直流调速系统概述工作原理实训教学

基本概念
在自动控制系统中，电力拖动系统是最重要的应用系统之一，而电动机又是电力拖动系统的核心部件，它是将电能转化为机械能的一种有力工具。根据电动机供电方式的不同，它可分为直流电动机和交流电动机。由于直流电动机具有良好的启、制动性能，而且可以在较大范围内平滑的调速，因此，在轧钢设备、矿井升降设备、挖掘钻探设备、金属切削设备、造纸设备、电梯等需要高性能可控制电力拖动的场合得到了广泛的应用。但直流电动机本身有着一些不可避免的缺陷，譬如存在换相问题、结构复杂、维修较困难、成本较高等因素，制约了直流拖动系统的发展。
近来年，随着计算机控制技术和电力电子技术的发展，也推动了交流拖动技术的迅猛发展，有代替直流拖动系统的趋势。然而，直流拖动系统在理论和实践等方面发展比较成熟，从控制角度考虑，它又是交流拖动系统的基础，故应先很好地学习直流拖动系统。
从生产设备的控制对象来看，电力拖动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统等多种类型，而各种系统基本上都是通过控制转速（实质上是控制电动机的转矩）来实现的。因此，直流调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流电动机的转速方程式为：

式中，n为转速，单位为r/min；U为电枢电压，单位为V；I为电枢电流，单位为A；R为电枢回路总电阻，单位为Ω；Φ为励磁磁通，单位为Wb；Ke为由电动机结构决定的机电系数。
由上式可知，调节直流电动机转速的方法有三种：
改变电枢供电电压U
改变励磁磁通Φ
改变电枢回路电阻R
直流调速的三种方式
1)改变电动机电枢电压的调速方式
改变直流电动机的电枢电压U时，其理想空载转速n0也改变，当电动机电枢电流（即负载电流）I不变时，转速降△n不变。所以，直流电动机的机械特性的硬度不变，其机械特性是一簇以U为参数的平行线。改变电动机电枢电流，其机械特性基本上是平行上下移动，转速随之改变，这种调速方式称为改变电枢电压调速方式。
考虑到电动机的绝缘性能，电枢电压的变化只能在小于额定电压的范围内适当调节，在这种调速方式下，转速上限为电动机的额定转速，转速下限受低速时运转不稳定性的限制。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，此调速方式较好。改变电枢电压调速（简称调压调速）是直流调速系统的主要调速方式。
2）改变励磁电流调速方式
改变电动机励磁回路的励磁电压大小，可改变励磁电流大小，从而改变励磁磁通大小而实现调速，此种调速方式称为改变励磁电流调速方式。
这种调速方案属于恒功率调速。调磁调速的调速范围不大，一般只是配合调压调速方式，在电动机额定转速之上作小范围的升速。将调压调速和调磁调速复合起来则构成调压调磁复合调速系统，可得到更大的调速范围，额定转速以下采用调压调速，额定转速以上采用调磁调速。
3)电枢回路串电阻调速方式
在电动机电枢回路串接附加电阻，改变串接电阻的阻值，也可调节转速，此种调速方式称为电枢回路串电阻调速方式。
这种调速方式只能进行有级调速，且串接电阻有较大能量损耗，电动机的机械特性较软，转速受负载影响大，轻载和重载时转速不同。另外，该调速方式中的调速电阻损耗大，经济性差，一般只应用于少数性能要求不高的小功率场合。
调压调速的三种主要形式
由上面讨论可知，调压调速在工程应用上是调速系统的主要方式。该调速方式需要有专门的、连续可调的直流电源供电。根据系统供电形式的不同，调压调速系统可分为以下三种：
旋转变流机组系统
晶闸管可控整流系统
直流脉宽调速系统。
1)旋转变流机组系统
以旋转变流机组作为可控电源供电的直流调速系统称为发电机－电动机系统，该系统的主要部件为直流发电机G，直流电动机M，故简称G－M系统，国际上通称为Wand－Leonand系统。
直流发电机G由原动机M （交流异步电动机或同步电动机）拖动，ФG和ФM分别是发电机和电动机励磁回路的磁通。系统由原动机拖动直流发电机，改变发电机励磁回路的磁通ФG即可改变发电机的输出电压UG也就改变了直流电动机的电枢电压Ud，从而实现调压调速的目的。
2)晶闸管脉冲相位控制系统(晶闸管－电动机系统)
为了克服旋转变流机组的缺点，20世纪50年代开始采用汞弧整流器作为变流装置的主要部件，形成所谓的离子拖动系统，首次实现了静止变流，且缩短了响应时间，但由于汞弧整流器造价较高，体积仍然很大，维护困难，特别是如果水银泄漏，会造成人身伤害和环境污染，因此应用时间不长。
1957年大功率半导体可控整流器件晶闸管问世，使变流技术出现了根本性的变革。采用晶闸管变流装置供电的直流调速系统很快成为直流调速的的主流，特别是在大功率的场合。由晶闸管可控整流电路给直流电动机供电的系统称为晶闸管－电动机系统，简称V－M系统，又称静止的Wand－Leonand系统，这类系统通过改变给定电压Ugn来改变晶闸管整流装置的触发脉冲的相位，从而可改变晶闸管整流器的输出电压Ud的平均值，进而达到改变直流电动机转速的目的。
在晶闸管— 电动机系统中，当主回路串接了电感量足够大的电抗器，且电动机负载电流Id足够大时，主回路电流是连续的。当电动机空载或轻载时，即电动机负载电流Id较小时，主回路电流将产生电流断续的特殊现象主回路电流连续与否对晶闸管—电动机系统的开环机械特性将产生很大的影响。
晶闸管－电动机系统（V－M系统）与上述发电机－电动机系统（G－M系统）相比较，不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上也有更大的优势，功率放大倍数可达 104～105，控制功率小，有利于将微电子技术引入强电领域，与旋转变流机组和汞弧整流器相比，具有控制灵敏、响应快、占地面积小、能耗低、效率高、噪声小、维护方便等优点，因而得到了广泛应用。过去数十年来，直流电动机调速系统绝大部分都采用晶闸管－电动机系统。
但这种传统的晶闸管－电动机系统，限于晶闸管的性能，也有它的缺点，主要表现在：
晶闸管一般是单向导电器件，可逆运行比较困难，实现四象限运行需采用开关切换或使用正反两组整流器供电，后者所用的变流设备要增加一倍。
晶闸管器件对于过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt 十分敏感，其中任一值超过允许值都可能在瞬间使器件失效，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，这大大增加了设备的复杂性和不可靠因素。
晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，因此晶闸管整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，吸取滞后的无功电流，因此功率因数低，特别是深调速状态，即系统在较低速运行时，晶闸管的导通角很小，功率因数更低，并产生较大的高次谐波电流导致电网电压畸变。
晶闸管的调相还会导致强烈的电磁辐射，这与越来越高的电磁兼容要求是不相适应的。
3)直流脉宽调速系统
核心是脉冲宽度调制器（PulseWidthModulation，缩写为PWM），它是通过改变脉冲宽度的控制方式对直流电源进行调制，从而改变输出电压平均值的方法，是在V－M 调速系统的基础上，以脉宽调制式直流可调电源取代晶闸管相控整流电源后构成的直流电动机速度调节系统，其原理结构如图8 所示。它采用了全控型电力电子器件作为功率开关元件，并按脉宽调制方式对电动机的电枢电压进行调节，主电路结构简单，性能优越，是100KW以下直流电机调速的首选方案。该系统的闭环控制方式、分析综合方法均与晶闸管－直流电动机系统相同。
直流脉宽调速系统
自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用脉冲宽度调制(PWM)的高频开关控制方式形成的脉宽调制变换器——直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，即直流PWM调速系统。
PWM变换器的工作状态和电压、电流波形直流脉宽调速系统的机械特性
1)PWM变换器的工作状态和电压、电流波形
PWM变换器的作用：用PWM调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压系列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆与可逆两大类.
2)直流脉宽调速系统的机械特性
由于采用脉宽调制，严格地说，即使在稳态情况下，脉宽调速系统的转矩和转速也都是脉动的，所谓稳态，是指电机的平均电磁转矩与负载转矩相平衡的状态，机械特性是平均转速与平均转矩（电流）的关系。
采用不同形式的PWM变换器，系统的机械特性也不一样。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极式控制的可逆电路，电流的方向是可逆的，无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的，因而机械特性关系式比较简单，现在就分析这种情况。
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