直流调速系统原理
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精品课件
调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速
nmax 与最低转速nmin之比称D为 调nma速x 范围，用D表示。即：
n min
静差率
调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载
增
加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0
之比，用s表示s。 即n：10% 0n0n10% 0
这就是所谓的电 源—电动机调速 系统（V—M） 系统，它属于开 环系统。
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例：某电源—电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn<5%，则该调速系统是否能满足要求？
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1 转速负反馈晶闸管直流调速系统
给定
比较放大
晶闸管触 发整流
反馈电位器
பைடு நூலகம்
他励直流电动机 测速发电机
精品课件
1.1 系统的组成
由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被 控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功 率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节 器为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为 给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测 元件。该调速系统的组成框图如下:
直流调速技术
精品课件
直流调速系统
直流调速系统：引言 转速负反馈晶闸管直流调速系统 小功率有静差直流调速系统实例分析 速度和电流双闭环直流调速系统 双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统
精品课件
直流调速系统：引言
调速系统的性能指标
精品课件
一、什么是调速
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需 要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件 时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工 时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为 了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工 时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转 速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完 成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。
n0
n0
两者之间的关系是：D
ns n(1s)
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他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式：
n E UIR CE CE
式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
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E UIR n
CE CE 由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢
回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压 调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的 机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的 是变电压调速。
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用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢 电压可调，从而达 到改变电机转速的 目的。
T m T eN (s)s2 T m N (s)sN (s)C 1 eU a(s) 即他励直流电机的传递函数是：
G(s)U N a((ss))TmTes1 2 CT ems1
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晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier)
√优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功 率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路 控制，响应速度为毫秒级。 缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反 向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当 晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并 产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃 及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。
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二、调速控制系统的性能指标
在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速
内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳 定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受 负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。
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直流电动机(Direct Current Motor)
由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电
压方程：
ua
iaRa
La
ddi e dt
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代入他励直流电动机的机电参数：
T e C T ia T e T L J d dt e C e n
可得： TmTedd2ntTmddntnC1 eua 两边取Laplace变换：
解：如果要满足D=20，Sn<5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为：
n n es 10 0 0 .0 05 2 .6% 3 D (1s) 2(1 0 0 .0)5
而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：
nINR30 0 5 .18 27 .5r 4 /min
C e N
0.2
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线性放大区
晶闸管整流电路的调节特性 为输出的平均电压 U c与触发
电路的控制电压 U d之间的关
系，即 Ud f(Uc)。图7-4为 晶闸管整流装置的调节特性。 由图可见，它既有死区，又 会饱和。
如果在一定范围内将非线性 特性线性化，可以把它们之 间的关系视为由死区和线性 放大区两个部分级成。其中 线性放大区有：
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而静差率为：
s n 2752.5 1 % n0 n 10 0 20 75
由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。
目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速 系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良 好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调 速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着 电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用 范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作 为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作 原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。
调速范围 生产机械在额定负载时要求电动机提供的最高转速
nmax 与最低转速nmin之比称D为 调nma速x 范围，用D表示。即：
n min
静差率
调速系统在某一转速下稳定运行时，负载由理想空载
增
加到规定负载时，所对应的转速降落Δn与理想转速n0
之比，用s表示s。 即n：10% 0n0n10% 0
这就是所谓的电 源—电动机调速 系统（V—M） 系统，它属于开 环系统。
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例：某电源—电动机直流调速系统，已知电机的额定 转速为n=1000r/min，额定电流IN=305A，主回路电阻 R=0.18Ω，CeΦN=0.2，若要求电动机调速范围D=20， sn<5%，则该调速系统是否能满足要求？
精品课件
1 转速负反馈晶闸管直流调速系统
给定
比较放大
晶闸管触 发整流
反馈电位器
பைடு நூலகம்
他励直流电动机 测速发电机
精品课件
1.1 系统的组成
由图可见，该系统的控制对象是直流电动机M，被 控量是电动机的转速n，晶闸管触发及整流电路为功 率放大和执行环节，由运算放大器构成的比例调节 器为电压放大和电压(综合)比较环节，电位器RP1为 给定元件，测速发电机TG与电位器RP2为转速检测 元件。该调速系统的组成框图如下:
直流调速技术
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直流调速系统
直流调速系统：引言 转速负反馈晶闸管直流调速系统 小功率有静差直流调速系统实例分析 速度和电流双闭环直流调速系统 双极晶体管脉宽调制控制系统的直流调速系统
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直流调速系统：引言
调速系统的性能指标
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一、什么是调速
电动机是用来拖动某种生产机械的动力设备，所以需 要根据工艺要求调节其转速。比如：在加工毛坯工件 时，为了防止工件表面对生产刀具的磨损，因此加工 时要求电机低速运行；而在对工件进行精加工时，为 了要缩短工加时间，提高产品的成本效益，因此加工 时要求电机高速运行。所以，我们就将调节电动机转 速，以适应生产要求的过程就称之为调速；而用于完 成这一功能的自动控制系统就被称为是调速系统。
n0
n0
两者之间的关系是：D
ns n(1s)
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他励直流电机的调速方案
他励直流电动机的转速公式：
n E UIR CE CE
式中：U为他励电动的电枢电压 I为电枢电流 E为电枢电动势 R为电枢回路的总电阻 n为电机的转速 Φ为励磁磁通 CE为由电机结构决定的电动势系数
精品课件
E UIR n
CE CE 由直流他励电机有调速方式有三种调速方式：电枢
回路串电阻的变电阻调速，改变电枢电压的变电压 调速以及减小气隙磁通量的弱磁调速。 由于串电阻调速和弱磁调速都会使直流他励电机的 机械特性变软，所以在实际应用中我们通常采用的 是变电压调速。
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用晶闸管触发整流 整流电路实现电枢 电压可调，从而达 到改变电机转速的 目的。
T m T eN (s)s2 T m N (s)sN (s)C 1 eU a(s) 即他励直流电机的传递函数是：
G(s)U N a((ss))TmTes1 2 CT ems1
精品课件
晶闸管整流电路(Thyristor Rectifier)
√优点：晶闸管整流装置不但经济、可靠而且其功 率放大倍数在104以上，门极可直接采用电子电路 控制，响应速度为毫秒级。 缺点：由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反 向，给系统的可逆运行造成困难。另一问题是当 晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并 产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃 及同电网中的用电设备，造成“电力公害”。
精品课件
二、调速控制系统的性能指标
在前几章中我们学过，各种自动化生产机械或系统 所提出的性能指标一般都可以分成稳态指标和动态 指标。对于调速系统来说也不例外，只是它作为一 个特定的系统，其稳态和动态指标有着具体而明确 定义。 稳态指标：主要是要求系统能在最高和最低转速
内进行平滑调节，并且在不同转速下工作时能稳 定运行，而在某一转速下稳定运行时，尽量少受 负载变化及电源电压波动的影响。因此它的指标 就是调速系统的调速范围和静差率。 动态性能指标：主要是平稳性和抗干扰能力。
精品课件
直流电动机(Direct Current Motor)
由基尔霍夫定律，可得他励直流电动机电枢回路的电
压方程：
ua
iaRa
La
ddi e dt
精品课件
代入他励直流电动机的机电参数：
T e C T ia T e T L J d dt e C e n
可得： TmTedd2ntTmddntnC1 eua 两边取Laplace变换：
解：如果要满足D=20，Sn<5%的要求，则其在额定条件 下的转速降为：
n n es 10 0 0 .0 05 2 .6% 3 D (1s) 2(1 0 0 .0)5
而由已知条件并设系统电流连续，则其额定转速下 的转速降为：
nINR30 0 5 .18 27 .5r 4 /min
C e N
0.2
精品课件
线性放大区
晶闸管整流电路的调节特性 为输出的平均电压 U c与触发
电路的控制电压 U d之间的关
系，即 Ud f(Uc)。图7-4为 晶闸管整流装置的调节特性。 由图可见，它既有死区，又 会饱和。
如果在一定范围内将非线性 特性线性化，可以把它们之 间的关系视为由死区和线性 放大区两个部分级成。其中 线性放大区有：
精品课件
而静差率为：
s n 2752.5 1 % n0 n 10 0 20 75
由此例不难发现，象这样的电源——电动机所组成的 开环调速系统，是没有能力完成其调速指标的。要把 额定负载下的转速降从开环系统中的274.5降低到满 足要求的2.63就必须采用负反馈，这也就构成了我们 所谓的闭环直流调速系统——转速负反馈直流调速。
目前调速系统分交流和直流调速系统，由于直流调速 系统的调速范围广，静差率小、稳定性好以及具有良 好的动态性能。因此在相当长的时期内，高性能的调 速系统几乎都采用了直流调速系统。但近年来，随着 电子工业与技术的发展，高性的交流调速系统的应用 范围逐扩大并大有取代直流调速系统发展趋势。但作 为一个延用了近百年的调速系统，了解其基本的工作 原理，并加深对自动控制原理的理解还是有必要的。