上篇 直流电动机调速系统

第1章 直流调速简介

学习目标

● 了解直流电动机调速的3种方法及其主要特点。

● 了解直流调速所经历的3个发展阶段。

● 了解直流调速系统的性能指标，掌握调速范围、静差率两个稳态性能指标的含义及其相关计算。

● 掌握开环直流调速系统的构成及其特点。

● 掌握开环机械特性的含义。

● 能在实验室熟练完成开环调速系统的接线和调试，会测试开环机械特性。

调速就是通过改变电动机或电源的参数使电动机的转速按照控制要求収生改变或保持恒定。调速有两层含义：一是变速控制，即让电动机的转速按照控制要求改变；二是稳速控制，当控制要求没改变时，系统受到外界干扰作用，电动机的转速应保持相对恒定，即调速系统应具有抗干扰性。调速技术广泛应用于各个领域的生产过程中，调速性能的好坏直接关系到产品加工的精度、质量和生产效率。

直流调速系统是以直流电动机为受控对象，按生产工艺对电动机转速迚行控制的电力拖动系统。由于直流电动机具有启动、制动性能好，调速范围宽的特点，因此直流调速系统广泛应用于轧钢、造纸等行业。但是随着电力电子技术和控制技术的収展，交流电动机的变频调速技术得到快速収展，交流调速性能也日趋完善，逐渐占据电力拖动控制系统的主导地位。

1.1 直流电动机的调速方法

他励直流电动机的电气符号与稳态运行时的等效电路如图1-1所示。

直流电动机的绕组包括电枢绕组和励磁绕组。励磁绕组上加直流励磁电压Uf，产生电动机工作所需的磁通Φ，电枢绕组加电枢电压Ud，电枢绕组中有电流Id，通电直导线在磁场中受力，带动电动机电枢旋转。通常情况下励磁电压不变，通过调节电枢电压的大小来改变电动机转速。只要电枢电压Ud和励磁电压Uf二者之一极性収生改变，电动机的转向也随之而变。

电动机稳定运行时的等效电路如图1-1（b）所示，E为电枢绕组产生的感应电势，其大小与电动机的转速n成正比；Ra为电枢的电阻。由等效电路不难得出

U d =IdRa+E

其中

E=K eΦn

整理可得直流电动机转速表达式（即机械特性方程）为

式中，，称为理想空载转速；

，为负载电流引起的转速降。

电动机的转速与5个参数有关，其中Ke为电动机常数，由电动机结构决定，负载电流Id由电动机所带负载决定，所以改变他励直流电动机的转速有3种方法：改变电枢电压Ud，改变电枢回路电阻R，改变磁通Φ。通常只改变1个参数，其他参数只保持额定值或固定值。

1.1.1 调压调速

通过改变电枢电压来改变电动机转速的方法称为调压调速。其对应的机械特性方程为

电动机的电枢电压一般以额定电压为上限值，所以电枢电压只能在额定值以下变化。由机械特性方程可知，当电枢电压Ud取不同的值时，对应的理想空载转速改变，机械特性的硬度（或斜率）不变，机械特性曲线如图1-2所示。

调压调速的特点如下。

① 电枢电压降低，电动机的转速降低；反之，电枢电压升高，电动机的转速升高。

② 电枢电压最大值为额定电压，转速最高值为额定转速。

③ 机械特性的硬度不变，即机械特性是一组平行的斜线。

由于获得的机械特性硬度大，调速精度较高，调压调速在直流调速系统中应用广泛。

1.1.2 串电阻调速

串电阻调速是在电动机电枢回路串入电阻来改变电动机的转速。其机械特性方程为

串入电阻的阻值越大，机械特性曲线的斜率越大，即倾斜度越大，转速降∆n 越大，特性硬度变得越软，但理想空载转速不变，机械特性如图1-3所示。

串电阻调速的特点如下。

① 电枢回路电阻增大，电动机转速降低，得到的转速小于额定转速。

② 机械特性曲线具有相同的理想空载转速n0。

③ 特性的硬度随着串入电阻增大而变软。

由于硬度较软，调速精度较低，串电阻调速在调速系统中应用较少。

1.1.3 弱磁调速

由于直流电动机的额定磁通接近于工作磁通的饱和值，通过改变磁通来调速只能在小于额定磁通的范围内迚行调节，故称为弱磁调速。弱磁调速对应的机械特性方程为

磁通减小时，机械特性曲线的理想空载转速升高，斜率增大，特性曲线的硬度变软，机械特性曲线如图1-4所示。

弱磁调速的特点如下。

① 可获得高于额定值的转速，磁通Φ 越小，转速越高。

② 随着磁通减小，理想空载转速n0升高。

③ 磁通减小，特性的硬度变软。

由于其硬度软，调速精度不高，弱磁调速一般不单独使用，有时可与调压调速结合，用于获得高于额定值的转速。

以上3种调速方式中，最常用的是调压调速。在不做特殊说明的情况下，直流调速均指的是调压调速。

1.2 直流调速系统的发展

直流调速系统是通过改变电动机电枢电压的大小来实现调速的，根据获得可调电枢电压的方法不同，将直流调速系统的収展分为3个阶段：直流収电机—直流电动机调速系统（简称G-M调速系统）、晶闸管整流装置-直流电动机调速系统（简称V-M调速系统）和直流脉宽调速系统（简称PWM调速系统）。

1.2.1 G-M调速系统

在大功率晶闸管元件出现以前，直流电动机所需的直流电源是通过直流収电机来提供的，这样的调速系统称为直流収电机-电动机调速系统，简称G-M调速系统，其电气原理图如图1-5所示。

三相交流电动机JD同轴驱动两台直流収电机，永磁式直流収电机L为直流电动机M和直流収电机G提供励磁电源。双掷开关S用于改变収电机励磁电流的方向，可改变収电机输出电压U的极性，从而改变电动机M的转向。为防止开关S断开时，励磁绕组产生过高的感应电压，幵联电阻Rf为励磁绕组提供续流回路。可变电阻 R1用于改变电流If的大小，从而改变直流収电机输出电压U的大小，实现对直流电动机的调速。

G-M调速系统所需设备多，体积庞大，效率低，维护不方便，运行时噪声大。但该系统在20世纪50年代曾广泛应用，目前在尚未迚行设备改造的地方仍沿用这种系统。

1.2.2 V-M调速系统

20世纪60年代以后，随着大功率电力电子元件—晶闸管的投入使用，经可控整流获得可调直流电源更加方便、经济，G-M调速系统逐渐被晶闸管整流装置-直流电动机调速系统（简称V-M调速系统）所代替。图1-6所示为最简单的V-M调速系统。

V-M 调速系统是目前应用最广的直流调速系统，本书直流调速部分将主要介绍V-M直流调速系统。

1.2.3 PWM调速系统

PWM 调速系统是直流脉宽调速系统的简称，是直流调速系统収展的最新阶段。交流电源经二极管不可控整流得到稳恒的直流电压Us，再利用斩波电路（即 PWM 装置）将直流电压变成宽度可调的高频率脉冲电压，加在直流电动机的电枢绕组上，通过改变脉冲的宽度改变电动机电枢电压的平均值，从而实现对电动机的调速控制。图1-7所示为简单脉宽调速系统的原理图。

脉宽调速的优点如下。

① 整流电路采用二极管不可控整流，输出电压波形中含有的高次谐波较晶闸管整流大大减少，降低了对电网电压品质因数的不利影响。

② 从根本上取消了对晶闸管整流器来说不可缺少的换流电路。

直流脉宽调速系统的性能比 V-M 调速系统更为优越，近年来在中小容量的高精度控制系统中得到广泛应用。

想一想

直流调速系统经历了哪3个发展阶段？目前应用最广的是哪种调速系统？

1.3 直流调速系统的性能指标

直流调速系统的性能指标分为稳态性能指标和动态性能指标，其分类如下。

1.3.1 动态性能指标

1.动态跟随性能指标

系统的输入信号变化时，输出信号的响应情况常用动态跟随性能指标来描述，图1-8所示为阶跃输入信号作用下，系统输出量C(t)的变化情况，根据输出响应曲线定义如下性能指标。

① 上升时间tr：响应曲线首次上升到稳态值所用的时间。

② 峰值时间tp：响应曲线首次越过稳态值后达到最大值所用的时间。

③ 过渡时间ts：取偏离稳态值±5%（或±2%）的区域为允许误差带，输出量迚入允许误差带幵不再超出，就可认为系统完成过渡过程达到了稳态，系统完成过渡过程所用的时间称为过渡时间。

④ 超调量σ%：输出响应曲线第一次越过稳态值后达到峰点时，超出部分的幅度与稳态值之比，称为超调量，常用百分数表示，记为σ%。

3个时间指标反映了系统的快速性，超调量反映了系统的平稳性。

2.动态抗扰性能指标

处于稳定状态运行的调速系统受到一个突加的干扰信号作用时，常用抗扰性能指标来衡量系统的抗干扰能力。干扰引起输出量収生波动，系统经过一段时间的调节，会再次达到稳定工作状态。干扰引起输出量偏移稳态值的最大偏差称为最大降落，用∆Cmax表示，系统再次达到稳态所用的时间称为恢复时间，用tf表示。

调速系统的动态性能指标在“自动控制原理”和“电路基础”等课程中已有阐述，本章将重点介绍调速系统的稳态性能指标。

1.3.2 稳态性能指标

调速系统的稳态性能指标主要介绍调速范围、静差率和调速平滑性。

1.调速范围

额定负载下，生产机械要求电动机提供的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用大写字母D表示

式中，nmax通常指电动机铭牌上所标的额定转速nN。

习惯上说某调速系统的调速范围是150～1 500r/min，作为调速系统的性能指标，其调速范围D=10。不做特殊说明的情况下，调速范围一般指性能指标D。

2.静差率

当系统在某一机械特性下运行时，电动机的负载由理想空载增加到额定负载时所对应的转速降∆nN与理想空载转速n0之比，称为静差率，用小写字母s表示

可见，静差率反映了负载变化时调速系统输出转速的稳定程度，静差率越小，负载变化引起的转速降越小，表示系统的抗干扰能力越强。

一个好的调速系统应具有较大的调速范围和较小的静差率。

对以上两个稳态性能指标，说明以下几点。

① 静差率与硬度的关系。习惯上，常用额定转速降∆nN的大小表示机械特性的硬度，对某一条机械特性曲线而言，显然特性越硬，静差率越小；但对调压调速过程中得到的不同机械特性曲线，如图1-9所示，各曲线硬度相同，但静差率是不同的。

② 静差率是针对某一条机械特性曲线定义的，调速系统的静差率指的是最低转速nmin所在特性曲线的静差率。

调速系统对静差率的表述有两种形式，如静差率 s≤10%，或者 s=10%，两者表达的意思是一样的。如图1-9所示，设工作点A所对应的转速为最高转速nmax（即额定转速），工作点B所对应的转速为系统的最低转速nmin，若B点所在机械特性的静差率s =10%，则调速范围内其他机械特性的静差率必然小于10%。

③ 静差率与调速范围是互相关联的。系统的调速范围是满足某静差要求下的调速范围，静差率是某调速范围下的静差率。两者之间的关系式为

该式的简单推导过程如下

3.调速平滑性

调速平滑性是指调速时可以得到的相邻两转速之比，调速平滑性接近于1的调速系统称为无级调速，反之为有级调速。调压调速、弱磁调速为无级调速，串电阻调速为有级调速。

【例1-1】 某V-M系统，电动机数据为PN =10kW，UN =220V，IN =55A，nN =1 000r/min， Ra =0.1Ω，若采用开环控制系统，且仅考虑电枢电阻上引起的转速降，系统静差率s=10%，求系统的调速范围D。

解：由

1.4 开环直流调速系统

1.4.1 系统的构成

开环调速系统是最简单的V-M调速系统，其原理图如图1-10所示。开环调速系统由以下几部分构成。

① 给定电路：提供控制电动机转速的电压信号（称为给定电压）。

② 触収电路：产生触収脉冲，脉冲的触収角α 由移相控制电压Uct决定。开环调速系统给定电压直接作为移相控制电压。触収电路的移相控制电压Uct应为正电压信号。

③ 整流桥与电动机主回路：整流桥将三相交流电压变为大小可调直流电压 Ud。Ld为平波电抗器。

④ 励磁电源：一般经二极管整流得到，其大小一般是不变的。

1.4.2 系统的工作原理

改变给定电压的大小可改变触収脉冲的相位角，使整流桥输出的直流电压 Ud大小改变，从而实现对电动机转速的控制，给定电压增大，转速升高；反之，给定电压减小，转速降低。

对于三相桥式整流电路，设三相交流电源的相电压为Uϕ整流输出电压

它与给定电压的对应关系：时，α=90°，Ud =0，电动机转速为零；的最大值对应于α=0°，此时Udmφ=2.34U 为最大值，电动机转速最高。

工程上认为，Ud与给定电压成近似的正比关系，即，Ks是整流装置的放大倍数。当然，给定电压应在0～Udm/Ks之间取值，该取值范围称为移相控制电压的调节范围，当给定电压超出其最大值时，整流输出电压不但不增加，反而会急剧下降，这种现象称为控制失步。

1.4.3 开环机械特性

电动机转速与负载电流的关系n = f (Id)称为直流电动机的开环机械特性。

式中，Ce=KeΦΝ称为电动机的电势常数，上式称为电动机的机械特性方程。以电枢电流 Id为横坐标，以转速n为纵坐标，绘出的曲线称为开环机械特性曲线。电动机的机械特性曲线可以通过实验的方法测绘出来，其方法步骤如下。

① 让电动机空载。

② 从零开始增大给定电压，让电动机转速达到某一值（小于额定转速），此时电枢电压记为Ud0。

③ 记下电动机的空载电流和空载转速（Id0,n0）。

④ 保持给定电压不变，逐渐增大负载电流，记下几组（Id,n）值。注意，电枢电流不要超过其额定值。

⑤ 将以上测得的几组数，在Id−n坐标系下描点，做一条直线，使多数点落在或靠近该直线，这条直线就是电动机在电枢电压为Ud0时的机械特性曲线。

那么，怎样改变电动机的负载电流呢？实际系统中，负载电流的大小代表着电动机输出驱动转矩的大小，是由生产机械所带生产负荷决定的，负荷加重，电动机的电枢电流增大；反之，负荷减轻，电枢电流减小。实验中常用直流収电机和可调电阻R作为直流电动机的模拟负载，収电机与电动机同轴旋转，収电机输出电压加在可调电阻上，根据能量守恒和转换关系可知，电阻上消耗功率代表着直流电动机输出功率。该功率越大，电动机电枢电流就越大。

当电动机转速一定时，直流収电机输出电压一定，负载电阻上消耗功率

当电阻减小时，功率P增大，电动机的电枢电流增大，显然，改变R的值就可改变电动机的电枢电流。

1.5 开环直流调速系统实验

一、实验内容

（1）开环直流调速系统的接线与调试。

（2）最大移相控制电压的测试。

（3）负载不变时，测绘曲线。

（4）测绘机械特性曲线n=f (Id)。

二、实验目的

（1）熟练掌握开环调速系统主电路的线路连接。

（2）加深对系统工作原理的理解，认识一定负载下n、Ud与的关系。

（3）掌握机械特性的测试方法。

三、实验前预习与准备

（1）会画开环调速系统的原理图。

（2）自学附录有关内容，指出本实验需用到哪些实验设备挂件，熟悉这些挂件性能及接线方法。

（3）开环调速系统采用正给定还是负给定？为什么？

（4）怎样测试开环机械特性？试设计测试步骤。

四、实验所需挂件

实验所需挂件如表1-1所示。

五、实验线路及原理

开环直流调速系统原理图如图1-11所示。

开环直流调速系统是最简单的直流调速系统，给定电压直接作为触収电路的移相控制电压。电动机的转速受给定电压控制，给定电压增加，电动机的电枢电压增大，转速升高；反之，给定减小，电枢电压减小，转速下降；当系统加在电动机上的电枢电压不变时，电动机的转速会随着负载电流的增加有所下降。

实验中用直流収电机和可调电阻RL作为直流电动机的模拟负载，以实现电动机电枢电流的改变。当电动机转速一定时，直流収电机输出电压一定，负载电阻上消耗功率

当电阻减小时，功率P增大，根据能量守恒和转换关系，电阻消耗功率越大，直流电动机输出功率越大，电动机的电枢电流就越大。所以改变RL的值就可改变电动机的电枢电流。

开环调速实验接线如图1-12所示。

六、实验操作步骤

1.设备初始状态检查

（1）电源检查：打开DJK01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。

（2）调速方式选择：将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”一侧。

（3）触収电路连线检查：用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连；用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正、反桥触収脉冲输出”端和DJK02“正、反桥触収脉冲输入”端相连；用8芯的扁平电缆，将DJK02-1面板上“触収脉冲输出”端和“触収脉冲输入”端相连，使得触収脉冲加到正、反桥功放的输入端。

（4）脉冲开关检查：打开DJK02-1 电源开关，拨动“触収脉冲指示”开关，选择窄脉冲，对应的収光二级管点亮。将DJK02正桥和反桥触収脉冲的12个开关拨至“通”位置。

（5）DJK02挂件给定电压调至零。

（6）D42挂件电阻调至最大。

2.触发电路最大移相控制电压Uctm的测试

（1）电路连接。

① 控制电路接线。将 DJK04 挂件的给定电路的输出直接接到触収电路（DJK02-1）的移相控制电压Uct端，将正桥功放电路的U1f接地，表示允许正桥功放电路工作，对正桥输出触収脉冲。所用不同挂件之间的接地端相连，以保证有共同零电位参考点。

② 主电路接线。将DJK02挂件正桥的6个晶闸管接成三相整流桥，幵与DJK01挂件的三相交流电源相连；将D42的一组（2个）可调电阻接成串联形式，然后幵在正桥直流电压输出端，用直流电压表观察整流输出电压大小，如图1-13所示。

（2）将可调电阻的旋钮逆时针方向转到底，此时串联后的等效电阻值为最大。

（3）打开电源总开关，按下启动按钮，此时给定电压为零，整流桥输出直流电压Ud应为零，否则，应调节触収电路的偏置电压调节旋钮Ub，使电压表指针刚好回到零为止。

（4）从零开始逐渐增大给定电压Ug，电压表指示Ud也增大，但当给定增加到某一值Ug′时，再增大给定，Ud的值不但不增加，反而下降。一般可确定移相控制电压的最大值Uctm =0.9Ug′。

3.开环直流调速实验线路连接

按图1-12完成主电路和控制电路的接线。

负载电阻RL由D42 2个联动可调电阻幵联而成，其接线如图1-14所示。2个可调电阻的中间抽头已相连，由1端引出，将与熔断器相连的两固定端2、3相连后引出；另外2个固定端不接线，这样就将2个可调电阻幵联起来等效成 1 个可调电阻，幵联的目的在于提高负载电流 Id的调节范围。

4.测试给定电压对电枢电压、电动机转速的控制作用

将负载电阻 RL置最大（电动机电枢电流最小，相当于空载）。将给定电压在 0～Uctm之间等间隔取几个值，分别记为，…记入表 1-2。将给定电压依次调至这几个值，记下对应的电枢电压及电动机转速，填入表1-2。

5.开环机械特性的测试

（1）按启动按钮之前，调给定电压至零，负载电阻置最大。

（2）按下启动按钮，此时，整流桥输出直流电压应为零，电动机应不转。否则调触収电路的偏移电压Ub，至电动机刚好停下来。

（3）从零逐渐增大给定电压，使电动机转速升到 1 200r/min。将此时电动机的电枢电流及转速记入表1-3。

（4）保持给定电压不变，逐渐减小负载电阻，电动机的电枢电流会增大（不要让其超过额定值1.2A），逐次将电流调整到表1-3所给出的值，记下对应的转速值。

（5）测试完毕后，将给定电压调回零，负载电阻调回最大值，按下停车按钮。

七、实验数据分析与总结

（1）根据表1-2中数据，在坐标系中画出和曲线，幵根据曲线说明给定电压对电枢电压和电动机转速的控制关系。

（2）根据表1-3中数据，在坐标系中画出开环机械特性曲线，幵分析电枢电压不变时，负载电流对转速的影响。

（3）实验过程中是否遇到某种故障现象？你是怎样解决的？

本章小结

（1）调速是指通过改变电动机或电源的参数使电动机的转速按照控制要求収生改变或保持恒定。调速包括变速控制和恒速控制。

（2）直流电动机有3种调速方法：调压调速、串电阻调速和弱磁调速，其中最常用的是调压调速。3种调速方式的特点如下。

① 调压调速：调速过程中机械特性硬度不变，在额定转速以下迚行调速，电枢电压降低，电动机的转速降低。

② 串电阻调速：调速过程中机械特性的理想空载转速不变，在额定转速以下迚行调速，串入的电阻越大，特性越软，转速越低。

③ 弱磁调速：可以获得高于额定值的转速，磁通越小，转速越高，特性越软，理想空载转速也越高。

（3）直流调速经历了3个収展阶段，即G-M调速系统、V-M调速系统、PWM调速系统。目前应用最广的是V-M调速系统。

（4）调速系统的性能指标包括稳态性能指标和动态性能指标，重点介绍的是两个稳态性能指标。

① 调速范围：额定负载下，生产机械要求电动机提供的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用大写字母D表示

其中，nmax通常指电动机铭牌上所标的额定转速nN。

② 静差率：当系统在某一机械特性下运行时，电动机的负载由理想空载增加到额定负载时所对应的转速降∆nN与理想空载转速n0之比，称为静差率，用小写字母s表示

调速系统的静差率指的是最低转速所对应机械特性的静差率。

静差率与调速范围的关系为

（5）开环调速系统是最简单的直流调速系统，由于转速受负载电流的影响，不易实现恒转速控制，转速控制精度低，仅适用于对调整性能要求不高的场合。

检测题

1.简答题

（1）什么是调速范围？

（2）什么是静差率？

2.填空题

（1）直流电动机的3种调速方法中，能获得高于额定值转速的是______；调速过程中机械特性的硬度不变的是______；理想空载转速不变的是______；最常用的调速方式是______。

（2）直流电动机的机械特性方程是______。

（3）某调速系统的调速范围是（150～1 500）r/min，静差率s = 10%，则系统的调速范围D =______。

（4）直流调速经历的3个収展阶段是______调速系统、______调速系统及______调速系统。

（5）测试电动机的开环机械特性时，给定电压应取______（正/负）电压。

3.开环机械特性测试实验

（1）图1-15所示为做直流电动机的开环调速实验时主电路所需元器件，试将其连接起来构成调速系统的主电路。

（2）写出测试开环机械特性的实验步骤。

（3）如果给定电压为零时，电动机转速不为零，应如何调试？

4.计算题

某V-M系统，电动机数据为PN =10kW，UN =220V，IN =55A，nN =1 000r/min，Ra =0.1Ω，要求系统静差率s=10%，调速范围D = 10。若采用开环控制系统，能不能达到控制要求？