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附录二

译文：

直流电动机调速控制

摘要调节系统的特征在于能保持输出功率的稳定。

不同的速度控制系统可以使用不同的制动系统，在有高起、制动转矩，快速响应和快速度调节范围要求的直流调速系统中，采用的是电气制动的方式。

直流电机的速度控制取决于电枢电压和磁通。

要将转速降为零，或者U=0或Φ=∞。

后者是不可能的，因此只可通过电枢电压的变化来降低转速。

要将转速增加到较高值，可以增大U或减小Φ。

关键词直流调速反馈制动

调节系统

调节系统是一类通常能提供稳定输出功率的系统。

例如，电机速度调节器要能在负载转矩变化时仍能保持电机转速为恒定值。

即使负载转矩为零，电机也必须提供足够的转矩来克服轴承的粘滞摩擦影响。

其他类型的调节器也提供输出功率，温度调节器必须保持炉内的温度恒定，也就是说，即使炉内的温度散失也必须保持炉温不变。

一个电压调节其也必须保持负载电流值变化时输出电压值恒定。

对于任何一个提供一个输出，例如，速度、温度、电压等的系统，在稳态下必须存在一个误差信号。

电气制动

在许多速度控制系统中，例如轧钢机、矿坑卷扬机等这些负载要求频繁地停顿和反向运动的系统。

随着减速要求，速度减小的比率取决于存储的能量和所使用的制动系统。

一个小型速度控制系统（例如所知的伺服积分器）可以采用机械制动，但这对大型速度控制器并不可行，因为散热很难而且很昂贵。

可行的各种电气制动方法有：

（1）回馈制动。

（2）涡流制动。

（3）能耗制动

（4）反接制动

回馈制动虽然并不一定是最经济的方式，但却是最好的方式。

负载中存储的能量通过工作电机（暂时以发电机模式运行）被转化成电能并返回到电源系统中。

这样电源就充当了一个收容不想要的能量的角色。

假如电源系统具有足够的容量，在短时回馈过程中最终引起的端电压升高会很少。

在直流电机速度控制渥特-勒奥那多法中，回馈制动是固有的，但可控硅传动装置必须被排布的可以反馈。

如果转轴速度快于旋转磁场的速度，感应电机传动装置可以反馈。

由晶闸管换流器而来的廉价变频电源的出现在变速装置感应电机应用中引起了巨大的变化。

涡流制动可用于任何机器，只要在轴上安装一个铜条或铝盘并在磁场中旋转它即可。

在大型系统中，散热问题是很重要的，因为如果长时间制动，轴、轴承和电机的温度就会升高。

在能耗制动中，存储的能量消耗在回路电阻器上。

用在小型直流电机上时，电枢供电被断开，接入一个电阻器（通常是一个继电器、接触器或晶闸管）。

保持磁场电压，施加制动降到最低速。

感应电机要求稍微复杂一点的排布，定子绕组被从交流电源上断开，接到直流电源上。

产生的电能继而消耗在转子回路中。

能耗制动应用在许多大型交流升降系统中，制动的职责是反向和延长。

任何电机都可以通过突然反接电源以提供反向的旋转方向（反接制动）来停机。

在可控情况下，这种制动方法对所传动装置都是使用的。

它主要的缺点就是当制动等于负载存储的能量时，电能被机器消耗了。

这在大型装置中就大大增加了运行成本。

直流电机速度控制

所有直流电机速度控制的基本关系都可由下式得出：

各项就是她们通常所指的含义。

如果IaRa很小，等式近似为

或

。

这样，控制电枢电压和磁通就可影响电机转速。

要将转速降为零，或者U=0或Φ=∞。

后者是不可能的，因此只可通过电枢电压的变化来降低转速。

要将转速增加到较高值，可以增大U或减小Φ。

后者是最可行的方法，就是我们通常所知道的弱磁场。

在要求速度调节范围宽的场合可综合使用这两种方法。

使用晶闸管的单向速度控制系统

一个单相晶闸管逆变器系统如图1所示。

读者应该先忽略整流器BR2和它的相关电路（包括交流回路中的电阻器R），因为这部分只有在具有保护功能时才需要，将在下一节介绍。

图1单向晶闸管逆变器系统

因为该电路是一个单向转换器，只能在一个旋转方向控制电机轴（系统的输出）的速度。

而且，回馈制动不能用于电机；在这种系统类型中，电机电枢可以通过电气制动静止（例如，当晶闸管门极脉冲反向时，电阻可通过一个继电器或其他装置连接到电枢上）。

整流器BR1给并联励磁绕组提供一个稳定电压，产生稳定的磁通。

电枢电流由一个晶闸管控制，该晶闸管又由加在它们极上的脉冲控制。

脉冲正向时（减小起动延时角）电枢转速增加，门极脉冲反相时电枢转速减小。

速度参考信号可从人工操作的电位器（如图1右侧所示）上获得，反馈信号或输出转速信号可从连接在电枢上的电阻器链

上获得。

（严格的讲，图1系统中反馈信号只有当电枢电组的压降

很小时，才与轴转速成正比的电枢电压成正比。

用于补偿IaRa压降的方法将在阅读材料中讨论。

）因为电枢电压是从一个晶闸管上获得的，该电压包括一系列由电容器C滤波的脉冲。

速度参考信号与电枢电压信号极性相反，以确保施加的都是负反馈。

直流电机装置的一个特征就是需要供电的负载时电阻、电导的混合，并且在图1中反电动势二极管D确保当晶闸管阳极电势低于前面叙述的电枢连接方式的上限时，晶闸管电流应换向为零。

在所示拖动系统中，当晶闸管处于断开状态时，其阳极电势等于电机反电动势。

只有在瞬时电源电压大于反向电势的间隔时它才会导通。

图2所示的检测表明电机运行时晶闸管上峰值反向电压大于峰值正向电压。

如图所示，在晶闸管上串联一个二级管，电路的反向关断能力就会增强，所以允许使用低压晶闸管。

图2晶闸管对电机反电动势的影响

图3电枢电压波形

图2所示的波形是理想的波形，因为忽略了电枢电感、换向器纹波等因素的影响。

典型的电枢电压波形如图3所示。

在该波形中，晶闸管在A点触发，一直到B点电源电压低于电枢反电动势时导通。

电枢电感的作用使晶闸管保持到C点飞轮二极管使电枢电压反向之前导通。

当电感能量消失（D点），电枢电流为零，电压恢复到它的正常水平，这个暂态过程最后稳定在E点。

点E、F之前的纹波是由换向器引起的纹波。

原文：

SpeedControlofDCMotor

AbstractConditioningsystemischaracterizedinthatoutputpowertomaintainstability.Differentspeedcontrolsystemcanuseadifferentbrakesystem,highstartingandbrakingtorque,quickresponseandquickadjustmentrangeofdegreerequirementsofDCdrivesystem,theuseoftheelectricbrakingmode.DependsonthespeedcontrolofDCmotorarmaturevoltageandflux.Tozerospeed,orU=0orΦ=∞.Thelatterisimpossible,itonlychangesthroughthearmaturevoltagetoreducespeed.TospeedtoahighervaluecanincreaseordecreasetheUΦ.

KeywordDCSpeedFeedbackBrake

RegulatorSystems

Aregulatorsystemisonewhichnormallyprovidesoutputpowerinitssteady-stateoperation.

Forexample,amotorspeedregulatormaintainsthemotorspeedataconstantvaluedespitevariationsinloadtorque.Eveniftheloadtorqueisremoved,themotormustprovidesufficienttorquetoovercometheviscousfrictioneffectofthebearings.Otherformsofregulatoralsoprovideoutputpower;Atemperatureregulatormustmaintainthetemperatureof,say,anovenconstantdespitetheheatlossintheoven.Avoltageregulatormustalsomaintaintheoutputvoltageconstantdespitevariationintheloadcurrent.Foranysystemtoprovideanoutput,e.g.,speed,temperature,voltage,etc.,anerrorsignalmustexistundersteady-stateconditions.

ElectricalBraking

Inmanyspeedcontrolsystems,e.g.,rollingmills,minewinders,etc.,theloadhastobefrequentlybroughttoastandstillandreversed.Therateatwhichthespeedreducesfollowingareducedspeeddemandisdependentonthestoredenergyandthebrakingsystemused.Asmallspeedcontrolsystem（sometimesknownasavelodyne）canemploymechanicalbraking,butthisisnotfeasiblewithlargespeedcontrollerssinceitisdifficultandcostlytoremovetheheatgenerated.

Thevariousmethodsofelectricalbrakingavailableare:

（1）Regenerativebraking.

（2）Eddycurrentbraking.

（3）Dynamicbraking.

（4）Reversecurrentbraking（plugging）

Regenerativebrakingisthebestmethod,thoughnotnecessarilythemosteconomic.Thestoredenergyintheloadisconvertedintoelectricalenergybytheworkmotor（actingtemporarilyasagenerator）andisreturnedtothepowersupplysystem.Thesupplysystemthusactsasa”sink”intowhichtheunwantedenergyisdelivered.Providingthesupplysystemhasadequatecapacity,theconsequentriseinterminalvoltagewillbesmallduringtheshortperiodsofregeneration.IntheWard-LeonardmethodofspeedcontrolofDCmotors,regenerativebrakingisinherent,butthyristordriveshavetobearrangedtoinverttoregenerate.Inductionmotordrivescanregenerateiftherotorshaftisdrivenfasterthanspeedoftherotatingfield.Theadventoflow-costvariable-frequencysuppliesfromthyristorinvertershavebroughtaboutconsiderablechangesintheuseofinductionmotorsinvariablespeeddrives.

Eddycurrentbrakingcanbeappliedtoanymachine,simplybymountingacopperoraluminumdiscontheshaftandrotatingitinamagneticfield.Theproblemofremovingtheheatgeneratedissevereinlargesystemasthetemperatureoftheshaft,bearings,andmotorwillberaisedifprolongedbrakingisapplied.

Indynamicbraking,thestoredenergyisdissipatedinaresistorinthecircuit.WhenappliedtosmallDCmachines,thearmaturesupplyisdisconnectedandaresistorisconnectedacrossthearmature（usuallybyarelay,contactor,orthyristor）.Thefieldvoltageismaintained,andbrakingisapplieddowntothelowestspeed.Inductionmotorsrequireasomewhatmorecomplexarrangement,thestatorwindingsbeingdisconnectedfromtheACsupplyandreconnectedtoaDCsupply.Theelectricalenergygeneratedisthendissipatedintherotorcircuit.DynamicbrakingisappliedtomanylargeAChoistsystemswherethebrakingdutyisbothsevereandprolonged.

DCMotorSpeedControl

ThebasisofallmethodsofDCmotorspeedcontrolisderivedfromtheequations:

thetermshavingtheirusualmeanings.IftheIaRadropissmall,theequationsapproximateto

or

。

Thus,controlofarmaturevoltageandfieldfluxinfluencesthemotorspeed.Toreducethespeedtozero,eitherU=0orΦ=∞.Thelatterisinadmissible;hencecontrolatlowspeedisbyarmaturevoltagevariation.Toincreasethespeedtoahighvalue,eitherUismadeverylargeorΦisreduced.Thelatteristhemostpracticalwayandisknownasfieldweakening.Combinationsofthetwoareusedwhereawiderangeofspeedisrequired.

ASingle-QuadrantSpeedControlSystemUsingThyristors

Asingle-quadrantthyristorconvertersystemisshowninFig.1.ForthemomentthereadershouldignoretherectifierBR2anditsassociatedcircuitry（includingresistorRintheACcircuit）,sincethisisneededonlyasaprotectivefeatureandisdescribedinnextsection.

Fig.1ThyristorspeedcontrolsystemwithcurrentlimitationontheACside

Sincethecircuitisasingle-quadrantconverter,thespeedofthemotorshaft（whichistheoutputfromthesystem）canbecontrolledinonedirectionofrotationonly.Moreover,regenerativebrakingcannotbeappliedtothemotor;inthistypeofsystem,themotorarmaturecansuddenlybebroughttorestbydynamicbraking（i.e.whenthethyristorgatepulsesarephasedbackto180o,aresistercanbeconnectedacrossthearmaturebyarelayorsomeothermeans）.

RectifierBR1providesaconstantvoltageacrosstheshuntfieldwinding,givingaconstantfieldflux.Thearmaturecurrentiscontrolledbyathyristorwhichis,inturn,controlledbythepulsesappliedtoitsgate.Thearmaturespeedincreasesasthepulsesarephasedforward（whichreducesthedelayangleoffiring）,andthearmaturespeedreducesasthegatepulsesarephasedback.

Thespeedreferencesignalisderivedfromamanuallyoperatedpotentiometer（shownattheright-handsideofFig.23.1）,andthefeedbacksignaloroutputspeedsignalisderivedfromtheresistorchainR1R2,whichisconnectedacrossthearmature.（Strictlyspeaking,thefeedbacksignalinthesysteminFig.23.1isproportionaltothearmaturevoltage,whichisproportionaltotheshaftspeedonlyifthearmatureresistancedrop,IaRa,issmall.MethodsusedtocompensatefortheIaRadroparediscussedinReadingMaterial.）Sincethearmaturevoltageisobtainedfromathyristor,thevoltageconsistsofaseriesofpulses;thesepulsesaresmoothedbycapacitorC.Thespeedreferencesignalisoftheoppositepolaritytothearmaturevoltagesignaltoensurethatoverallnegativefeedbackisapplied.

AfeatureofDCmotordrivesisthattheloadpresentedtothesupplyisamixtureofresistance,inductance,andbackEMFDiodeDinFig.1ensuresthatthethyristorcurrentcommutatestozerowhenitsanodepotentialfallsbelowthepotentialoftheupperarmatureconnection,inthemanneroutlinedbefore.Inthedriveshown,thepotentialofthethyristorcathodeisequaltothebackEMFofthemotorwhileitisinablockingstate.ConductioncanonlytakeplaceduringthetimeintervalwhentheinstantaneoussupplyvoltageisgreaterthanthebackEMF.InspectionofFig.2showsthatwhenthemotorisrunning,thepeakinversevoltageappliedtothethyristorismushgreaterthanthepeakforwardvoltage.Byconnectingadiodeinserieswiththethyristor,asshown,thereverseblockingcapabilityofthecircuitisincr