Speed Control of DC Motor
D.C. machines are characterized by their versatility. By means of various combinations of shunt-, series-, and separately excited field windings they can be designed to display a wide variety of volt-ampere or speed-torque characteristics for both dynamic and steady state operation. Because of the ease with which they can be controlled, systems of D.C. machines are often used in applications requiring a wide range of motor speeds or precise control of motor output.
The essential features of a D.C. machine are shown schematically. The stator has salient poles and is excited by one or more field coils. The air-gap flux distribution created by the field winding is symmetrical about the centerline of the field poles. This is called the field axis or direct axis.
As we know, the A.C. voltage generated in each rotating armature coil is converted to D.C. in the external armature terminals by means of a rotating commutator and stationary brushes to which the armature leads are connected. The commutator-brush combination forms a mechanical rectifier, resulting in a D.C. armature voltage as well as an armature m.m.f. Wave then is 90 electrical degrees from the axis of the field poles, i.e. in the quadrature axis. In the schematic representation the brushes are shown in quadrature axis because this is the position of the coils to which they are connected. The armature m.m.f. Wave then is along the brush axis as shown. (The geometrical position of the brushes in an actual machine is approximately 90 electrical degrees from their position in the schematic diagram because of the shape of the end connections to the commutator.)
The magnetic torque and the speed voltage appearing at the brushes are independent of the spatial waveform of the flux distribution; for convenience we shall continue to assume a sinusoidal flux-density wave in the air gap. The torque can then be found from the magnetic field viewpoint.
The torque can be expressed in terms of the interaction of the direct-axis air-gap flux per pole and space-fundamental component of the armature m.m.f.wave. With the brushes in the quadrature axis the angle between these fields is 90 electrical degrees, and its sine equals unity. For a pole machine
（1-1）
In which the minus sign gas been dropped because the positive direction of the torque can be determined from physical reasoning. The space fundamental of the sawtooth armature m.m.f.wave is times its peak. Substitution in above equation then gives
（1-2）
Where, =current in external armature circuit;
=total number of conductors in armature winding;
=number of parallel paths through winding.
And
（1-3）
is a constant fixed by the design of the winding.
The rectified voltage generated in the armature has already been discussed before for an elementary single-coil armature. The effect of distributing the winding in several slots is shown in figure. In which each of the rectified sine wave is the voltage generated in one of the coils, commutation taking place at the moment when the coil sides are in the neutral zone. The generated voltage as observed from the brushes and is the sum of the rectified voltages of all the coils in series between brushes and is shown by the rippling line labeled in figure. With a dozen or so commutator segments per pole, the ripple becomes very small and the average generated voltage observed from the brushes equals the sum of the average values of the rectified coil voltages. The rectified voltage between brushes, Known also as the speed voltage, is
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where is the design constant. The rectified voltage of a distributed winding has the same average value as that of a concentrated coil. The difference is that the ripple is greatly reduced.
From the above equations, with all variable expressed in SI units,
（1-5）
This equation simply says that the instantaneous power associated with the speed voltage equals the instantaneous mechanical power with the magnetic torque. The direction of power flow being determined by whether the machine is acting as a motor or generator.
The direct-axis air-gap flux is produced by the combined m.m.f. of the field windings. The flux-m.m.f. Characteristic being the magnetization curve for the particular iron geometry of the machine. In the magnetization curve, it is assumed that the armature –m.m.f. Wave is perpendicular to the field axis. It will be necessary to reexamine this assumption later in this chapter, where the effects of saturation are investigated more thoroughly. Because the armature e.m.f. is proportional to flux times speed, it is usually more convenient to express the magnetization curve in terms of the armature e.m.f. at a constant speed . The voltage for a given flux at any other speed is proportional to the speed, i.e.
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There is the magnetization curve with only one field winding excited. This curve can easily be obtained by test methods, no knowledge of any design details being required.
Over a fairly wide range of excitation the reluctance of the iron is negligible compared with that of the air gap. In this region the flux is linearly proportional to the total m.m.f. of the field windings, the constant of proportionality being the direct-axis air-gap permeance.
The outstanding advantages of D.C. machines arise from the wide variety of operating characteristics that can be obtained by selection of the method of excitation of the field windings. The field windings may be separately excited from an external D.C. source, or they may be self-excited; i.e. the machine may supply its own excitation. The method of excitation profoundly influences not only the steady-state characteristics, but also the dynamic behav
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附录B 译文
直流电动机的速度控制
直流电机的特点是其多功能性。通过分流，串联和单独激励的励磁绕组的各种组合，它们可以设计为显示各种伏安或速度 - 转矩特性，用于动态和稳态运行。由于它们易于控制，直流电机系统通常用于需要大范围电机速度或精确控制电机输出的应用中。
示意性地示出了直流电机的基本特征。定子具有凸极并由一个或多个励磁线圈激励。由励磁绕组产生的气隙磁通分布关于场磁极的中心线对称。这称为场轴或直轴。
众所周知，每个旋转电枢线圈中产生的交流电压通过旋转换向器和固定电刷在外部电枢端子中转换为直流电压，衔铁引线连接到固定电刷上。换向器 - 电刷组合形成机械整流器，导致直流电枢电压以及电枢mmf波然后与场磁极的轴线成90度电角度，即在垂直轴上。在示意图中，电刷以交轴示出，因为这是它们所连接的线圈的位置。然后电枢mmf Wave沿着刷轴，如图所示。（由于与换向器的端部连接的形状，实际电机中电刷的几何位置与原理图中的位置大约相差90度。）
出现在电刷上的磁扭矩和速度电压与磁通分布的空间波形无关;为方便起见，我们将继续假设气隙中的正弦通量密度波。然后可以从磁场的角度找到扭矩。
扭矩可以用每极的直轴气隙磁通的相互作用来表示 和空间基本组成部分电枢mmfwave。使用垂直轴上的电刷，这些磁场之间的角度为90电角度，其正弦值等于1。为一个 杆机
（1-1）
其中负号气体已经下降，因为扭矩的正方向可以通过物理推理来确定。空间基础 锯齿形电枢mmfwave是 倍高峰。然后在上面的等式中替换
（1-2）
哪里，=外部电枢电路中的电流;
=电枢绕组中的导体总数;
=通过绕组的并行路径数。
和
（1-3）
是由绕组设计固定的。
在电枢中产生的整流电压之前已经讨论过基本单线圈电枢。将绕组分布在多个槽中的效果如图所示。其中每个整流正弦波是在一个线圈中产生的电压，换向发生在线圈侧处于中性区的时刻。从电刷中观察到的产生电压，是电刷之间串联的所有线圈的整流电压之和，用标记的波纹线表示 在图中。每极具有十几个换向器段，纹波变得非常小，并且从电刷观察到的平均产生电压等于整流线圈电压的平均值之和。整流后的电压 刷子之间，也称为速度电压
（1-4）
哪里 是设计常数。分布式绕组的整流电压具有与集中线圈相同的平均值。不同之处在于波纹大大减少。
根据上述等式，所有变量以SI单位表示，
（1-5）
该等式简单地说，与速度电压相关的瞬时功率等于瞬时机械功率与磁力矩。功率流的方向取决于机器是作为电动机还是发电机。
直轴气隙通量由组合的mmf产生 励磁绕组。flux-mmf特性是机器特定铁几何形状的磁化曲线。在磁化曲线中，假设电枢-mmf波垂直于场轴。有必要在本章后面重新审视这个假设，其中更彻底地研究饱和的影响。由于电枢电动势与磁通乘以速度成正比，因此通过电枢电动势表示磁化曲线通常更方便 以恒定的速度.电压 对于任何其他速度的给定通量 与速度成正比，即
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存在仅具有一个励磁绕组的磁化曲线。通过测试方法可以很容易地获得该曲线，不需要任何设计细节的知识。
在相当宽的激励范围内，与气隙相比，铁的磁阻可忽略不计。在该区域中，磁通量与励磁绕组的总mmf成线性比例，比例常数是直轴气隙磁导率。
直流电机的突出优点源于通过选择磁场绕组的激励方法可以获得的各种操作特性。励磁绕组可以从外部DC源单独激励，或者它们可以是自激励的;即机器可以提供自己的激励。激励方法不仅深刻地影响稳态特性，而且还影响机器在控制系统中的动态行为。
给出了一个单独激励的发电机的连接图。所需的励磁电流是额定电枢电流的很小一部分。场电路中的少量功率可以控制电枢电路中相对大量的功率;即发电机是功率放大器。当需要在宽范围内控制电枢电压时，通常在反馈控制系统中使用单独激励的发电机。自激发电机的励磁绕组可以以三种不同的方式供电。磁场可以与电枢串联连接，产生一系列发电机。磁场可以与电枢并联连接，形成并联发电机，或者磁场可以分为两部分，其中一部分串联连接而另一部分与电枢并联，从而形成复合发电机。对于自激发电机，必须在机器铁中存在剩磁，以便开始自激过程。
在典型的稳态伏安特性中，假定为恒速原动机。稳态产生的电动势之间的关系 和端电压 是
（1-7）
哪里 是电枢电流输出和 是电枢电路电阻。在发电机中， 大于 和电磁转矩 是反向旋转的反扭矩。
随着负载电流的增加，单独激励的发电机的端电压略微降低，这主要是由于电枢电阻的电压降。串联发电机的励磁电流与负载电流相同，因此气隙磁通量和电压随负载变化很大。因此，通常连接串联发电机，使得串联绕组的mmf有助于分流绕组的mmf。优点在于，通过串联绕组的作用，每极的磁通量可随负载而增加，从而导致电压输出几乎通常包含许多相对较小的导线。缠绕在外面的串联绕组由几圈相对较重的导体组成，因为它必须承载机器的全部电枢电流。通过分流场中的变阻器，可以在合理的限度内控制分流器和复合发生器的电压。
用于发电机的任何激励方法也可用于电动机。在典型的稳态速度 - 转矩特性中，假设电动机端子由恒压源供电。在电机中电动势之间的关系 在电枢和端子电压中产生 是
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哪里 现在是电枢电流输入。生成的电动势 现在小于端子电压电枢电流与发电机中的电枢电流方向相反，电子磁转矩是维持电枢旋转的方向。
在分流和单独激励的电动机中，磁场通量几乎是恒定的。因此，增加的转矩必须伴随电枢电流的非常近似成比例的增加，并且因此反电动势的小幅减小，以允许通过小电枢电阻的这种增加的电流。由于反电动势由磁通和速度决定，因此速度必须略有下降。与鼠笼式感应电动机一样，分流电动机基本上是恒速电动机，从无负载到满负载的速度下降约5％。启动转矩和最大转矩受到可成功换向的电枢电流的限制。
分流电机的一个突出优点是速度控制。利用分流场电路中的变阻器，每极的励磁电流和磁通量可以随意改变，并且磁通量的变化引起速度的反向变化，以保持反电动势大约等于外加端电压。通过该方法可以获得约4或5的最大速度范围。限制再次是换向条件。通过改变外加电枢电压，可以获得非常大的速度范围。
在串联电动机中，负载的增加伴随着电枢电流和mmf以及定子磁通量的增加（假设铁未完全饱和）。由于磁通量随负载增加，速度必须下降以保持外加电压和反电动势之间的平衡。此外，由增加的转矩引起的电枢电流的增加是具有明显下垂的速度 - 负载特性的变速电动机。对于需要大扭矩过载的应用，该特性是特别有利的，因为相应的功率过载通过相关的速度下降保持在更合理的值。非常有利的起动特性也是由于随着电枢电流增加而增加的磁通量。
在复合电动机中，串联场可以累积地连接，使得其mmf增加到分流场的那个，或者差分地，以使其相反。差分连接很少使用。累积复合电动机具有介于分流器和串联电动机之间的速度 - 负载特性，负载的速度下降取决于分流器和串联场中的安匝数的相对数量。它没有与串联电动机相关的非常高的轻载速度的缺点，但它在很大程度上保留了串联激励的优点。
直流电机的应用优势在于分流，串联和复合激励的各种性能特征。本文简要介绍了其中一些特性。如果添加额外的电刷组以便可以从换向器获得其他电压，则存在更大的可能性。因此，直流电机系统的多功能性及其对手动和自动控制的适应性是其突出的特点。
直流电机由两个基本组件组成：
- 定子，它是机器的固定部分。它由以下元素组成：框架内的轭;励磁极和绕组;换向杆（组合）和绕组;带滚珠或滑动轴承的端盖;刷子和刷架;接线盒。
- 转子是机器的运动部件。它由安装在机器轴上的铁芯组成。该磁芯具有均匀间隔的槽，电枢绕组安装在该槽中。换向器，通常是风扇，也位于机器轴上。
框架通过底板和螺栓固定在地板上。在低功率机器上，框架和轭架是同一个部件，激励杆产生的磁通量通过该部件关闭。框架和轭架由铸铁或铸钢制成，或者有时由焊接钢板制成。
在低功率和可控整流器供电的机器中，轭架由薄（0.5~1mm）层压铁板构成。磁轭通常安装在非铁磁框架内（通常由铝合金制成，以减轻重量）。在框架的任一侧都有螺栓连接的两个端罩，其中包含球或滑动轴承。
（主）励磁杆由0.5~1mm的铁片构成，铁片通过铆接螺栓固定在一起。杆通过螺栓固定在框架中。它们支持承载激励电流的绕组。
在转子侧，在磁极铁芯的末端是所谓的极靴，其旨在促进磁通量通过气隙的给定分布。绕组放置在安装在铁芯上的绝缘框架内，并由极靴固定。
励磁绕组由绝缘的圆形或矩形导体制成，并且串联或并联连接。这样的绕组是这样的，即一个穿过气隙的磁极的磁通量从极靴引向电枢（北极），下一个磁极的磁通从电枢引向极 - 鞋（南极）。
与主磁极一样，换向极包括一个以极靴为终点的磁芯和绕磁芯缠绕的绕组。它们位于两个主极之间的对称（中性）轴上，并用螺栓固定在轭上。换向杆由铸铁或铁板制成。
换向极的绕组也由绝缘的圆形或矩形导体制成。它们串联或并联连接，并承载机器的主电流。
转子铁芯由0.5~1mm的硅合金板制成。片材通过清漆薄膜或氧化物涂层彼此绝缘。两者都厚0.03~0.05mm。目的是确保当磁芯在磁场内旋转时减少磁芯中产生的涡流。这些电流导致能量损失，变成热量。在实芯中，这些损失可能变得非常高，降低了机器效率并产生强烈的加热。
转子铁芯由几包金属板组成。在包之间插入重拨或轴向冷却管（内部8~10mm）以提供更好的冷却。通过压在轴上的压力装置将压力施加到芯的两侧。转子的长度通常超过两极的长度2~5mm，其效果是使轴向电枢位移引起的磁导率变化最小化。转子的周边设有齿和槽，电枢绕组插入其中。
转子绕组由通过专门设计的机器或已形成的线圈直接缠绕在转子槽中的线圈组成。绕组经过仔细绝缘，并通过木材或其他绝缘材料制成的楔子固定在槽内。
绕组过充电弯曲并用钢丝相互连接，以抵抗可能由离心力引起的变形。
转子绕组的线圈接头连接到安装在电枢轴上的换向器。换向器是由小铜制成的圆筒。区段彼此绝缘，并且还通过一层微小的间隙与夹紧元件绝缘。转子线圈的端部焊接到每个区段。
在低功率机器上，换向器片形成一个单元，通过合成树脂如酚醛树脂彼此绝缘。
为了将电枢绕组连接到固定机器端子，一组碳刷借助于电刷架在换向器表面上滑动。电刷通过弹簧和杠杆确保恒定的压力接触换向器片。安装在端罩上的夹具支撑电刷架。
电刷与连接到机器的一个端子和偶数电刷连接到另一个端子的奇数电刷电连接。电刷围绕换向器的周边等间隔 - 电刷的行数等于激励电极的数量。
调节系统的特征在于输出功率保持稳定。不同的速度控制系统可以使用不同的制动系统，高启动和制动力矩，快速响应和快速调节范围的直流驱动系统的程度要求，使用电动制动模式。取决于直流电机电枢电压和磁通的速度控制。为零速度，或U = 0或Phi;=infin;。后者是不可能的，它只通过电枢电压来改变以降低速度。为了加速到更高的值可以增加或减少UPhi;。
调节器系统
调节器系统通常在其稳态操作中提供输出功率。
例如，尽管负载转矩发生变化，电动机速度调节器仍将电动机速度保持在恒定值。即使去除负载扭矩，电机也必须提供足够的扭矩来克服轴承的粘性摩擦效应。其他形式的调节器也提供输出功率;尽管烤箱中的热量损失，温度调节器必须保持烤箱的温度恒定。尽管负载电流存在变化，但电压调节器还必须保持输出电压恒定。对于任何提供输出的系统，例如速度，温度，电压等，在稳态条件下必须存在误差信号。
电气制动
在许多速度控制系统中，例如轧机，矿用卷绕机等，必须经常使负载停止并反转。在减速需求之后速度降低的速率取决于所存储的能量和所使用的制动系统。小型速度控制系统（有时称为velodyne）可采用机械制动，但这对于大型速度控制器来说是不可行的，因为去除产生的热量是困难且昂贵的。
各种电动制动方法有：
- 再生制动。
- 涡流制动。
- 动态制动。
- 反向电流制动（堵塞）
再生制动是最好的方法，但不一定是最经济的方法。负载中存储的能量由工作电动机（暂时作为发电机）转换成电能并返回到电源系统。因此，供应系统充当“下沉”，不需要的能量被输送到该“下沉”中。如果供电系统具有足够的容量，则在短时间的再生期间随之而来的端子电压的上升将很小。在Ward-Leonard的直流电机速度控制方法中，再生制动是固有的，但晶闸管驱动器必须设置为反转再生。如果转子轴的驱动速度比旋转磁场的速度快，则感应电机驱动器可以再生。晶闸管逆变器的低成本变频电源的出现给变速驱动器中感应电机的使用带来了相当大的变化。
只需在轴上安装铜盘或铝盘并在磁场中旋转，就可以将涡流制动应用于任何机器。在大型系统中消除产生的热量的问题是严重的，因为如果施加延长的制动，轴，轴承和电动机的温度将升高。
在动态制动中，存储的能量在电路中的电阻器中消散。当应用于小型直流电机时，电枢电源断开，电阻器连接在电枢两端（通常由继电器，接触器或晶闸管）。保持励磁电压，并将制动降至最低速度。感应电动机需要稍微复杂的布置，定子绕组与AC电源断开
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