直流电动机调速控制系统ppt剖析
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直流拖动控制系统(直流调速方法;直流调速电源;直流调速控制)
电力拖动自动控制系统直流拖动控制系统内容提要⏹直流调速方法⏹直流调速电源⏹直流调速控制引言直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，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，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。
根据直流电机转速方程Φ-=e K IR U n 直流调速方法n U I R ΦK e 式中—转速（r/min ）；—电枢电压（V ）；—电枢电流（A ）；—电枢回路总电阻（Ω）；—励磁磁通（Wb ）；—由电机结构决定的电动势常数。
（1-1）由式（1-1）可以看出，有三种方法调节电动机的转速：（1）调节电枢供电电压U；（2）减弱励磁磁通 ；（3）改变电枢回路电阻R。
（1）调压调速⏹工作条件：保持励磁Φ= ΦN；保持电阻R = Ra⏹调节过程：改变电压UN→U↓U↓→n↓，n0 ↓⏹调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。
nn0O II LU NU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线（2）调阻调速⏹工作条件：保持励磁Φ= ΦN；保持电压U =UN；⏹调节过程：增加电阻Ra→R↑R ↑→n↓，n0不变；⏹调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。
nn0O II LR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线（3）调磁调速⏹工作条件：保持电压U =UN；保持电阻R = Ra；⏹调节过程：减小励磁ΦN→Φ↓Φ↓→n↑，n0 ↑⏹调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。
nn0OT e T LΦNΦ1Φ2Φ3 nNn1n2n3调磁调速特性曲线三种调速方法的性能与比较对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
直流电动机的原理及特性PPT课件(2024版)
a)—电枢铁心 冲片
b)—电枢铁心
第8页/共73页
2.1.1 基本机构——2.转子部分
（2）电枢绕组：电枢绕组是 由许多按一定规律联接的 线圈组成，它是直流电机 的主要电路部分，也是通 过电流和感应电动势，从 而实现机电能量转换的关 键性部件。
1—槽楔 2—线圈绝缘 3—导体 4—层间绝缘 5—槽绝缘 6—槽底绝缘
1
符号含义：H 平均磁场强度，l 平均计算长度
气隙
t 电枢齿 a 电枢轭 m 主磁极 j 定子轭
第34页/共73页
直流电机的空载磁化特性曲线
空载磁化特性曲线： 0 f (2Ff ) 或0 f (Ff ), 0 f (I f )
在额定状态下，电机往往工 作在饱和点附近，这样即可 以获得较大的磁通，又不致 需要太大的励磁磁动势，从 而可以节省铁心和励磁绕组 的材料。（线性分析方法）
第23页/共73页
2.2 直流电机的电枢绕组
2.1.1 单叠绕组
1.线圈的元件边及端接线（一个绕组原件就是一个线圈）
第24页/共73页
2.2 直流电机的电枢绕组
2.1.1 单叠绕组
2.单叠绕组的特点：元件的两个端子连接在相邻的两个 换向片上。 单叠绕组的所有的相邻元件依次串联，即后一元件的首 端与前一元件的末端连在一起，接到一个换向片上。最 后一个元件末端与第一个元件首端连接在一起，形成一 个闭合回路。
第40页/共73页
交轴电枢磁场的特点：
①. 电枢磁势Fa与主极磁势Ff互相垂直； ②. 电枢表面各点的电枢磁势Fa不等；在几何中性线处电枢磁势Fa最大，在极轴线处等于零，即Fa=0。 ③. 电枢磁密Bmax在几何中心线处的值不为零。
第41页/共73页
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章7直流电动机的起动、调速和制动
调速的方法
U I a Ra n Ce
磁场控制
9 调励磁电流调速
电机学
调速 Speed Governing
调速：调节转速、转速控制 电动机调速的基本要求
– – – –
n nN n1 t1 O t
调速范围：D=nmax/nmin 平滑性 经济性
调速设备简单、可靠、操作方便
10
电机学
If
18
电机学
直流电动机的反接制动
方法
励磁回路不变，将加在电枢回路的电 压反接。
-U=Ea+Ia(Ra+RL) Ia=-(U+Ea)/(Ra+RL) 将产生很大的制动性质的电磁转矩。
原理
19
电机学
直流电动机的反接制动
+ U 电动
Q 制动 B n0
n A
Ra
Ia
RL I’a + Ea –
n Ia1
If3
ia
n0
O
If1>If2>If3
If2
If1 TeN Te
IaN n1 nN
O
Te=CTΦIa
n
13
t
电机学
串励电动机的调速
n n
TL
Rs1<Rs2<Rs3 Rs1 Rs3 O Rs2 Te O
TL U1>U2>U3 U1 U3 U2 Te
调速方式 改变Rs 改变U
14
主要优点 简单 转速可调低、可调高
他励和并励电动机的调速 ▲电枢回路串电阻调速
n
n0 RΩ=0
IaN nN n1
1.7 电压反馈电流补偿控制的直流调速系统--1
● ●
电压负反馈信号的引出线应尽量靠近 电动机电枢两端。 电压反馈信号必须经过滤波
●
●
电压负反馈的调速系统不能弥补电枢 压降所造成的转速降落
Id
* Un ∆U + _ Un
Kp
Uc
Ks
பைடு நூலகம்
Udo +
Rpe _
Ud +
Ra _
E
n 1/Ce
γ
图 1－53 电压负反馈直流调速系统 － 稳态结构图
1.7.2 电流正反馈和补偿控制规律 电流正反馈和补偿控制规律
* K p K sU n
K p K s βI d
( R pe + Rs ) I d
K = γK P K S
电流正反馈作用的
K p K s βI d C e (1 + K )
项能够补偿两项
稳态速降， 稳态速降，当然就可以减小静差了
如果 1 + K − 1 + K − Ra = 0 就做到了无静差 无静差的条件：
K pKsβ
R pe + Rs
R + KRa β= = β cr K pKs
β cr
：临界电流反馈系数
R: 电枢回路总电阻， R
= R pe + R s + Ra
采样补偿控制的方法使静差为零， 采样补偿控制的方法使静差为零，叫做 “全补偿” 全补偿”
• “全补偿” 全补偿” 全补偿 • “欠补偿” 欠补偿” • “过补偿” 过补偿”
●
电流正反馈的作用又称作电流补偿控制
Id
Id β
U*
n
Rs+Rpe Ra
Ui + ∆U
电压负反馈信号的引出线应尽量靠近 电动机电枢两端。 电压反馈信号必须经过滤波
●
●
电压负反馈的调速系统不能弥补电枢 压降所造成的转速降落
Id
* Un ∆U + _ Un
Kp
Uc
Ks
பைடு நூலகம்
Udo +
Rpe _
Ud +
Ra _
E
n 1/Ce
γ
图 1－53 电压负反馈直流调速系统 － 稳态结构图
1.7.2 电流正反馈和补偿控制规律 电流正反馈和补偿控制规律
* K p K sU n
K p K s βI d
( R pe + Rs ) I d
K = γK P K S
电流正反馈作用的
K p K s βI d C e (1 + K )
项能够补偿两项
稳态速降， 稳态速降，当然就可以减小静差了
如果 1 + K − 1 + K − Ra = 0 就做到了无静差 无静差的条件：
K pKsβ
R pe + Rs
R + KRa β= = β cr K pKs
β cr
：临界电流反馈系数
R: 电枢回路总电阻， R
= R pe + R s + Ra
采样补偿控制的方法使静差为零， 采样补偿控制的方法使静差为零，叫做 “全补偿” 全补偿”
• “全补偿” 全补偿” 全补偿 • “欠补偿” 欠补偿” • “过补偿” 过补偿”
●
电流正反馈的作用又称作电流补偿控制
Id
Id β
U*
n
Rs+Rpe Ra
Ui + ∆U
第三章直流电动机速度控制系统
1-24
机械特性与静差率
n n01
额定转速降
ΔnN
R nN I N Ce
U d1
n02
是一个恒值。 调速系统在不 同电压下的机 械特性是互相 平行的，两者 的硬度相同。
1-25
ΔnN
Ud2
0
TeN
Te
图3-4 不同转速下的机械特性
机械特性与静差率
• 调速系统在不同电压下的理想空载转速 不一样。 • 理想空载转速越低时，静差率越大。 • 同样硬度的机械特性，随着其理想空载 转速的降低，其静差率会随之增大， • 调速系统的静差率指标应以最低速时能 达到的数值为准。
1-12
n n0
Ra Ra+R1 Ra+R2 Ra+R3
0
Id
图3－1 直流电动机调阻调速时的机械特性
1-13
减弱磁通调速法
U R n T n n 0 2 e K K K （3-3） e e m
• 理想空载转速 n 0 将随 增大。 的减少而
1-14
减弱磁通调速法
1-4
第一节
直流电动机控制基础
• 直流伺服电机的分类 直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他 励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁 合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷 绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、 转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增 量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不 同品种。
（3-5）
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。
• 用百分数表示 s
nN s n0
机械特性与静差率
n n01
额定转速降
ΔnN
R nN I N Ce
U d1
n02
是一个恒值。 调速系统在不 同电压下的机 械特性是互相 平行的，两者 的硬度相同。
1-25
ΔnN
Ud2
0
TeN
Te
图3-4 不同转速下的机械特性
机械特性与静差率
• 调速系统在不同电压下的理想空载转速 不一样。 • 理想空载转速越低时，静差率越大。 • 同样硬度的机械特性，随着其理想空载 转速的降低，其静差率会随之增大， • 调速系统的静差率指标应以最低速时能 达到的数值为准。
1-12
n n0
Ra Ra+R1 Ra+R2 Ra+R3
0
Id
图3－1 直流电动机调阻调速时的机械特性
1-13
减弱磁通调速法
U R n T n n 0 2 e K K K （3-3） e e m
• 理想空载转速 n 0 将随 增大。 的减少而
1-14
减弱磁通调速法
1-4
第一节
直流电动机控制基础
• 直流伺服电机的分类 直流电机按其励磁方式分为永磁式、励磁式(他 励、并励、串励、复励)、混合式(励磁和永磁 合成)三种；按电枢结构分为有槽、无槽、印刷 绕组、空心杯形等；按输出量分为位置、速度、 转矩(或力)三种控制系统；按运动模式分为增 量式和连续式；按性能特点及用途不同又有不 同品种。
（3-5）
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。
• 用百分数表示 s
nN s n0
1-3 直流电动机的脉宽调制(PWM)调速
若VT1关断时间长，在t=t2时，电枢电流ia衰减 到零，那么在电动机内电势Ea的作用下，VT2导通， 电枢电流ia 将沿着相反的方向从B点流入A点，电机 进入能耗制动。通过控制VT2的时间间隔可以控制电 机的制动转矩 注意：在VT1重新导通之间，必须先关闭VT2， 让电枢电流经过VD1续流，电机短时进入再生制动状 态，否则在VT2还没有完全关断之前就让VT1导通， 电源经过VT2、VT1直接短路，损坏开关元件。
1、单极性脉宽调制方式 系统输出电压UA的极性是通过一个控制电压Uc 来改变的。 Uc为正，VT1与VT2交替导通，VT4一直导通， VT3关断，此时，B点总是为正，A点总是为负 Uc为负，VT3与VT4交替导通，VT2一直导通， VT1关断，此时，B点总是为负，A点总是为正
工作原理： Uc为正时 0<t<t1时，VT1导通，VT2关断，若Us>Ea， 电枢电流经VT1、VT4从B流到A，电机处在电动 机状态。 在t1<t<T时，VT1关闭，VD2与VT4续流，电枢 电流方向不变，电机仍处在电动机状态。 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Ea使VT2导通，电枢电 流反向，经VT2、VD4从A流到B，电机进入能耗 制动状态 若Ea>Us，在VT2关断期间，电枢电流经VD1 和VD4输回电网，电机作再生制动 Uc为负时，原理与此类似，电机反向
如果电流连续，则电机始终处于电动状态 若在t1<t<T期间的某一时刻t2电枢电流衰减到 零，那么在t2<t<T期间，Us和Ea共同作用，使 VT2、VT3导通，电枢电流反向，经VT2、VT3从A 流到B，电机进入反接制动状态 在VT1、VT4再次导通之前，必须关断VT2、 VT3，电枢电流VD1、VD4续流，电机进入再生制 动
转速电流反馈控制的直流调速系统
典型Ⅰ型系统的闭环传递函数为
K K 2 n W ( s) s (Ts 1) T Wcl ( s ) 2 2 K 1 K 1 W ( s) s 2 n s n 2 1 s s s (Ts 1) T T （3-12） K 1 1 式中，n T ——自然振荡角频率； 2 KT ——阻尼比。
双闭环直流调速系统的起动过程有以下三 个特点： （1）饱和非线性控制 （2）转速超调 （3）准时间最优控制
2．动态抗扰性能分析
双闭环系统与单闭环系统的差别在于多了一个 电流反馈环和电流调节器。 调速系统，最主要的抗扰性能是指抗负载扰动 和抗电网电压扰动性能。
（1）抗负载扰动
负载扰动
图3-7 直流调速系统的动态抗扰作用
转速调节器ASR的输出限幅电压决定了电流给定的最大 值，电流调节器ACR的输出限幅电压限制了电力电子变 换器的最大输出电压； 当调节器饱和时，输出达到限幅值，输入量的变化不再 影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和； 当调节器不饱和时，PI调节器工作在线性调节状态，其 作用是使输入偏差电压在稳态时为零。 对于静特性来说，为了实现电流的实时控制和快速跟随， 希望电流调节器不要进入饱和状态，因此只有转速调节 器饱和与不饱和两种情况，电流调节器不进入饱和状态 。
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
第Ⅲ阶段：转速调节阶段（t2以后）
n n
*
Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ
起始时刻是n上升 到了给定值n*。
t
0 Id Idm
IdL 0 t1 t2 t3 t4 t
在第Ⅲ阶段中， ASR和 ACR都不饱和，ASR起主 导转速调节作用，而ACR 力图使Id尽快地跟随给定值 Ui*，电流内环是一个电流 随动子系统。
直流电动机PPT课件
额定电磁转矩为
TN95n P 5 N N 09535 100 3 040 .4 1N •m
节目录
电路与电工技术
何谓直流电机的铭 牌数据？其中的额 定功率，是电功率 还是机械功率？ 节目录
在直流电动机中，电枢所 加电压已是直流，为什么还 要加装换向器？如果直流电 机没有换向器，还能转动吗？
直流电机的定子都 包含哪几部分？各 部分作用如何？
节目录
电路与电工技术
一台Z252型直流电动机，已知其铭牌数据为： PN=13kW，UN=220V，ηN=0.86，nN=3000r/min。试 求该直流电动机的P1N，IN和TN。
根据已知铭牌数据，可求得额定输入功率为
P1NPN N
1315.1kW 0.86
额定电流为 INUP N NN2123 1 00.8 3 066.87A
节目录
电路与电工技术
6.1 直流电动机的结构原理
直流电机是电机的主要类型之一。近年来，与电力电子 装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电 机大有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理 论意义和实用价值。
1. 直流电机的结构组成
节目录
电路与电工技术 直流电机结构组成图
节目录
电路与电工技术
直流电机的转子都 包含哪几部分？各 部分作用如何？
电路与电工技术
6.2 直流电动机的基本工作原理
1. 直流电动机的基本工作原理
直流电动机的工作原理也是
建立在电磁力和电磁感应的基
A
础上。图中N和S为直流电机的
一对定子磁极；电枢绕组用一
个单匝线圈来表示；线圈的两 个引出端分别联在两个换向片
I
B
上，换向片上压着电刷A和B。 _ U +
直流电动机启动及调速
n
n0
nN
0
T
T2
一台并励直流电动机空载电枢电流
01
只需要很小的电枢电流即可
02
1. 小于额定电流
2. 大于额定电流
3. 等于额定电流
T T0
UN 230V IaN15.7A nN200r0/min
Ra 1
13、并励直流 直流电动机
Rf 610
STEP 01
（包括电刷的接触电阻）
STEP 02
T Ea Ia n
01
直流电动机带恒转矩负载运行，如果增加它的励磁电
流，
怎样变
化T？ T2
02
电
T
磁转矩
不变Ct
Ia
If Ia
n?
n
N
0
T2
轻载 n
n U
Ce
CeRCat2
T
Ea ?
UEaIaRa
T
Ea UIaRa
Ia Ea
根据：
1
n Ia
T T0
2
电磁转矩平衡空载转矩
1. 并励电动机空载运行，如 果励磁回路突然断开，说 明 各量将如何变化？
动 电 流 ，
t
加大a
电
提
阻
高
，
启
动
转
矩
肆Ia
励 磁 回 路 减 小 电 阻
电枢回路加大电阻
Ia
U Ea Ra
U Ra
U壹
Ia Ra RS 点 击 此 处 添
励磁回路减小电阻加小 标 题
貳
点
R击 S此1
RS2
RS3
处
添
M
加
小
4.2V-M可逆直流调速系统
(c) r 60 ( r 120)
时逆变电压 u d 0r 波形
(d)瞬时电压差 ud 0
和瞬时脉动环流 icp
波形
环流电抗器
直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时 脉动环流却是自然存在的。
为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串 入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗 器。
环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流 分量限制在负载额定电流的5%~10%来设计。
直流平均环流和瞬时脉动环流都属于静态 环流，是两组可逆线路在一定控制角下稳 态工作时出现的环流。
还有一种动态环流，仅在可逆V-M系统处 于过渡过程中可能出现。
V-M系统的四象限运行
在可逆调速系统中，正转运行时 可利用反组晶闸管实现回馈制动，反 转运行时同样可以利用正组晶闸管实 现回馈制动。这样，采用两组晶闸管 装置的反并联，就可实现电动机的四 象限运行。
图4-9 两组晶闸管反并联可逆V-M 系统的正组整流和反组逆变状态
(b)反组逆变回馈制动
V-M 系 统 工 作 在 第二象限。
图4-9(c)
图4-9 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态 (c)机械特性允许范围
转速反向的过渡过程
在晶闸管整流装置反并联可逆调速系统转 速反向的过渡过程中，在电枢电流未反向 前，电流只能在VF与电动机组成的回路中 流通，VF组工作在整流状态 。
图4-7 单组V-M系统带位能性负载时的整流和逆变状态 (a)提升工作，整流状态 (b)下放工作，逆变状态 (c)机械特性
图4-7分析
图4-7a---当α<90°时，平均整流电压Ud0>E，输出整流电流 Id，电动机产生电磁转矩作电动运行，提升重物，这时电能
时逆变电压 u d 0r 波形
(d)瞬时电压差 ud 0
和瞬时脉动环流 icp
波形
环流电抗器
直流平均环流可以用配合控制消除，而瞬时 脉动环流却是自然存在的。
为了抑制瞬时脉动环流，可在环流回路中串 入电抗器，叫做环流电抗器，或称均衡电抗 器。
环流电抗的大小可以按照把瞬时环流的直流 分量限制在负载额定电流的5%~10%来设计。
直流平均环流和瞬时脉动环流都属于静态 环流，是两组可逆线路在一定控制角下稳 态工作时出现的环流。
还有一种动态环流，仅在可逆V-M系统处 于过渡过程中可能出现。
V-M系统的四象限运行
在可逆调速系统中，正转运行时 可利用反组晶闸管实现回馈制动，反 转运行时同样可以利用正组晶闸管实 现回馈制动。这样，采用两组晶闸管 装置的反并联，就可实现电动机的四 象限运行。
图4-9 两组晶闸管反并联可逆V-M 系统的正组整流和反组逆变状态
(b)反组逆变回馈制动
V-M 系 统 工 作 在 第二象限。
图4-9(c)
图4-9 两组晶闸管反并联可逆V-M系统的正组整流和反组逆变状态 (c)机械特性允许范围
转速反向的过渡过程
在晶闸管整流装置反并联可逆调速系统转 速反向的过渡过程中，在电枢电流未反向 前，电流只能在VF与电动机组成的回路中 流通，VF组工作在整流状态 。
图4-7 单组V-M系统带位能性负载时的整流和逆变状态 (a)提升工作，整流状态 (b)下放工作，逆变状态 (c)机械特性
图4-7分析
图4-7a---当α<90°时，平均整流电压Ud0>E，输出整流电流 Id，电动机产生电磁转矩作电动运行，提升重物，这时电能