第十一章

直流传动控制系统

直流传动控制系统 本章要求了解机电传动自动调速系统的组成、生产机械对调速系统提出的调速技术指标要求以及调连系统的调速性质与生产机械的负载特性合理匹配

重点掌握自动调速系统中各个基本环节，各种反馈环节的作用及特点，

掌握各种常用的自动调速系统的调速原理、特点及适用场所，根据生产机械的特点和要求正确选择和使用机电传动控制系统。

11．1机电传动控制系统的组成和分类 机电传动控制系统主要有直流传动控制系统和交流传动控制系统。直流传动拄制系统是 m直jji【电动机为动力，室流传动控制系统则以交流电动机为动力。直流电动机虽不如交流电 自机结构简单、制造方便、维修容易、价格便宜等，但由于直流电动机具有良好的州速性能， 日在很宽的旭雕l平柑谰速，所以，截至I|前为止，甫流电动机仍被广泛地应用于自动控制要 $较高的各种生产部门。 堆简单的控制系统是继电器接触器控制系统，它是一种简单的断续控制系统，虽然应Ⅲ m广，但它还不能满足高度自动化￡I．产的要求。本章介绍的机电传动控制系统主要足自动渊 m系统(即连续挣制系统)。 ¨．i1．1机电传动控制系统的组成 机电传动控制系统是由电机、电器、电子部什组合而成，通过一定的控制去实现对生产机 m的驱动任务，如在图11 1所示的直流发电机一直流电动机((；M)系统中，发电机励磁绕组 十的励磁电流是输入量，直流电动机的转速是输出量。控制输八量(励磁电流的大小)，就可控 d输出量的大小(转速的高低)。此系统只有控制量(输入量)对被控制量(输出量)的单向控 眷匝曰1雯搿导 (励磁)l‘发电机)I U里兰．!!三J(转速’ 圈】1 1开环控制系统方框囤

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 机电传动控制系统主要有直流传动控制系统和交流传动控制系统。

直流传动拄制系统是以直流电动机为动力，交流传动控制系统则以交流电动机为动力。

直流电动机虽不如交流电动机结构简单、制造方便、维修容易、价格便宜等，但由于直流电动机具有良好的调速性能，可在很宽的范围平滑调速，所以，直流电动机仍被广泛地应用于自动控制要求较高的各种生产部门。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 机电传动控制系统是由电机、电器、电子部件组合而成，通过一定的控制去实现对生产机械的驱动任务，如图 11 .1 是直流发电机－直流电动机(G-M) 系统，

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 发电机励磁绕组中的励磁电流是输入量，直流电动机的转速是输出量。

控制输入量 ( 励磁电流的大小 ) ，就可控制输出量的大小 ( 转速的高低 ) 。

此系统只有控制量 ( 输入量 ) 对被控制量 ( 输出量 ) 的单向控制作用，而不存在被控制量对控制量的影响和联系，称为开环控制系统。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 开环控制系统往往不能满足高要求的生产机械的需要，例如，镗床的进给传动，它要求满足镗孔的进给速度，还要求满足钻、铣的进给速度，调速范围要求为 100～ 200 ，甚至更高，如 T615K可达 800 。对于这样高的要求，调速范围只有 10～ 15的 G-M 开环系统是无法满足的。

在 G-M 系统中，电动机加额定负载后产生的转速降△ nN由下式决定：

Nte

dafaN T

KK

RRn

2

11.1 机电传动控制系统的组成和分类

由式 (11.1) 可看出△ nN与转速的高低无关，即与n0的大小无关。

电动机所能达到的调速范围，是电动机在额定负载下所允许的最高转速 nmax和在保证生产机械对转速变化率的要求前提下所能达到的最低转速nmin之比，以 D 表示，即

D=nmax/nmin

11.1 机电传动控制系统的组成和分类

采用电枢电路串接电阻调速和改变电枢电压调速都可使电动机的最低转速下降到近似为零，电动机的调速范围可以趋近于无穷大。

但在考虑了生产机械对转速变化率的要求以后，电动机所能允许达到的最低转速就受到了限制，即电动机达到的调速范围受到限制。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类

所谓转速变化率亦即调速系统的静差度 (或稳定度 ) ，就是电动机由理想空载到额定负载时的转速降△ nN与理想空载转速 n0的比值。可用下式表示

以改变电枢电压调速为例．电动机的调速特性见图 11.2

00

0

n

n

n

nns n

11.1 机电传动控制系统的组成和分类

图中给出了调速系统高速和低速两条机械特性。由式 11.2

和式 (11..3) 可得

)1()1(

)1(

2

2max

22

max

0202

max

02

max

min

max

Sn

Sn

SS

nn

n

nn

n

nn

n

n

nD

NN

NN

11.1 机电传动控制系统的组成和分类

上式表示系统调速范围、静差度、最高转速、转速降四者之间的关系。

同一个调压调速系统中， ΔnN一定时，在不同的静差度下就有不同的调速范围。

在说明调速系统所能达到的调速范围时，必须同时说明其能允许的最小静差度，否则，就无意义。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类

在保证一定静差度的前提下，扩大系统调速范围的方法是提高电动机机械特性的硬度以减小ΔnN。

为了减小转速降△ nN ,得到很平的机械特性，必须设法在负载转矩发生变化时，尽可能使电动机的转速不变。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 为此，在电动机的轴上安装一台测速发电机

BR(测量被调量的检测元件 ) ，它的输出电势EBR与电动机的转速 n 成正比 (即 EBR=KBRn) ，若把 EBR与给定电压 Ug进行比较，就可得到差值△ U=Ug-EBR( U△ 称为偏差电压 ) 。如图 11.3

11.1 机电传动控制系统的组成和分类

当电动机负载转矩增加引起转速下降时， EBR

减小而 Ug不变，则△ U增大使发电机的励磁电流增加，发电机电势 EG增加，从而使电动机的转速上升；

反之，当负载减小引起转速上升时， EBR增加使△ U减小，则 Eg减小，从而使电动机的转速下降。这种控制方法叫做反馈控制，

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 图 11. 3 是具有转速负反馈的 G—M 调速系统，在这个调速系统中，不管电动机的负载如何变动， EBR可以做到基本不变，也即电动机的转速可以基本不变。

在一个自动调速系统中，当系统受到外界的影响或扰动作用 ( 如负载的波动 ) ，致使被调量与给定值发生偏差时，则由测量环节 (测速发电机 )测量的被调量 ( 电动机的转速 ) 和基准值 ( 给定值 ) 进行比较，得出偏差，

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 再经过放大环节 (放大器 )将偏差信号加以放大去控制执行环节 ( 发电机 ) ，以改变被调量的值，从而达到抵消扰动作用减少偏差的目的。然后被调量又反过来使测量环节动作，就这样按一定的顺序，一个控制一个，循环不已，自动工作。

负反馈控制系统是按偏差控制原理建立的控制系统，其特点是输入量与输出量之间既有正向的控制作用，又有反向的反馈控制作用，形成一个闭环，故又称闭环控制系统或反馈控制系统。

11.1 机电传动控制系统的组成和分类 带转速负反馈的 G-M 自动调速系统虽然仅是闭环控制系统的一例，然而，它的组成特点却带有普遍规律，通常自动控制系统的方框图如图 11. 4 所示

11.1.2 自动控制系统的分类 控制系统有不同的分类方法，开环控制系统和闭环控制系统是从组成原理上分的。还有下列分类方法：

(1)按采用不同的反馈方式，可分为转速负反馈、电势负反馈、电压负反馈及电流正反馈控制系统 ；

(2)按自动调节系统的复杂程度，可分为单环自动调节系统和多环自动调节系统 ；

11.1.2 自动控制系统的分类 (3)按系统稳态时被调量与给定量有无差别，可分为有静差调节系统和无静差调节系统；

(4)按给定量变化的规律，可分为定值调节系统、程序控制系统和随动系统；

(5)按调节动作与时间的关系．可分为断续控制系统和连续控制系统，

(6)按系统中所包含的元件特性，可分为线性控制系统和非线性控制系统。

11. 2 机电传动控制系统调速方案的选择

在生产的各个部门，有大量的生产机械要求在不同的场合，用不同的速度进行工作，以提高生产率和保证产品的质量。

要求具有速度调节 ( 简称调速 )功能的生产机械很多，如各种机床、轧钢机、起重运输设备、造纸机、纺织机械等，

要根据不同生产机械对调速的要求来选择机电传动控制系统的调速方案。

11.2.1 机械与电气调速方法 调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，也可采用电气与机械配合的方法来实现速度的调节。

在用纯机械方法调速的设备中，驱动用电动机一般运行在固有机械特性的一个转速上，速度的调节是通过变速齿轮箱或几套变速皮带轮或其他变速机构来实现的。

在用纯电气方法调速的设备中，电动机能运行在固有机械特性或人为机械特性上，在一定负载的情况下，电动机可获得多种转速，

11.2.1 机械与电气调速方法 这时机械变速机构十分简单，只用一套变速齿轮或皮带轮，把电动机转速变为符合工作需要的转速。

有的设备，如磨床的砂轮，则由电动机直接带动。

在电气与机械配合调速的设备中，可用电动机来得到多种转速，同时，叉可用机械变速机构的换档来进行变速。

11.2.1 机械与电气调速方法 电气调速有许多优点，如可简化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无级调速，便于实现远距离控制和自动控制，在生产机械中广泛采用电气方法调速。

仅用电气方法调速时，电气系统要复杂些，投资要大些。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

机电传动控制系统调速方案的选择，主要是根据生产机械对调速系统提出的调速技术指标来决定的，技术指标有静态指标和动态指标。

1. 静态技术指标

生产机械对调速系统要求的静态技术指标主要有静差度、调速范围、调速的平滑性等。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

1)静差度

当负载变化时，生产机械转速的变化能维持在一定范围之内。常用静差度来表示生产机械运行时转速稳定的程度，即要求静差度 S 应小于一定数值。

不同的生产机械对静差度的要求不同。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

不同的生产机械对静差度的要求不同。例如，一般普通设备 S≤50％，普通车床 S≤30% ，龙门刨床 S≤5％，冷轧机 S≤2％，热连轧机 S为0.2%~0.5％，精度高的造纸机 S≤0.1％。

电动机的机械特性愈硬，则静差度愈小，转速的相对稳定性就愈高。在一个调速系统中，如果在最低转速运行时能满足静差度的要求，则在其他转速时必能满足要求。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

2) 调速范围

生产机械所要求的转速调节的最大范围称为调速范围，即

不同的生产机械要求的调速范围各不相同，

min

max

min

max

v

v

n

nD

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

如静差度为一定数值时，车床的调速范围 D为 20～ 120 ，龙门刨床为 20～ 40 ，钻床为2～ 12 ，铣床为 20～ 30 ，轧钢机为 3～ 15 ，造纸机为 10～ 20 ，机床的进给机构为 5～30000 等。

采用机械和电气联合调速时，如 D 是指生产机械的调速范围，若以 Dm代表机械调速范围， De代表电气调速范围，则 De=D/Dm 。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

3) 调速的平滑性

调速的平滑性，通常是用两个相邻调速级的转速差来衡量的。

在一定的调速范围内，可以得到的稳定运行转速级数越多，调速的平滑性就越高，若级数趋近于无穷大，即表示转速连续可调，称为无级调速。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

不同的生产机械对调速的平滑性要求也不同，有的采用有级调速，有的要求无级调速。

2. 动态技术指标

生产机械由电动机拖动，在调速过程中，从一种稳定速度变化到另一种稳定速度运转，由于有电磁惯性和机械惯性，过程不能瞬时完成，而需要一段时间，即要经过一段过渡过程，称动态过程。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

生产机械对自动调速系统动态品质指标的要求除过渡过程时间外，还有最大超调量、振荡次数等，如图11. 5 所示，图中的被调量仅以转速 n 为例，系统从 n1改变到 n2时的过渡过程。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

1) 最大超调量

超调量太大，达不到生产工艺上的要求，但太小，则会使过渡过程过于缓慢，不利于生产率的提高等，一般MP为 10％～ 35％。

%1002

2max

n

nnM P

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

2) 过渡过程时间 T

从输入控制 (或扰动 ) 作用于系统开始直到被调量n 进入 (0. 05~0. 02)n2稳定值区间时为止 (并且以后不再越出这个范围 ) 的一段时间，叫作过渡过程时间。

3)振荡次数

在过渡过程时间内，被调量 n 在其稳定值上下摆动的次数，图中为 1次。

11. 2.2 生产机械对自动调速系统技术指标的要求

图 11.6 表示三种不同调速系统被调量从 x1改变为 x2时的变化情况：系统 1 的被调量要经过很长时间才能跟上控制量的变化，达到新的稳定值；系统 2 的被调量虽变化很快，但不能及时停住，要经过几次振荡才能停在新的稳定值上。这两个系统都不能令人满意，系统 3 的动态性能是较理想的。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

确定机电传动控制系统的方案时，首先应根据生产机械是否要求电气调速、生产机械对调速要求的技术指标如何、生产机械要求恒功率调速还是恒转矩调速、生产机械工作过程复杂程度等来初选几种可能的方案，

再进行经济指标的比较，然后根据企业当时的财经状况、水平、人员素质等具体情况，从而确定一个可行、经济、实用、可靠、使用与维修方便的机电传动控制系统方案。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

1. 对于不要求电气调速的生产机械

当不需电气调速、空载或轻载启动、启制动次数不太频繁时，应采用一般鼠笼式异步电动机拖动。在重载启动时，可选用特殊鼠笼电动机或线绕式异步电动机拖动。

当负载很平稳、容量大且启制动次数很少时，可采用同步电动机拖动，它的优点是效率高、功率因数高，还可运行在过励情况下，从而提高电网的功率因数。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

2. 对于要求电气调速的生产机械

需要电气调速时，根据生产机械提出的一系列调速技术指标 ( 如静差度、调速范围、调速平滑性或调速级数等 ) 要求来选择拖动力案。如：

要求调速范围 D＝ 2～ 3 、调速级数＝ 2～ 4时，一般采用可变极数的双速或多速鼠笼式异步电动机拖动；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

要求调速范围 D<3 ，调速级数＝ 2～ 6 、重载启动、短时工作或重复短时工作的负载情况，常采用线绕式异步电动机拖动。如桥式起重机等的拖动电机；

要求调速范围 D＝ 3～ 10 、无级调速、且功率不大时，若不经常正反转、不经常运行在低速的情况，常采用带滑差离合器的异步电动机拖动 (或称电磁转差离合器调速 ) 系统；

若需经常正反转、经常运行在低速的情况，则可采用晶闸管直流拖动系统；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

要求调速范围 D=10～ 100时，常采用晶闸管直流拖动系统；

要求调速范围 D>100时，多采用宽调速晶闸管直流拖动系统，随着晶闸管交流变频调速系统的逐步推广应用，它也可被采用。对于中、小功率的生产机械也可采用晶体管直流脉宽调速系统。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

3. 根据生产机械的负载性质来选择电动机的调速方式

在调速过程中，电动机的负载能力 ( 即输出 ) 在不同转速下是不相同的，

为保证电动机在整个调速范围内始终得到最充分的利用，在选择机电传动控制系统的调速方案时，电动机的负载能力必须与生产机械的负载性质相匹配。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 1) 生产机械的负载特性 生产机械在调速过程中，从负载特性来看，有恒转矩型和恒功率型两类。

一类生产机械在不同的转速下运行时，其负载转矩 TL= 常数，负载功率PL=TLn随着转速的增加成正比地增加，如图11.7(a) 所示。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

起重机起吊一定重量的工作时所产生的负载转矩和负载功率就是这类生产机械的一个典型的例子。机床的进给运动要求恒转矩拖动。

另一类生产机械在不同转速下运行时，负载功率PL= 常数，而负载转矩 TL=PL/n随转速的升高呈双曲线形式下降，如图 11 .7(b) 所示。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

车床的主轴运动就是这类生产机械的例子，粗加工时采用低速，吃刀量大，因而 TL大；

精加工时采用高转速，吃刀量小，因而 TL小，

即主轴转速和吃刀量选择的相互配合，应保证切削过程中切削功率 PL不变。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

2) 电动机调速过程中的负载能力

为了充分利用电动机的负载能力，在调速过程中应保持电枢电流 Ia为额定值 IN ，这时在不同转速下电动机轴上输出的转矩和功率就是电动机所能允许长期输出的最大转矩和最大功率，即电动机调速过程中的负载能力。

直流电动机改变电枢电压调速时，其输出转矩不变且等于额定转矩，而输出功率则随转速的增加成正比地增加，电动机的负载能力具有恒转矩性质，即调压调速属恒转矩性质的调速；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

直流电动机改变磁通调速时，其输出功率不变且等于额定功率，输出转矩则随转速的增加呈双曲线规律下降，即调磁调速属恒功率性质的调速。

交流电动机变极调速时，若采用双速异步电动机，当定子绕组由 Y改成 YY时，电动机的输出转矩保持不变，属恒转矩调速；

当定子绕组由△改成 YY时，则属恒功率调速。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

交流电动机变频调速时，若在固有特性以下调速，属恒转矩调速，而在固有特性以上调速时，则属恒功率调速。

3) 电动机的调速性质与生产机械的负载特悱的配合

电动机在调速过程中，在不同的转速下运行时，实际输出转矩和输出功率能否达到且不超过其允许长期输出的最大转矩和最大功率，并不取决于电动机本身，而取决于生产机械在调速过程中负载转矩 TL及负载功率 PL的大小和变化规律。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 为了使电动机的负载能力得到最充分的利用，在选择调速方案时，电动机的调速性质与生产机械的负载特性要配合恰当。

一般讲，负载为恒转矩型的生产机械应尽可能选用恒转矩性质的调速方式，且电动机的额定转矩 TN

应等于或略大于负载转矩 TL ，

负载为恒功率型的生产机械应尽可能选用恒功率性质的调速方式，且电动机的额定功率 PN应等于或略大于生产机械的静负载功率 PL。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 这样，电动机在调速范围内的任何转速下运行时，均可保持电流 I 等于或略小于额定电流 IN 。使电动机得到最充分的利用。

如果恒转矩型的生产机械选用了恒功率型的他励直流电动机调磁调速方式，电枢电流最小值与调速范围 D 成反比，如在高速下保证 I a=IN ，在低速下电动机得不到到充分利用，且调速范围 D越大，利用率就越低；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 若保证 n=nmin时 Ia=IN , 则 n=nmax时电枢电流的最大值 Imax=DIN , 当 D 较大时，高速下电动机将严重过载。

在选择调速方式时，应尽可能使其与负载性质相匹配。

4. 从系统的经济指标方面考虑

经济指标包括设备的初期投资和运行费用两个方面，后者又包括电能消耗和设备维护费两部分。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则 对直流拖动而言，若采用电枢电路串接电阻的调速方式时，系统简单，设备费用较低，若采用改变电枢电压的调速方式时，必须为拖动电动机配置专门的可调电源 ( 如晶闸管整流电源等 ) ，设备费较高，运行效率也较高；

若采用改变磁通的调速方式时，一般必须为励磁线圈配置专门的可调电源，且由于特殊设计的调速电动机价格较普通直流电动机为高，因而设备费用较高，但其运行效率高。

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

对交流拖动而言，若采用变极的调速方式，则系统简单，设备费用较低，且能量损耗小，系统的运行效率高；

若采用转子附加电阻的调速方式，则系统简单，设备费用较低 ，但能量损耗大，系统的运行效率低；

11.2.3 机电传动控制系统方案的确定原则

若采用电磁转差离合器的调速方式，则系统不太复杂，设备费用不太高，但能量损耗较大，运行效率较低；若采用调频或调压的调速方式，则必须配置专门的可调电源，系统复杂，设备费用高，但运行效率也高。

11.3.1 单闭环直流调速系统

直流调速系统中，用得最多的是晶闸管电动机调速系统。

晶闸管电动机直流传动控制系统常用的有单闭环直流调速系统、双闭环直流调速系统。

11.3.1 单闭环直流调速系统 11.3.1 单闭环直流调速系统

常见的单闭环直流调速系统的框图如图 11. 8 所示，单闭环直流调速系统常分为有静差调速系统和无静差调速系统两类。

单纯由被调量负反馈组成的按比例控制的单闭环系统属有静差的自动调节系统，简称有静差调速系统；

按税分 (或比例积分 ) 控制的系统 ，则属无静差调速系统。

11.3 晶闸管一电动机直流传动控制系统 1有静差调速系统 1)有静差调速系统的基本组成和工作原理 图11.9所示为一典型的晶闸管直流电动机有静差调速系统的原理图，

其中，放大器为 1． 围1l 9晶闸管直流调遵系统原理圈 m例放大器(或比例调节器)，直流电动机M由晶闸管可控整流器经过平波电抗器【_供电。拱 础*整流电瓶Ud “可由控制角 来改变，在这里整流器的变流电源省略来画出。触发器的输入 控制电压为Uk △。为使速度调节灵敏，使用放大器来把辅人信号 u加以扩大t u△ 为给定电压 U。与速度反馈信号(，r的差值，即 △f，一f，。一c，f (11 7) 础叉称偏差信号。速度反馈信号电压U r ”与转速 成正比t即 U，一y“ (11 8) ——式中，， 转速反馈系数。 救太器的输出 Uk—K。~xU—K【，(U。Uf)一Kj，(Ue Yn) (11 9) 舯，K。一一放大器的电压放火倍数。 把触发器和可控整流器看成一个整体，设其等效放大倍数为K。，则空载时一可控整流器 前输出电压为 Ud—K，Uh—K。Kp(U。一Yn) (11 10) 对于电动机电枢回路，若忽略晶闸管的管压降AE，则有 (几一K。中H+，。R!一C”+，。R= 【ll 11) ☆中，Rt--R；+R ——。 电枢回路的总电阻； R ——。 可控整流电源的等效内阻(包括整流变压器和平渡电抗器等的电I~／1)； ——见 电动机的电枢电阻。 O●●J ’ ●●，， 、 ^

11.3.1 单闭环直流调速系统

放大器为比例放大器 (或比例调节器 )，直流电动机M由晶闸管可控整流器经过平波电抗器 L供电。

整整流器整流电压 Ud 可可由控制角 α来改变，触发器的输入控制电压为 Uk 。为使速度调节灵敏，使用放大器来把辅人信号△ U加以扩大，△ U 为给定电压 Ug 与速度反馈信号 Uf的差值，即

△U=Ug－ Uf (11. 7)

11.3.1 单闭环直流调速系统 ΔU称偏差信号。速度反馈信号电压 U f与转速 n 成正比 , 即

Uf=γn (11. 8)

式中， γ—— 转速反馈系数。

放大器的输出

Uk＝KPΔU=K ( Ug-Uf)=KP ( Ug- γn) (11. 9)

式中 ， KP—放大器的电压放大倍数。

11.3.1 单闭环直流调速系统

把触发器和可控整流器看成一个整体，设其等效放大倍数为 KS，则空载时 , 可控整流器的输出电压为

U d＝ KSUK =KSKP (U g -γn) (11. 10)

11.3.1 单闭环直流调速系统 对于电动机电枢回路，若忽略晶闸管的管压降ΔE，则有

——电枢回路的总电阻；

Rx—— 可控整流电源的等效内阻 (包括整流变 压器和平波电抗器等的电阻 )；

Ra—— 电动机的电枢电阻。

RInCRInKU aeaed

aX RRR

11.3.1 单闭环直流调速系统

11.3.1 单闭环直流调速系统

11.3.1 单闭环直流调速系统

11.3.1 单闭环直流调速系统

提高系统的开环放大倍数 K 是减小静态转速降落、扩大调速范围的有效措施。

但是放大倍数不能过分增大，否则系统容易产生不稳定现象。

11.3.1 单闭环直流调速系统 分析一下这种系统转速自动调节的过程。在某一个规定的转速下，给定电压 Ug是固定不变的。

假设电动机空载运行 (Ia≈0)时，空载转速为 n0 ，测速发电机有相应的电压 UBR ，经过分压器分压后，得到反馈电压 Uf ，

给定量 Ug与反馈量 Uf的差值△ U 加进比例调节器(放大器 ) 的输入端，其输出电压 UK加入触发器的输入电路，可控整流装置输出整流电压 Ud供电给电动机，产生空载转速 n0 。

11.3.1 单闭环直流调速系统 当负载增加时， Ia加大，由于 的作用使电动机转速下降 (n<n0) ，测速发电机的电压 UBR下降，使反馈电压 Uf下降到 Uf

’ ，

但这时给定电压 Ug并没有改变，于是偏差信号增加到 ΔU’= Ug- Uf

’, 使放大器输出电压上升到 Uk’ ，

它使晶闸管整流器的控制角α减小，整流电压上升到 Ud

’ ，电动机转速又回升到近似等于 n0 ，但绝不可能等于 n0 ，

RIa

11.3.1 单闭环直流调速系统 因为，如果回升到 n0 , 那么，反馈电压也将回升到原来的数值 Uf , 而偏差信号又将下降到原来的数值 ΔU,就是放大器输出的控制电压 Uk没有增加，

因而晶闸管整流装置的输出电压 Ud也不可能增加，也就无法补偿负载电流 Ia在电阻 上的电压降落，电动机转速又将下降到原来的数值。

这种维持被调量 ( 转速 )近于恒值不变，但又具有偏差的反馈控制系统通常称为有差调节系统 ( 即有差调速系统 ) 。

R

11.3.1 单闭环直流调速系统 系统的放大倍数越大，准确度就越高，静差度就越小，调速范围就越大。

在调速系统中应用最普遍的是直流运算放大器．在运算放大器的输出端与输入端之间接入不同阻抗网络的负反馈，可实现信号的组合和运算，通常称为“调节器”，

常用的有 P、 PI、 PID、 PD 等调节器。在有差调速系统中用的是比例调节器，即 P 调节器。

11.3.1 单闭环直流调速系统 转速负反馈调速系统能克服扰动作用 ( 如负载的变化、电动机励磁的变化、晶闸管交流电源电压的变化等 ) 对电动机转速的影响。

只要扰动引起电动机转速的变化能为测量元件如测速发电机所测出，调速系统就能产生作用来克服它，

即，只要扰动是作用在被负反馈所包围的环内，就可以通过负反馈的作用减少扰动对被调量的影响，但是测量元件本身的误差是不能补偿的。

11.3.1 单闭环直流调速系统 例如，当测速发电机的磁场发生变化时， UBR就要变化，通过系统的作用，会使电动机的转速发生变化。

因此，正确选择与使用测速发电机是很重要的。如用他励式测速发电机时，应使其磁场工作在饱和状态或者用稳压电源供电。

11.3.1 单闭环直流调速系统

2)其他反馈在自动调速系统中的应用

速度 ( 转速 ) 负反馈是抑制转速变化的最直接而有效的方法，它是自动调速系统最基本的反馈形式。但速度负反馈需要有反映转速的测速发电机。

在调速系统中还常采用其他的反馈形式。常用的有电压负反馈、电流正反馈、电流截止负反馈等反馈形式。

11.3.1 单闭环直流调速系统

(1) 电压负反馈系统：具有电压负反馈环节的调速系统如图 11. 10 所示。

11.3.1 单闭环直流调速系统

系统中电动机的转速

a

e

a

e

IK

R

K

Un

11.3.1 单闭环直流调速系统 系统中电动机的转速

可知 电动机的转速随电枢端电压的大小而变。电枢电压高，电动机转速高；电枢电压的大小，可以近似地反映电动机转速的高低 。

ae

a

e

IK

R

K

Un

11.3.1 单闭环直流调速系统 电压负反馈系统就是把电动机电枢电压作为反馈量，以调整转速。

图中Ug是给定电压，Uf是电压负反馈的反馈量，它是从并联在电动机电枢两端的电位计RP上取出来的，所以，电位计RP是检测电动机端电压大小的检测元件，Uf与电动机端电压U成正比，Uf与U的比例系数用a表示，称为电压反馈系数

圜△f，一f，。一[，。，f，。和(／I极性相反，故为电压负反馈。在给定电压u。一定时，其调整过程如T

m载十一H‘一，“十斗(，t(aU)+一△f，十-．f，k十斗口+1

H十一——(，十一一f，一十————J

同理：负载减小时，引起“上升，通过调节可使一下降，趋于稳定。

电压负反馈系统的特点是线路简单，可是它稳定速度的效果并不大，因为，电动机蝴

上E即使由于电压m反馈的作用而维持不变，但是负载增加时t电动机电枢内阻R。所引起日9

阻娠降仍然要增大，电动机速度还是要降低。或者说电压负反馈，顶多只能补偿可控摧流

源的等效内阻所引起的速度降落。

一般线路中采用电压负反馈，主要不是用它米稳速，而是用它来防止过压、改替动态

性、加快过渡过程。

(2)电流正反馈与电压负反馈的综合反馈系统—一高电阻电桥：由于电压负反馈调建

统对电动机电枢电阻压降引起的转速降落不能予以补偿，因而转速降落较大，静特性不够

想，使允许的洞速范围减小。为了补偿电枢电阻压降LR广般在电压负反馈的基础上再

加一个电流正反馈环节，如图11 lI所示。

电流正反馈，是把反映电动机电枢电流大小的量，。R取出，与电压负反馈一起加到放大

输入端。由于是正反馈，当负载电流增加时，放大器输入信号也增加，使晶闸管整流输m

压叽增加，以此来补偿电动机电枢电阻所产生的压降。由于这种反馈方式的转速降落比幔

电压负反馈时小了许多，因而扩大丁调速范国。

为了保证“调整”效果，电流正反馈的强度与电压负反馈的强度应按一定比例组成，

n1●●，，，、●^

UU f /

11.3.1 单闭环直流调速系统

因△ U=U g－U f , U g和U f 极性相反，故为电压负反馈。在给定电压U g一定时，其调整过程如下：

同理：负载减小时，引起 n上升，通过调节可使 n 下降，趋于稳定。

11.3.1 单闭环直流调速系统 电压负反馈系统的特点是线路简单，它稳定速度的效果不大，

因为，电动机端电压即使由于电压负反馈的作用而维持不变，但是负载增加时电动机电枢内阻Ra所引起的内压降要增大，电动机速度要降低。电压负反馈，最多只能补偿可控整流电源的等效内阻所引起的速度降落。

线路中采用电压负反馈，主要不是用它来稳速，而是用它来防止过压、改替动态特性、加快过渡过程。

11.3.1 单闭环直流调速系统 (2) 电流截止负反馈 电流正反馈可以改善电动机运行特性，而电流负反馈会使△ U随着负载电流的增加而减少，使电动机的速度迅速降低，

这种反馈可以人为地造成“堵转”，防止电枢电流过大而烧坏电动机 。加有电流负反馈的系统，当负载电流超过一定数值，电流负反馈足够强时，它足以将给定信导的绝大部分抵消掉，使电动机速度降到零，电动机停止运转，从而起到保护作用。

11.3.1 单闭环直流调速系统 否则，如果电动机的速度在负载过分增大时也不会降下来，就会使电枢过流而烧坏 。

采用电流负反馈作为保护手段，不必切断电动机的电路，只是使它的速度暂时降下来，一旦过负载去掉后，它的速度又会自动升起来，这样有利于生产。

既然电流负反馈有使特性恶化的作用，故在正常情况下，不希望它起作用，应该将它的作用截止。

11.3.1 单闭环直流调速系统 在过流时希望它起作用以保护电动机。满足这两种要求的线路称为电流截止负反馈线路，如图 1 1.3 所示。

11.3.1 单闭环直流调速系统

电流截止负反馈的信号，由串联在回路中的电阻R上取出 ( 电阻 R上的压降 I aR 与电流 I a成正比 ) 。

在电流较小时， I aR<U b , 二极管不导通，电流负反馈不起作用，只有转速负反馈，能得到稳态运行所需要的比较硬的静特性。

11.3.1 单闭环直流调速系统

当主回路电流增加到一定值使 I aR>Ub时，二极管 V 导通，电流负反馈信号 I a R经过二极管与比较电压 U b比较后送到放大器，其极性与 U g极性相反，经放大后控制移相角 a ，使 a增大，输出电压 U d减小，电动机转速下降。如果负载电流一直增加下去，则电动机速度最后将降到零。

11.3.1 单闭环直流调速系统 电动机速度降到零后，电流不再增大，这样就起到了“限流”的作用，加有电流截止负反馈的速度特性如图 11.14 所示 ( 这种特性因它常被用于挖土机上，故称为“挖土机特性”。

11.3.1 单闭环直流调速系统 因为只有当电流大到一定程度反馈才起作用，故称电流截止负反馈。

图中：速度等于零时，电流为 I ao , I ao称为堵转电流，一般 I ao=(2～ 2.5)Ia N 。

电流负反馈开始起作用的电流称为转折点电流IO , 一般转折点电流 IO为额定电流 I aN的 1. 35倍。

比较电压越大，则电流截止负反馈的转折点电流越大，比较电压小，则转折点电流小。

11.3.1 单闭环直流调速系统 比较电压的大小如何选择很重要。一般按照转折电流

IO=K IaN选取比较电压 U b 。当负载没有超出规定值时，起截止作用的二极管不应该开放，也就是比较电压 U b应满足下式

式中， Ub—— 比较电压；

Ubo —— 是截止元件二极管的开放电压；

IaN —— 电动机额定电流；

RKIUU aNbob

11.3.1 单闭环直流调速系统 K—— 转折点电流的倍数，

即K=I 转折／ I aN=IO /IaN

R—— 电动机电枢回路中所串电流反馈电阻。

上述各种反馈信号都是直接反映某一参量的大小的，即反馈信号的强弱与其反映的参量大小成正比。

还有其他形式的反馈，如电压微分负反馈，这种反馈与某一参量的一次导数或二次导数成正比，而且它只在动态时起作用，在静态时不起作用。

11.3.1 单闭环直流调速系统 2. 无静差调速系统 图 11.25所示为一常用的具有比例积分调节器的无静差调速系统。

11.3.1 单闭环直流调速系统

这种系统的特点是：静态时系统的反馈量总等于给定量，即偏差等于零。

要实现这一点，系统中必须接入无差元件，它在系统出现偏差时动作以消除偏差，当偏差为零时停止动作。

图中， PI 调节器是一个典型的无差元件。

11.3.1 单闭环直流调速系统 1) 比例积分 (PI) 调节器

把比例运算电路和积分运算电路组合起来就构成了比例积分调节器，简称 PI 调节器，如图11.26(a)

11.3.1 单闭环直流调速系统

由此可见， PI 调节器的输出由两部分组成，第一部分是比例部分，第二部分是积分部分。

11.3.1 单闭环直流调速系统 在零初始状态和阶跃输入下，输出电压的时间特性如图 11. 26(b) 所示，这里 UO用绝对值表示，当突加输人信号 U i时，开始瞬间电容 C1相当于短路，反馈回路中只有电阻 R1，此时相当于比例调节器，它可以毫无延迟地起调节作用，故调节速度快；

而后随着电容 C1被充电而开始积分， UO线性增长，直到稳态 。

在稳态时， C1相当于开路，极大的开环放大倍数使系统基本上达到无静差。

11.3.1 单闭环直流调速系统 采用比例积分调节器的自动调速系统，综合了比例和积分调节器的特点，既能获得较高的静态精度，又能具有较快的动态响应，因而得到了广泛的应用。

2) 采用 PI 调节器的无静差调速系统

在图 11.25 中，由于有比例积分调节器的存在，只要偏差△ U=U g-U f不等于零，系统就会起调节 作用，

11.3.1 单闭环直流调速系统

当△ U=0时， U g=U f ，则调节作用停止，调节器的输出电压 U k由于积分作用，保持在某一数值，以维持电动机在给定转速下运转，系统可以消除静态误差，该系统是一个无静差调速系统。

11.3.1 单闭环直流调速系统 系统的调节作用是 ：当电动机负载增加时，如图11. 27(a) 中的 t1瞬间，负载突然由 TL1增加到 TL2 ，

则电动机的转速将由 n1

开始下降而产生转速偏差Δn(图 b），它通过测速机反馈到 PI 调节器的输入端产生偏差电压△ U=U g-U f >0 ，于是开始了消除偏差的调节过程。

11.3.1 单闭环直流调速系统 首先， 比例部分调节作用显著，其输出电压等于 ，使控制角α减小，可控整流电压增加 ΔUd1( 图 c 的曲线①），

由于比例输出没有惯性，这个电压使电动机转速迅速回升。

偏差 Δn 越大， ΔUd1越大，它的调节作用就越强，电动机转速回升也越快。而当转速回升到原给定值 n1时， Δn=0， ΔU=0, ΔUd1也等于零。

UR

R

0

1

11.3.1 单闭环直流调速系统 积分部分的调节作用是 ：积分输出部分的电压等于偏差电压△ U 的积分，它使可控整流电压增加的 ΔUd2 ∝∫ΔU dt , 即△ Ud2的增长率与偏差电压 ΔU(或偏差△ n) 成正比。

开始时 Δn 很小， ΔUd2增加很慢，当△ n 最大时，△ Ud2增加得最快，在调节过程中的后期△ n逐渐减少了，△ Ud2的增加逐渐减慢了 , 一直到电动机转速回升到 n1 ， Δn=0时， ΔUd2就不再增加了，且在以后就一直保持这个数值不变（图 c的曲线 2）

11.3.1 单闭环直流调速系统 把比例作用与积分作用合起来考虑，其调节的综合效果见图 (c) 之曲线③，不管负载如何变化，系统一定会自动调节，在调节过程的开始和中间阶段，比例调节起主要作用，它首先阻止 Δn 的继续增大，而后使转速迅速回升，

在调节过程的末期，△ n 很小了，比例调节的作用不明显了，而积分调节作用上升到主要地位，依靠它来最后消除转速偏差 Δn ，使转速回升到原值。这是无静差调速系统的调节过程。

11.3.1 单闭环直流调速系统

可控整流电压 U d等于原静态时的数值 Ud1加上调节过程进行后的增量 (ΔUd1+ΔUd2 ， ) ，如图 (d)所示。

可见，在调节过程结束时，可控整流电压 U d 稳定在一个大于 U d 1的新的数值 Ud2 上。增加的那一部分电压 ( 即△ U d) 正好补偿由于负载增加引起的那部分主回路压降 (Ia2 -Ia1) 。R

11.3.1 单闭环直流调速系统 无静差调速系统在调节过程结后，转速偏差△ n=0(PI 调节器的输入电压 ΔU也等于零 ) ，

这只是在静态 (稳定工作状态 )上无差，而动态( 如当负载变化时，系统从一个稳态变到另一个稳态的过渡过程 )上是有差的。

在动态过程中最大的转速降落△ n max叫作动态速降，是个重要的动态指标。

11.3.1 单闭环直流调速系统 这个系统中的 PI 调节器是用来调节电动机转速的，常把它称为速度调节器。

在晶闸管一电动机调速系统中，常用电压负反馈及电流正反馈来代替由测速机构成的速度负反馈，组成电压负反馈及电流正反馈的自动调速系统。

为了在电动机堵转时不会使电动机和晶闸管烧坏，常采用具有转速负反馈带电流截止负反馈的调速系统，获得所谓“挖土机特性”。

11.3.1 单闭环直流调速系统 为了提高保护的可靠性，在这种系统的主回路中必须接入快速熔断器或过流继电器，以防止在电流截止环节出故障时把晶闸管烧坏。

在允许堵转的生产机械中，快速熔断器或过流继电器的电流整定值一般应大于电动机的堵转电流，使电动机在正常堵转时，快速熔断器或过流继电器不动作。

11.3.2 双闭环直流调速系统 1. 转速、电流双闭环调速系统的组成

采用 PI 调节器组成速度调节器 ASR 的单闭环调速系统，既能得到转速的无静差调节，又能获得较快的动态响应。

从扩大调速范围的角度来看，它已基本上满足一般生产机械对调速的要求。

11.3.2 双闭环直流调速系统 有些生产机械经常处于正反转工作状态 ( 如龙门刨床、可逆轧钢机等 ) ，为了提高生产率，要求尽量缩短启动、制动和反转过渡过程的时间，这时可用转速、电流双闭环调速系统。如图 11. 30所示。

11.3.2 双闭环直流调速系统 来自速度给定电位器的信号 U gn与速度反馈信号

U fn比较后，偏差为 ΔUn=U gn-U fn , 送到速度调节器 ASR 的输入端。

速度调节器的输出 U gi作为电流调节器 ACR 的给定信号，与电流反馈信号 U fi比较后偏差△ U i=U

gi-U fi ,送到电流调节器 ACR 的输入端，电流调节器的输出 UK送到触发器，以控制可控整流器，整流器为电动机提供直流电压 Ud。

11.3.2 双闭环直流调速系统

系统中用两个调节器 ( 一般采用 PI 调节器 ) 分别对速度和电流两个参量进行调节。

从闭环反馈的结构上看，电流调节环在里面，是内环；转速调节环在外面，为外环。

11.3.2 双闭环直流调速系统 2. 转速、电流双闭环调速系统的静态与动态分析

1)静态分析

从静特性上看，维持电动机转速不变是由速度调节器 ASR来实现的。

在电流调节器 ACR上，使用的是电流负反馈，它有使静特性变软的趋势 , 但是在系统中还有转速负反馈环包在外面，电流负反馈对于转速环来说相当于一个扰动作用，

11.3.2 双闭环直流调速系统

只要转速调节器 ASR 的放大倍数足够大，而且没有饱和，则电流负反馈的扰动作用就受到抑制。

整个系统的本质由外环速度调节器来决定，仍然是一个无静差的调速系统。

11.3.2 双闭环直流调速系统

当转速调节器不饱和时，电流负反馈使静特性可能产生的速降完全被转速调节器的积分作用所抵消了，一旦 ASR饱和，当负载电流过大，系统实现保护作用使转速下降很大时，转速环即失去作用，只剩下电流环起作用，

系统表现为恒流调节系筑，静特性便会呈现出很陡的下垂段特性。

11.3.2 双闭环直流调速系统 2) 动态分析

设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要探讨它的起动过程。

(1). 起动过程

由于在起动过程中转速调节器 ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的 I、 II、 III三个阶段。

11.3.2 双闭环直流调速系统 2) 动态分析

设置双闭环控制的一个重要目的就是要获得接近理想起动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，有必要探讨它的起动过程。

(1) 起动过程

由于在起动过程中转速调节器 ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的 I、 II、 III三个阶段。

11.3.2 双闭环直流调速系统 2) 动态分析

设置双闭环控制是要获得接近理想的启动过程，因此在分析双闭环调速系统的动态性能时，要探讨它的起动过程。双闭环直流调速系统突加给定电压U*

n由静止状态起动时，转速和电流的动态过程示于右图。

11.3.2 双闭环直流调速系统

(1) 起动过程

由于在起动过程中转速调节器 ASR经历了不饱和、饱和、退饱和三种情况，整个动态过程分成图中标明的 I、 II、 III三个阶段。

第 I阶段电流上升的阶段（ 0 ~ t1）

11.3.2 双闭环直流调速系统 突加给定电压 U*

n 后， Id 上升，当 Id 小于负载电流 IdL 时，电机还不能转动。

当 Id ≥ IdL 后，电机开始起动，由于机电惯性作用，转速不会很快增长，因而转速调节器ASR 的输入偏差电压的数值仍较大，其输出电压保持限幅值 U*

im，强迫电流 Id 迅速上升。

11.3.2 双闭环直流调速系统

直到， Id = I dm ， U i = U* im 电流调节器很快就

压制 Id 了的增长，标志着这一阶段的结束。

在这一阶段中， ASR 很快进入并保持饱和状态，而 ACR 一般不饱和。

11.3.2 双闭环直流调速系统 第 II 阶段恒流升速阶段（ t1 ~

t2）

在这个阶段中，ASR始终是饱和的，转速环相当于开环，系统成为在恒值电流U*

im 给定下的电流调节系统，基本上保持电流 Id 恒定，因而系统的加速度恒定，转速呈线性增长。

11.3.2 双闭环直流调速系统

与此同时，电机的反电动势E 也按线性增长，对电流调节系统来说， E 是一个线性渐增的扰动量，为了克服它的扰动， Ud0和 Uc 也必须基本上按线性增长，才能保持 Id 恒定。

当ACR 采用 PI 调节器时，要使其输出量按线性增长，其输入偏差电压必须维持一定的恒值，也就是说， Id 应略低于 Idm。

11.3.2 双闭环直流调速系统

恒流升速阶段是起动过程中的主要阶段。

为了保证电流环的主要调节作用，在起动过程中 ACR 是不应饱和的，电力电子装置 UPE 的最大输出电压也须留有余地，这些都是设计时必须注意的。

11.3.2 双闭环直流调速系统 第 Ⅲ 阶段转速调节阶段（ t2 以后） 当转速上升到给定值时，转速调节器

ASR 的输入偏差减少到零，但其输出却由于积分作用还维持在限幅值U*

im ，所以电机仍在加速，使转速超调。

转速超调后， ASR 输入偏差电压变负，使它开始退出饱和状态， U*

i 和 Id

很快下降。但是，只要 Id 仍大于负载电流 IdL ，转速就继续上升。

11.3.2 双闭环直流调速系统

直到 Id = IdL时，转矩 Te= TL ，则 dn/dt = 0 ，转速 n才到达峰值（ t = t3时）。

11.3.2 双闭环直流调速系统 此后，电动机开始在负载的阻力下减速，与此相应，在一小段时间内（ t3

~ t4 ）， Id < IdL ，直到稳定，如果调节器参数整定得不够好，也会有一些振荡过程。

11.3.2 双闭环直流调速系统

在这最后的转速调节阶段内， ASR和 ACR都不饱和， ASR起主导的转速调节作用，而 ACR 则力图使 Id 尽快地跟随其给定值 U*

i ，

电流内环是一个电流随动子系统。

11.3.2 双闭环直流调速系统

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。

11.3.2 双闭环直流调速系统 （ 1） 饱和非线性控制

根据 ASR 的饱和与不饱和，整个系统处于完全不同的两种状态：

当 ASR饱和时，转速环开环，系统表现为恒值电流调节的单闭环系统；当 ASR 不饱和时，转速环闭环，整个系统是一个无静差调速系统，而电流内环表现为电流随动系统。

11.3.2 双闭环直流调速系统 （ 2）转速超调

由于 ASR 采用了饱和非线性控制，起动过程结束进入转速调节阶段后，必须使转速超调， ASR 的输入偏差电压 △ Un 为负值，才能使ASR退出饱和。

这样，采用 PI 调节器的双闭环调速系统的转速响应必然有超调。

11.3.2 双闭环直流调速系统 （ 3）准时间最优控制

起动过程中的主要阶段是第 II阶段的恒流升速，它的特征是电流保持恒定。一般选择为电动机允许的最大电流，以便充分发挥电动机的过载能力，使起动过程尽可能最快。

这阶段属于有限制条件的最短时间控制。因此，整个起动过程可看作为是一个准时间最优控制。

11.3.2 双闭环直流调速系统 双闭环调速系统，在启动过程的大部分时间内， ASR处于饱和限幅状态，转速环相当于开路，系统表现为恒电流调节，从而可基本上实现如图 11. 29 所示的理想启动过程曲线。

双闭环调速系统的转速响应一 定有超调，只有在超调后，转速调节器才能退出饱和，使在稳定运行时 ASR 发挥调节作用，从而使在稳态和接近稳态运行中表现为无静差调速。

双闭环调速系统具有良好的静态和动态品质。

11.3.2 双闭环直流调速系统 转速、电流双闭环调速系统的主要优点是：系统的调整性能好，有很硬的静特性，基本无静差；动态响应快，启动时问短；

系统的抗干扰能力强；两个调节器可分别设计，调整方便 (先调电流环，再调速度环 ) 。在自动调速系统中得到了广泛的应用。

为了进一步改善调速系统的性能和提高系统的可靠性，可以采用三闭环 ( 在双闭环基础上再加一个电流变化率调节器或电压调节器 ) 调速系统。

11.3.3 可逆直流调速系统 只向直流电动机提供单向电流，使电动机单向运转的调速系统，称不可逆直流调速系统，适用于单向运转且对停车快速性要求不高的生产机械，

在实际生产过程中，还常要求电动机不但能平滑调速而且又能正、反转及快速启、制动等，如龙门刨床的工作台，能控制电动机正、反转的调速系统，称为可逆调速系统。

直流电动机可逆调速系统有：电枢反接的可逆线路及励磁反接的可逆线路两类，后者用得较少，下面是电枢反接的可逆线路。

11.3.3 可逆直流调速系统 1. 利用接触器进行切换的可逆线路

线路如图 11. 32 ，这种线路只用一套晶闸管变流器，利用接触器 FKM和 RKM来改变电动机电枢电流的方向，

11.3.3 可逆直流调速系统 当 FKM闭合， RKM打开时，电路中 A 点为正极性电位， B 点为负极性电位， | 电枢电流 Ia的方向如图中实线所示，电动机正转；

当 RKM闭合， FKM打开时， A 点为负极性电位， B 点为正极性电位，电枢电流 I a的方向如图中虚线所示，电动机反转。

这种可逆线路比较简单、经济，但是，接触器的寿命比较短，

11.3.3 可逆直流调速系统

另外，一个方向的接触器断开到另一个方向的接触器闭合。大约需 0.2s～ 0.5s 的时间，它使切换过程延缓。因此，这种方案一般适用于不频繁快速正、反转的可逆调速系统。

11.3.3 可逆直流调速系统 2. 利用晶闸管切换的可逆线路

这种线路是将图11. 32 中的接触器用四只晶闸管替代，从接触器的有触点控制变为晶闸管的无触点控制，如图11.33 所示。

11.3.3 可逆直流调速系统 由图可见，当晶闸管 1VS和 4VS 触发导通时， A 点为正极性电位，而 B 点为负极性电位，电枢电流 Ia如图中实线所示的方向，电动机正转；

当晶闸管 2VS和 3VS 触发导通时， A 点得到负极性电位，而 B 点为正极性电位，电枢电流 Ia

的方向如图中虚线所示，电动机反转。

这种利用晶闸管切换的电枢可逆线路，经济上没有明显的优点，只适用于几十 kW 以下的可逆调速系统。

11.3.3 可逆直流调速系统 3. 采用两套晶闸管变流器的可逆线路

采用两套晶闸管变流器分别提供正、反两个方向的电枢电流，实现电动机可逆运转的线路，目前应用比较广泛。其原理图如图 11.34 所示。

11.3.3 可逆直流调速系统 正向晶闸管变流器设为 I 组，它为电动机提供正向电枢电流 I a( 图中 I a的实线 ) ，实现电动机的正转；反向晶闸管变流器为Ⅱ组，为电动机提供反向电枢电流 I a( 如图中 I a虚线所示 ) ，实现电动机的反转。

采用两组晶闸管变流器组成的可逆线路中，不流过负载而只流过两组晶闸管电路的电流称为环流。根据有无环流，调速线路又分有环流 ( 可控有环流 ) 及无环流 (逻辑无环流，错位无环流 )两种。

11.3.3 可逆直流调速系统 采用两组晶闸管变流器组成的可逆线路又分为两种接线方式，一种为反并联连接，它的特点是由一个交流电源同时向两组晶闸管变流器供电；

另一种为交叉连接，它的特点是两组晶闸管变流器由两个独立的交流电源分别供电。

在三相全控桥可逆线路中，交叉连接比反并联连接所用的限制环流大小的均衡电抗器数目可少一半，

11.3.3 可逆直流调速系统 因而，在有环流调速系统中，三相全控桥均采用交叉连接组成可逆调速系统。

除此而外，一般均采用反并联连接形式 。

以三相半波反并联可逆线路为倒，学习逻辑控制无环流可逆线路的工作原理，其线路如图 11. 35 所示。

11.3.3 可逆直流调速系统 欲使电动机工作于正转电动状态，应控制共阴极组的 α1角由 90º逐渐减小，与此同时封锁共阳极组的触发脉冲。

共阴极组输出直流电压 Udα1由零逐渐增加，电动机启动并正转加速 ，此时共阴极组整流电压 Udα1

极性为上正下负，共阴极组电路工作在整流状态。电动机工作在正转电动状态，如图 11. 36第Ⅰ象限所示。

11.3.3 可逆直流调速系统

11.3.3 可逆直流调速系统 若欲使电动机制动 (或减速 ) ，应利用逻辑电路封锁共阴极组触发脉冲使之停止给电动机供电，电动机由于惯性转速瞬时降不下来，其反电势 E的极性仍为上正下负。

开放共阳极组使之投入工作，控制共阳极组的 α2角由 1800逐渐减小 (1800>α2>900) ，共阳极组输出直流电压平均值 U dβ2的极性为上正下负，且使Udβ2≤E ，以产生足够的制动电流 ( 不超过允许的最大制动电流 ) ，使电动机转速很快制动到零，这样，电动机工作在正转制动状态，共阳极组电路工作在逆变状态。如图 11. 36第Ⅱ象限所示。

11.3.3 可逆直流调速系统

当电动机转速制动到零时，若使共阳极组电路的a2角在 00～ 900范围变化，即 α2角由 900逐渐减小，则输出电压 U dα2逐渐增加。极性为上负下正，电动机启动并反转加速，电动机工作于反转电动状态，共阳极组工作在整流状态。如图 11.36第Ⅲ象限所示。

11.3.3 可逆直流调速系统 欲使反转的电动机制动 (或减速 ) ，则封锁共阳极组电路触发脉冲，开放共阴极组电路使 α1角在1800～ 900范围内减小，共阴极组电路输出直流电压平均值 Udβ1极性为上负下正，且 Udβ1≤E ，以产生足够的制动电流，使电动机转速很快降到零。

这样，电动机工作于反转制动状态，共阴极组电路工作于逆变状态。如图 11.36第Ⅳ象限所示。

11.4 晶体管一电动机直流脉宽调速系统

脉宽调速系统（ PWM)早已出现，但因缺乏高速开关元件而未能在生产实际中推广应用。由于大功率晶体三极管的制造成功和成本的不断下降，晶体管脉宽调速系统在生产实际中逐渐得到广泛的应用。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

PWM 变换器的作用是：用 PWM 调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

PWM 变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

PWM 变换器的作用是：用 PWM 调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。

PWM 变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类，下面分别阐述其工作原理。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 1. 不可逆 PWM 变换器 （ 1）简单的不可逆 PWM 变换器

简单的不可逆 PWM 变换器 - 直流电动机系统主电路原理图如图所示，功率开关器件可以是任意一种全控型开关器件，这样的电路又称直流降压斩波器。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

图中： Us为直流电源电压， C 为滤波电容器， VT为功率开关器件， VD 为续流二极管， M 为直流电动机， VT 的栅极由脉宽可调的脉冲电压系列 Ug驱动。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

当 0 ≤ t < ton时， U g为正， VT 导通，电源电压通过VT 加到电动机电枢两端；

当 ton ≤ t < T 时， U g为负， VT 关断，电枢失去电源，经 VD 续流。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

当 0 ≤ t < ton时， U g为正， VT 导通，电源电压通过VT 加到电动机电枢两端；电机两端得到的平均电压为

式中 = ton / T 为 PWM 波形的占空比，改变 （ 0 ≤ < 1 ）即可调节电机的转速，令 = Ud / Us为 PWM 电压系数，则在不可逆

PWM 变换器 =

sson

d UUT

tU

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

在简单的不可逆电路中电流不能反向，因而没有制动能力，只能作单象限运行。

需要制动时，必须为反向电流提供通路，如图 11-17a 所示的双管交替开关电路。当 VT1 导通时，流过正向电流 + id ， VT2 导通时，流过 – id 。应注意，这个电路还是不可逆的，只能工作在第一、二象限， 因为平均电压 Ud 并没有改变极性。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

工作状态与波形

一般电动状态

在一般电动状态中，始终为正值（其正方向示于图 11-17a 中）。设 ton为 VT1 的导通时间，则一个工作周期有两个工作阶段：在 0 ≤ t ≤ ton期间， Ug1

为正， VT1导通， Ug2为负， VT2关断。此时，电源电压 Us 加到电枢两端，电流 id 沿图中的回路 1流通。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

工作状态与波形在 ton ≤ t ≤ T 期间， Ug1和 Ug2都改变极性， VT1关断，但 VT2却不能立即导通，因为 id沿回路 2经二极管 VD2续流，在 VD2两端产生的压降给 VT2施加反压，使它失去导通的可能。

因此，实际上是由 VT1和 VD2交替导通，虽然电路中多了一个功率开关器件，但并没有被用上。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

输出波形： 一般电动状态的电压、电流波形与简单的不可逆电路波形（图 11-16b）完全一样。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 制动状态

在制动状态中， id为负值， VT2就发挥作用了。这种情况发生在电动运行过程中需要降速的时候。这时，先减小控制电压，使 Ug1 的正脉冲变窄，负脉冲变宽，从而使平均电枢电压 Ud降低。

但是，由于机电惯性，转速和反电动势 E 还来不及变化，因而造成 E Ud 的局面，很快使电流 id

反向， VD2截止， VT2开始导通。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 制动状态的一个周期分为两个工作阶段：

– 在 0 ≤ t ≤ ton 期间， VT2 关断，－ id 沿回路 4 经 VD1 续流，向电源回馈制动，与此同时， VD1 两端压降钳住 VT1 使它不能导通。

– 在 ton ≤ t ≤ T期间， Ug2 变正，于是 VT2导通，反向电流 id 沿回路 3 流通，产生能耗制动作用。

因此，在制动状态中， VT2和 VD1轮流导通，而 VT1始终是关断的，此时的电压和电流波形示于图 11-17c 。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

2. 桥式可逆 PWM 变换器可逆 PWM 变换器主电路有多种形式，最常用的是桥式（亦称 H形）电路，如图 11-20 所示。

这时，电动机 M两端电压的极性随开关器件栅极驱 动电压极性的变化而改变，其控制方式有双极式、单极式、受限单极式等多种，这里只着重分析最常用的双极式控制的可逆 PWM 变换器。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 H形主电路结构

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 双极式控制方式

（ 1）正向运行：

– 第 1阶段，在 0 ≤ t ≤ ton 期间， Ug1 、 Ug4为正， VT1 、 VT4导通， Ug2 、 Ug3为负， VT2 、 VT3截止，电流 id 沿回路 1 流通，电动机 M两端电压UAB = +Us ；

– 第 2阶段，在 ton ≤ t ≤ T期间， Ug1 、 Ug4为负， VT1 、 VT4截止， VD2 、 VD3续流， 并钳位使 VT2 、 VT3保持截止，电流 id 沿回路 2 流通，电动机 M两端电压UAB = –Us ；

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 （ 2）反向运行：

– 第 1阶段，在 0 ≤ t ≤ ton 期间， Ug2 、 Ug3为负， VT2 、 VT3截止， VD1 、 VD4 续流，并钳位使 VT1 、 VT4截止，电流 – id 沿回路 4 流通，电动机 M两端电压 UAB = +Us ；

– 第 2阶段，在 ton ≤ t ≤ T 期间， Ug2 、 Ug3 为正， VT2 、 VT3导通， Ug1 、 Ug4为负，使 VT1 、 VT4保持截止，电流 – id 沿回路 3 流通，电动机M两端电压 UAB = – Us ；

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 （ 2）反向运行：输出平均电压双极式控制可逆

PWM 变换器的输出平均电压为

如果占空比和电压系数的定义与不可逆变换器中相同，则在双极式控制的可逆变换器中

= 2 – 1

注意：这里 的计算公式与不可逆变换器中的公式就不一样了。

son

son

son

d )12

( UT

tU

T

tTU

T

tU

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理 调速范围

调速时， 的可调范围为 0~1 ， – 1< <+1 。

当 > 0.5时， 为正，电机正转；

– 当 < 0.5时， 为负，电机反转；– 当 = 0.5时， = 0 ，电机停止。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

当电机停止时电枢电压并不等于零，而是正负脉宽相等的交变脉冲电压，因而电流也是交变的。这个交变电流的平均值为零，不产生平均转矩，徒然增大电机的损耗，这是双极式控制的缺点。

它也有好处，在电机停止时仍有高频微振电流，从而消除了正、反向时的静摩擦死区，起着所谓“动力润滑”的作用。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

双极式控制的桥式可逆 PWM 变换器有下列优点：

（ 1）电流一定连续；（ 2）可使电机在四象限运行；（ 3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（ 4）低速平稳性好，系统的调速范围可达 1:20000左右；（ 5）低速时，每个开关器件的驱动脉冲仍较宽，有利于保证器件的可靠导通。

11.4.1 晶体管脉宽调速系统的基本工作原理

双极式控制方式的不足之处是：

在工作过程中， 4 个开关器件可能都处于开关状态，开关损耗大，而且在切换时可能发生上、下桥臂直通的事故，为了防止直通，在上、下桥臂的驱动脉冲之间，应设置逻辑延时。