1、第一次课学习任务单（第一次课学习任务单（2学时）学时）一、对本课程的认知一、对本课程的认知二、掌握直流调速的方法及其特点二、掌握直流调速的方法及其特点三、了解直流调速的三个发展阶段三、了解直流调速的三个发展阶段调速调速-两种调速两种调速-发展趋势发展趋势-本课程的地位本课程的地位-学习要求学习要求-考核方式考核方式认识直流电动机认识直流电动机-工作原理工作原理-机械特性机械特性-调速方法及特点调速方法及特点直流电源：直流电源：G-M调速系统调速系统-V-M调速系统调速系统-PWM调速系统调速系统一、一、直流调速系统直流调速系统课程介绍课程介绍1.调速的概念调速的概念（1）什么是调速？调速的两层
2、含义是什么？）什么是调速？调速的两层含义是什么？所谓调速，就是通过改变电源或电机的参数，对电动机实现变速控所谓调速，就是通过改变电源或电机的参数，对电动机实现变速控制或恒速控制。制或恒速控制。2.两种电机两种调速两种电机两种调速（2）调速是一种控制，控制对象是调速是一种控制，控制对象是；被控制量是；被控制量是；控；控制手段是制手段是。交流调速交流调速指变频调速，主要讲变频器的应用指变频调速，主要讲变频器的应用直流调速直流调速主要讲控制方法，即开环调速、单闭环调速、双闭调主要讲控制方法，即开环调速、单闭环调速、双闭调速、可逆调速。遵循由简到繁、逐步完善，最终得到一种完善、实用速、可逆调速。遵循由
3、简到繁、逐步完善，最终得到一种完善、实用的直流调速系统。的直流调速系统。3.电机调速的发展趋势：电机调速的发展趋势：由直流调速向交流调速发展。4.为什么要学习直流调速系统？为什么要学习直流调速系统？交直流调速系统交直流调速系统是对是对电路基础电路基础电机与拖动电机与拖动变流技术变流技术等课程知识的综合应性应用课程，是电气自动化专业必修的专业课等课程知识的综合应性应用课程，是电气自动化专业必修的专业课程。程。（1）实际应用实际应用：直流调速系统还广泛应用于交通（火车机车）、冶金、造纸、制造设备（龙门刨床等）等行业。（2）“直流电动机调速”是典型的控制系统，是学习单闭环控制、双闭环控制等控制理论的
4、常见案例。（3）是培养自动化专业学生“控制系统的设计、安装与调试”能力的有效载体。5、教学目标、教学目标通过本课程的学习，应达到以下教学目标：1.掌握直流调速的一般方法、基本概念。掌握直流调速的一般方法、基本概念。2.掌握五种调速系统的构成及特点。掌握五种调速系统的构成及特点。3.能在实验室完成五个调速系统的安装与调试。能在实验室完成五个调速系统的安装与调试。4.掌握单闭环、双闭环调速系统的稳态性能指标的计算方法。掌握单闭环、双闭环调速系统的稳态性能指标的计算方法。直流调速系统课程介绍6、学习指导、学习指导本课程是一门综合性应用课程，学习目标明确，方法得本课程是一门综合性应用课程，学习目标明确
5、，方法得当，学习起来并不难：当，学习起来并不难：1.掌握典型调速系统的构成多做画图练习。掌握典型调速系统的构成多做画图练习。2.掌握典型调速系统的特点。该记的要记，该背的要背。掌握典型调速系统的特点。该记的要记，该背的要背。3.学会分析系统的工作原理学习重点。学会分析系统的工作原理学习重点。注意对学过知识的复习，注意前后章节的联系，及时归纳注意对学过知识的复习，注意前后章节的联系，及时归纳与系统，可做到轻松学习。与系统，可做到轻松学习。7、考核：考试、考核：考试*50%+平时平时*20%+实训实训*30%直流调速系统课程介绍1.对直流电动机的认识对直流电动机的认识（1）直流电机的结构）直流电机
6、的结构定子：铁芯、定子绕组产生工作磁通定子：铁芯、定子绕组产生工作磁通转子：铁芯、转子绕组受力和旋转转子：铁芯、转子绕组受力和旋转（2）交、直流电动机区别）交、直流电动机区别二、直流电动机的调速方法二、直流电动机的调速方法机座固定与支撑作用。机座固定与支撑作用。工作电源不同工作电源不同工作磁通不同工作磁通不同交流电动机交流电动机直流电动机直流电动机转子接线不同转子接线不同一个三相交流电源一个三相交流电源二个直流电源二个直流电源旋转磁场旋转磁场固定磁场固定磁场对外不接电源对外不接电源外接直流电枢电源外接直流电枢电源2、直流电动机的工作原理、直流电动机的工作原理直流电动机电气符号如图所示。直流电动
7、机电气符号如图所示。励磁绕组通电产生工作磁场励磁绕组通电产生工作磁场电枢绕组通电，受力旋转电枢绕组通电，受力旋转二、直流电动机的调速方法二、直流电动机的调速方法3.直流电机的转速表达式机械特性方程直流电机的转速表达式机械特性方程ddaUI REeEKnddadadeeNe0N=UI RURnInKKnKd0eN=UnKadeNRnIK（2）直流电机的机械特性方程）直流电机的机械特性方程称为理想空载转速称为理想空载转速负载电流引起的转速降负载电流引起的转速降机械特性曲线机械特性曲线aeNRkK机械特性曲线的斜率机械特性曲线的斜率k值越小，特性的硬度越硬。值越小，特性的硬度越硬。（1）直流电机的等
8、效电路）直流电机的等效电路4.直流电机的调速方法及其特点直流电机的调速方法及其特点根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。根据机械特性方程可知，改变电枢电压、磁通、电枢电阻可改变转速大小。调压调速调压调速弱磁调速弱磁调速串电阻调速串电阻调速额定转速以下调速，且额定转速以下调速，且电压越低，转速越低。电压越低，转速越低。特性硬度不变特性硬度不变，调速精调速精度高，最常用度高，最常用。电压降低，电压降低，n0减小减小额定转速以下调速，且额定转速以下调速，且电阻越大，转速越低。电阻越大，转速越低。特性软，调速精度低，特性软，调速精度低，一般不采用。一般不采用。理想空载转速理
9、想空载转速n0不变不变。额定转速以上调速额定转速以上调速，且，且磁通越小，转速越高。磁通越小，转速越高。特性软，调速精度低，特性软，调速精度低，一般不单独使用。一般不单独使用。磁通减小，磁通减小，n0增大。增大。ddadadeeNeN=UI RURnIKKK思考题：思考题：1.直流电动机的调速方式有哪直流电动机的调速方式有哪3种？最常用的是什么方式？种？最常用的是什么方式？2.直流电动机的直流电动机的3种调速方式中，种调速方式中，调速能获得高于额调速能获得高于额定值的转速，定值的转速，调速机械特性硬度不变，调速机械特性硬度不变，调速调速理想空载转速不变。理想空载转速不变。直流调速系统是通过改变
10、电动机电枢电压的大小来实现调速的，根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，将直流调速系统的发展分为据获得可调电枢电压的方法不同，将直流调速系统的发展分为3个阶段：个阶段：1.G-M调速系统原理图调速系统原理图（一）（一）G-M调速系统调速系统2.工作原理分析工作原理分析 3.缺点缺点：所需设备多，体积庞大所需设备多，体积庞大效率低效率低维护不方便维护不方便运行时噪声大。运行时噪声大。20世纪世纪50年代曾广泛应用年代曾广泛应用（1）直流发电机）直流发电机-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称G-M调速系统调速系统）（2）晶闸管整流装置）晶闸
11、管整流装置-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M调速系统调速系统）（3）直流脉宽调速系统（简称）直流脉宽调速系统（简称PWM调速系统调速系统）三、直流调速系统的发展三、直流调速系统的发展（二）（二）V-M调速系统调速系统3.工作原理分析工作原理分析 1.V-M调速系统原理图调速系统原理图 V-M调速系统是目前应用最广的直流调速系统调速系统是目前应用最广的直流调速系统直流调速主要介绍的就是直流调速主要介绍的就是V-M直流调速系统。直流调速系统。2.系统的构成系统的构成 1给定电路给定电路，2触发与功放电路电，触发与功放电路电，3整流整流桥与电机主回路，桥与电机主回路，4励磁电路励磁电路
12、晶闸管整流电路为电机提晶闸管整流电路为电机提供大小可调的直流电压。供大小可调的直流电压。给定电压增大，电枢电压给定电压增大，电枢电压增大，电机升速；反之，给增大，电机升速；反之，给定电压减小，电枢电压增大，定电压减小，电枢电压增大，电机降速。电机降速。给定电压等给定电压等0，电枢电压为，电枢电压为0，电机停转。，电机停转。（三）（三）PWM调速系统调速系统1.PWM调速系统原理图调速系统原理图 PWM调速是直流调速发展的最新阶段。调速是直流调速发展的最新阶段。U稳恒的直流电压稳恒的直流电压2.系统的构成与工作原理系统的构成与工作原理PWM的作用相当于一个高频开关，的作用相当于一个高频开关，将直
13、流电压变成脉冲电压。将直流电压变成脉冲电压。PWM脉宽功率放大器脉宽功率放大器脉冲电压的周期一定，脉冲宽度可调。脉冲电压的周期一定，脉冲宽度可调。脉宽调速就是通过改变脉冲的宽度来改脉宽调速就是通过改变脉冲的宽度来改变电机电枢电压（脉冲平均电压）的大变电机电枢电压（脉冲平均电压）的大小，从而改变电机的转速。小，从而改变电机的转速。思考题：思考题：1直流调速系统经历了哪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个发展阶段？目前应用最广的是哪种调速速 系统？系统？2V-M直流调速系统由哪几部分构成？给定电压与电动机的转速有着怎样的直流调速系统由哪几部分构成？给定电压与电动机的转速有着怎
14、样的控制关系？控制关系？教学内容：1.4开环调速系统教学方法：任务驱动学生分组自主学习，教师答疑教学地点：变流技术实训室任务书设计：见右表第二次课设计第二次课设计2014.2.191.4 开环直流调速系统开环直流调速系统开环调速系统是最简单的开环调速系统是最简单的V-M调速系统调速系统。怎样构成直流调速系统呢？怎样构成直流调速系统呢？直流电动机；直流电动机；稳恒的励磁电源；稳恒的励磁电源；二极管整流电路二极管整流电路.可调的电枢电压；可调的电枢电压；可控整流电路；可控整流电路；给定电路；给定电路；触发电路；触发电路；三相可控整流桥；三相可控整流桥；一一.系统的构成系统的构成 系统原理图系统原理
15、图直流电动机的励磁电压直流电动机的励磁电压一定时，电枢电压增大，一定时，电枢电压增大，电机转速升高；电枢电压电机转速升高；电枢电压减小减小，转速降低。，转速降低。二二.系统的工作原理系统的工作原理 三相桥式整流电路输出电压，即加在电机电枢绕组上的电压三相桥式整流电路输出电压，即加在电机电枢绕组上的电压d2.34cosUU改变给定电压大小，可改变触发脉冲的触发角，从而改变整流电路输出改变给定电压大小，可改变触发脉冲的触发角，从而改变整流电路输出电压，使电机转速发生改变。电压，使电机转速发生改变。给定电压、触发角、整流电压、电机转速之间的对应关系：给定电压、触发角、整流电压、电机转速之间的对应关系
16、：*n0U 90d0U 电动机转速为零*nnMaxUU0 ddMaxUU电动机转速最高 给定电压与整流电压成近似的正比关系给定电压与整流电压成近似的正比关系*dsnUK U整流桥放大系数1。开环机械特性的定义。开环机械特性的定义三三.开环调速系统的机械特性开环调速系统的机械特性 直流电动机电枢电压一定的情况下，电机的转速与电枢电流之间的直流电动机电枢电压一定的情况下，电机的转速与电枢电流之间的关系，称为直流电动机的开环机械特性。关系，称为直流电动机的开环机械特性。ddddeeUI RUI RnKC机械特性方程：机械特性方程：其中 eeCK由电机结构参数决定，称为直流电动机的电势常数。机械特性曲
17、线：机械特性曲线：在平面直角坐标系中，电机转速与电枢电流的关系表示为一条向下的斜线，如右图所示，称为机械特性曲线。机械特性的硬度机械特性的硬度：曲线向下倾斜度越小，机械特性的硬度越硬。机械特性的硬度与开环调速的性能有着密切关系。2。机械特性与开环调速性能的关系。机械特性与开环调速性能的关系 (1)根据开环直流调速原理，电机的转速由给定电压来控制，给定电压不变，电枢电压不变，电机的转速应保持相对恒定。(2)从开环机械特性来看，电枢电压不变情况下，当负载电流发生改变时，电机转速会有所改变。(3)对调速系统而言，负载电流的变化是一种干扰。(4)机械特性的硬度越硬，负载电流引起的转速降越小，转速越平稳
18、，调整系统的抗干扰性越强。综上，机械特性的硬度越硬，开环调速系统的调速性能越好。常借综上，机械特性的硬度越硬，开环调速系统的调速性能越好。常借助机械特性曲线来分析开环调速系统的性能。助机械特性曲线来分析开环调速系统的性能。开环机械特性可以通过实验的方法测绘出来。开环机械特性可以通过实验的方法测绘出来。3。机械特性的测试方法。机械特性的测试方法 机械特性是一条直线，可通过实验测绘出来，操作步骤如下：(1)首先让电机空载。机械特性是电动机电枢电压一定的情况下，电机转速与电枢电流的关系，即：dnf I (2)从零开始增大给定电压，让电机转速达到某一值n0(小于额定转速)，此时电枢电压为Ud0。(3)
19、记下电机的空载电流和空载转速(I0，n0)。(4)保持给定电压不变，逐渐增大负载电流，记下几组(Id，n)。(5)将以上测得的几组数对，在Id-n体系中描出对应的点，作一条直线，使多数点落在直线上或靠近直线。该线就是电动机在电枢电压为Ud0时的开环机械特性曲线。3。机械特性的测试方法。机械特性的测试方法 实际生产中，电机的电枢电流又称负载电流，是由电机所带负载的轻重决定的，增大负载，电流增大，反之，减小负载，电流减小。怎样来改变电机的电枢电流呢？怎样来改变电机的电枢电流呢？在实验室中，常用直流发电机和负载电阻作为电动机的模拟负载，即直流电动机驱动一台直流发电机，直流发电机的输出电压加在一可调电
20、阻上。电动机转速一定的情况下，直流发电机的输出电压不变，发电机输出功率就是可调电阻上消耗的功率：2UPR减小可调电阻，发电机功率增大，也即直流电动机输出功率增大，直流电动机的电枢电流增大；反之，减小可调电阻，电动机电枢电流减小。1.3 调速系统的性能指标调速系统的性能指标稳态性能指标是重点。稳态性能指标是重点。调速系统的稳态性能指标调速系统的稳态性能指标1.调速范围：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。用大写字母低转速之比称为调速范围。用大写字母D表示，没有单位。表示，没有单位。maxminnDnma
21、xnNn通常指电动机铭牌上所标的额定转速通常指电动机铭牌上所标的额定转速。2.静差率：静差率：N0100%nsn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到额定负载时所对应的转速降与理想空载转速之比，称与理想空载转速之比，称为静差率，用小写字母表示。为静差率，用小写字母表示。Nn0ns调速系统的稳态性能指标调速系统的稳态性能指标(1)静差率越小，转速降越小，静差率越小，转速降越小，系统的抗干扰能力越强。系统的抗干扰能力越强。说明：说明：(2)静差率与硬度静差率与硬度联系：同一机械特性，硬度越硬，联系
22、：同一机械特性，硬度越硬，s越小；越小；区别：不同机械特性，硬度相同，区别：不同机械特性，硬度相同，s不等。不等。(3)调系统的静差率指最低转速对应机械特性曲线的静差率。调系统的静差率指最低转速对应机械特性曲线的静差率。系统静差率描述方式：系统静差率描述方式：s=10%，或，或s10%调速系统的稳态性能指标调速系统的稳态性能指标一个好的调速系统应具有一个好的调速系统应具有较大的调速范围较大的调速范围和和较小的静差率！较小的静差率！(4)静差率与调速范围的关系静差率与调速范围的关系NN1snDsnN0minnsnN0minnnsNNmin0minNNNNN1NnnDnnnnnnssnsn，则，则
23、调速系统的稳态性能指标调速系统的稳态性能指标3.调速的平滑性：调速的平滑性：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，调速平滑性接近于接近于1的调速系统称为无级调速，反之为有级调速。的调速系统称为无级调速，反之为有级调速。1什么是调速范围？什么是静差率？什么是调速范围？什么是静差率？2静差率是针对某一条机械特性定义的，调速系统的静静差率是针对某一条机械特性定义的，调速系统的静差率指的是什么？差率指的是什么？3静差率与硬度有什么区别和联系？静差率与硬度有什么区别和联系？思考题：思考题：NNaNNaNeNeUI RUI RnKCNNaeN
24、22055 0.10.21450.21000UI RCnNaNe55 0.127.5(r/min)0.2I RnCNN1000 0.14127.510.1n sDns解：解：得得思考题：思考题：某调速系统的调速范围是（某调速系统的调速范围是（1501 500r/min），要求静差率），要求静差率s=5%,此时系统允许的稳态转速降是多少？此时系统允许的稳态转速降是多少？1.5 开环直流调速系统实验开环直流调速系统实验一、要知道实验做什么？一、要知道实验做什么？1。调速系统线路连接。调速系统线路连接实验前指导：实验前指导：2。测试开环机械特性。测试开环机械特性二、要知道怎么做？二、要知道怎么做？做
25、好实验前的预习和准备是关键。做好实验前的预习和准备是关键。预习什么？预习到什么程度呢？预习什么？预习到什么程度呢？1、能熟练画出开环调速系统原理图。、能熟练画出开环调速系统原理图。2、自学附录，知道用哪、自学附录，知道用哪些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线些挂件？用哪些电路模块？功能是什么？怎么接线？3、纸上、纸上谈兵：能把系统原理图转化为实验接线图，并能画出来。谈兵：能把系统原理图转化为实验接线图，并能画出来。4、知、知道怎么测试开环机械特性，结合设备特点设计出实验步骤。道怎么测试开环机械特性，结合设备特点设计出实验步骤。三、要知道实验应该得到怎样的结果？三、要知道实验应该得到怎样
26、的结果？四、怎样写实验报告？四、怎样写实验报告？1、开环调速系统中，采用正给定电压还是负给定电压？为什么？改、开环调速系统中，采用正给定电压还是负给定电压？为什么？改 变给定电压时调节哪个旋钮？变给定电压时调节哪个旋钮？预习效果检查预习效果检查2、为什么要求触发电路中、为什么要求触发电路中Ulf端接地？端接地？3、接线前，设备初始状态检查和调整包含哪些注意事项？、接线前，设备初始状态检查和调整包含哪些注意事项？4、什么是触发电路的最大移相控制电压？如何测出该电压值？、什么是触发电路的最大移相控制电压？如何测出该电压值？5、主电路中为什么要串入电抗器？值取多大？、主电路中为什么要串入电抗器？值取多大？6、实验中负载电阻为什么要将两个可调电阻并联使用？、实验中负载电阻为什么要将两个可调电阻并联使用？7、口述测试机械特性的操作步骤。、口述测试机械特性的操作步骤。实验后交流与总结实验后交流与总结
