直流调速系统概述工作原理实训教学

基本概念
电阻系统是自动控制系统中最重要的应用系统 首先，电机是电力拖动系统的核心部件，它是电能 转化为机械能的有力工具。根据电机的供电方式，不是 同，它可分为直流电动机和交流电动机。由于直流电机 具有良好的启动和制动性能，能在大范围内平滑 因此，在轧钢设备、矿山提升设备、挖掘钻井设备、金属切割设备、造纸设备、电梯等方面，需要高性能的控制能力 被广泛应用于拖动场合。但是直流电机本身有一个 一些不可避免的缺陷，如换相问题、结构复杂、维护 制约直流拖动系统发展的困难和高成本因素。
近年来，随着计算机控制技术和电力电子技术的发展，交流拖动技术拖动技术的快速发展，有取代直流拖动系统的趋势。然而，直流拖动系统在理论和实践方面相对成熟。从控制的角度来看，它也是交流拖动系统的基础，所以我们应该首先学习直流拖动系统。
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 系统、位置随动系统、张力控制系统等。 基本上是通过控制转速(本质上是控制电机转矩) 因此，直流调速系统是最基本的拖动控制系统。
直流电机的转速方式如下：

式中，n为转速，单位为r/min；U单位为电枢电压V；I单位为电枢电流A；R为电枢电路总电阻，单位为Ω；Φ单位为励磁磁通Wb；Ke由电机结构决定的机电系数。
根据上述公式，调节直流电机转速的方法有三种：
改变电枢供电电压U
改变励磁通Φ
改变电枢电路电阻R
三种直流调速方式
1)改变电机电枢电压的调速方式
改变直流电机的电枢电压U时，其理想的空载速度n当电机电枢电流(即负载电流)发生变化时I不变时，速度下降△n不变。因此，直流电机的机械特性硬度保持不变，其机械特性是以U为参数的一簇平行线。改变电机电枢电流，其机械特性基本上是平行上下移动，速度相应变化， 这种调速方法称为改变电枢电压调速方法。
考虑到电机的绝缘性能， 只能在小于额定电压的范围内适当调整电枢电压的变化 在这种调速方式下，转速上限为电机的额定转速 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） 改变励磁电流调速模式
改变电机励磁电路的励磁电压， 这种调速方式称为改变励磁电流调速方式，可以改变励磁电流的大小，从而改变励磁通量的大小。
这种调速方案属于恒功率调速。调磁调速的调速范围不大，一般只配合调压调速，在电机额定转速上进行小范围的升速。调压调速与调磁调速相结合，构成调压调磁复合调速系统， 可获得较大的调速范围，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)电枢电路串电阻调速
附加电阻串联电机电枢电路， 改变串联电阻的电阻值也可以调节转速，称为电枢电路串联电阻调速。
这种调速方式只能有级调速， 而且串联电阻能耗大，电机机械特性软，速度受负载影响大，轻载重载时速度不同。此外，调速方式中的调速电阻损耗大，经济性差，一般只用于少数性能要求低的小功率场合。
调压调速的三种主要形式
根据以上讨论，调压调速是工程应用中调速系统的主要方式。调速方式需要专用、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类型：
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
以旋转变流器组为可控电源的直流调速系统称为发电机-电机系统，其主要部件为直流发电机G，直流电动机M，故简称G－M国际上通称系统Wand－Leonand系统。
直流发电机G由原动机引起M （交流异步电动机或同步电动机）拖 动，ФG和ФM它们是发电机和电机励磁回路的磁通。该系统通过原动机拖动直流发电机，改变发电机励磁回路的磁通ФG可以改变发电机的输出电压UG直流电机的电枢电压也发生了变化Ud，从而达到调压调速的目的。
2)晶闸管脉冲相位控制系统(晶闸管-电机系统)
为了克服旋转变流器的缺点，20世纪50年代开始使用汞弧整流器作为变流器的主要部件，形成所谓的离子拖动系统，首次实现静态变流，缩短响应时间，但由于汞弧整流器成本高，体积仍很大，维护困难，特别是如果汞泄漏，会造成人身伤害和环境污染，应用时间不长。
大功率半导体可控整流器件晶闸管于1957年问世，从根本上改变了变流技术。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主流，尤其是在大功率场合。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，又称静态Wand－Leonand该系统改变给定电压Ugn改变晶闸管整流装置的触发脉冲相位，从而改变晶闸管整流装置的输出电压Ud改变直流电机转速的平均值。
在晶闸管— 在电机系统中，当主电路串联电感足够大的电抗器时，电机的负载电流Id当电机空载或轻载时，主电路电流是连续的。 即电机负载电流Id在较小的时间内，主电路电流会产生间歇性电流的特殊现象。主电路电流的连续性是否会对晶闸管电机系统的开环机械特性产生很大的影响。
晶闸管-电机系统（V－M以上发电机-电机系统（G－M与系统相比，它不仅大大提高了经济性和可靠性，而且在技术性能上也有更大的优势。功率放大倍数可以达到 与旋转变流机组和汞弧整流器相比，控制功率小，有利于将微电子技术引入强电领域，它具有控制灵敏、响应快、占地面积小、能耗低、效率高、噪音低、维护方便等优点。近几十年来，直流电机调速系统大多采用晶闸管-电机系统。
但这种传统的晶闸管-电机系统仅限于晶闸管的性能， 主要表现为：
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。
晶闸管设备对于过电压、过电流和过高du/dt和di/dt 非常敏感，任何值超过允许值都可能在瞬间失效，因此必须有可靠的保护装置和合格的散热条件，这大大提高了设备的复杂性和不可靠性。
晶闸管的控制原理决定了只能触发滞后，因此晶闸管整流器相当于交流电源的感知负载，吸收滞后的无功电流，因此功率因数低，特别是深度调节速度 状态，即当系统低速运行时，晶闸管的导角很小， 功率因数较低，高谐波电流产生较大，导致电网电压畸变。
晶闸管的调相也会导致强电磁辐射，不适合电磁兼容性要求越来越高。
3)直流脉宽调速系统
核心是脉冲宽度调制器（PulseWidthModulation，缩写为PWM），直流电源通过改变脉冲宽度的控制来调节，从而改变输出电压的平均值V－M 在调速系统的基础上，取代晶闸管相控整流电源后形成的直流电机速度调节系统，其原理结构如图8所示 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以下直流电机调速首选方案。该系统的闭环控制方法和方法与晶闸管-直流电机系统相同。
直流脉宽调速系统
自全控电力电子设备问世以来，就出现了脉冲宽度调制(PWM)脉宽调制变换器-直流电机调速系统由高频开关控制模式形成，简称直流脉宽调速系统，即直流脉宽调速系统PWM调速系统。
PWM电流波形直流脉宽调速系统的工作状态和电压
1)PWM变换器的工作状态、电压和电流波形
PWM变换器的功能：使用PWM调制方法将恒定直流电源电压调制成一定频率和宽度的脉冲电压系列，从而改变平均输出电压的大小，调节电机转速。PWM变换器电路有多种形式，主要分为不可逆和可逆两类.
2)直流脉宽调速系统的机械特性
由于脉宽调制，严格来说，即使在稳态下，脉宽调速系统的扭矩和速度也是脉动的。所谓稳态，是指电机平均电磁扭矩与负载扭矩平衡的状态，机械特性是平均转速与平均扭矩(电流)的关系。
采用不同形式的PWM变换器的机械特性不同。对于带制动电流通路的不可逆电路和双极控制的可逆电路，电流方向是可逆的。无论是重载还是轻载，电流波形都是连续的。因此，机械特性的关系相对简单。现在我们来分析一下这种情况。
QY-TS02直流调速技术实训教学装置