有静差直流调速系统

有静差直流调速系统

高级维修电工考证复习之一

一、直流调速系统

1. 直流调速系统概述

1电枢回路串电阻调速———（有级调速） 直流调速有三种方法：○

2弱磁调速（调磁调速）——（无级调速） ○

3调压调速————————（无级调速） ○

其中调磁调速为恒功率调速，其调速范围小； 调压调速为恒转矩调速，其调速范围大。

在低于额定转速的调速一般采用调压调速， 在高于额定转速的调速一般采用调磁调速。

采用调压调速的直流调速系统需要一个可控直流电源为直流电动机供1旋转变流机组（发电机G—电动机M调速 电。常用的可控直流电源有：○

系统）

2静止式可控整流器 ○（晶闸管相位控制直流调

速系统）

3直流斩波器（直流斩波器调速系统） ○

晶闸管相位控制直流调速系统与直流斩波器调速系统的共同优点是：调

速范围宽，可获得较硬的机械特性。

发电机—电动机（G—M）调速系统与晶闸管相位控制直流调速系统、

1放大倍数大 ○2快速性能直流斩波器调速系统相比，后两种调速系统具有○

3经济性好 ○4体积小 ○5控制方便 ○6运行噪声小等优点。 好 ○

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晶闸管相位控制直流调速系统与直流斩波器调速系统相比，前者又具有

1功率器件少 ○2线路简单 ○3调速范围宽 ○4快速反应好 ○5功率因数和效○

率高。但受器件容量等因素的限制，主要用于中、小功率范围的系统。

在工业生产中，早期应用的是发电机——电动机（G—M）调速系统，

随着电子技术的发展，晶闸管相位控制直流调速和直流斩波调速系统获得越来越广泛的应用。目前应用最广泛的还是晶闸管相位控制直流调速系统。

晶闸管直流调速系统的种类很多，

根据系统运行时是否存在稳态偏差，可分为：

○

1有静差直流调速系统 ○

2无静差直流调速系统 根据系统中负反馈环节的数量，可分为：

○

1单闭环直流调速系统 ○

2双闭环直流调速系统 ○

3多闭环直流调速系统 根据系统中电动机是否正、反转，可分为：

○

1可逆直流调速系统 ○

2不可逆直流调速系统

2. 直流调速方式

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根据全电路欧姆定律来分析下列他励直流电动机： Ud = Ed + IdRd Ud ——电动机的电枢 Ed = CeФn Ed ——电动机分电动势 T = CtФId T ——电动机的电磁转矩

Rd ——电枢绕组 Ct ——电动机的转矩常数

Ф ——主磁极磁通 机械特性为

nn0UdCeRdCeCt2n0KtTn0n

Ud/Ce ——理想空载转矩

KtnRd/CeCtRdT/CeCt2 ——机械特性斜率

2 ——转速降落值

由上式可知，直流电动机的速度由Ud（电枢两端电压）和Ф（主磁极磁通）所决定。 调节Ud即调压调速，

调节Ф 即调磁调速。

（1）改变电枢电压的调速方式（调压调速）

若保持磁通Ф和电枢电阻Rd不变，将电枢电压Ud减小（由于耐压限制

不能升压），机械特性的斜率不变，而空载转速会减小，于是得到一组以Ud为参数的平行直线。如下图：

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在允许的静差度值内，可获得低于额定转速的稳定速度，调速范围可达

10～12（电动机能提供的最高转速nmax和最低转速nmin之比D）。

改变Ud调速的实质是：在Ud减少时，为了充分利用电动机的容量，电

枢电流Id仍保持为额定值，由T = CtФId 可知，电动机输出转矩是恒定的。但此时的反电动势Ed却随Ud减小而减小，转速n也随之下降。

由此可见，调压调速为恒转矩调速，它的变速特性正好满足恒转矩负载的

要求。

恒转矩调速的特性曲线如下图：

调压调速的优点：调节细，平滑性好；机械特性硬度不变，相对稳定好；

调速过程能耗低，可节省降压启动设备，经济性好；调速范围较宽。

（2）改变励磁磁通的调速方式（调磁调速）

若保持电枢电压Ud和电枢电阻Rd不变, 将RL增加或UL减小, 而使磁通Φ减小（因受磁饱和限制而不能增大）, 空载转速no随之增大（no ∝ 1/Φ）, 机械特性斜率急剧增加（Kt ∝ 1/Φ2）。由此得到一组以Φ为参数的曲线。

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磁通Φ减小使转速n增高, 特性变软, 调速范围2～4（D = nmax/nmin）。如下图所示：

调磁调速具有恒功率的调速特性, 在调速过程中电动机转矩T随转速n的上升而降低.。输出功率为额定功率Pe, 满足恒功率机械负载的要求。

调磁调速虽然调速范围不宽, 但它具有调节容量小、平滑性好、投资少、能耗低、经济性好等优点。

恒功率调速特性曲线如下图所示：

（3）恒转矩调速与恒功率调速

调压调速和调磁调速是直流调速中常用的两种方式, 它们的调速特性刚好满足常用的恒转矩和恒功率机械负载特性的要求。

所谓恒转矩调速或恒功率调速, 是指在电动机不超过发热条件限制下, 以可调的不同转速长期工作时, 都能给（输）出额定转矩或额定功率的调速。

根据负载的特性来选择电动机的调速方式, 才能在任何一级转速下, 都能使它的输出达到要求的转矩或功率, 电动机的容量才能得到充分利用。

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一个恒功率负载, 若采用了恒转矩调速方式, 会因为电动机调速时输出的转矩恒定, 但负载在高速时要求的转矩小, 低速时要求的转矩大, 若按低速时要求选定的电动机额定转矩, 当电动机工作在高速时,电动机的容量就得不到充分的利用。若按高速时要求选定的电动机额定转矩，则工作在低速时电动机将超载, 所以均不合理。因此在考虑调速方案时, 必须先弄清负载的性质。

3. 调速的性能指标

调速系统的优劣, 可用技术性能指标来衡量, 在电动机调速系统中, 常用的性能指标有以下几项： （1） 调速范围D

在额定负载下, 电动机能提供的最高转速与最低转速之比： D = nmax / nmin

不同的工作机械要求的调速范围不同, 不同类型电动机在不同的调速

方式下, 所能达到的调速范围不同。

一般机床的主传动和进给传动的调速范围如下表, 数控机床和随动系

统的调速范围可能比下表要求更宽些。

机床传动调速范围 机床类别 中型和重型车床 立式车床 摇臂钻床 卧式和立式铣床 中型卧式镗床 中、小型龙门刨床 大型龙门刨床

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D1（主传动） 40～100 40～60 20～100 20～60 20～60 4～10 10～30 D2（进给传动） 50～150 40～80 5～40 25～60 30～150 10～50 10～50 （2） 调速的平滑性φ

调速的平滑性也称公比, 它是用某一个转速ni与能够调到最邻近的转

速ni-1之比来评价的。

φ = ni / ni-1

φ值越接近1, 调速的平滑性越好, 无级调速系统的平滑性φ≈1, 可

以实现连续调速。

（3） 静差度S

静差度即速度的稳定度, 它是衡量转速随负载变动程度的静态指标。 静差度S是指电动机在某一转速下运行时，机械负载由理想空载变为额定负载所产生的转速降落△n 与理想空载转速no之比，即

Snonene nonone——额定负载下的实际转速

静差度S常用百分数表示，故又称静差率。显然电动机的特性越硬，控制系统的静特性也越硬，由负载变动而引起的转速降落越小，静差度S越小，稳速精度越高。

1和○2硬度相然而，静差度和特性硬度又有区别，由下图可见，特性○

同（曲线斜率相同），额定负载下转速降落相等（△ne1 =△ne2），但是由于空载转速不同（no1＞no2），由公式可知静差度不同（S1＜S2＝。

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同样硬度的特性，理想空载转速硬度越低，静差度越大，转速的相对稳定性越差。因此，对一个系统静差度的要求，就是对最低转速静差度的要求。

可见，静差度S调速范围D这两项指标是相互制约的，负载要求的静差度S小，调速范围D就小，S大，D亦大。对S与D必须同时提出要求才有意义。

二、有静差直流自动调速系统

晶闸管直流自动调速系统常采用各种反馈环节，转速负反馈、电压负反馈、电流正反馈、电流截止负反馈等。

其目的是要提高调速的精度和系统的机械特性硬度，扩大调速范围，达到自动调速的目的。

有静差的自动调速系统中的放大器只是一个具有比例放大作用的P 调节器，而不是同时具备比例运算和积分运算的PI调节器，它必须依靠实际转速与给定转速两者之间的偏差，才能实现转速控制作用。

因此，这种系统只能缩小转速稳态误差，而不能消除转速的稳态误差。

1. 转速负反馈有静差直流调速系统（单闭环）

（1） 转速负反馈有静差直流调速系统原理图

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该系统的反馈信号Ufn是由测速发电机取自于电动机的实际转速， Ufn=αnn。系统的输入偏差信号△Ui=Ug-Ufn，为使转速偏差小，△Ui就必须很小，所以系统中必须设置放大器（放大倍数为Kp），才能获得足够的触发电路控制电压Uc。图中的放大器可以是晶体管放大器，也可以是集成放大器。

（2）转速负反馈工作原理

由电位器RP1给出一个给定电压Ug, 与由转速负反馈环节反馈回来

的电压－Ufn（因与Ug极性相反）。

Ug与－Ufn叠加比较后, 得出的偏差信号△Ui（△Ui=Ug－Ufn）经

放大后作为触发电路的控制电压Uc, 使触发电路产生触发延迟角为α的触发脉冲, 来触发晶闸管。

晶闸管整流器便输出一定的直流电压Ud, 加在直流电动机电枢两端,

在电动机电磁转矩T与负载转矩T1平衡（即T=TL）的情况下, 电动机便以一定的转速n1运转。

若调节给定电压Ug, 则可以改变电动机的转速n1。

当负载突然发生变动时, 电动机转速会随之发生变化, 系统就将进行

自动调节。

例如：当负载转矩TL增大（T＜TL）＝时, 转矩的不平衡将引起转速

降落。该系统的自动调节过程如下：

TL↑→n↓→Ufn↓（Ufn=αnn）→△Ui↑（△Ui=Ug－Ufn）→ →Uc↑（Uc=Kp△Ui）→α↓→Ud↑→n↑

上述转速负反馈的调节过程能使转速回升, 反之, 当TL减小时引起

的转速上升, 经过转速负反馈的调节过程也能使转速回落。

因此, 转速负反馈直流调速系统, 能将这种因扰动引起的转速变化减

小到一定的允许范围内, 通过系统的调节过程, 使得转矩重新达到平衡, 电动机便以接近于原来值的转速稳定运行。

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由于该系统的自动调速是按被调量的偏差△Ui进行调节的, 所以它

只能使转速的变化减小, 而不能使转速完全恢复到原来的转速值, 因此, 这种系统是有静差的自动调速系统。

（3）运用调速原理, 来分析这种系统有静差的必然性

在电动机以转速n1稳定运行情况下, 当负载增加时, 由于TL的增大,

电动机自身的调节作用使Id增大, 电枢回路上的电压降IeRd（Rd为电枢回路总电阻）也增大。

假设电动机的转速在通过一个动态调节过程后能保持原转速不变, 则

晶闸管整流电压Ud就必须相应增大来补偿IeRd这个电压降。

该系统的晶闸管整流电压Ud是由△Ui来控制的, 只有△Ui增大, 放

大器的输出电压Uc才能成比例地增大, 使触发延迟角α随之减小, 晶闸管整流输出电压Ud才能增大。

而△Ui=Ug－Ufn, 由于给定电压Ug不变, 所以只有转速负反馈电压

Ufn减小, 才能使△Ui增大, 但Ufn的减小就说明电动机转速必然比原来转速n1要低些。,

因此, 假设的电动机转速在通过一个动态调节过程后能保持原转速不

变, 与该假设成立的条件（即电动机转速必须低于原转速）, 这两者是相矛盾的。

故假设不能成立, 也就是说, 这种调速系统在扰动情况下调节后的电

动机转速必定不等于扰动前的原转速。

由上述可知, 凡是依靠实际转速（被调量）与给定转速（给定量）两

者之间的偏差, 才能来调节转速的调速系统, 都是有静差的自动调速系统。

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（4）转速负反馈有静差直流调速系统的特点

1) 系统是根据给定量Ug与反馈量Ufn之差△Ui来进行转速调节的,

因此它是一个有静差自动调速系统。

2) 提高系统的开环放大倍数K, 可以减小静态误差, 扩大调速范围; 但是放大倍数K要受到系统稳定性的限制, 不能无限制的增大, 因而系统的静态误差也不能彻底消除。

2. 电压负反馈有静差直流调速系统（单闭环）

（2） 电压负反馈有静差直流调速系统原理图

（3） 电压负反馈有静差直流调速系统工作原理

系统的反馈信号Ufu取自于电动机电枢两端的电压， Ufu = γUd

（γ为电压反馈系数）。

由于系统采用了具有反相放大作用的P调节器，其输出电压的极性与

输入电压相反，而转速负反馈直流调速系统的移相电压Uc为正电压，（α随Uc的增大而减小），从统一触发电路的移相控制特性起见，故本系统的给定电压Ug为负极性，而负反馈电压Ufu为正极性。

在给定电压Ug为负极性的情况下，由于Ug与Ufu的极性相反，故

系统的输入偏差电压△Ui = －Ug + Ufu，P调节器的输出电压为Uc = －Kp（Ug－Ufu），其输入与输出之间的关系为△Ui↓→Uc↑。

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该系统的自动调速过程如下：

TL↑→Id↑→Ud↓→Ufu↓→△Ui↓→Uc↑→α↓→Ud↑→n↑ 由于系统的被调量是电动机电枢两端的电压Ud，因此，该系统实际

上是一个电压调节系统。这种系统只能维持电枢电压不变，可以补偿电枢回路中除了电枢电阻Rd外的其他电阻上电压变化引起的转速变化。而无法补偿电动机电枢电阻Rd上电压变化所引起的转速变化。

（4） 电压负反馈有静差直流调速系统的特性

电压负反馈有静差直流调速系统的性能不如转速负反馈有静差直流

调速系统。但是由于省略了测速发电机，故系统结构简单、维护方便。

3.. 带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统

（1）带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统原理图

（2）带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统的工作原理

为了补偿电枢电阻压降Id Rd引起的转速降，在电压负反馈的基础上，增加一个电流正反馈环节，就组成了带电流正反馈环节的电压负反馈直流调速系统。如上图，反馈信号Ufi 取自串联在电枢回路中电阻Rc两端的电压，Ufi =βId（β为电流反馈系数），因其极性与给定电压Ug的极性相同，故称为电流正反馈。

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系统的输入偏差电压△Ui = －Ug + Ufu－Ufi

该系统的电压负反馈自动调速过程前面已述，而其电流正反馈的自动调速过程如下：

TL↑→n↓→Id↑→Ufi↑（Ufi= βId）→△Ui↓→Uc↑→α↓→ →Ud↑→n↑

可见，电流正反馈的作用在于给系统的输入偏差电压△Ui增加了一个与给定电压相同极性的Ufi分量。这个输入增量使系统的输出也增加了增量，可以有效地补偿电压负反馈调速系统因电枢电阻压降Id Rd引起的转速降，从而减小了系统的静差，扩大了调速范围。

应当注意，该系统是一个电压反馈系统，系统中的电压负反馈与电流正反馈是两种不同性质的控制作用。

电压负反馈属于被控量的负反馈作用，用来维持电动机电枢电压Ud近似不变。

电流正反馈却是利用电枢电流来补偿电枢电阻的压降，由于电枢电流不是被控量，而是系统中的扰动量。严格来讲这属于补偿控制，实质上是一种负载转速扰动前馈补偿校正，而不是反馈控制。

（3）系统特性分析

从理论上讲，适当调整电流反馈系数β，能使该系统中负载变化引起的转速降△n为零。系统可以实现静态无差调节，但实际上这是无法做到的。

由于系统中各元件并不是线性元件，也不能保证其性能绝对稳定，因而难以实现△n = 0。而且，若电流正反馈过强，还将引起系统不稳定。

因此，一般仅把电流正反馈的补偿作用作为闭环调速系统进一步减小静差的补充措施。

为了保证系统的稳定性，通常将电流正反馈作用选得弱一点，使系统的静特性曲线略低于转速负反馈系统的静特性曲线。

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带电流正反馈环节的电压负反馈系统的调速范围没有转速负反馈系统那样宽，适用于调速范围D≤20，静差率S＞10﹪的场合。

各种调速系统的静特性如下图：

图中的曲线1为转速负反馈静特性，曲线2为带电流正反馈环节的电压负反馈静特性，曲线3为电压负反馈静特性，曲线4为开环系统的静特性。

4. 带电流截止负反馈环节的转速负反馈的直流调速系统

（1）带电流截止负反馈环节的转速负反馈的直流调速系统的原理图

（2）带电流截止负反馈环节的转速负反馈的直流调速系统的工作原理

电流截止负反馈是一种自动限制电流的环节，它能有效地解决闭环反馈

调速系统的启动和堵转电流过大的问题。

系统中，在忽略二极管VD导通压降的情况下，电流截止负反馈环节的

导通条件是：IdRc＞Ucp（Ucp为比较电压），系统的转折电流为IB=Ucp/Rc。

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当Id＜IB时（即IdRc＜Ucp），二极管VD承受反向电压而截止，电流

负反馈不起作用。系统输入偏差△Ui（△Ui =－Ug+Ufn），这时系统具有转速负反馈特性，故系统的静特性很硬。如下图中的A点至B点之间的线段：

当Id＞IB时（即IdRc＞Ucp），二极管VD导通，电流负反馈起作用。

系统输入偏差电压△Ui =－Ug + Ufn + Ufi =－Ug + Ufn +（IdRc－Ucp），随着Id的增加，电流负反馈作用越来越强，使晶闸管整流电压Ud迅速减小，电动机转速随之下降，直到电动机堵转为止。故系统的静特性很软。 如图中的B点至C点之间的线段，堵转（n=0）时，电枢电流等于系统

的堵转电流，即Id=ID。

一般取IB =（1～1.4）IN，ID ＜（2～2.5）IN，其中IN为电动机的额

定电流。

上图的这种具有电流截止负反馈闭环调速系统的下垂静特性常称为“挖

土机特性”。

（3）带电流截止负反馈环节的转速负反馈的直流调速系统的特性

正常工作时，转速负反馈起作用，具有较硬的静特性。在启动、制动、堵转和过载时，电流截止负反馈起作用，自动限制电枢回路电流，从而保护晶闸管和电动机，避免了大电流冲击造成电动机换向的困难。

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