電動機直流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1、電動機直流調(diào)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(diào)速方法晶閘管電動機調(diào)速系統(tǒng)，并具體列舉該調(diào)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(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展前景的展望。關(guān)鍵字：直流調(diào)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(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、制造方便、維護容易，但是長期以來，直流調(diào)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(shù)、電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)發(fā)展快，在許多場合正逐漸取代直流調(diào)速系統(tǒng)。但是就目前來看，直流調(diào)速系統(tǒng)仍然是自動調(diào)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(diào)速系統(tǒng)。而且，直流調(diào)速系統(tǒng)在理論和實踐上都比較成熟，從控制技術(shù)角度來看，它又是交流調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)。因此加強對直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展有利于更進一步發(fā)展交流調(diào)速系統(tǒng)，促進調(diào)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(diào)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(jié)構(gòu)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(diào)速。一般應(yīng)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?qū)崿F(xiàn)平滑調(diào)速；缺點是調(diào)速范圍小而且通

3、常是配合調(diào)壓調(diào)速在基速以上作小范圍的升速。現(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(diào)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(zhuǎn)矩調(diào)速方法。對于要求在一定范圍內(nèi)無級平滑調(diào)速的系統(tǒng)來說，這種方法最好?？烧{(diào)的直流電源有以下三種：旋轉(zhuǎn)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(diào)的流電源。這種方法的優(yōu)點是可以在許的轉(zhuǎn)矩范圍內(nèi)四象限運行，缺點設(shè)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(diào)制變器：

4、以恒定直流電源供電，用直流波器和脈寬調(diào)制變換器獲得可控的平電壓。比較上面三種直流調(diào)速方法可看出，改變電阻調(diào)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(diào)速性能要求不高或低速運轉(zhuǎn)時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。弱磁調(diào)速范圍不大，往往是和調(diào)壓調(diào)速配合使用，做額定轉(zhuǎn)速以上作小范圍升速。因此自動控制的直流調(diào)速系統(tǒng)往往以調(diào)壓調(diào)速為主，必要時把調(diào)壓調(diào)速和弱磁調(diào)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(diào)速方法晶閘管電動機調(diào)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(chǎn)生晶閘管整流器的調(diào)相信號，改變直流電機電樞端電壓，達到調(diào)節(jié)

5、電機速度的目的。優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，缺點是不能同時滿足調(diào)速范圍和靜差率的要求，機械特性軟，調(diào)速范圍窄。應(yīng)用于靜差率要求不高的無級調(diào)速場合。圖1 開環(huán)晶閘管電動機系統(tǒng)原理圖2、轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖2所示。轉(zhuǎn)速反饋電壓與轉(zhuǎn)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(diào)速范圍提高了；缺點是起動和堵轉(zhuǎn)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(diào)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(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)、以

6、電壓負反饋加電流補償控制代替轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)為什么用電壓負反饋代替轉(zhuǎn)速負反饋？因為轉(zhuǎn)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(diào)試和運行帶來麻煩。對調(diào)速指標要求不高的系統(tǒng)，可以考慮電壓負反饋代替轉(zhuǎn)速負反饋。（3）以電壓負反饋加電流補償控制代替轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電壓負反饋代替轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速性能不如轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)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(diào)速性能接近轉(zhuǎn)速負反饋的單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的性能。圖2 轉(zhuǎn)

7、速負反饋的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理圖3、轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)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(zhuǎn)速環(huán)）調(diào)速系統(tǒng)是一種當前應(yīng)用廣泛，經(jīng)濟，適用的電力傳動系統(tǒng)。它具有動態(tài)響應(yīng)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(zhuǎn)速負反饋和PI調(diào)節(jié)器的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)可以在保證系統(tǒng)穩(wěn)定的條件下實現(xiàn)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速后，又讓電流立即降下來，使轉(zhuǎn)矩馬上與負載相平衡，從而轉(zhuǎn)入穩(wěn)態(tài)運行。這時，啟動電流成方波形，而轉(zhuǎn)速是線性增長的。這是在最大電流（轉(zhuǎn)矩）首相的條件下調(diào)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(guān)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(zhuǎn)速負反饋同時加到一個調(diào)節(jié)器的輸入端，到達穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速后，又希望只要轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)。這樣就能做到既存在轉(zhuǎn)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(shè)計過程中，為了實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負反饋分別起作用，需要設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，二者之間實行串級連接，即把轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出當作電流調(diào)節(jié)器的輸入，再用電流調(diào)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(jié)構(gòu)上看，電流調(diào)節(jié)環(huán)在里面，叫內(nèi)環(huán)；轉(zhuǎn)速環(huán)在外面，叫外環(huán)。這樣就形成了轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系

10、統(tǒng)。圖3 轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)4、三環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 在雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，在電流環(huán)內(nèi)再加電流變化率內(nèi)環(huán)或電壓內(nèi)環(huán)構(gòu)成兩種三環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。增加了電流變化率內(nèi)環(huán)，提高了電流環(huán)的響應(yīng)速度，使起動過程的轉(zhuǎn)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(diào)速系統(tǒng)均未考慮電機可逆運轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(guān)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(guān)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(jié)構(gòu)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(yīng)于不經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的機械。用晶閘管開關(guān)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(guān)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(zhuǎn)的生產(chǎn)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(chǎn)生了多種控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，總的來說可以分為兩種：有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)、無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)。6、有環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng) （1）有環(huán)流可逆調(diào)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(diào)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(diào)速系統(tǒng)（1）無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)之一：邏輯控制無環(huán)流可逆調(diào)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(yīng)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(diào)速系統(tǒng)之二：邏輯選觸無環(huán)流可逆調(diào)速系統(tǒng)利用電子模擬開關(guān)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(jié)構(gòu)、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(diào)速系統(tǒng)之三:錯位控制無環(huán)流可逆調(diào)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(diào)速系統(tǒng)原理圖由

14、以上發(fā)展過程可知，首先直流調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展過程是一個從簡單到復(fù)雜、從開環(huán)到閉環(huán)、從單環(huán)到多環(huán)、從單向調(diào)速到可逆調(diào)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(diào)速方式向多種調(diào)速方式的縱向發(fā)展過程，而且每一種調(diào)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(diào)速系統(tǒng)和無環(huán)流可逆調(diào)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(zhuǎn)速閉環(huán)一種，根據(jù)應(yīng)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(diào)速系統(tǒng)目前有兩種，無環(huán)流可逆調(diào)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(diào)速系統(tǒng)的產(chǎn)生與發(fā)展都與其他學(xué)科存在緊密聯(lián)系。第一它與電機學(xué)有緊密地聯(lián)系，因為對于調(diào)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(dǎo)體變流技術(shù)的發(fā)展密不可分，電力電子技術(shù)元器件的性能越好可供選擇的種類越多，調(diào)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(diào)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(yīng)用，改變了控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改變了傳感元件的檢測技術(shù)，并且使各種先進控制算法得以實現(xiàn)。任何設(shè)計都不是終極設(shè)計，都在隨著其他科技的發(fā)展而不斷完善。圖5 直流調(diào)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