第八章 直流调速系统
8.1 概 述
调速方法通常有机械的、电气的、液压的、气动的几种，仅就机械与电气调速方法而言，也可采用电气与机械配合的方法
化机械变速机构，提高传动效率，操作简单，易于获得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，因此，在生产机械中广泛采
由于直流电动机具有极好的运动性能和控制特性，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格便宜、制造方便、维护容易，但是
近年来，随着计算机技术、电力电子技术和控制技术的发展，交流调速系统发展很快，在许多场合正逐渐取代直流调速系统。但是
主要形式。在我国许多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸以及高层建筑等需要高性能可控电力拖动
调速系统在理论上和实践上都比较成熟，从控制技术的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，我们先着重讨论直流调速
8.1.1直流电机的调速方法
根据第三章直流电机的基本原理，由感应电势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种：
（1）调节电枢供电电压U。改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，属恒转矩系统来说，这种方法最好。
变化遇到的时间常数较小，能快速响应，但是需要大容量可调直流电源。
（2）改变电动机主磁通遇到的时间常数同
。改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额
变化遇到的相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
（3）改变电枢回路电阻。在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速
么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。
改变电阻调速缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动
速配合使用，在额定转速以上作小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁 直流电动机电枢绕组中的电流
与定子主磁通
相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢因而转动。直流电动机电磁转
非常方便地分别调节，这种机理使直流电动机具有良好的转矩控制特性，从而有优良的转速调节性能。调节主磁通还是调磁调速，都需要可调的直流电源。
一般还是通
8.1.3 调速系统性能指标
任何一台需要转速控制的设备，其生产工艺对控制性能都有一定的要求。例如，精密机床要求加工精度达到几十微米至几所有这些要求，都可以转化成运动控制系统的稳态和动态指标，作为设计系统时的依据。
速，最高和最低相差近300倍；容量几千kW的初轧机轧辊电动机在不到1秒的时间内就得完成从正转到反转的过程；高速造纸机的
转速控制要求
各种生产机械对调速系统提出了不同的转速控制要求，归纳起来有以下三个方面：
（1）调速。在一定的最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或者平滑（无级）地调节转速。
（2）稳速。以一定的精度在所需转速上稳定地运行，不因各种可能的外来干扰（如负载变化、电网电压波动等）而产生
（3）加、减速控制。对频繁起、制动的设备要求尽快地加、减速，缩短起、制动时间，以提高生产率；对不宜经受剧烈的性能。
以上三个方面有时都须具备，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互矛盾的。为了定量地分析问题
稳态指标
统的稳态张力误差等等。下面我们具体分析调速系统的稳态指标。
运动控制系统稳定运行时的性能指标称为稳态指标，又称静态指标。例如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置
（1）调速范围D
生产机械要求电动机能达到的最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即
其中nmax和nmin一般指额定负载时的转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可以用实际负载的转速。在设nnom。
（2）静差率S
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落
与理想空载转速no之比，称为静
显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳
图8.3 不同转速下的静差率
（3）调压调速系统中D，S和 在直流电动机调压调速系统中，
之间的关系
就是电动机的额定速度nnom，若额定负载时的转速降落为
，则系统的静差率
而额定负载时的最低转速为
考虑到式（8.4），式（8.5）可以写成
而调速范围为
将式（8.6）代入式（8.7），得
式（8.8）表达了调速范围D、静差率S和额定速降
之间应满足的关系。对于同一个调速系统，其特性硬度或
越小），系统允许的调速范围D就越小。例如，某调速系统电动机的额定转速为nnom=1430r/min，额定速降为
如果要求静差率S≤10%，则调速范围只有
动态指标
运动控制系统在过渡过程中的性能指标称为动态指标，动态指标包括跟随性能指标和抗扰性能指标两类。 （1）跟随性能指标
在给定信号（或称参考输入信号）R（t）的作用下，系统输出量C（t）的变化情况用跟随性能指标来描述。对于不同变化
性能指标是在初始条件为零的情况下，以系统对单位阶跃输入信号的输出响应（称为单位阶跃响应）为依据提出的，如图8.4所示
图8.4 表示跟随性能指标的单位阶跃响应曲线
①上升时间tr
单位阶跃响应曲线从零起第一次上升到稳态值 ②超调量
所需的时间称为上升时间，它表示动态响应的快速性。
动态过程中，输出量超过输出稳态值的最大偏差与稳态值之比，用百分数表示，叫做超调量，即
超调量用来说明系统的相对稳定性，超调量越小，说明系统的相对稳定性越好，即动态响应比较平稳。 ③调节时间ts
调节时间又称过渡过程时间，它衡量系统整个动态响应过程的快慢。原则上它应该是系统从给定信号阶跃变化起，到输出理论上要到节时间。
才真正稳定。实际应用中，一般将单位阶跃响应曲线衰减到与稳态值的误差进入并且不再超出允许误差带（通常
8.2.1 晶闸管（SCR）
晶闸管的结构
闸管晶是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件，它是一种可控制的硅整流元件，亦称可控硅
个电极，即阳极A，阴极K，控制极（又称门极）G。根据功率的大小，具有TO92、TO220、螺栓形和平板形等多种封装形式，如图是阴极K，这种结构散热效果比较好，用于200A以上的元件。
它可与散热器固定，另一端的粗引线是阴极K，细线是控制极G ，这种结构更换方便，用于100A以下元件。平板形中间的金属环
晶闸管是由四层半导体构成的，如图8.5（b）所示。它由单晶硅薄片P1、N1、P2、N2四层半导体材料叠成，形成三个P
图8.5 晶闸管外形、结构及图形符号
（a）外形封装 （b）内部结构 （c）图形符号
晶闸管的工作原理
实验证明，当在晶闸管的阳极与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。当在晶闸不管控制极有没有电压，只要阳极与阴极之间维持正向电压，则晶闸管就维持导通。下面来分析晶闸管的工作机理。
阴极之间没有电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。只有当在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加
根据晶闸管的内部结构，可以把它等效地看成是两只晶体管的组合，其中，一只为PNP型晶体管VT1，另一只为NPN型晶
图8.6 晶闸管的等效电路
（a）结构分解图 （b）三极管等效电路
当晶闸管的阳极与阴极之间加上正向电压时，这时VT1和VT2都承受正向电压，如果在控制极上加上一个对阴极为正的电
Ib2 ,经过VT2的放大，在VT2的集电极就产生电流Ic2=β2 Ib2=β2 Ig（β2为VT2的电流放大系数），而这个IC2又恰恰是VT1
便得到VT1的集电极电流IC2=β1 Ib1=β1β2Ig(β1为VT1的电流放大系数)，由于VT1的集电极和VT2的基极是接在一起的，所控制电流Ig大得多的电流流过，因此，当晶闸管一经导通，控制极即使去掉控制电压，晶闸管仍然可保持导通。 时，相当于两只三极管饱和导通，因此，阳极与阴极间的管压降为1V左右。 综上所述 ，可以得到下述结论：
（2）晶闸管的阳极和控制极相对于阴极同时加正向电压时晶闸管才导通，这是晶闸管导通必须同时具备的两个条件。
环下去，形成强烈的正反馈，直至元件全部导通为止，这个导通过程是在极短的时间内完成的，一般不超过几微秒，称为“触发导
当在晶闸管阳极与阴极间加反向电压时，VT1和VT2便都处于反向电压的作用下，它们都没有放大作用，这时即使加入控
（1）起始时若控制极不加电压，则不论阳极加正向电压还是反向电压晶闸管都不导通，这说明晶闸管具有正、反向阻断
（3）在晶闸管导通之后，其控制极就失去控制作用，欲使晶闸管恢复阻断状态，必须把阳极正向电压降低到一定的数值
伏安特性
晶闸管的阳极电压与阳极电流的关系，称为晶闸管的伏安特性，如图8.7所示。晶闸管的阳极与阴极间加上正向电压时，
很小的电流(称为正向漏电流)流过，晶闸管阳极与阴极间表现出很大的电阻，处于截止状态(称为正向阻断状态)，简称断态。
当阳极电压上升到某一数值时，晶闸管突然由阻断状态转化为导通状态，简称通态。阳极这时的电压称为断态不重复峰值
图8.7 晶闸管的伏安特性曲线
晶闸管便从导通状态转化为阻断状态。由图8.7可看出，当晶闸管控制极流过正向电流Ig时，晶闸管的正向转折电压降低， Ig
导通后，元件中流过较大的电流，其值主要由限流电阻(使用时由负载)决定。在减小阳极电源电压或增加负载电阻时，阳
转折电压很小，一加上正向阳极电压，晶闸管就导通。实际规定，当晶闸管元件阳极与阴极之间加上6V直流电压时，能使元件导