直流调速系统

1、直流调速系统第 2 章内容提要内容提要n直流调速方法直流调速方法n直流调速电源直流调速电源n直流调速控制直流调速控制q 引引 言言 运动控制系统中应用最普遍的是运动控制系统中应用最普遍的是自动调速系统；自动调速系统； 在自动调速系统中应用历史最长、在自动调速系统中应用历史最长、在理论和实践上都比较成熟的是直流在理论和实践上都比较成熟的是直流调速系统。调速系统。q 引引 言言 直流电动机具有良好的起、制动性能，直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用

2、。广泛的应用。 由于直流调速系统在理论上和实践上由于直流调速系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础。因此，我们先又是交流调速系统的基础。因此，我们先着重讨论直流调速系统。着重讨论直流调速系统。2.1 直流电动机的调速性能直流电动机的调速性能 和直流调速系统的主要方案和直流调速系统的主要方案2.1.1 2.1.1 直流电动机的调速性能和方法直流电动机的调速性能和方法2.1.2 2.1.2 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源2.1.1 直流电动机的调速性能和方法直流电动机的调速性能和方法直流电动机的物

3、理模型直流电动机的物理模型电枢绕电枢绕组组励磁绕励磁绕组组定子定子转子转子NSNSnTe直流电机的物理模型图解释直流电机的物理模型图解释 直流电动机接线图直流电动机接线图电枢电势电枢电势 n PNEa- nCen 60a n式中：nEa直流电机的电枢电势（V）p极对数 a支路对数N电枢总导体数 n转速，（r/min）每极磁通，（Wb）Ce 与电动机结构有关的常数 理解理解n 无论直流电机的电枢绕组的支路数是多少,直流电机的电刷间的直流电枢电势总是和某一支路的电势相等。它的理解方法可以与这个物理公式相比较：其中电势Ea 对应于 e ，对应于B；电势常数Ce 对应于l；转速 n 对应于线速度 v

4、。因为直流发电机或电动机运行时均存在磁场和导体切割磁力线的情况。 直流电动机的电势平衡方程式直流电动机的电势平衡方程式 nU Ea IaRa 2Us n式中 nRa表示电枢绕组电阻 ，Ea为电枢电势，U 表示负载或电网上的电压值。 Us为电刷压降，因为电机运行时，电刷处为滑动接触，其压降基本为常数，视其材料而定， 通常忽略。直流电机的电磁转矩及其平衡方程式直流电机的电磁转矩及其平衡方程式 n P NT - IaCTIa 2a n式中：nEa直流电机的电枢电势（V）p极对数 a支路对数N电枢总导体数 n转速，（r/min）每极磁通，（Wb）Ce 与电动机结构有关的常数 根据直流电机转速方程根据直

5、流电机转速方程 aeUI RnKnUIaRKe式中式中 转速（转速（r/min）；）； 电枢电压（电枢电压（V）；）； 电枢电流（电枢电流（A）；）； 电枢回路总电阻（电枢回路总电阻（ ）；）； 励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）； 由电机结构决定的电动势由电机结构决定的电动势常数常数。取决于负载转矩取决于负载转矩2.1.1 直流电动机的调速性能和方法直流电动机的调速性能和方法 由上式可以看出，有三种方法调节由上式可以看出，有三种方法调节电动机的转速：电动机的转速： （1）调节电枢供电电压）调节电枢供电电压 U； （2）减弱励磁磁通）减弱励磁磁通 ； （3）改变电枢回路电阻）改变电枢回路电阻 R。

6、（1）调压调速）调压调速n工作条件：工作条件： 保持励磁保持励磁 = N ； 保持电阻保持电阻 R = Ran调节过程：调节过程： 改变电压改变电压 UN U U n ， n0 n调速特性：调速特性： 转速下降，机械特性转速下降，机械特性曲线平行下移。曲线平行下移。nn0OIaILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线n0理想空载转速理想空载转速（2）调阻调速）调阻调速n工作条件：工作条件： 保持励磁保持励磁 = N ； 保持电压保持电压 U =UN ；n调节过程：调节过程： 增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变；不变；n调速特性：调速特性： 转速下降

7、，机械特性转速下降，机械特性曲线变软。曲线变软。nn0OIaILR aR 1R 2R 3nNn1n2n3调阻调速特性曲线调阻调速特性曲线（3）调磁调速）调磁调速n工作条件：工作条件： 保持电压保持电压 U =UN ； 保持电阻保持电阻 R = R a ；n调节过程：调节过程： 减小励磁减小励磁 N n ， n0 n调速特性：调速特性： 转速上升，机械特性转速上升，机械特性曲线变软。曲线变软。nn0OTeTL N 1 2 3nNn1n2n3调磁调速特性曲线调磁调速特性曲线 三种调速方法的性能与比较三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说

8、，以调节电枢供电电压的方式的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。额定转速）以上作小范围的弱磁升速。 因此，自动控制的直流调速系统往往因此，自动控制的直流调速系统往往以以调压调速调压调速为主。为主。2.1.2 直流调速系统用的可控直流电源直流调速系统用的可控直流电源 根据前面分析，调压调速是直流调速根据前面分析，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节

9、电枢电压需要有系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动机供电的可控直流电源（功率专门向电动机供电的可控直流电源（功率驱动装置）。驱动装置）。控制器控制器功率驱动装置功率驱动装置生产机械生产机械电动机电动机给定给定电网电网常用的可控直流电源有以下三种常用的可控直流电源有以下三种n旋转变流机组旋转变流机组用交流电动机和直流发用交流电动机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。电机组成机组，以获得可调的直流电压。n静止式可控整流器静止式可控整流器用静止式的可控整用静止式的可控整流器，以获得可调的直流电压。流器，以获得可调的直流电压。n直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器用恒

10、定用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用电力直流电源或不控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产电子开关器件斩波或进行脉宽调制，以产生可变的平均电压。生可变的平均电压。1 旋转变流机组旋转变流机组图图2.2 旋转变流机组供电的直流调速系统（旋转变流机组供电的直流调速系统（G-M系统）系统） G-M系统工作原理系统工作原理 由原动机（柴油机、交流异步或同步由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，实现变流，由由 G 给需要调速的直流电动机给需要调速的直流电动机 M 供电，供电，调节调节G 的励磁电流的励磁电流 if 即可改变其

11、输出电即可改变其输出电压压 U，从而调节电动机的转速，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称这样的调速系统简称G-M系统，国际系统，国际上通称上通称Ward-Leonard系统。系统。 G-M系统特性系统特性nOTeTL-TLn0n1n2图图2.3 G-M系统的机械特性系统的机械特性 G-M系统在系统在20世纪世纪60年代以前曾被年代以前曾被广泛使用，但该系统至少包含两台与调广泛使用，但该系统至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此系统设备多、体积台励磁发电机，因此系统设备多、体积大、费用高、效率低，安装需打地基，大、费用

12、高、效率低，安装需打地基，运行有噪声，维护不方便。为克服这些运行有噪声，维护不方便。为克服这些缺点，在缺点，在20世纪世纪60年代后开始采用静止年代后开始采用静止式的变压或变流装置。式的变压或变流装置。 G-M系统应用情况系统应用情况2 静止式可控整流器静止式可控整流器图图2.4 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统） GU 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理晶闸管（可控硅），是一种大功率半导体器件晶闸管（可控硅），是一种大功率半导体器件。优点：优点：体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应体积小、重量轻、耐压高、容量大、响应速度快、控

13、制灵活、寿命长、使用维护方便。速度快、控制灵活、寿命长、使用维护方便。缺点：缺点：处于断续的非线性周期工作状态，产生的处于断续的非线性周期工作状态，产生的大量谐波会对电网产生不良影响，造成干扰；过大量谐波会对电网产生不良影响，造成干扰；过载能力和抗干扰性能较差，控制电路复杂。载能力和抗干扰性能较差，控制电路复杂。 晶闸管的结构和工作原理晶闸管的结构和工作原理导通条件：导通条件：在阳极和阴极之间加正在阳极和阴极之间加正向电压向电压Uak；在控制极和阴极之间加；在控制极和阴极之间加正向控制电压正向控制电压Ugk。kagk：阴极：阴极a：阳极：阳极g：控制极：控制极Uak 0， Ugk 导通（几导通

14、（几微秒内微秒内）关断条件：关断条件：一旦导通，且一旦导通，且Uak始终大始终大于于0，则控制电压不再起作用，直到，则控制电压不再起作用，直到Uak 0，晶闸管才转为关断状态。，晶闸管才转为关断状态。 由晶闸管组成的可控整流电路举例由晶闸管组成的可控整流电路举例udRL+T1T2D1D2UG1UG2u2u1_u20 t不可控桥式整流电路+_+_单向半控桥式整流电路idud0 tidud0 tidUG10 tUG22：控制角：导通角当 时 ：全导通0, 由晶闸管组成的可控整流电路举例由晶闸管组成的可控整流电路举例可控整流：可控整流：通过改变触发脉冲的移相使通过改变触发脉冲的移相使 角改变，角改变

15、，从而使导通角从而使导通角 发生变化，来控制输出直流平均电发生变化，来控制输出直流平均电压的大小。压的大小。输出直流电压平均值：输出直流电压平均值：dAV22011cos2sin( t)0.92Uuu2 静止式可控整流器静止式可控整流器图图2.4 晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（晶闸管可控整流器供电的直流调速系统（V-M系统）系统） GU V-M系统工作原理系统工作原理 晶闸管晶闸管-电动机调速系统（简称电动机调速系统（简称V-M系统，又称静止的系统，又称静止的Ward-Leonard系统）系统）图中图中VT是晶闸管可控整流器，通过调节是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置触发装置 GT 的

16、控制电压的控制电压 Uc 来移动触发来移动触发脉冲脉冲UG的相位，即可改变整流电压的相位，即可改变整流电压Ud ，从而实现平滑调速。从而实现平滑调速。 V-M系统的特点系统的特点 与与G-M系统相比较：系统相比较：n晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上都有晶闸管整流装置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显示出较大的很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在10 4 以上，其门极电流可以直接用晶体管来控以上，其门极电流可以直接用晶体管来控制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放制，不再像直流发电机那

17、样需要较大功率的放大器。大器。n在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而在控制作用的快速性上，变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的晶闸管整流器是毫秒级，这将大大提高系统的动态性能。动态性能。 V-M系统的问题系统的问题n由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。nnnTeTeTea 单象限运行单象限运行b 二象限运行二象限运行c 四象限运行四象限运行半控整流电路全控整流电路正反两组全控整流电路 V-M系统的问题系统的问题n晶闸管对过电压、过电流和过高的晶闸管对过电压、过电流和过高的dV/dt与与di/dt 都十分敏感，若超过允许都十分敏感，若超过

18、允许值会在很短的时间内损坏器件，因此必值会在很短的时间内损坏器件，因此必须有可靠的保护电路和符合要求的散热须有可靠的保护电路和符合要求的散热条件，而且在选择器件时还应留有适当条件，而且在选择器件时还应留有适当的余量。的余量。 V-M系统的问题系统的问题n由谐波与无功功率引起电网电压波形畸由谐波与无功功率引起电网电压波形畸变，殃及附近的用电设备，造成变，殃及附近的用电设备，造成“电力电力公害公害” ” （当系统处于深调速状态，即（当系统处于深调速状态，即在较低转速运行时，晶闸管的导通角很在较低转速运行时，晶闸管的导通角很小，使得系统的功率因数很低，并产生小，使得系统的功率因数很低，并产生较大的谐

19、波电流，引起电网电压波形畸较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变）变） 。3 直流斩波器或脉宽调制变换器直流斩波器或脉宽调制变换器 在干线铁道电力机车、工矿电力机在干线铁道电力机车、工矿电力机车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车车、城市有轨和无轨电车和地铁电机车等电力牵引设备上，常采用直流串励或等电力牵引设备上，常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电网供电，过复励电动机，由恒压直流电网供电，过去用切换电枢回路电阻来控制电机的起去用切换电枢回路电阻来控制电机的起动、制动和调速，在电阻中耗电很大。动、制动和调速，在电阻中耗电很大。a a）原理图）原理图b b）电压波形图）电压波形图tOuUsUdTt

20、on控制电路控制电路M直流斩波器的基本结构直流斩波器的基本结构图2.5 直流斩波器-电动机系统的原理图和电压波形 斩波器的基本控制原理斩波器的基本控制原理 在原理图中，在原理图中，VT VT 表示电力电子开关表示电力电子开关器件，器件，VD VD 表示续流二极管。当表示续流二极管。当VT VT 导通导通时，直流电源电压时，直流电源电压 U Us s 加到电动机上；当加到电动机上；当VT VT 关断时，直流电源与电机脱开，电动关断时，直流电源与电机脱开，电动机电枢经机电枢经 VD VD 续流，两端电压接近于零。续流，两端电压接近于零。如此反复，好像是电源电压如此反复，好像是电源电压U Us s在

21、在t ton on 时间时间内被接上，又在内被接上，又在 T T t tonon 时间内被斩断，时间内被斩断，故称故称“斩波斩波”。这样，电动机得到的平均电压为这样，电动机得到的平均电压为 输出电压计算输出电压计算ssondUUTtU式中式中 T 晶闸管的开关周期；晶闸管的开关周期； ton 开通时间；开通时间； 占空比占空比， = ton / T = ton f ；其中其中 f 为开关频率。为开关频率。 为了节能，并实行无触点控制，现为了节能，并实行无触点控制，现在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、在多用电力电子开关器件，如快速晶闸管、门极可关断晶闸管门极可关断晶闸管(GTO)(GTO)、绝缘栅极双极、绝缘栅极双极型晶体管型晶体管(IGBT)(IGBT)等。等。 采用简单的单管控制时，称作采用简单的单管控制时，称作直流直流斩波器斩波器，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽，后来逐渐发展成采用各种脉冲宽度调制开关的电路，度调制开关的电路，脉宽调制变换器脉宽调制变换器（PWM-Pulse Width Modul