電動機直流調速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1、電動機直流調速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀摘要：本文主要闡述當今正在使用和不斷發(fā)展的直流電機的主流調速方法晶閘管電動機調速系統(tǒng)，并具體列舉該調速系統(tǒng)各種發(fā)展方向以及對它們的原理和特點作寫簡單說明，最后對今后直流調速系統(tǒng)的發(fā)展前景的展望。關鍵字：直流調速系統(tǒng) 晶閘管 開環(huán) 閉環(huán) 由于直流電動機具有幾號的運動性能和控制特性，盡管它不如交流電動機那樣結構簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調速系統(tǒng)一直占據(jù)壟斷地位。當然，近年來，隨著計算機技術、電力電子技術和控制技術的發(fā)展，交流調速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場合正逐漸取代直流調速系統(tǒng)。但是就目前來看，直流調速系統(tǒng)仍然是自動調速系統(tǒng)的主要形式。在我國許多工業(yè)

2、部門，如軋鋼、礦山采掘、海洋鉆探、金屬加工、紡織、造紙以及高層建筑等需要高性能可控電力拖動場合，仍然廣泛采用直流調速系統(tǒng)。而且，直流調速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術角度來看，它又是交流調速系統(tǒng)的基礎。因此加強對直流調速系統(tǒng)的發(fā)展有利于更進一步發(fā)展交流調速系統(tǒng)，促進調速系統(tǒng)的進一步完善。 根據(jù)直流電機的工作基本原理，由直流電機的機械特性方程 可知直流調速方法有三種：（1）改變電樞回路電阻。該方法的優(yōu)點是系統(tǒng)結構簡單；缺點是效率低。因此，該方法適于小功率直流電機、開環(huán)控制且僅能有級調速。一般應用于電動玩具中。（2）改變電動機主磁通。該方法的優(yōu)點是能夠實現(xiàn)平滑調速；缺點是調速范圍小而且通

3、常是配合調壓調速在基速以上作小范圍的升速?，F(xiàn)已很少單獨使用，通常以非獨立控制勵磁的方式出現(xiàn)。（3）調節(jié)電樞供電電壓U。改變電樞電壓主要從額定電壓往下降低電樞電壓，從電動機額定向下變速，屬于恒轉矩調速方法。對于要求在一定范圍內無級平滑調速的系統(tǒng)來說，這種方法最好?？烧{的直流電源有以下三種：旋轉變流機組：用交流電動和直流發(fā)電機組成機組以獲得可調的流電源。這種方法的優(yōu)點是可以在許的轉矩范圍內四象限運行，缺點設備多、體積大、費用高、效率低安裝須打地基、運行有噪聲、維護方便，50年代廣泛使用，今天很少用。靜止式可控整流器：用靜止可控整流器，如晶閘管可控整流器以獲得可控直流電壓。直流斬波器和脈寬調制變器：

4、以恒定直流電源供電，用直流波器和脈寬調制變換器獲得可控的平電壓。比較上面三種直流調速方法可看出，改變電阻調速缺點很多，目前很少使用，僅在一些起重機、卷揚機及電車等調速性能要求不高或低速運轉時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調速范圍不大，往往是和調壓調速配合使用，做額定轉速以上作小范圍升速。因此自動控制的直流調速系統(tǒng)往往以調壓調速為主，必要時把調壓調速和弱磁調速配合使用。下面具體列舉幾種當今正在使用和不斷發(fā)展的直流電機的主流調速方法晶閘管電動機調速系統(tǒng)。 1、開環(huán)晶閘管電動機系統(tǒng)原理如圖1所示。速度指令電位器發(fā)出的指令，經(jīng)過脈沖觸發(fā)生成電路產生晶閘管整流器的調相信號，改變直流電機電樞端電壓，達到調節(jié)

5、電機速度的目的。優(yōu)點是結構簡單，缺點是不能同時滿足調速范圍和靜差率的要求，機械特性軟，調速范圍窄。應用于靜差率要求不高的無級調速場合。圖1 開環(huán)晶閘管電動機系統(tǒng)原理圖2、轉速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)原理如圖2所示。轉速反饋電壓與轉速指令電壓相比較形成偏差電壓，偏差電壓經(jīng)放大作為晶閘管觸發(fā)脈沖生成電路的輸入信號，后與開換電路相同。該方法的優(yōu)點是：與開環(huán)系統(tǒng)相比，機械特性較硬、靜差率較小、一定靜差率的調速范圍提高了；缺點是起動和堵轉電流過大，對電機換向不利、對晶閘管不利。改進提高措施：加偏差調節(jié)器或限流措施。目前，有三種改進措施：增加電流截止負反饋環(huán)節(jié)電壓負反饋代替轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)、以

6、電壓負反饋加電流補償控制代替轉速負反饋。（1）兩種電流截止負反饋環(huán)節(jié)（2）電壓負反饋代替轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)為什么用電壓負反饋代替轉速負反饋？因為轉速負反饋需要測速發(fā)電機，而測速發(fā)電機的安裝維護比較困難，另外反饋信號中含有交流成分，會給調試和運行帶來麻煩。對調速指標要求不高的系統(tǒng)，可以考慮電壓負反饋代替轉速負反饋。（3）以電壓負反饋加電流補償控制代替轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)電壓負反饋代替轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的調速性能不如轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的性能，若采取一些措施，如增加電流正反饋補償控制，可以使該系統(tǒng)調速性能接近轉速負反饋的單閉環(huán)直流調速系統(tǒng)的性能。圖2 轉

7、速負反饋的單閉環(huán)調速系統(tǒng)原理圖3、轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)系統(tǒng)原理圖如圖3所示。直流電機雙閉環(huán)（電流環(huán)、轉速環(huán)）調速系統(tǒng)是一種當前應用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應快、抗干擾能力強優(yōu)點。我們知道反饋閉環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的抗擾性能，它對于被反饋環(huán)的前向通道上的一切擾動作用都能有效的加以抑制。采用轉速負反饋和PI調節(jié)器的單閉環(huán)調速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉速無靜差。但如果對系統(tǒng)的動態(tài)性能要求較高，例如要求起制動、突加負載動態(tài)速降小等等，單閉環(huán)系統(tǒng)就難以滿足要求。這主要是因為在單閉環(huán)系統(tǒng)中不能完全按照需要來控制動態(tài)過程的電流或轉矩。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，只有電流截至負反饋環(huán)節(jié)是專

8、門用來控制電流的。但它只是在超過臨界電流值以后，強烈的負反饋作用限制電流得沖擊，并不能很理想的控制電流的動態(tài)波形。在實際工作中,我們希望在電機最大電流受限的條件下，充分利用電機的允許過載能力，最好是在過度過程中始終保持電流（轉矩）為允許最大值，使電力拖動系統(tǒng)盡可能用最大的加速度起動，到達穩(wěn)定轉速后，又讓電流立即降下來，使轉矩馬上與負載相平衡，從而轉入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉速是線性增長的。這是在最大電流（轉矩）首相的條件下調速系統(tǒng)所能得到的最快的起動過程。實際上，由于主電路電感的作用，電流不能突跳，為了實現(xiàn)在允許條件下最快啟動，關鍵是要獲得一段使電流保持為最大值得恒流過程，按照反

9、饋控制規(guī)律，電流負反饋就能得到近似的恒流過程。問題是希望在啟動過程中只有電流負反饋，而不能讓它和轉速負反饋同時加到一個調節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉速后，又希望只要轉速負反饋，不在*電流負反饋發(fā)揮主作用，因此我們采用雙閉環(huán)調速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉速和電流兩種負反饋作用又能使它們作用不同的階段。在設計過程中，為了實現(xiàn)轉速和電流兩種負反饋分別起作用，需要設置兩個調節(jié)器，分別調節(jié)轉速和電流，二者之間實行串級連接，即把轉速調節(jié)器的輸出當作電流調節(jié)器的輸入，再用電流調節(jié)器的輸出去控制晶閘管整流器的觸發(fā)裝置從閉環(huán)結構上看，電流調節(jié)環(huán)在里面，叫內環(huán)；轉速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉速、電流雙閉環(huán)調速系

10、統(tǒng)。圖3 轉速、電流雙閉環(huán)調速系統(tǒng)4、三環(huán)調速系統(tǒng) 在雙閉環(huán)調速系統(tǒng)的基礎上，在電流環(huán)內再加電流變化率內環(huán)或電壓內環(huán)構成兩種三環(huán)調速系統(tǒng)。增加了電流變化率內環(huán)，提高了電流環(huán)的響應速度，使起動過程的轉速和電流更接近理想波形，進一步改善了電機的起動性能。5、晶閘管電動機系統(tǒng)的可逆線路前面的調速系統(tǒng)均未考慮電機可逆運轉問題?？紤]可逆問題使晶閘管電動機系統(tǒng)進一步完善。電動機可逆運轉的實現(xiàn)方法有兩種：電樞反接可逆線路和勵磁反接可逆線路。其中，電樞反接可逆線路有如下三種實現(xiàn)方法：用接觸器切換的可逆線路、用晶閘管開關切換的可逆線路、兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。勵磁反接可逆線路也有三種實現(xiàn)的方法：用接觸器切

11、換的可逆線路、用晶閘管開關切換的可逆線路、兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路。用接觸器切換的可逆線路的優(yōu)點是結構簡單、經(jīng)濟，缺點是如果接觸起頻繁切換，其動作噪聲大，壽命短；動作時間長（幾秒），適應于不經(jīng)常正反轉的機械。用晶閘管開關切換的可逆線路的優(yōu)點是線路簡單，可靠性較高。缺點是需要四個耐壓和容量都較高的開關晶閘管，并不經(jīng)濟，常用于中小容量的拖動系統(tǒng)。兩組晶閘管裝置反并聯(lián)可逆線路的優(yōu)點是可靠性高、切換迅速，缺點是兩組晶閘管不能同時處于整流狀態(tài)，否則將造成電源短路，因此該系統(tǒng)對控制電路提出了嚴格要求，適用于要求經(jīng)常正反轉的生產機械。三相橋式可逆線路在反向過程的性能和環(huán)流方面存在問題。反向過程主要在于制

12、動過程和反向起動過程。環(huán)流在于存在直流平均環(huán)流、瞬時脈動環(huán)流。為了解決上述兩方面的問題，產生了多種控制系統(tǒng)結構，總的來說可以分為兩種：有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)、無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)。6、有環(huán)流可逆調速系統(tǒng) （1）有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)之一用正反組配合工作制消除直流平均環(huán)流；用環(huán)流電抗器減小瞬時脈動環(huán)流；用剩余的少許脈動環(huán)流改善低速機械性能，防止電流斷續(xù)。（2）有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)之二當主回路電流斷續(xù)時采用正組控制角小于反組逆變角的控制方式；當主回路電流連續(xù)時采用正組控制角大于反組逆變角的控制方式。7、無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)（1）無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)之一：邏輯控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)這種系統(tǒng)的優(yōu)點是省掉了四個環(huán)流電抗

13、器；既無直流平均環(huán)流又無瞬時脈動環(huán)流，可靠性高，它的缺點是反向過程慢、電流不平滑。常應用于反向過程平滑性不高，可靠性要求高的大型系統(tǒng)。（2）無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)之二：邏輯選觸無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)利用電子模擬開關進行選觸的無環(huán)流可逆系統(tǒng)。該系統(tǒng)的優(yōu)點是節(jié)省了一套控制器和觸發(fā)裝置。從簡化系統(tǒng)結構、提高系統(tǒng)性能出發(fā)，人們采取了一些措施，得到了其他形式的控制方式。（3）無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)之三:錯位控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)該系統(tǒng)的原理是借助于兩組觸發(fā)脈沖的錯位來實現(xiàn)無環(huán)流。正組控制角+反組逆變角=360度或300度，初始相位整定在180度或150度。系統(tǒng)原理如圖4所示。圖4 錯位控制無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)原理圖由

14、以上發(fā)展過程可知，首先直流調速系統(tǒng)的發(fā)展過程是一個從簡單到復雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調速到可逆調速的不斷豐富完善的過程。發(fā)展過程如圖5所示。不僅存在從單一調速方式向多種調速方式的縱向發(fā)展過程，而且每一種調速系統(tǒng)本身也都在發(fā)展完善之中。如開環(huán)閉環(huán)、單閉環(huán)、雙閉環(huán)、三環(huán)、有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)和無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)都在不斷的完善和發(fā)展之中。單閉環(huán)不僅是轉速閉環(huán)一種，根據(jù)應用要求不同可以采用電壓負反饋、電流補償?shù)忍娲胧?。有環(huán)流可逆調速系統(tǒng)目前有兩種，無環(huán)流可逆調速系統(tǒng)目前有三種，它們都在不斷完善和發(fā)展之中。 其次，直流調速系統(tǒng)的產生與發(fā)展都與其他學科存在緊密聯(lián)系。第一它與電機學有緊密地聯(lián)系，因為對于調速來說，電機是控制對象，對控制對象的研究越深入控制效果才會越好。第二與半導體變流技術的發(fā)展密不可分，電力電子技術元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調速系統(tǒng)的性能才會越好。微型計算機的發(fā)展，尤其是微控制器的發(fā)展為直流調速系統(tǒng)的進一步發(fā)展插上了翅膀。微控制器在這里的應用，改變了控制系統(tǒng)的結構，改變了傳感元件的檢測技術，并且使各種先進控制算法得以實現(xiàn)。任何設計都不是終極設計，都在隨著其他科技的發(fā)展而不斷完善。圖5 直流調速方法分類圖參考文獻1、陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng)（第2版），北京：機械工業(yè)出版社，1999年10月2