直流调速讲义.doc

苏州技师学院 电气工程系第一章 直流电动机原理直流电动机是利用通电导体在磁场中受到电磁力的作用而发生运动的原理工作的电流流过线圈，在磁场的作用下线圈产生转矩，使电动机旋转从能量角度上讲，直流电动机是一种机电能量转换元件，其作用是将电能转换为机械能要对直流电动机进行调速控制，首先需要分析直流电动机的运行过程及其特点一、基本结构1.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；2.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴3.气隙二、直流电机的励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例 分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式）  他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式三、型号和额定值1.型号： Z 2-9 2 铁心长度代号 机座号 第二次改型设计 直流2.额定值①额定功率：发电机PN：输出电功率；电动机PN：输出机械功率；②额定电压：UN；③额定电流：IN；④额定值之间的关系：发电机：PN= UN IN；电动机：PN= UNINηN二、直流电机运行原理▲　直流发电机：实质上是一台装有换向装置的交流发电机； 原理：导体切割磁力线产生感应电动势 e=BLV；▲ 直流电动机：实质上是一台装有换向装置的交流电动机； 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来，f=BiL 。

说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机1、直流电动机的电枢电动势直流电动机运行时，当电枢绕组导体在磁场中作相对运动时，将会产生感应电动势，该感应产生在直流电动机的电枢上，又称电枢电动势或反向电动势，其大小为： （1-1）其中 Ce 电动机的电势常数，取决于电动机的结构； Φ 电动机内部的磁通； n 电动机的转速由此可见，对于直流电动机来说，其电枢电动势E正比于磁通ϕ和转速n当直流电机工作于发电机状态时，其产生的电动势的大小也可以这样计算 ◎ 在闭环系统中使用的测速发电机TG也是使用这样的原理来工作的：转速和TG输出的电动势成正比关系转速越高，测速发电机输出的电压越高2、直流电动机的电压平衡方程可以把直流电动机等效成如图的电路可得电势平衡方程 （1-2）从电压平衡方程中可以看出，直流电机处于电动机状态下运行3、直流电动机转速方程将式代入电压平衡方程可得：整理即得电动机的转速方程： (1-3)式（1-3）直流调速中最重要的一个方程，它直接揭示了直流电动机的转速与哪些参数有关。

直流电动机的机械特性曲线也可以从此式中推导出来4、直流电动机中的电流直流电动机产生转矩的原因就是电枢上有电流流过，产生电磁力及电磁转矩由力的计算式可知，电动机输出的电磁转矩与电枢电流直接相关直流电动机电磁转矩与电流的关系： (1-5)其中 CT 为转矩常数可以通过限制电动机的电枢电流来限制电动机输出的转矩，这是一个非常重要的概念，即直流电动机系统中，电流直接代表了直流电动机输出转矩（负载）的大小这也可以用来解释为什么一般情况下直流电动机负载增加以后转速会下降：当负载增加，电流增大，根据转速方程，U-IR减小，电动机的转速降低此外，由于电流的增加，电枢电阻上的发热量亦会增加Q=I2Rt，这就是直流电动机在重负载或堵转情况下，容易过热损坏的主要原因5、直流电动机的机械特性1.定义：当 时，2.并激电动机的机械特性： 若忽略电枢反应，，则为一直线； n n0 β 1（硬） 2（软）  Tem**说明：①n0为理想空载转速；②β大，机械特性硬；β小，机械特性软。

6、直流电动机的起动1.定义：从静止到稳定运行；2.要求：①尽量大；②小3.直接起动电流：n=0,Ea=0时，，一般为10～20倍；4.限制起动电流的方法：①电枢回路中串接起动电阻；②降低电压5.起动方法：①全压起动（直接起动）；②电枢回路串联电阻起动；③降低电压7、直流电动机的调速1.公式：2.调速方法：①改变电枢端电压调速（调压调速）②改变电枢回路调节电阻Ra；（串电阻调速）③改变If……弱磁调速；（削弱磁场调速）①改变电源电压Ud调速，调压调速装置的种类很多，从最早的G-M系统，到广泛使用的V-M系统现在随着电力电子技术的发展，小功率的直流调压调速系统越来越多的使用IGBT或电力晶体管的PWM系统调压调速的控制量是电压，它与被控量之间是简单的线性关系调压调速的机械特性曲线如图所示，是线性的改变电枢电压Ud得到的是一族平行直线因此很容易实现高性能的控制②改变电枢回路电阻调速在电动机的主回路中串联入一个电阻器，这时电动机转速公式中的电枢回路总电阻R 其中 Ra为电动机的电阻， Rj为调速电阻的阻值③改变励磁磁通调速直流电动机转速公式中的分母项Φ即直流电动机的励磁磁通通过改变励磁磁通ϕ同样可以实现电动机的调速。

如图所示：结论：对于要求在一定范围内无级平滑调速，以调节电枢供电电压的方式最好改变电阻一般只能有级调速；减弱磁通虽能无级调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围升速因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主四、转向的改变由知，改变转向的方法：①改变的方向；②改变的方向（常用）说明：方法①，由于激磁绕组电感大，可能导致绝缘击穿第二章 自动控制原理基础一、概述对于一个控制系统，把它的控制量看成是输入，把被控量看成是输出这样就可以把这个系统用类似于电子电路中放大装置的符号来表示，如图对于一个自动控制系统，总有一个（或若干个）输入作为控制量；也有一个或者是若干个输出作为控制量电子电路中的放大器是对电压信号或者是电流信号进行放大的装置，我们以放大系数K作为放大器的主要参数 (2-1)对于一个典型的电压放大电路，输入和输出分别为Ui和Uo，则该放大电路的放大系数： (2-2)类似的，自动控制系统也可以看成是将某一种物理量经过变换转换成另一种物理量的装置。

因此我们也可以用类似于放大系数K这样一个参数来表示自动控制系统的特性，在自动控制原理中，我们把这个表示自动控制系统输入输出关系的参数叫“传递函数”，用字母G表示传递函数G所代表的意义比放大系数K要来得丰富如一个调压调速的直流电动机，其输入为给定电枢电压Ud，输出为转速n，其传递函数：再如一个电加热器，接在电路中，它产生的热量（温度）和加热器上所加的电压有关可以把温度T看作是输出，电压U看作是输入该电加热器的传递函数：传递函数G的意义远比一个比例系数来的广泛传递函数可以表示输入和输出的动态关系如电动机起动时，电压往往一瞬间就可以达到额定电压，但即使是加速性能很好的电动机，转速的上升都无法跟上电压，而是有一个数秒钟的加速过程这类似于电路中的动态过程，我们称之为自动控制系统的动态响应关于动态响应的内容可以参照自动控制原理的教科书二、自动控制系统的组成任何形式的自动控制系统，都包括控制器和控制对象两部分其基本结构可用下图进行描述这代表的是自动控制系统的物理结构实际的自动控制系统并没有这么简单，其控制作用也并非单向的而且在实际研究时，我们往往把自动控制系统抽象成框图，以便进行更深入的理论分析一般根据自动控制系统中有无反馈，把自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。

1、开环控制系统把输入经过控制器最后输出的通路看作是放大电路中的信号流向图中所示的自动控制系统框图中，信号的流向是单向的：从输入经控制器到输出，中间没有任何回路存在，称之为开环控制系统2、闭环控制系统上图的自动控制系统，我们除了可以看到一个从输入到输出的信号通路以外，还可以看到另一条从输出端引回到输入的信号通路由于该通路的方向与原信号流的方向相反，我们把该信号通路称为反馈；而原来从输入到输出的信号通路叫前向通路反馈通路和前向通路构成了一个闭合的环这种具有反馈通路，并于前向通路构成了一个闭合信号环的控制系统称为第三章 晶闸管直流调速系统的构成一、直流调速系统的组成晶闸管直流调速系统的结构可以用若干个具有独立功能的自动控制系统框图进行描述1、直流电动机（1）直流电动机的输入输出关系在V-M系统中，直流电动机都是采用调压调速方式控制的，因此很容易得出结论：直流电动机的输入量是电枢电压Ud，输出量是电动机的转速n其传递函数可以表示为：上面的关系通过电动机的转速公式推导出来忽略电动机的负载T即公式中的IdR这一项，则，得到： （2）电动机的自动控制系统框图如图实际上电动机的负载T/Id的作用往往不能忽略。

同过分析可知，电动机的负载最终也是影响电动机的转速因此可以把电动机的电流看成是另一个输入这样，电动机的系统框图可以画成如下形式：2、晶闸管整流装置VF、VR（1）整流装置在直流调速系统中，晶闸管整流装置是调压调速的可控直流源它是通过调整门极触发信号的触发延迟角α来控制整流装置输出的平均电压Ud当触发脉冲依次送给三相全桥整流电路的六个晶闸管的门极时，三相全桥整流电路就能够输出整流波形，其平均电压Ud与触发延迟角α有关，当主回路电流连续时，整流电压的平均值可以通过下式求得： (2-3)其中U2 整流装置输入电压的线电压有效值此式成立的前提是电枢电流连续，在多数情况下，由于直流调速电动机电枢回路的电感较大，电流基本能保持连续以三相交流电中的一相来研究触发延迟相位控制的实现如图，随着触发延迟角的增加，全波整流波形变得不完整，整流电路输出电压的平均值Ud也随之降低由于触发延迟角的大小可以通过专门的电路很方便地进行调节和控制，因此整流电路的输出电压可控即可以通过这种方式来对直流电动机进行调压调速综合考虑三个相的电压叠加，实际三相全波整流电路输出的电压波形如下：所以，晶闸管整流装置可以看作是一个使用触发延迟角α作为输入量、以整流电压Ud作为输出控制系统。

其传递函数为：为了方便起见，也可以写成如下形式：在实验台上，晶闸管整流装置是VF1、VF2、VR1、VR2四块面板其中VF1和VF2是正组晶闸管，VR1、VR2是反组晶闸管，可逆系统中需要使用4块，不可逆系统一般用V。