拖动，采用降压调速，额 定负载下电动机的额定转速为 ，理想空载转 速 。降低电压以后的转速为 ，理想 空载转速 。试求： （1）调速范围D和静差率 ； （2）如果生产工艺要求静差率 20% ，则此时的调速范 围是多少？
5.1.3 直流调速的基础知识
直流电动机 电动机 交流电动机 直流调速系统
交流调速系统
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。
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。
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。
（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
例题
某生产机械由他励直流电动机拖动，采用降压调速，额 定负载下电动机的额定转速为 ，理想空载转 速 。降低电压以后的转速为 ，理想 空载转速 。试求： （1）调速范围D和静差率 ； （2）如果生产工艺要求静差率 20% ，则此时的调速范 围是多少？
5.1.3 直流调速的基础知识
直流电动机 电动机 交流电动机 直流调速系统
交流调速系统
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。
转速电流反馈控制直流调速系统
现无静差。
•
对负载变化起抗扰作用。
•
其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
第27页/共134页
2. 电流调节器的作用
•
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出
量）变化。
•
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
•
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。
•
当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
等
于
I
dm不
变，
• 转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到
达给定值n*。
• 起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，
• 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三 种情况。
第15页/共134页
第16页/共134页
图3-6 双闭环 直流调速系统 起动过程的转 速和电流波形
（1） 转速调节器不饱和
• 两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。
U
* n
Un
n
n0
•
U
* i
Ui
I d
n
U
* n
n0
I d I dm
(3-1)
第7页/共134页
（ 2 ） 转 速调 节器饱 和 • ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。
第35页/共134页
返回目录
3.3 调节器的工程设计方法
• 必要性： 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方
面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的 实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。
•
对负载变化起抗扰作用。
•
其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。
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2. 电流调节器的作用
•
在转速外环的调节过程中，使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出
量）变化。
•
对电网电压的波动起及时抗扰的作用。
•
在转速动态过程中，保证获得电机允许的最大电流。
•
当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。
等
于
I
dm不
变，
• 转速波形先是缓慢升速，然后以恒加速上升，产生超调后，到
达给定值n*。
• 起动过程分为电流上升、恒流升速和转速调节三个阶段，
• 转速调节器在此三个阶段中经历了不饱和、饱和以及退饱和三 种情况。
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图3-6 双闭环 直流调速系统 起动过程的转 速和电流波形
（1） 转速调节器不饱和
• 两个调节器都不饱和，稳态时，它们的输入偏差电压都是零。
U
* n
Un
n
n0
•
U
* i
Ui
I d
n
U
* n
n0
I d I dm
(3-1)
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（ 2 ） 转 速调 节器饱 和 • ASR输出达到限幅值时，转速外环呈开环状态，转速的变化对转速环不再产生影响。
第35页/共134页
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3.3 调节器的工程设计方法
• 必要性： 用经典的动态校正方法设计调节器须同时解决稳、准、快、抗干扰等各方
面相互有矛盾的静、动态性能要求，需要设计者有扎实的理论基础和丰富的 实践经验，而初学者则不易掌握，于是有必要建立实用的设计方法。
直流电机控制系统(晶闸管整流
目录目录 (1)1．设计总体思路 (2)2．基本原理框图 (2)3．单元电路设计 (3)3.1主电路器件的计算与选择 (3)3.1.1变压器的选择 (3)3.1.2晶闸管的选型 (3)3.1.3过电压保护原理及计算选择 (3)3.1.4过电流保护 (5)3.1.5电抗器的参数计算与选择 (7)3.2控制电路的介绍 (7)3.2.1引脚排列、各引脚的功能及用法 (7)3.2.2电流转速闭环调节电路 (10)3.2.3.功率放大电路 (10)4．故障分析与改进 (12)5．实验与仿真 (12)6.心得体会 (13)7.附件 (15)8.参考文献 (16)1．设计总体思路直流电机控制系统（晶闸管整流）分为主电路和控制电路，主电路采用三相全控桥整流电路，变流侧交流电采用电网电压，通过变压器起隔离和调节电网电压，使其达到整流所需求的交流电压，为防止电网波动和其他各类短路情况的出现，在交流侧和整流的直流侧增加一系列的过电压和过电流保护。
控制电路采用转速和电流调节电路，在电网电压通过交流互感器感应电流后将电流信号转为电压信号，和转速反馈信号进行调节，再限幅和功放电路，转换成触发电路能用来改变控制角的信号来调节整流输出电压达到调速目的。
该触发晶闸管的触发电路由六脉冲触发电路TC785构成，最终能调节电机的转速，使其达到转速的稳定。
2．基本原理框图3．单元电路设计3.1主电路器件的计算与选择该设计所调节直流电动机的参数：额定电压225V,额定电流158.5A，额定功率30KW3.1.1变压器的选择变压器二次侧相电压U2=Ud/2.34考虑晶闸管的管压降和启动电压留20%的裕量，整流直流侧电压Ud=1.2*225*270V,得U2=128V；变压器二次侧电流I2=0.816*Id=129.3A；变压器的容量s=3U2 I2=3*128*129.3=50KW；变压器的变比U1:U2=220:128=1.73.1.2晶闸管的选型晶闸管的额定电压Un=(2～3)UTm;Un=2*6*U2=2*6*128=627V晶闸管的额定电流I n=（1.5～2）Ivt;Ivt=Id/(3*1.57）=87.5A;In=1.8*87.5=157A;取Un=;In=157A；选择KP157—580晶闸管六只。
第4章 直流电动机调速控制系统ppt
第一节 直流电动机概述
反电动势E的计算公式是： E=K eΦn
对于永磁式直流电动机，Ke和Φ都是常数，上式可写 成：
E=Cen
电动机各个电量的方向，如图4-4所示。
第一节 直流电动机概述
图4-4 直流电动机各个电量的方向
第一节 直流电动机概述
外加电压为U时有： U=E+IRa
式中，Ra—电枢电阻。
的方式，可分为永磁式和他激式。永磁式磁极由永磁
材料制成，他激式磁极由冲压硅钢片叠压而成，外绕
线圈，通以直流电流便产生恒定磁场。
(二) 转子
又叫电枢，由硅钢片叠压而成，表面嵌有线圈，
通以直流电时，在定子磁场作用下产生带动负载旋转
的电磁转矩。
第一节 直流电动机概述
(三) 电刷与换向片
为使所产生的电磁
上式就是直流电动机的电压平衡方程式。 它表明了外加电压与反电动势及电枢内阻压降
平衡。或者说，外加电压一部分用来抵消反电 动势，一部分消耗在电枢电阻上。
第一节 直流电动机概述
(三) 电动机转速与转矩的关系
如果把 E=Cen代入式(4-8) ，便可得出电枢电 流Ia的表达式：
Ia=
U
Cen Ra
第一节 直流电动机概述
(一) 电动机转矩平衡方程式 一般，电磁转矩Te按下式计算：
Te=KmΦIa
(4-1)
对又于可永写磁成直：流伺服电动机，Km和Φ都是常数，所以上式
Te=CmIa
(4-2)
当电动机带着负载匀速旋转时，它的输出转矩必与负 载转矩相等。但是，电动机本身具有机械摩擦(例如轴 承的摩擦，电刷和换向器的摩擦等) 和电枢铁芯中的涡 流、磁滞损耗都要引起阻转矩，此阻转矩用T0表示。