直流電動機(jī)基本理論知識

1、直流電動機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但任何直流電機(jī)都包括定子部分和轉(zhuǎn)子部分，這兩部分間存在著一定大小的氣隙，使電機(jī)中電路和磁場發(fā)生相對運(yùn)動。直流電機(jī)定子部分主要由主磁極、電刷裝置和換向極等組成，轉(zhuǎn)子部分主要由電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)圖如圖2-1。圖2-1直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖1-電刷；2-磁軛；3-永久磁鋼；4-極靴；5-電樞繞組；6-內(nèi)磁軛1定子部分（1）主磁極: 其作用是產(chǎn)生磁場。通常用厚1-1.5mm的低碳鋼片疊裝而成。在磁極鐵心上繞有勵磁繞組，整個磁極利用螺桿固定在磁軛上。（2）換向極: 其作用是改善換向，使電機(jī)運(yùn)行時電刷下不產(chǎn)生有害的火花。換向極也是由鐵心及繞組組成，換

2、向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。（3）機(jī)座: 機(jī)座分磁軛和底腳兩部分。磁軛的作用是固定主磁極和換向極，是磁路的一部分。底腳起支撐和固定整臺電機(jī)的作用。機(jī)座一般式用鑄鋼鐵制造或鋼板焊接而成。2轉(zhuǎn)子部分（1）電樞鐵心:電樞鐵心是磁路的一部分，表面開槽以嵌放電樞繞組，為減少鐵耗，采用0.35-0.5mm厚的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。（2）電樞繞組:電樞繞組由許多按一定規(guī)則連接起來的線圈組成，是通過電流和產(chǎn)生電動勢的關(guān)鍵性部件。線圈用帶絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成。嵌放在電樞鐵心表面的槽內(nèi)直流電機(jī)采用雙層繞組，每槽內(nèi)的線圈邊分上、下兩層，上下層之間及線圈于鐵心之間都是要可靠絕緣。槽

3、口用槽契壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶扎緊，大型電機(jī)中，繞組伸出槽外的端接部分應(yīng)扎緊在支架上。直流電動機(jī)的工作原理電動機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能的機(jī)械。它的基本原理是利用帶電導(dǎo)體和磁場間的相互作用而把電能變?yōu)闄C(jī)械能。電動機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子為電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸座組成，導(dǎo)體繞組的排列方式?jīng)Q定電動機(jī)的類型及其特性。絕大多數(shù)的電動機(jī)都須作連續(xù)的轉(zhuǎn)運(yùn)動的電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，才能構(gòu)成電動機(jī)。兩磁極間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈。當(dāng)線圈中通入直流電流時，線圈邊上受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的

4、方向是逆時針方向。若電樞轉(zhuǎn)動，線圈兩邊的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向卻變?yōu)轫槙r針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉(zhuǎn)矩。這種交變的電磁轉(zhuǎn)矩只能使電樞來回?fù)u擺，而不能使電樞連續(xù)轉(zhuǎn)動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于，當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換，即進(jìn)行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉(zhuǎn)。換向器又與兩個固定不動的由石墨制成的電刷A、B相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，

5、則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電機(jī)的工作原理。開環(huán)系統(tǒng)優(yōu)點：簡單 缺點：對擾動沒有抑制能力閉環(huán)控制系統(tǒng) 負(fù)反饋：構(gòu)成按偏差調(diào)節(jié)的閉環(huán)系統(tǒng)反映了控制量與被控制量相互間的矛盾,動靜性能得到提高?？刂屏浚簎d = K (ug-ub)偏差信號：ug-ub按偏差調(diào)節(jié)：nub( ug-ub)ud n 硬

6、磁盤中的磁頭位置控制系統(tǒng) 火電廠電能生產(chǎn)綜合控制系統(tǒng) 控制理論的發(fā)展：（工業(yè)控制理論）1 經(jīng)典控制理論4050年代形成 單輸入單輸出系統(tǒng) （ SISO ）目標(biāo)：反饋控制系統(tǒng)的鎮(zhèn)定 基本方法：傳遞函數(shù)，頻率法，PID調(diào)節(jié)器 (頻域)2 現(xiàn)代控制理論6070年代形成 多輸入多輸出系統(tǒng) （MIMO）基于： 空間技術(shù)，計算機(jī)技術(shù)目標(biāo)：最優(yōu)控制基本方法：狀態(tài)方程 （時域）單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)開環(huán)系統(tǒng)具有設(shè)備簡單、調(diào)試方便的特點，應(yīng)用于對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性要求不高的系統(tǒng)中。對于速度穩(wěn)定性要求較高的場合，如調(diào)速范圍廣、靜差率低等，應(yīng)采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。閉環(huán)控制系統(tǒng)是在開環(huán)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，引入反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成的調(diào)速系統(tǒng)。 反

7、饋就是將系統(tǒng)輸出量的一部分或者全部，通過某一環(huán)節(jié)送回到輸入端，并和輸入信號進(jìn)行比較的過程，這個環(huán)節(jié)就是反饋環(huán)節(jié)。閉環(huán)控制系統(tǒng)的方框圖如圖2-1所示。 圖中。表示比較器(或者稱為比較環(huán)節(jié))，它將輸入信號與反饋信號進(jìn)行比較，其差值即為偏差信號，它是控制器的輸入信號，控制器根據(jù)偏差信號的大小改變輸出量，控制被控制對象，使輸出量的變化控制在很小的范圍內(nèi)。為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的控制，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性在調(diào)速系統(tǒng)中，應(yīng)用了比例調(diào)節(jié)器、比例積分調(diào)節(jié)器等。 1比例調(diào)節(jié)器如圖22所示，只要輸入量改變，輸出量也隨之改變。其動態(tài)響應(yīng)速度較快，而且輸出量和輸入量之間成線性關(guān)系。改變反饋電阻R1就可以改變調(diào)節(jié)器的放

8、大倍數(shù)。 輸出量U0和輸入量Ui的關(guān)系是輸入和輸出的關(guān)系曲線如圖2-3所示。 2比例積分調(diào)節(jié)器 比例積分調(diào)節(jié)器的原理圖如圖24所示，其輸出量分為兩個部分，一是比例部分，二是積分部分。當(dāng)輸入階躍電壓信號時，剛開始電容兩端電壓為o，只有比例部分起作用，調(diào)節(jié)器的放大倍數(shù)最大。隨著電容兩端電壓的增加，比例部分的作用逐漸減小。在調(diào)節(jié)過程中，輸出電壓呈線性增加，直至運(yùn)算放大器達(dá)到飽和為止。輸出量為u一憊u+志u。輸入一輸出特性如圖25所示。在運(yùn)算放大器達(dá)到飽和狀態(tài)以后，若減小運(yùn)算放大器的輸出量，運(yùn)算放大器首先要退出飽和，這樣會影響系統(tǒng)的動態(tài)性能。 3帶輸出限幅的比例積分電路 如圖26所示，由V1和RPl構(gòu)

9、成正的限幅電路，限幅值通過調(diào)節(jié)RPl的觸點來實現(xiàn)；V2和RP2構(gòu)成負(fù)的限幅電路，限幅值通過調(diào)節(jié)RP2的觸點來實現(xiàn)。當(dāng)運(yùn)算放大器輸出電壓低于限幅值時，限幅電路不起作用，當(dāng)放大器輸出電壓大于限幅值時，輸出電壓不變，為限幅值。當(dāng)輸入為0時，輸出量保持不變。當(dāng)輸入不為零時，電容兩端的電壓會不斷增加，直到運(yùn)算放大器達(dá)到飽和為止。 積分作用最明顯的特點是：只要存在輸入量的偏差，積分作用就一直存在，直至運(yùn)算專大器飽和為止。利用這個特性，在調(diào)速系統(tǒng)中，可以引入負(fù)反饋實現(xiàn)無靜差的調(diào)速。在元靜差調(diào)速系統(tǒng)中，就應(yīng)用了帶限幅的比例積分調(diào)節(jié)器。一、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng) 轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)的原理框圖如圖27所示。T

10、G為與直流電動機(jī)同軸的測速發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生與電動機(jī)轉(zhuǎn)速N成正比的電壓信號U，經(jīng)過可調(diào)電阻RP2分壓后產(chǎn)生反饋電壓UFn，與給定電壓UG一起送到運(yùn)算放大器的反向輸入端，比較后產(chǎn)生偏差電壓Un，經(jīng)過比例運(yùn)算器的運(yùn)算后產(chǎn)生控制電壓UCT,用以控制觸發(fā)電路的觸發(fā)角從而控制可控整流電路的輸出電壓，最終對電動機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。 二、轉(zhuǎn)速負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)定特性 在圖2-7中，給定電壓電位器RPl由穩(wěn)壓電源供電，RP2為調(diào)整反饋系數(shù)而設(shè)置。測速發(fā)電機(jī)電勢常數(shù)CN,測速發(fā)電機(jī)輸出電壓US與電動機(jī)轉(zhuǎn)速N成正比，US=CNN。假設(shè)系統(tǒng)在電流連續(xù)段工作，各環(huán)節(jié)輸入輸出呈線性關(guān)系，忽略直流電源的內(nèi)電阻，即可得到系統(tǒng)各環(huán)節(jié)

11、的輸入量和輸出量的靜態(tài)關(guān)系。 電壓比較環(huán)節(jié) U。=UnUfn (在連接時要保證反饋電壓Ufn。的極性與給定電壓極性相反) 比例放大環(huán)節(jié) Uct=KPUn 晶閘管整流與觸發(fā)裝置 UDO=KSuCTt=KsKPUn 轉(zhuǎn)速檢測環(huán)節(jié) Ufn=KFUGn=KfCnN=aN 晶閘管一電動機(jī)系統(tǒng)開環(huán)機(jī)械特性為以上各式中 KP比例運(yùn)放的放大系數(shù)： KS晶閘管整流與觸發(fā)裝置的電壓放大系數(shù)； a轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)，V /r.Min-1： R一電樞電路總電阻。 根據(jù)以上關(guān)系，可以得到系統(tǒng)的靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖·如圖2-8所示。令K=KPKSaCE也就相當(dāng)于在結(jié)構(gòu)圖中將反饋線斷開，即可得到從調(diào)節(jié)器輸入直到測速反饋輸出的各環(huán)

12、節(jié)放大系數(shù)之積，則 三、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程 在UG不變的前提下，影響電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素很多，如：電源電壓的變化，勵磁電流的變化，調(diào)節(jié)放大器放大倍數(shù)的漂移，環(huán)境溫度的變化引起電阻值的變化，這些變化簍稱為“擾動”。所有這些變化都能被測速裝置檢測出來，再經(jīng)過反饋控制作用，減小它們對穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的影響。如圖29所示，擾動輸入的作用點不同，對系統(tǒng)的影響程度也不同，而轉(zhuǎn)速反饋能抑制或減小被包圍在反饋環(huán)內(nèi)作用在控制系統(tǒng)主通道上的擾動這是開環(huán)系統(tǒng)無法實現(xiàn)的，它也是閉環(huán)系統(tǒng)最突出的特征。現(xiàn)以交流電源電壓波動為例，定性說明閉環(huán)系統(tǒng)對擾動作用的抑制過程。 當(dāng)交流電壓u下降時： 整個調(diào)節(jié)過程使得轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定地維持在原值

13、附近。 轉(zhuǎn)速閉環(huán)系統(tǒng)，只能抑制被反饋環(huán)包圍的加在系統(tǒng)前向通道上的擾動作用，而對諸如給定電源、檢測元件或檢測裝置中的擾動是無能為力的。所以對測速電動機(jī)選擇及安裝時必須特別注意，應(yīng)確保反饋檢測元件的精度，這對閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)速精度至關(guān)重要，起決定性的作用。 1零速封鎖環(huán)節(jié)(DZS) 零速封鎖環(huán)節(jié)的作用是保汪電動機(jī)在停車狀態(tài)下不會爬行，當(dāng)轉(zhuǎn)速給定電壓Ug和速度反饋電壓UfN時為零，封鎖各調(diào)節(jié)器。零速封鎖環(huán)節(jié)首先將模擬電壓通過LM324轉(zhuǎn)換成電平信號(LM324的管腳排列如圖2 10所示)，其繼電特性可使電平信號相對穩(wěn)定提高抗_F擾能力。門電路及延時電路、驅(qū)動電路在零速封鎖環(huán)節(jié)輸出為0時封鎖；在零速封鎖環(huán)

14、節(jié)輸出一15v時可以開始工作圖2-l所示為零速封鎖環(huán)節(jié)(DZS)電路圖。2速度調(diào)節(jié)(ASR) 速度調(diào)節(jié)器。ASR)的功能是對給定、反饋兩個量進(jìn)行加法、減法、比例、積分、微分等運(yùn)算。如圖2 12所而，運(yùn)算放大器LM741的反饋電路中接了及電容C3，構(gòu)成了比例分電路C3可外接電容，電容的大小可以根據(jù)需要選擇)動態(tài)比例放大倍數(shù)由RPo調(diào)節(jié)而RP4可對各參數(shù)的阻容比例進(jìn)行調(diào)節(jié)，不用時，將RP4停在最大電阻處，在電動機(jī)空載電流主其主同路不串接電感時，會出現(xiàn)電流斷續(xù)可適當(dāng)調(diào)節(jié)RP4,提高電容比例。RPl、PP2為正負(fù)限福調(diào)節(jié)，限制輸出的電壓，因此也可限制下一環(huán)節(jié)的輸入電壓的最大值。在應(yīng)用有靜差調(diào)速環(huán)節(jié)時，

15、將C3短接，使得該調(diào)節(jié)器變成比例調(diào)節(jié)器。四、單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)的安裝按圖2 15安裝好電路后進(jìn)行調(diào)試。在這一過程中，主要對速度調(diào)節(jié)器器ASR進(jìn)行調(diào)試。 在控制單元Y103(如圖1 12所示)中，按下按鈕SBI，KM2得電并自鎖，控制變壓器通電，相關(guān)電路通電直流電源電路有±15 V和24 V電壓輸出，給定環(huán)節(jié)有+15 V的電壓。按下SB3，KMl線圈通電主觸點閉合，主電路得電，為整流電路對交流三相電壓的整流做準(zhǔn)備。當(dāng)KA線圈沒有通電時，轉(zhuǎn)述給定信號為負(fù)值。將速度調(diào)節(jié)器ASR(Y201)中的C3短路，使得轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器為比例環(huán)節(jié)。當(dāng)速度給定u。=0時，速度調(diào)節(jié)器輸出的控制。電壓UCT=0。

16、逐漸加大UG輸出值UCT也應(yīng)逐漸增加。當(dāng)達(dá)UG最大時,通過調(diào)節(jié) RPl，使速度調(diào)節(jié)器的輸出達(dá)到正的限幅值。 測定輸入、輸出特性：向ASR輸入端逐漸加入正、負(fù)電壓最大為±10 V，測定速度調(diào)節(jié)器輸出電壓UCT，直至達(dá)到輸出限幅值。速度反饋環(huán)節(jié)Y107的調(diào)試：速度環(huán)開環(huán)，逐漸增加Ug，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速增加，當(dāng)達(dá)到1 500r/min時，調(diào)節(jié)速度反饋環(huán)節(jié)RP6，使得UFN=6 V。將轉(zhuǎn)速反饋環(huán)節(jié)連接到電路上，構(gòu)成單閉環(huán)有靜差調(diào)速系統(tǒng)。在連接速度反饋環(huán)節(jié)時，注意極性應(yīng)與給定電壓的極性相反；從而實現(xiàn)轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。 安裝好電路以后，對系統(tǒng)的靜特性進(jìn)行測試：緩慢增加給定電壓Ug，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)負(fù)載RL使ID

17、=IED，n=nED。改變發(fā)動機(jī)負(fù)載，在空載及額定范圍內(nèi)，取810個點-即可得到系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線，n=f(ID)。注意事項 1速度調(diào)節(jié)器在安裝時注意MOS集成電路的安裝。 2。在焊接MOS集成電路時，當(dāng)電烙鐵燒熱后應(yīng)迅速斷電，再對管腳進(jìn)行焊接，同時電烙鐵要接地。 3速度負(fù)反饋系統(tǒng)的給定值比開環(huán)的給定值高，為10 V左右。 4速度反饋電壓的極性與給定電壓的極性相反。二、電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)前面介紹轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)，以電動機(jī)的轉(zhuǎn)速為反饋的對象，當(dāng)轉(zhuǎn)速發(fā)生變化時，通過反饋，使可控整流電路的輸出電壓發(fā)生改變，從而使轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定。由直流電動機(jī)的工作原理可知，當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，整流電路輸出的電壓發(fā)生

18、改變，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之改變。在轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的系統(tǒng)中，必須要有轉(zhuǎn)速檢測裝置，在模擬控制中，這個檢測裝置就是測速發(fā)動機(jī)。安裝測速發(fā)動機(jī)時，必須使它的軸和主電動機(jī)的軸同心，確保它們能平穩(wěn)地同軸運(yùn)轉(zhuǎn)，比較麻煩，對于維護(hù)工作也增加了不少負(fù)擔(dān)。在系統(tǒng)要求不高時，可以考慮不用轉(zhuǎn)速反饋方式，而用電樞兩端的電壓進(jìn)行電壓負(fù)反饋。 在電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)中，如果忽略電樞壓降，則直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速近似與電樞兩端的電壓成正比，所以電壓負(fù)反饋基本上能夠代替轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的作用。采用電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)如圖221所示。在這里，作為反饋檢測元件的只是一個起分壓作用的電位器，當(dāng)然比測速發(fā)動機(jī)要簡單許多。電壓反饋信號Uu=U，稱作電壓反饋

19、系數(shù)。圖222所示為電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)結(jié)構(gòu)圖，它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖不同的地方在于負(fù)反饋信號的取出處。電壓負(fù)反饋取自于電樞電壓Ud，為了在結(jié)構(gòu)圖中把Ud顯示出來，需把電阻R分成兩個部分，即 RRrce+Ra式中Rrce晶閘管整流裝置的內(nèi)阻(含平波電抗器電阻)； Ra電動機(jī)電樞電阻。因而這些關(guān)系都反映在結(jié)構(gòu)圖上。Ud0=IdRrce=Ud Ud=IdRa=E電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)靜態(tài)特性方程而是電壓負(fù)反饋的反饋系數(shù)。 從靜態(tài)特性方程式可以看出，電壓負(fù)反饋只能把由整流裝置內(nèi)阻引起的靜態(tài)速降減小到1(1+K)，由電樞引起的速降IdRsCe仍和開環(huán)時一樣。在結(jié)構(gòu)圖中由于擾動量IdRs并沒有包含在反

20、饋環(huán)之內(nèi)，因而電壓負(fù)反饋對于由它引起的速降也就無能為力了。同樣，對于電動機(jī)勱磁電流的擾動，電壓負(fù)反饋也是無法克服的。因此，電壓負(fù)反饋調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)性能比同等放大倍數(shù)的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)差一些，一般只適用于調(diào)速范圍D10，靜差率s15的場合。電壓負(fù)反饋的調(diào)速系統(tǒng)安裝原理圖： 在電壓反饋系統(tǒng)中，由于可控整流輸出的電壓除了直流平均值以外，還含有交流分量，如果把交流分量引入到放大器的輸入端，不僅不起正常的調(diào)節(jié)作用，反而會產(chǎn)生干擾，并造成放大器的局部飽和，最終破壞了放大器的正常工作。因此，電壓反饋信號必須經(jīng)過濾波。平波電抗器就能起到這樣的作用，如圖223所示，電壓反饋取自電抗器的輸出端，從而減少了交流分量。

21、 2安裝及調(diào)試 按照原理圖安裝好電路以后進(jìn)行調(diào)試，其他環(huán)節(jié)在前面已經(jīng)進(jìn)行了調(diào)試，這里主要對反饋電壓的大小及極性進(jìn)行調(diào)試。在電壓負(fù)反饋電路開路的情況下，增加給定電壓，使轉(zhuǎn)速n=ned，對照轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的電壓大小，適當(dāng)滑動觸點RP201的位置，用萬用表測量反饋電壓，使得反饋電壓Uu=6 V，同時應(yīng)保證反饋電壓與給定電壓極性相反。 3系統(tǒng)特性的測試 安裝好電路以后，對系統(tǒng)的靜特性進(jìn)行測試：緩慢增加給定電壓璣，調(diào)節(jié)發(fā)動機(jī)負(fù)載R。，使ID=IED，n=nED。改變發(fā)動機(jī)負(fù)載，在空載及額定范圍內(nèi)，取810個點，即可得到系統(tǒng)的靜態(tài)特性曲線n=f(ID)。 需要指出的是：由于反饋電壓取自于電樞上，雖然方式簡單，

22、卻把主電路的高電壓和控制電流的低電壓串在了一起，從安全角度上考慮是不合適的。對于小容量的調(diào)速系統(tǒng)可以使用但對于電壓較高、容量較大的系統(tǒng)，通常應(yīng)在反饋回路中加入電壓隔離變換器，使主電路和控制電路沒有直接的聯(lián)系。在調(diào)試時，電阻R201不能短路否則在控制電路中將會引入較高的電壓，損壞其他電路，造成事故。三、帶電流截止負(fù)反饋的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋直流調(diào)速系統(tǒng)在生產(chǎn)實踐中，可能會出現(xiàn)直流電動機(jī)全壓啟動的情形，如果沒有限流措施，就會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這不僅對電動機(jī)的換向不利，對過載能力較差的晶閘管來說，更是不能允許的，可能會由于通過晶閘管的電流過大而造成擊穿。 采用轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)突然加上給定電壓時，轉(zhuǎn)速

23、不可能立即建立起來，反饋電壓仍為零相當(dāng)于偏差電壓U n=Ug，差不多是其穩(wěn)態(tài)工作值的(1+K)倍。這時，整流電壓Ud一下子就達(dá)到它的最高值。對電動機(jī)來說，相當(dāng)于全壓啟動，這是不允許的。 另外，有些生產(chǎn)機(jī)械的電動機(jī)可能會遇到堵轉(zhuǎn)的情況，例如，由于故障，機(jī)械軸被卡住或挖土機(jī)運(yùn)行時碰到堅硬的石塊等。由于閉環(huán)系統(tǒng)的靜特性很硬，若無限流環(huán)節(jié)，電流將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過允許值。而如果只依靠過流繼電器或熔斷器保護(hù)，一過載就跳閘，也會給正常工作帶來不便。為了解決反饋閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)啟動和堵轉(zhuǎn)時電流過大的問題，系統(tǒng)中必須有自動限制電樞電流的環(huán)節(jié)。根據(jù)反饋控制原理，要維持哪一個物理量基本不變，就應(yīng)該引入哪個物理量的負(fù)反饋。那么，

24、引入電流負(fù)反饋，應(yīng)該能夠保持電流基本不變，使它不超過允許值。但是，這種作用只允許在啟動和堵轉(zhuǎn)時存在，在正常運(yùn)行時又得取消，讓電流自由地隨著負(fù)載增減。 像這樣，當(dāng)電流達(dá)到一定程度時，才出現(xiàn)的電流負(fù)反饋叫做電流截止負(fù)反饋，簡稱截流反饋。 1電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié) 為了實現(xiàn)截流反饋，須在系統(tǒng)中引入電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)。常用的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)如圖2-30所示，電流反饋信號取自串入電動機(jī)電樞回路的小阻值電阻RsIdRs正比于電流。設(shè)Idcr為臨界的截止電流，當(dāng)電流大于Idcr時將電流負(fù)反饋信號加到放大器的輸入端，當(dāng)電流小于Idcr時將電流反饋切斷。為了實現(xiàn)這一作用，須引入比較電壓Ucom圖2-30a中，利用

25、獨立的直流電源作比較電壓，其大小可用電位器調(diào)節(jié)，相當(dāng)于調(diào)節(jié)截止電流。在IdRs與Ucom之間串接一個二極管VD，當(dāng)IdRs>Ucom時，二極管導(dǎo)通，電流負(fù)反饋信號ui即可加到放大器上去；當(dāng)IdRsUcom一時，二極管截止，Uf即消失。顯然，在這一線路中，截止電流Idcr=UcomRs。圖230b中利用穩(wěn)壓二極管VTS的擊穿電壓Ubr，作為比較電壓，線路要簡單得多，但是不能平滑調(diào)節(jié)截止電流值。圖230中的兩種電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，由于在電樞回路串了電阻R。，會影響系統(tǒng)的靜特性，增加轉(zhuǎn)速降。在小容量的調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用比較普遍，但對于大容量的電動機(jī)則應(yīng)采用直流電流互感器的電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)，如圖2

26、31所示。在圖231中，RP301上得到與電樞電流成比例的電壓，UAB=Id·RAB，則UCB= UAB RBCRAB=yIdRBc。 當(dāng)UCB大于穩(wěn)壓管VT的穩(wěn)壓值UZ時，穩(wěn)壓二極管反向擊穿，輸出電壓Ufi=UCB一UZ；當(dāng)UCB小于穩(wěn)壓管VT的穩(wěn)壓值UZ時，穩(wěn)壓二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，Ufi=0。從而得到電流截止環(huán)節(jié)的輸入輸出特性，如圖2 32所示。Iacr=UzRBc為臨界截止電流。 2帶電流截止負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖和靜特性 電流截止負(fù)反饋環(huán)節(jié)的輸入輸出特性(如圖232所示)表明：當(dāng)輸人信號Id>Idcr時，輸出為正；當(dāng)Id<Idcr，時，輸出為零。這是一個非線性

27、環(huán)節(jié)，將它畫在方框中，再和系統(tǒng)的其他部分連接起來，即得帶電流截止負(fù)反饋的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖·如圖233所示。其中Ufi表示電流負(fù)反饋信號電壓，Un表示轉(zhuǎn)速負(fù)反饋信號電壓，Ug為速度給定電壓。由圖233可以得到系統(tǒng)的兩段特性方程式：當(dāng)IdIdcr時，電流反饋環(huán)被截止，當(dāng)IdIdcr時，電流負(fù)反饋起作用，此時：將上述兩式在一張圖中畫成的靜特性，如圖234所示。 從圖中可以看出，n0A這一段是電流負(fù)反饋截止時的電壓負(fù)反饋特性曲線，較硬。而AB段為電流負(fù)反饋起作用的電流電壓負(fù)反饋特性曲線，較軟。 這樣的兩段式靜態(tài)特性常常稱為下垂特性(或者稱為挖土機(jī)特性)=這是因為當(dāng)挖土機(jī)在施工中碰到堅硬

28、的東西時，電路中的電流增加·電流負(fù)反饋投入工作，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速迅速下降，電流下降速度提高，其大小接近堵轉(zhuǎn)電流，其靜態(tài)特生就是這種情況。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)前一單元討論了由PI調(diào)節(jié)器組成的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，它雖然能保證系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性，又可以消除靜差，但單環(huán)系統(tǒng)在充分利用電動機(jī)過載能力的條件下，獲得快速動態(tài)響應(yīng)的同時對擾動的抑制能力較差，使其在應(yīng)用時受到一定限制。為了使系統(tǒng)在啟、制動的動態(tài)過程中，在最大電流約束條件下，獲得直流電動機(jī)最佳速度調(diào)節(jié)過程，根據(jù)自控原理的提示，對那些希望獲得最佳控制的物理量也實行負(fù)反饋控制。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)也可以較好地提高動態(tài)穩(wěn)定性，因此，可以對電動

29、機(jī)的轉(zhuǎn)速及電樞電流都進(jìn)行負(fù)反饋。 1。轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用 采用PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)，既保證了動態(tài)穩(wěn)定性又實現(xiàn)了無靜差，解決了動、靜態(tài)之間的矛盾。然而僅靠電流截止環(huán)節(jié)來限制啟動和升速時的沖擊電流，性能不能人滿意，為充分利用電動機(jī)的過載能力，加快啟動過程，專門設(shè)置一個電流調(diào)節(jié)器，構(gòu)成電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，實現(xiàn)在最大電樞電流約束下的轉(zhuǎn)速過渡過程的最快“最優(yōu)”控制。例如龍門刨床、可逆軋鋼機(jī)那樣經(jīng)常正反轉(zhuǎn)運(yùn)行的調(diào)速系統(tǒng)中，盡量縮短啟、制動過程的時間，是提高生產(chǎn)率的重要因素。為此，在電動機(jī)最大電流(轉(zhuǎn)矩)受限的條件下，希望充分利用動機(jī)的允許過載能力，最好是在過渡過程中，始終保持

30、電流(轉(zhuǎn)矩)為允許的最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度啟動，到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又讓電流立即降低下來，使電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩馬上與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。 為了實現(xiàn)在允許條件下最快的啟動，關(guān)鍵是要獲得一段使電流保持為最大值的恒流過程，按照反饋控制規(guī)律，采用電流負(fù)反饋就可以使電動機(jī)在啟動時保持恒定電流的過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負(fù)反饋，而不能讓它和轉(zhuǎn)速負(fù)反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端。到達(dá)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不再靠電流負(fù)反饋發(fā)揮主要的作用。怎樣才能實現(xiàn)呢?雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)正是用來解決這個問題的。在雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)中，若將轉(zhuǎn)速反饋和電流反饋信號同時引入一個調(diào)節(jié)器的

31、輸入端，則兩種反饋量會互相牽制，不可能獲得理想效果。因此在系統(tǒng)中設(shè)置了兩個調(diào)節(jié)器，分別控制轉(zhuǎn)速和電流，并且將兩個調(diào)節(jié)器串級連接。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的閉環(huán)在外面，稱外環(huán)；電流負(fù)反饋的閉環(huán)在里面，稱內(nèi)環(huán)。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理圖如圖31所示。圖中，ASR為速度調(diào)節(jié)器、ACR為電流調(diào)節(jié)器。兩調(diào)節(jié)器作用互相配合，相輔相成。為了使轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)具有良好的靜、動態(tài)性能，電流、轉(zhuǎn)速兩個調(diào)節(jié)器一般采用PI調(diào)節(jié)器，且均采用負(fù)反饋。考慮觸發(fā)裝置的控制電壓為正電壓運(yùn)算放大器又具有倒相作用，圖中標(biāo)出了相應(yīng)信號的實際極性。速度調(diào)節(jié)器的輸入為轉(zhuǎn)速給定信號U。和轉(zhuǎn)速反饋信號U如，比較后的偏差信號Un=Un一Ufn。速

32、度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流給定信號Ui，與電流反饋信號比較后得偏差信號Ui= Ui一Ufi。其電流調(diào)節(jié)器的輸出信號Uct為觸發(fā)移相電路的控制信號。 速度調(diào)節(jié)器ASR的輸出限幅電壓值Ui決定了電流調(diào)節(jié)器ACR的給定電流的最大值，該值完全取決于電動機(jī)的過載能力和系統(tǒng)對最大速度的需要。電流調(diào)節(jié)器ACR輸出正限幅值(+Uctm)則表示觸發(fā)裝置最小控制角a(amin。)限制或?qū)чl管裝置輸出電壓最大值的限制。 2轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的組成 由圖31可知，該系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速給定、速度反饋裝置、電流反饋裝置、速度調(diào)節(jié)器、電流調(diào)節(jié)器、觸發(fā)電路、可控整流電路、電動機(jī)一發(fā)動機(jī)機(jī)組組成。 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器采用P

33、I調(diào)節(jié)，在穩(wěn)態(tài)時輸入偏差信號為零，即給定信號與反饋信號的差值為零，屬無靜差調(diào)節(jié)。速度調(diào)節(jié)器ASR原理圖如圖3 2所示。 速度調(diào)節(jié)器的輸入信號為速度給定Ug與轉(zhuǎn)速反饋電壓Ufn的偏差輸出電壓U。作為電流調(diào)節(jié)器的給定信號。通過轉(zhuǎn)速反饋，使得系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，無靜差。電動機(jī)的轉(zhuǎn)速跟隨給定電壓的變化而變化；對負(fù)載的變化起抗擾作用；同時系統(tǒng)在剛剛開始工作的一段時間內(nèi)，輸出電壓U。達(dá)到限幅值，從而使系統(tǒng)在最大啟動電流的情況下啟動。電流調(diào)節(jié)器ACR原理圖如圖33所示。電流調(diào)節(jié)器ACR的工作原理和速度調(diào)節(jié)器SR基本相同。在工作時，零速封鎖的信號來自于零速封鎖環(huán)節(jié)的輸出信號。其輸入的兩個信號一個來自于速度調(diào)節(jié)器的

34、輸出信號Ui，另外一個來自于電流反饋信號。 電流調(diào)節(jié)器的給定信號是速度調(diào)節(jié)器的輸出信號ui，電流環(huán)的反饋信號來自于交流電流互感器的輸出(41，42，43)，如圖19所示，它們經(jīng)過整流電路整流，取出部分信號作為電流反饋信號Ufi。速度調(diào)節(jié)器的輸出信號U與電流反饋信號砜的偏差通過PI運(yùn)算后的輸出信號Uct作為觸發(fā)電路的控制信號，調(diào)節(jié)整流電路的控制角。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化及電網(wǎng)電壓波動引起的電流變化得到有效的抑制；在啟動時保證電動機(jī)獲得最大的啟動電流；在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的過程中，使電流跟隨其給定電壓的變化；當(dāng)電動機(jī)發(fā)生過載或堵轉(zhuǎn)時限制電樞電流的最大值，從而起到快速的安全保護(hù)作用。同時當(dāng)故障消失時，系統(tǒng)能自動恢復(fù)正

35、常。3雙閉環(huán)系統(tǒng)的啟動過程分析 前面已經(jīng)指出，設(shè)置雙閉環(huán)的一個重要目的就是要獲得快速的啟動過程，下面進(jìn)行簡單的分析。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)啟動時的轉(zhuǎn)速和電流的波形如圖34所示。 啟動過程分為三個階段： 第工階段：ot1，是電流上升的階段。突加給定電壓Ug后，通過兩個調(diào)節(jié)器的控制作用，使Uct、Id、Udo。都上升，當(dāng)IdIdl后，電動機(jī)開始轉(zhuǎn)動。由于機(jī)電慣性的作用，轉(zhuǎn)速的增長不會很快，因而速度調(diào)節(jié)器ASR的輸入偏差電壓Un=Ug一Un 數(shù)值較大，其輸出很快達(dá)到限幅值U，強(qiáng)迫電流Id迅速上升。當(dāng)IdIdm時，電流調(diào)節(jié)器的作用使Id不再迅猛增長，標(biāo)志著這一階段的結(jié)束。在這一階段中，ASR由不飽和很快到

36、飽和，而ACR一般應(yīng)該不飽和，以保證電流環(huán)的調(diào)節(jié)作用。第階段：t1t2是恒流升速階段。從電流升到最大值Idm開始到轉(zhuǎn)速升到給定值(即靜特性上的no)為止，屬于恒流升速階段，是啟動過程中的主要階段：在這個階段中，速度調(diào)節(jié)器ASR一直是飽和的，輸出限幅值Ui，因為沒有轉(zhuǎn)速反饋電壓。相當(dāng)于開環(huán)狀態(tài)，電流調(diào)節(jié)器系統(tǒng)表現(xiàn)為在恒值電流給定的作用下的電流調(diào)節(jié)系統(tǒng)基本保持Id恒定，因而電動機(jī)得到轉(zhuǎn)速的加速度恒定，轉(zhuǎn)速呈線性增長，如圖34所示：在此階段由于電動機(jī)的反電動勢也呈線性增長，對調(diào)節(jié)系統(tǒng)來說，這個反電動勢就是一個擾動量為了克服這個擾動，Udo和Uct也要按線性變化，才能保持Id的恒定。在設(shè)計時要每證電動

37、機(jī)在啟動時，電流調(diào)節(jié)器沒有進(jìn)入飽和狀態(tài)，同時整流裝置的輸出電壓要有一定的余地。 第階段：t2以后是轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段。在這階段開始時，轉(zhuǎn)速已經(jīng)達(dá)到給定值，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的給定與反饋電壓相平衡，輸入偏差為零，但其輸出卻由于氟分作用還維持在限幅值，所以電動機(jī)仍在最大電流下加速，必然使轉(zhuǎn)速超調(diào)。轉(zhuǎn)速超調(diào)以后ASR輸入端出現(xiàn)負(fù)的偏差電壓，使它退出飽和狀態(tài)，其輸出電壓(即ACR的給專電壓Ui)立即從限幅值降下來主電流Id也因此下降。但是，由于Id仍大于負(fù)載電流Idl在一段時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速仍繼續(xù)上升。到Id=Idl時，電磁力矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等轉(zhuǎn)速n達(dá)到峰值(t=t3時)。此后電動機(jī)在負(fù)載的作用下減速，與此相應(yīng)，電流Id也出現(xiàn)一小段小于Idl的過程，直到穩(wěn)態(tài)。在最后的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)階段內(nèi)，速度調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR都不飽和，同時起調(diào)節(jié)作用。由于轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)在外環(huán)，因此起主導(dǎo)作用，而電流調(diào)節(jié)的作用