第二章 直流开环调速系统总结
第2章直流调速系统详解
（3）调速范围与静差率的关系 在调压调速系统中，额定转速为最高转速，静差 率为最低转速时的静差率，则最低转速为
n N nmin n0 min n N n N s (1 s )n N s
调速范围与静差率应满足下列关系式：
nmax nN s D nmin (1 s)nN
2.2 单闭环直流调速系统的组成及其特 性
当生产机械对调速性能要求不高时，可采用开 环调速系统，方框图如图2.2.1所示。改变参考 电压 U g 的大小，即可改变触发脉冲的控制角 α，从而使直流电动机的电枢电压 U变化，以 d 达到改变电动机转速的目的。但开环调速系统 调速范围不大。
+ Ug 触 发 器 Ud M -
~
Ld
* Un
Rf R0
0
GT
0 0
VT
Ud
R p1
+
+ U ct
=
Id
M -
+
0
0
R0
Rb
R2 U fn R p2 TG
-
R1
图2.2.2 转速负反馈调速系统
2.2.2 单闭环调速系统的稳态特性
1. 静特性和稳态结构图 为分析系统的静特性，以确定它如何能够 完成转速降落，作如下假定: ①忽略各种非线性因素，假定各典型环节 输入输出呈线性关系。系统在电流连续 段工作。 ②忽略直流电源和电位器内阻。
Ce Ce Ce
nop 为开环系统的 式中，n0op 为开环理想空载特性； 静态速降。
闭环静特性
R n I d n0cl ncl （2.2.3） Ce (1 K ) Ce (1 K )
* K p K sU n
交直流调速系统课程总结
交直流调速系统课程总结交直流调速系统课程主要研究和探讨了电力拖动系统中，如何通过控制交流电机和直流电机的转速来满足各种负载需求的技术与方法。
1.直流调速系统：-直流电动机的基本工作原理及特性分析，包括机械特性和电气特性。
-直流调速系统的构成，包括电动机、电源、控制器（如电枢回路电阻调速、晶闸管相控整流器调速）以及检测反馈装置等组成部分。
-晶闸管相控整流器的工作原理及其对直流电机调速的影响，包括调压调速、弱磁调速等方式。
-直流调速系统的静动态性能分析，包括稳态和动态响应特性。
2.交流调速系统：-交流异步电动机和同步电动机的工作原理和基本特性。
-V/f控制、矢量控制等交流调速技术原理，以及SPWM逆变器的工作原理和实现方式。
-变频调速系统的组成和工作过程，包括变频器、电动机、传感器和控制器等部分。
-交流调速系统的性能分析，包括稳态精度、动态响应速度、调速范围等关键指标。
-现代交流调速技术，如直接转矩控制（DTC）、无速度传感器控制等高级控制策略。
3.调速系统的实际应用与设计：-考虑到不同工业场合对调速性能的不同要求，学习如何根据负载特性选择合适的调速方案，并进行调速系统的设计计算和参数优化。
-掌握各类调速系统在故障诊断、保护措施及节能等方面的设计要点。
4.实验与实践环节：-通过实验操作了解和验证理论知识，熟悉直流调速器、交流变频器的操作使用。
-分析并解决实验过程中遇到的实际问题，锻炼动手能力和工程实践能力。
交直流调速系统课程不仅使学生掌握了电机调速的基础理论知识，还培养了他们针对实际工程问题进行分析、设计和调试的能力，对于提升电气自动化及相关领域人才的专业素养具有重要意义。
直流电机开环调速系统工作原理
直流电机开环调速系统工作原理1. 什么是直流电机？直流电机，顾名思义，就是那种靠直流电供电的电机。
就像我们日常生活中常见的玩具车、电风扇一样，这些电机在我们生活中可谓是随处可见。
它们能把电能转化为机械能，帮我们完成各种各样的工作。
而开环调速系统，听上去很高大上，但其实就是一种简单的控制方式。
它不像闭环控制那样复杂，所以咱们今天就来聊聊这个“简单明了”的开环调速系统到底是怎么工作的。
2. 开环调速系统的基本原理2.1 电机与电源的关系直流电机的运行离不开电源。
就像人需要吃饭才能有力气一样，电机也需要电源才能转动。
开环调速系统主要是通过调节电机供电电压来实现转速的变化。
简单来说，就是你把电压调高，电机转得快；调低，转得慢。
这个过程就像是给一辆车加油，油加得多，车跑得快，油加得少，车就慢吞吞的。
2.2 转速的变化转速变化的原理其实很简单。
当你给电机输入不同的电压时，电流也会随之改变。
电流越大，产生的磁场越强，电机转动得也就越快。
就像小朋友们在游乐场上玩秋千，推得越用力，秋千摆得越高，乐趣也就越多。
而电机转速的变化也能影响到它的输出功率，就像我们跑步的速度不同，消耗的体力也不一样。
3. 开环调速系统的优势与局限3.1 优势开环调速系统的最大好处就是简单易用，成本低。
对于一些不需要精确控制转速的场合，比如说风扇、玩具车，开环系统就像一位好管家，负责把电源和电机的关系打理得妥妥当当，省去不少麻烦。
而且，系统的设计也比较简单，不需要太多复杂的传感器和控制器，这样可以大大降低维护成本，简直就是一劳永逸。
3.2 局限不过，开环调速系统也有它的不足之处。
最大的局限在于它缺乏反馈机制。
想象一下，如果你的车子没有速度表，你怎么知道自己开得快还是慢？开环系统在负载变化时，无法实时调整电机的转速，可能导致转速不稳定，尤其是在负载变化较大的情况下，电机可能会出现过载或运行不平稳的情况。
这就像一场马拉松，选手们虽然都拼劲十足，但如果没有教练的实时指导，很可能会出现偏离轨道的情况。
2.2稳态调速性能指标和开环直流调速系统
（二）开环直流调速系统存在的问题
实际系统往往对调速范围、静差率两 方面都有要求。
龙门刨床： 调速范围：20~40； 静差率：5%。
热连轧机： 调速范围：10； 静差率：0.2%~0.5%。
（二）开环直流调速系统存在的问题
例题：
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 、
电力电子变换器的稳态关系:
U d0 KsUc
直流电动机的稳态关系:
n Ud0 I dR Ce
开环调速系统的机械（转速）特性为:
n Ud0 RI d KsUc RI d
Ce
Ce
Ce
（二）开环直流调速系统存在的问题
（2）机械（转速）特性
n Ud0 RI d KsUc RI d
转速反馈控制直流调速系统。
主要内容
01 调速的稳态性能指标 02 开环直流调速系统存在的问题
稳态调速性能指标和开环直流调速系统
主讲人：张敬南 副教授
∆ nNb ������d02
Te
（一）调速的稳态性能指标
（2）静差率
s nN n0
n n01
n02
nN n0 nN
∆ nNa
a
������d01
∆ nNb
b
������d02
O
TeN
Te
（一）调速的稳态性能指标 （3）指标之间的关系 D nmax nN nmin nmin
稳态调速性能指标和开环直流调速系统
主讲人：张敬南 副教授
主要内容
01 调速的稳态性能指标 02 开环直流调速系统存在的问题
（一）调速的稳态性能指标 （1）调速范围
直流电机调速系统+总结报告+怀仲康+电气12-6班
电子技术综合设计课程设计方案报告电气6班——怀仲康，黄佳睿一、 课题任务书直流小电机调速系统：基本要求：采用单片机开发系统对直流电机调速系统进行理论设计和仿真实验，并采用光电对管实时在线检测直流电机转速及使用PWM 技术调节控制电机的转速。
提高要求：用键盘设定初值，用数码管显示电机转速。
二、 方案论证与比较根据课题要求，该系统由以下几个模块组成：单片机控制模块，数码管显示模块，键盘设置模块，直流电机驱动模块，电机测速模块。
如图:直流小电机调速系统框图1. 键盘设置模块方案：键盘用来对电机的启动，速度的调节，正反转进行控制。
有以下两个方案。
方案一：独立键盘。
选用5个按键，分别对应的是：启动，反转，停止，加速，减速。
优点：电路简单，软件编程容易。
缺点：无法对电机启动时的速度设置原始值，即启动时电机速度一定无法调节。
方案二：键盘扫描。
选用3×3键盘进行键盘扫描。
优点：可对电机启动时的初速度进行设定，可设定6个值。
缺点：电路较为复杂，软件编程较独立键盘复杂。
方案选择:起初在软件proteus仿真中，采用方案二中键盘扫描的方式的进行电机速度的控制，后来在采用protel DXP绘制PCB板时，发现线路过多，会对后期PCB板的成型造成影响，使PCB板的制作难度大大加深，对整个系统做出实物的难度产生影响，不利于整个系统的成型。
权衡之后，采用方案一独立键盘的方式来控制电机的速度。
键盘电路原理图2.数码管显示模块方案：数码管用来显示电机的转速，设计中采用4位共阴数码管进行显示。
在数码管的驱动电路方面，有以下两个方案。
方案一：利用锁存器芯片驱动数码管使用74HC573对数码管进行驱动，需要两片74HC573，8位段选连接一片，4位位选连接一片。
优点：电路较为简单，芯片的驱动能力较强，使数码管的显示更加稳定。
缺点：由于只有4位数码管，位选端口的74HC573会浪费两个接口，增加整体的成本。
方案二：利用三极管及限流电阻进行驱动使有4个PNP型三极管加10k电阻对位选端进行驱动，发射极（e）接VCC，集电极（c）接数码管位选端，基极（b）接10k电阻后接到单片机I/O。
第二章 直流电动机及其调速系统
第二章直流电动机工作原理及单闭环调速系统内容提要：介绍了基本的电磁定律及支流电机工作原理、直流电机种类、结构和电机模型。
重点介绍了它励直流电机的调速方法，对于调压调速系统，介绍了三种调压方式。
分析了转速单闭环调速系统的组成、模型和稳定性，给出了无静差调速系统的基本校正电路和公式。
对于电压负反馈、电动势反馈和电流截止负反馈调速系统也作了较为详细的介绍。
针对永磁无刷直流电机，介绍了其工作原理、基本结构和数学模型。
2.1直流电机发展过程电机发明至今，已有近200 年的历史。
电机学科已发展成为一个比较成熟的学科，电机工业也已成为近代社会的支柱产业之一，其发展历史可简述如下。
2.1.1 直流电机的产生和形成工业革命以后，蒸汽动力得以普遍应用。
但随着生产力的发展，蒸汽动力输送和管理不便的缺点日益突出，迫使人们努力寻找新的动力源。
19 世纪初期，人们已积累了有关电磁现象的丰富知识。
在此基础上，法拉第(Faraday)于1821 年发现了载流导体在磁场中受力的现象(即电动机的作用原理)，并首次使用模型表演了这种把电能转换为机械能的过程。
很快，原始型式的电动机就被制造出来了。
但由于驱动源是蓄电池，当时极为昂贵，经济性远不能与蒸汽机相抗衡，因而也就不能被推广。
为此，人们积极寻求能将机械能转换为电能的装置。
法拉第本人亦坚持研究。
在进行了大量的实验研究以后，1831 年，他又发现了电磁感应定律。
在这一基本定律的指导下，第二年，皮克西(Pixii)利用磁铁和线圈的相对运动，再加上一个换向装置，制成了一台原始型旋转磁极式直流发电机。
这就是现代直流发电机的雏形。
虽然早在1833 年，楞次(Lenz)已经证明了电机的可逆原理，但在1870 年以前，直流发电机和电动机一直被看作两种不同的电机而独立发展着。
电磁感应定律发现了，直流发电机也发明了，但经济性、可靠性、容量却未达到实用化要求即廉价直流电源的问题并没有很快得到解决，因而电动机的应用和发展依然缓慢。
开环直流调速系统
B
载，可下放重物。但在制动过
程中，随着转速的下降，制动
转矩随之减小，制动效果变差，
为使电机更快停车，可在转速
降到一定程度时，切除一部分
电阻，使制动转矩增大，从而
加强制动作用。
n n0 2
O
A 1
TL E D
C
Te 4 3
图4-16 能耗制动运行状态
他励直流电动机的制动
三、反接制动 为了使生产机械快速停车或反向运行，可采用反接制动。有 两种反接制动方式：电枢反接（一般用于反抗性负载）；转速反 向（用于位能性负载）。 1. 电枢反接制动 电枢反接制动是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突 然反接，图4-18a所示为电枢电压反接的反接制动原理图。
（1）调压调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ；
n0
保持电阻 R = Ra
调节过程：
改变电压 UN U
U n ， n0
调速特性：
O
转速下降，机械特性
曲线平行下移。
nN
n1
UN
n2U1n3U2 NhomakorabeaU3
IL
I
调压调速特性曲线
（2）调阻调速
工作条件：
n
保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ；
n0
调节过程：
增加电阻 Ra R
nN
n1
Ra
n2 n3
R1
R2
R n ，n0不变；
R3
调速特性：
O
IL
I
转速下降，机械特性
曲线变软。
调阻调速特性曲线
（3）调磁调速
工作条件：
n
保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = R a ； 调节过程：
直流调速系统复习资料
直流调速系统复习资料直流调速系统复习资料直流调速系统是一种常见的电力传动系统，广泛应用于工业生产中。
它通过控制电机的电压和电流，实现对电机转速的精确调节。
本文将从基本原理、调速方式和常见故障等方面进行复习资料的总结。
一、基本原理直流调速系统的基本原理是通过改变电机的电压和电流来控制电机的转速。
在直流调速系统中，电源、电机和调速器是三个主要的组成部分。
电源是提供电能的来源，常见的有直流电源和交流电源。
直流电源常用于直流调速系统中，它可以提供稳定的直流电压。
电机是直流调速系统中的执行器，它将电能转化为机械能。
直流电机具有转速调节范围广、启动扭矩大等优点，因此在工业生产中得到广泛应用。
调速器是直流调速系统中的核心部件，它通过改变电机的电压和电流来实现对电机转速的调节。
调速器通常由电阻、电容、晶闸管等元件组成，通过改变这些元件的电阻、容值或导通时间来改变电机的电压和电流。
二、调速方式直流调速系统有多种调速方式，常见的有电压调速、电流调速和外特性调速等。
电压调速是通过改变电机的电压来实现对转速的调节。
当电压增加时，电机的转速也会增加；当电压减小时，电机的转速也会减小。
电压调速简单可靠，适用于转速要求不高的场合。
电流调速是通过改变电机的电流来实现对转速的调节。
当电流增加时，电机的转速也会增加；当电流减小时，电机的转速也会减小。
电流调速精度高，适用于对转速要求较高的场合。
外特性调速是通过改变电机的外特性曲线来实现对转速的调节。
外特性调速可以根据负载的变化自动调节电机的转速，适用于负载波动较大的场合。
三、常见故障直流调速系统在使用过程中可能出现一些故障，常见的有电机过热、调速器故障和电源故障等。
电机过热是由于电机长时间工作或负载过大导致的。
当电机过热时，应及时停机并检查电机的散热系统是否正常。
调速器故障可能导致电机无法正常调速。
常见的调速器故障有晶闸管损坏、电容老化等。
当调速器故障时，应及时更换故障元件。
电源故障可能导致电机无法正常工作。
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（a）线路；(b)电流断续时工作波形；(c)电流断续状况得到改善的工作波形；(d)电流连续时工作波形
2.2 晶闸管脉冲相位控制调速系统(V-M)
图2.7 V-M系统机械特性 图2.8 三相零式电路输出电压和电流波形图
（a)电流断续更严重时工作波形； （b)电流断续时工作波形； (c)电流连续时工作波形；
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
3.晶闸管脉冲相位 控制可逆传动系统 可逆系统组成 环流的产生及大小
图2.9 两组晶闸管反并联可逆线路
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
三相桥式可逆系统线路
图2.10 三相桥式可逆线路
（a)反并联线路；(b)交叉连接线路
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
1.晶闸管变流装置的传递函数
U d ( s) K s eTs s U ct ( s)
（2.2）
图2.16 晶闸管触发变流装置的失控时间
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
1.晶闸管变流装置的传递函数
U d ( s) K s eTs s U ct ( s)
Ud RI d LdI d / dt E
（2.6）
（2.7） （2.8） 图2.17 直流电机等效电路
Te TL (GD2 / 375)dn / dt
E Cen
Te Cm I d
（2.9）
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
2.电动机的传递函数（电流连续）
U d ( s) ( Ls R) L( s) E ( s) Te ( s) TL ( s) (GD 2 / 375) sn( s) E ( s) Ce n( s ) Te ( s) Cm I d ( s)
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
2.电动机的传递函数
U d ( s) ( Ls R) L( s) E ( s) Te ( s) TL ( s) (GD 2 / 375) sn( s) E ( s) Ce n / ( s ) Te ( s) Cm I d ( s)
（2.3）
U d ( j ) Ks jTs Ks e （2.4） 1 2 2 1 4 4 1 3 3 U ct ( j ) (1 Ts Ts ) j (Ts Ts ) 2 24 6
U d (s) Ks U ct ( s) Ts s 1
（2.5）
2.2 晶闸管脉冲相位控制流调速系统(V-M)
逆变角
晶闸管电路有源逆变条件
变流器的外特性
逆变失败
防止逆变失败的措施
图2.5 变流器平均输出电压特性
2.2 晶闸管脉冲相位控制调速系统(V-M)
（2）相位控制的机械特性 晶闸管相位控制传动系统 工作时，电枢电流可能 存在连续和断续两种情 况。 图2.6 为由晶闸管三相零式 电路供电的相位控制传 动系统在电枢电流连续 和断续时的工作波形。
图2.14 H型可逆PWM传动系统 (a)原理图；(b)电压和电流波形
2.3 脉冲宽度调制直流调速系统（PWM-M）
机械特性
图2.15 电流连续时PWM传动系统的开环机械特性
2. 4 直流开环调速系统的传递函数
1.晶闸管变流装置的传递函数 2.电动机的传递函数
图2.3 晶闸管-电机调速系统原理框图（V-M)系统
图2.1 旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M）系统
2.1 旋转变流机组供电的开环调速系统(G-M)
G-M 系统可以实现四象限 运行，图 2.2 给出了采用 旋转变流器供电时，电机 可逆运行的机械特性，它 们基本都是平行的直线。 该系统的机械特性表达式 为式（2.1）所示。
U R n T 2 e （2.1） Ce CeCm
图2.2 G-M系统的机械特性曲线
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
1.晶闸管脉冲相位控制直流调速系统介绍
2.V-M系统的机械特性 3.晶闸管脉冲相位控制可逆传动系统
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
1.晶闸管脉冲相位控制直流调速系统介绍
采用晶闸管变流器供电的直流调速系统叫晶闸管 - 电机 调速系统，简称 V-M ，又称静止的 Wand-Leonand 系统。 其原理框图如图（2.3）所示。
可逆系统变流器工作组分析
整流，待整流 逆变，待逆变
图2.9 两组晶闸管反并联可逆线路
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
可逆系统制动过程分析
图2.9 两组晶闸管反并联可逆线路 图2.13 α=β配合控制时可逆系统的 减速制动过程
2.3 脉冲宽度调制直流调速系统（PWM-M）
系统组成
环流的产生及大小分析
图2.11 三相零式反并联可逆电路环流分析
（a)主电路；（b)正组输出电压波形；(c)反组输出电压波形； （d)正、反组电压差和环流波形
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
可逆系统机械特性
图2.12 合成机械特性
பைடு நூலகம்
图2.9 两组晶闸管反并联可逆线路
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
图2.3 晶闸管-电机调速系统原理框图（V-M)系统
2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统(V-M)
2.V-M系统的机械特性
（1）有源逆变 晶闸管整流装置把直流电变 为交流电的过程称为逆变。 若变流装置把直流电变成交 流电后反送到电网，这种 逆变称为有源逆变。 图 2.4 为三相零式电路供电直 流电机带位能负载的电路 图2.4 晶闸管电路的整流与逆变 及波形图。 （a）整流状态；(b)逆变状态
电气传动及控制基础
廖晓钟
第2章 直流开环调速系统
2.1 旋转变流机组供电的开环调速系统 2.2 晶闸管脉冲相位控制直流调速系统 2.3 脉冲宽度调制直流调速系统 2.4 直流开环调速系统的传递函数
2.1 旋转变流机组供电的开环调速系统(G-M)
以旋转变流机组作为可控电源供电的直流调速 系统叫发电机 -电机系统 ,简称 G-M系统。其原 理图如图2.1所示。