第六章 直流调速系统 §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 §6-2 无静差直流调速系统 §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护

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1 第六章 直流调速系统 §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 §6-2 无静差直流调速系统 §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护
§6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 §6-7 可逆直流调速系统

2 §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 直流电动机的调速方法有几种？ 直流电动机的转速公式： 由此可以看出，直流电动机有三种调速方法：
(1) 改变电枢供电电压Ud (2) 改变磁通Φ （3）改变电枢回路电阻（串附加电阻）

3 §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 一、开环调速系统 1．系统的组成 直流电动机

4 当电动机处于稳态运行时，did/dt=0，dn/dt=0，上式可写成
§6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 当电动机处于稳态运行时，did/dt=0，dn/dt=0，上式可写成 晶闸管整流电路 作用：把交流电变换成直流电。 晶闸管有很多优点，但使用不当也会出现故障，甚至损坏元件，应加保护电路。 形式：单相整流电路和三相整流电路。 6-4

5 形式：单结晶体管触发电路、正弦波触发电路、 锯齿波触发电路。
§6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 触发电路 形式：单结晶体管触发电路、正弦波触发电路、 锯齿波触发电路。 2． 基本工作原理 给定输入信号Uc，经过触发电路控制晶闸管整流电路，使交流电源整流出直流电压Udo供给直流电动机，使电动机以一定的速度旋转。 电动机的机械特性为： 其中 为系统的开环稳态速降

6 二、转速负反馈有静差直流调速系统 §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 . 6-6 .
缺点：当外界有扰动（例如负载波动）时，开环系统不能自动进行补偿。 二、转速负反馈有静差直流调速系统 增加放大环节 增加了转速检测环节

7 Ktr为触发器和晶闸管整流装置的放大倍数
§6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 系统的自动调节过程： TL↑→n↓ →Ufn↓ →ΔU↑=Usn-Ufn →Uk↑ →脉冲前移 →Ud↑ →n↑ 具有比例放大器的调速系统一定是有差的。 如无差，则ΔU=0→Uk、Udo均为零，电动机不可能旋转。 三、闭环系统的稳态数学模型 1.稳态框图 放大器：ΔU=Usn-Ufn Uk=KpΔU Kp为放大器的放大倍数 触发器和晶闸管整流装置：Udo=KtrUk Ktr为触发器和晶闸管整流装置的放大倍数

8 §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 电动机： 其中 反馈环节：Ufn=αnn 式中αn为速度负反馈系数 系统的稳态框图:

9 Kn=KpKtrKmαn 为转速负反馈系统的开环放大倍数。
§6-1 转速负反馈有静差直流调速系统 2.系统的静特性方程式： 其中 ——闭环系统的稳态速降 Kn=KpKtrKmαn 为转速负反馈系统的开环放大倍数。 3.系统的静特性分析： 加转速负反馈后，闭环系统的稳态速降Δnc是开环系统转速降Δn0的1/（1+Kn）倍。

10 闭环后使机械特性变硬的物理实质: §6-1 转速负反馈有静差直流调速系统
n n0 闭环 B C A Udo3 Udo2 开环 Udo1 Id Id1 Id3 闭环系统中，由于引入转速负反馈，转速稍有下降，反馈电压也随之减少，通过放大器的比较和放大，提高晶闸管整流装置的输出电压Udo1，使系统工作在新的机械特性上，因而转速能有所回升，使得闭环系统的稳态速降比开环时小得多。 §6-1

11 §6-2 无静差直流调速系统 输入与输出关系: 输入与输出特性曲线: . 6-11 . 、比例-积分调节器 1、比例（P）调节器 Ui U0
t

12 特点: 输出电压与输入电压成正比。 输出量立即响应输入量的变化。 比例系数可调的比例调节器 因为A点为虚地 由if≈i0 得 由分压电路知
§6-2 无静差直流调速系统 特点: 输出电压与输入电压成正比。 输出量立即响应输入量的变化。 比例系数可调的比例调节器 因为A点为虚地 由if≈i0 得 由分压电路知

13 调节电位器R2可使增益在K1--(1+R2/R3)K1之间变化。
§6-2 无静差直流调速系统 其中 调节电位器R2可使增益在K1--(1+R2/R3)K1之间变化。 2、积分（I）调节器 输入与输出关系:

14 输出电压取决于输入量对时间的积累过程，而且还和初始值有关。
§6-2 无静差直流调速系统 输入与输出特性曲线： U0 Ui U0 -Ui t 特点： 输出电压取决于输入量对时间的积累过程，而且还和初始值有关。 当输入不等于零时，其输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止。 比例（P）调节器能立即响应输入信号，加快响应过程；而积分(I)调节器要经过一段时间的积累，但最后可以消除误差。 比例(P)+积分(I)=比例积分（PI）调节器

15 3、比例积分（PI）调节器 输入与输出关系: 输入与输出特性曲线: §6-2 无静差直流调速系统 . 6-15 . U0初始值 Ui U0
t

16 当输入不等于零时，其输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止——消除偏差。
§6-2 无静差直流调速系统 特点 ： 输出量立即响应输入量的变化——响应快。 当输入不等于零时，其输出量将不断增长，直到输入为零，输出恒定为止——消除偏差。 二、调节器的实用线路 调节器零点的调节、零点漂移的抑制和锁零电路 寄生振荡的消除 调节器的输入限幅和输入滤波电路 调节器的输出限幅电路

17

18 当输出电压Uc>UM+UD→二极管VD3导通→输出电压被箝位在UM+UD的数值上，即UcM+=UM+UD。
§6-2 无静差直流调速系统 二极管箝位的输出限幅电路（又称外限幅） M点对地电压 VD3 管压降 当输出电压Uc>UM+UD→二极管VD3导通→输出电压被箝位在UM+UD的数值上，即UcM+=UM+UD。 调节器的输出功率放大电路: 集成运算放大器的最大输出功率是有限的，因此，一般不能直接驱动负载，而必须外加功率放大电路(见6-17)。

19 比例调节器→比例积分调节器——无静差系统
§6-2 无静差直流调速系统 三、无静差系统的实现 比例调节器→比例积分调节器——无静差系统 6-19

20 在调节过程的初、中期，速降Δn较大，比例部分起主要作用，它首先阻止转速下降，使转速回升。
§6-2 无静差直流调速系统 在调节过程的初、中期，速降Δn较大，比例部分起主要作用，它首先阻止转速下降，使转速回升。 调节过程的后期，积分部分起主要作用，并最后消除偏差。 §6-2

21 §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 一、限流保护的组成及工作原理 问题的提出：
直流电动机在起动、堵转或过载时会产生很大的电流，会烧坏晶闸管元件和电机，须加以限制。 解决办法： 若引入电流负反馈，虽然电流不会过大，但系统中如存在电流负反馈，将会使静特性变软，影响调速精度。 如何解决？加电流截止负反馈环节 6-21

22 二、带电流截止负反馈环节的转速负反馈调速系统
§6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 二、带电流截止负反馈环节的转速负反馈调速系统 系统的组成： 电流截止负反馈环节

23 当Id较小,即IdRc≤Uo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。
§6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 电流截止负反馈环节的工作原理： 当Id较小,即IdRc≤Uo时，则二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。 当Id较大，即IdRc≥Uo时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用，ΔU减小，Udo下降，Id下降到允许最大电流 6-23

24 §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 稳态框图 6-24

25 当Id较小时，二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。
§6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 静特性方程式 当Id较小时，二极管VD截止，电流截止负反馈不起作用。 当Id较大时，则二极管VD导通，电流截止负反馈起作用。

26 §6-3 单闭环直流调速系统的限流保护 静特性曲线 转速负反馈 截止负反馈 §6-3

27 §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 一、电压负反馈调速系统 组成 电压负反馈 6-27

28 §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 稳态框图 电压反馈系数 6-28

29 扰动量IdRa不包围在电压负反馈环内，不能被反馈作用抑制。
§6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 静特性方程式 其中 Kv=KpKtrαv 减为开环的1/1+Kv 特点 扰动量IdRa不包围在电压负反馈环内，不能被反馈作用抑制。 对电动机磁场的扰动也无能为力，因此电压负反馈系统的调速效果不及转速负反馈。 如何解决？ 加电流正反馈环节 6-29

30 §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 二、电压负反馈加电流正反馈调速系统 1、组成 组成 电流正反馈 6-30

31 §6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 2.稳态框图 电流正反馈 电流正反馈 3.静特性方程式 6-31

32 ？ 电压负反馈、电流正反馈系统是怎样提出来的 
§6-4 电压负反馈和电流正反馈调速系统 4．特点 由电流正反馈产生的第四项，可抵消第二、三项稳态速降，从而减小转速降落，提高机械特性硬度。 正反馈环节容易引起振荡，一般很少单独采用，通常与电压负反馈配合使用，起辅助的补偿作用。 本节要点： ？ 电压负反馈、电流正反馈系统是怎样提出来的  ？ 电压负反馈、电流正反馈系统的结构特点  ？ 稳态框图的画法  ？ 静特性方程式的求取  ？ 系统特点  §6-4 6-32

33 §6-5 小功率有静差直流调速 系统实例分析 适用于4KW以下直流电动机无级调速 装置的电源电压为单相交流220V 输出电压为直流160V
一、结构特点和技术数据 适用于4KW以下直流电动机无级调速 装置的电源电压为单相交流220V 输出电压为直流160V 输出最大电流30A 励磁电压为直流180V，励磁电流为1A 系统主要配置Z3系列（电枢电压160V，激磁电压180V）的小型直流他励电动机 6-33

34 6-34

35 §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 KZD-II型直流调速系统的组成框图： 6-35

36 具有电压负反馈和电流正反馈环节的调速系统原理图
§6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 具有电压负反馈和电流正反馈环节的调速系统原理图 6-35

37 主电路→触发电路→控制电路→辅助电路（包括保护、指示、报警等）
§6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 分析晶闸管调速系统线路的一般顺序是： 主电路→触发电路→控制电路→辅助电路（包括保护、指示、报警等） 6-34

38 平波电抗器Ld: 限制电流脉动，改善换向条件，减少电枢损耗，并使电流连续。
§6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 二、定性分析 主电路 作用：给直流电动机供电 采用单相桥式半控桥整流电路 能够确保的最大直流电压为: Ud=220V×0.95×0.9=188V 平波电抗器Ld: 限制电流脉动，改善换向条件，减少电枢损耗，并使电流连续。 电抗器Ld两端并联一电阻（R11）:减少掣住电流建立的时间。 电动机励磁由单独的整流电路供电. 触发电路 采用由单结晶管（UJT）组成的张弛振荡器。 6-34

39 采用电压负反馈和电流正反馈环节来代替转速负反馈
§6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 放大电路 作用：把微小的偏差电压进行放大 控制电路 反馈形式的选择 采用电压负反馈和电流正反馈环节来代替转速负反馈 控制信号的综合 控制信号为给定信号Us、电压负反馈信号Ufv和电流正反馈信号Ufi的综合，即ΔU＝Us-Ufv-Ufi。 6-35

40 Id较小时→UI’较小→2CW9截止、V4截止→电流截止负反馈环节不起作用。
§6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 电流截止保护电路 Id较小时→UI’较小→2CW9截止、V4截止→电流截止负反馈环节不起作用。 Id较大时→UI’较大→2CW9导通、V4导通→有ib →将C1旁路→使ic减小→脉冲后移→Ud减小→限制电流Id的增加。 抗干扰、消振荡环节 6-36

41 §6-5 小功率有静差直流调速系统实例分析 三、系统的自动调节过程 当负载增加时，由于电流Id的增加，Ud的降低，使Ufi增加、Ufv减少，从而使△U增加（△U=Us-Ufv+Ufi），UK增加，整流装置输出电压Udo增加。并进而使电流增加，电磁转矩Td增加。 §6-5 6-37

42 §6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 问题的提出 采用比例积分调节器的单闭环调速系统，实现了转速的无静差调速。
§6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 问题的提出 采用比例积分调节器的单闭环调速系统，实现了转速的无静差调速。 电流截止负反馈虽然能限制起动电流 但随着n↑→E↑→ →Td ↓→n上升慢→ts长 许多生产机械很大一部分时间工作在过渡过程中。有的甚至几秒钟就正反转一次。 6-38

43 为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。
§6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 为了提高生产效率和加工质量，要求尽量缩短过渡过程时间。 希望： 充分利用晶闸管元件和电动机所允许的过载能力，使Id=Idm → Td=Tdm →使n直线上升，→使ts↓。 一、双闭环调速系统的组成 电流互感器 6-39

44 速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅。
§6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 电流环—内环 两个环： 速度环—外环 速度、电流调节器均采用PI调节器，且带限幅。 速度、电流调节器输入输出信号极性的确定 6-40

45 Id↑>Idm→Ufi↑→ΔUi↓=Usi-Ufi →UC↓→脉冲后移→Ud↓→Id↓
§6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 二、双闭环调速系统的工作原理 电流调节器ACR的调节作用 ：稳定电流 稳态时△Ui=-Usi+Ufi=0 自动限制最大电流 Id↑>Idm→Ufi↑→ΔUi↓=Usi-Ufi →UC↓→脉冲后移→Ud↓→Id↓ 6-41

46 U~↑→Ud↑→Id↑→n↑ →Ufn↑→ΔU↓=Usn-Ufn →Uc↓→脉冲后移 →Ud↓→n↓
§6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 能有效抑制电网电压波动的影响 单闭环： U~↑→Ud↑→Id↑→n↑ →Ufn↑→ΔU↓=Usn-Ufn →Uc↓→脉冲后移 →Ud↓→n↓ 通过n的变化进行调节，慢 双闭环： U~↑→Ud↑→Id↑→Ufi↑→ΔUi↓=Usi-Ufi →Uc↓→脉冲后移→Ud↓→Id↓ 通过Id的变化进行调节，（快、影响小） 6-42

47 TL↑→n↓ →Ufn↓ →ΔUn↑(=Usn-Ufn)>0 →
§6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 速度调节器ASR的调节作用 ：稳定转速 稳态时△Un=Usn-Ufn=0 调节过程： TL↑→n↓ →Ufn↓ →ΔUn↑(=Usn-Ufn)>0 → →ΔUi↑(=-Usi+Ufi)<0 →UC↑ →脉冲前移→Ud↑ →n↑ 三、双闭环调速系统的机械特性 6-43

48 双闭环调速系统具有的优点： 具有良好的静特性（较理想的挖土机特性）
§6-6 速度和电流双闭环直流调速系统 双闭环调速系统具有的优点： 具有良好的静特性（较理想的挖土机特性） 具有较好的动态特性，起动时间短（动态响应快）， 超调量也较小。 系统抗扰动能力强。 由两个调节器分别调节电流和转速，可以分别进行设计，分别调整，调整方便。 6-44

49 §6-7 可逆直流调速系统 一、可逆调速系统的电路 改变电磁转矩的方向有两种方法： 改变电动机电枢电流的方向 ------电枢可逆电路
§6-7 可逆直流调速系统 一、可逆调速系统的电路 改变电磁转矩的方向有两种方法： 改变电动机电枢电流的方向 ------电枢可逆电路 改变电动机励磁磁通的方向 ------磁场可逆电路 电枢可逆电路 接触器切换电枢可逆电路 6-45

50 适用：要求不高，动作不频繁的小容量的生产机械上。
§6-7 可逆直流调速系统 特点：结构简单、经济，但切换速度低，噪声较大， 触点寿命较短。 适用：要求不高，动作不频繁的小容量的生产机械上。 晶闸管开关切换电枢的可逆电路 特点：切换速度快，电路比较简单，而且工作是完全不存在环流，工作可靠性比较高；但对晶闸管耐压和电流容量的要求比较高。 6-46

51 特点：正、反向转换十分迅速，所以在要求频繁快速正、反转的生产机械的拖动上得到广泛的应用。
§6-7 可逆直流调速系统 两组晶闸管整流装置供电的电枢可逆电路 特点：正、反向转换十分迅速，所以在要求频繁快速正、反转的生产机械的拖动上得到广泛的应用。 磁场可逆电路 电动机电枢只要用一组晶闸管整流装置供电，而电动机励磁绕组可用一组晶闸管整流装置供电。 接触器切换磁场可逆电路 晶闸管开关切换磁场的可逆电路 两组晶闸管整流装置供电的磁场可逆电路 6-47

52 电枢回路电感小，时间常数小（约几十毫秒），因而切换的快速性好。
§6-7 可逆直流调速系统 电枢可逆电路与磁场可逆电路的比较 磁场可逆电路中电枢回路只需一套整流装置。励磁回路虽用两套整流装置，但由于电动机励磁功率小，投资费用可节省。 电枢可逆电路需要两套容量较大的晶闸管整流装置，投资往往较大，在大容量系统中尤甚。 投资 励磁回路电感大，时间常数大（约为零点几秒至几秒），因而励磁反向的过程要比电枢反向慢的多。 电枢回路电感小，时间常数小（约几十毫秒），因而切换的快速性好。 快速性 6-48

53 正反转不太频繁、对快速性要求不高的大容量可逆系统。
§6-7 可逆直流调速系统 励磁控制系统简单 励磁控制系统复杂 控制 复杂性 正反转频繁、对快速性要求高； 中、小容量生产机械。 正反转不太频繁、对快速性要求不高的大容量可逆系统。 适用场合 二、环流的控制方式及可逆调速系统的分类 什么是环流 不流过负载，只在正反两组晶闸管间流过的电流称为环流。 6-49

54 消耗功率，加重晶闸管和变压器的负担，投资费用为之上升，并使功率因数变差。
§6-7 可逆直流调速系统 环流的两重性 消耗功率，加重晶闸管和变压器的负担，投资费用为之上升，并使功率因数变差。 适当的环流作为流过晶闸管的基本电流，越过机械特性的电流断续区，有利于系统性能的改善。 可逆调速系统的分类 自然环流可逆系统 有环流可逆系统 给定环流可逆系统 可控环流可逆系统 逻辑无环流可逆系统 无环流可逆系统 错位无环流可逆系统 6-50

55 §6-7 可逆直流调速系统 三、逻辑控制无环流可逆调速系统 系统的组成 逻辑指令装置 6-51

56 主电路 正反两组晶闸管整流装置反并联供电 没有设置平衡电抗器 保留平波电抗器 采用电流、速度双闭环系统
§6-7 可逆直流调速系统 主电路 正反两组晶闸管整流装置反并联供电 没有设置平衡电抗器 保留平波电抗器 控制电路 采用电流、速度双闭环系统 增加了逻辑控制器LC，作用是对正、反两组触发脉冲实施封锁和开放控制 6-52

57 逻辑控制器的输入端引入反映电流极性变化的电流给定信号Usi和反映电流Id为零的信号UI0作为输入信号
§6-7 可逆直流调速系统 关键部件：逻辑控制器LC 根据什么信号来指挥逻辑控制器的动作呢？ 电流调节器的电流给定信号Usi正好决定电动机电枢电流的方向:Usi为负时，电枢电流方向为正；Usi为正时，电枢电流方向为负。即Usi极性可作为电流变向指令。 由于电枢和平波电抗器电感等因素的影响，电流变化要滞后一些，而正反组切换还须等到电流衰减到零。因此还须增加一个反映电流到零的信号，即零电流检测信号UI0。 逻辑控制器的输入端引入反映电流极性变化的电流给定信号Usi和反映电流Id为零的信号UI0作为输入信号 6-53

58 功能：将连续变化的模拟量转换成数字量“0”和“1”。
§6-7 可逆直流调速系统 逻辑控制器的组成 逻辑控制器各组成部分功能 电平检测器 功能：将连续变化的模拟量转换成数字量“0”和“1”。 6-54

59 电流给定极性鉴别器 零电流检测器 电流给定极性鉴别器：
§6-7 可逆直流调速系统 电流给定极性鉴别器 零电流检测器 电流给定极性鉴别器： Usi为正，电枢电流为负，→输出数字量“0” Id为零（Ui<0.2V)，→输出数字量“1” 零电流检测器： Id不为零（Ui<0.4V)，→输出数字量“0” 逻辑判断电路 功能：根据电流给定极性鉴别器和零电流检测器输出信号的状态进行逻辑运算，正确地发出切换信号UR和Uf。 6-55

60 封锁延时——从发出切换指令到真正封锁掉原来工作组的触发脉冲之前所等待的时间。
§6-7 可逆直流调速系统 延时电路 封锁延时——从发出切换指令到真正封锁掉原来工作组的触发脉冲之前所等待的时间。 瞬时值是脉动的 最小动作电流 检测到的零电流信号等待一段时间td1，使电流确实下降为零，这才可以发出封锁本组脉冲的信号。 检测到零电流信号，但电流仍连续 6-56

61 封锁延时——从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间。
§6-7 可逆直流调速系统 开放电路 封锁延时——从封锁原工作组脉冲到开放另一组脉冲之间的等待时间。 原因：在封锁原工作组脉冲时，已被触发的晶闸管r仍然要导通一段时间，如在这之前就开放另一组晶闸管，有可能造成两组晶闸管同时导通，形成环流短路事故。 为防止这种事故发生，在发出封锁本组信号之后，必须等待一段时间td2 才允许开放另一组脉冲。 6-57

62 §6-7 可逆直流调速系统 联锁保护电路 联锁保护电路的功能是保证在任何情况下，两组晶闸管的触发脉冲决不能同时开放，当一组工作时，另一组的脉冲必须被封锁住。否则，一旦电路发生故障，造成两组晶闸管同时开放而导致电源短路。 逻辑控制无环流可逆调速系统的工作原理 正向运行时： 开关S与RP1接通时→Usn的极性为（+）→△U=(Usn–Ufn)>0→Usi呈(-)极性→Uc1为“1” →正组处于工作状态；Uc2为“0”，反组处于封锁阻断状态；电枢电流Id极性为(+)，电动机正转。 6-58

63 §6-7 可逆直流调速系统 + - 导通 + 1 正转 截止 6-59

64 △Un=-Usn-Ufn (△Un<0) →Usi-↓↓ →Usi变为(+)极性。
§6-7 可逆直流调速系统 反向时： 开关S由RP1打向RP2 △Un=-Usn-Ufn (△Un<0) →Usi-↓↓ →Usi变为(+)极性。 随着|Usi|↓→Id↓（因Id=Usi/β）→Te↓→n↓。 + - - → 反转 + Usi极性变 - Id↓=0 导通 1 6-60