直流调速系统的发展状况

直流调速系统的发展状况宋畅s20102137摘要直流调速系统目前已被广泛应用于自动控制要求较高的产品之中，直流调速系统相应速度快，超调量小，系统稳定性好，并具有很强的抗干扰性。简单介绍直流调速的基本原理详细回顾直流调速的发展过程。关键词直流调速系统发展状况在现代化的工业生产过程中，几乎无处不使用电力传动装置，生产工艺、产品质量的要求不断提高和产量的增长，使得越来越多的生产机械要求能实现自动调速。对可调速的传动系统，可分为直流调速和交流调速。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，易于在大范围内平滑调速，过载能力大，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁地无级快速启动与制动和反转，能满足生产过程自动化系统中各种不同的特殊运行要求，至今在金属切削机床、造纸机等需要高性能可控电力拖动的领域仍有广泛的应用，到目前为止是调速系统的主要形式。1.直流调速系统简介最初的直流调速系统是采用恒定的直流电压向流电动机电枢供电，通过改变电枢回路中的电阻实现调速。这种方法简单易行，设备制造方便，价格低廉。但缺点是效率低、机械特性软、不能在较宽围内平滑调速，所以目前极少采用。30年代末，出现了发电机一电动机(也称为旋转变流组)，配合采用磁放大器、电机扩大机、闸流管等控制器件，可获得优良的调速性能。如有较宽的调速范围(十比一至数十比一)、较小的转速变化率和调速平滑等，特别是当电动机减速时，可以通过发电机非常容易地将电动机轴的飞轮惯量反馈给电网，这样，一方面可得到平滑的制动特性；另一方面又可减少能量的损耗，提高效率。但发电机一电动机调速系统的主要缺点是需要增加两台与调速电动机相当的旋转电机和一些辅助励磁设备，因而体积大、费用高、效率低、安装需有地基、运行有噪声、维修困难等【1】。20世纪70年代，由于采用电力电子变换器的高效交流变频调速开发成功，结构简单、成本低廉，工作可靠、维护方便、效率高的交流笼型电机进入了可调速领域，从而直流调速被交流调速所替代[4]。2.直流调速系统原理直流电动机具有良好的起、制动性能，易于在大范围平滑调速，在金属切削机床、轧钢机、矿井卷扬机、海洋钻机、高层电梯等需要高性能电力拖动中得到了广泛应用[3]。直流电机的转速表达式:UIRnK（1）式中，U为直流电动机电枢两端的电压，I通过电枢的电流，R式电枢回路的电阻，Φ为励磁磁通，Ke是励磁常数。2、直流调速的发展过程下文述及的是当今正在使用和不断发展的直流电机的主流调速方法—晶闸管电动机调速系统。2.1开环晶闸管电动机系统原理如图1所示。速度指令电位器发出的指令，经过脉冲触发生成电路产生晶闸管整流器的调相信号，改变直流电机电枢端电压，达到调节电机速度的目的。优点是结构简单，缺点是不能同时满足调速范围和静差率的要求，机械特性软，调速范围窄。应用于静差率要求不高的无级调速场合。2.2转速负反馈的单闭环调速系统原理如图2所示。转速反馈电压与转速指令电压相比较形成偏差电压，偏差电压经放大作为晶闸管触发脉冲生成电路的输入信号，后与开换电路相同。该方法的优点是：与开环系统相比，机械特性较硬、静差率较小、一定静差率的调速范围提高了；缺点是起动和堵转电流过大，对电机换向不利、对晶闸管不利。改进提高措施：加偏差调节器或限流措施。目前，有三种改进措施：增加电流截止负反馈环节、电压负反馈代替转速负反馈的单闭环直流调速系统、以电压负反馈加电流补偿控制代替转速负反馈。（1）两种电流截止负反馈环节（2）电压负反馈代替转速负反馈的单闭环直流调速系统为什么用电压负反馈代替转速负反馈？因为转速负反馈需要测速发电机，而测速发电机的安装维护比较困难，另外反馈信号中含有交流成分，会给调试和运行带来麻烦。对调速指标要求不高的系统，可以考虑电压负反馈代替转速负反馈。（3）以电压负反馈加电流补偿控制代替转速负反馈的单闭环直流调速系统电压负反馈代替转速负反馈的单闭环直流调速系统的调速性能不如转速负反馈的单闭环直流调速系统的性能，若采取一些措施，如增加电流正反馈补偿控制，可以使该系统调速性能接近转速负反馈的单闭环直流调速系统的性能。2.3转速、电流双闭环调速系统针对单闭环系统不能满足快速起制动、突加负载动态速降小等应用要求，引进电流负反馈，构成双闭环调速系统。启动时电流环起主要作用，保证恒定的起动电流；稳定工作时转速环起主要作用，保证负载稳速运行。转速、电流双闭环调速系统的一个不足之处是起动转速超调。解决的一个方法是加转速微分负反馈。原理如图3所示。转速指令电压与转速负反馈构成外环，二者的偏差经过速度调节器生成内环电流指令。内环电流指令与反馈电流构成内环，电流偏差信号作为晶闸管脉冲触发生成装置的输入信号，后与开换电路相同。2.4三环调速系统在双闭环调速系统的基础上，在电流环内再加电流变化率内环或电压内环构成两种三环调速系统。增加了电流变化率内环，提高了电流环的响应速度，使起动过程的转速和电流更接近理想波形，进一步改善了电机的起动性能。2.5晶闸管电动机系统的可逆线路前面的调速系统均未考虑电机可逆运转问题。考虑可逆问题使晶闸管电动机系统进一步完善。电动机可逆运转的实现方法有两种：电枢反接可逆线路和励磁反接可逆线路。其中，电枢反接可逆线路有如下三种实现方法：用接触器切换的可逆线路、用晶闸管开关切换的可逆线路、两组晶闸管装置反并联可逆线路。励磁反接可逆线路也有三种实现的方法：用接触器切换的可逆线路、用晶闸管开关切换的可逆线路、两组晶闸管装置反并联可逆线路。用接触器切换的可逆线路的优点是结构简单、经济，缺点是如果接触起频繁切换，其动作噪声大，寿命短；动作时间长（几秒），适应于不经常正反转的机械。用晶闸管开关切换的可逆线路的优点是线路简单，可靠性较高。缺点是需要四个耐压和容量都较高的开关晶闸管，并不经济，常用于中小容量的拖动系统。两组晶闸管装置反并联可逆线路的优点是可靠性高、切换迅速，缺点是两组晶闸管不能同时处于整流状态，否则将造成电源短路，因此该系统对控制电路提出了严格要求，适用于要求经常正反转的生产机械。三相桥式可逆线路在反向过程的性能和环流方面存在问题。反向过程主要在于制动过程和反向起动过程。环流在于存在直流平均环流、瞬时脉动环流。为了解决上述两方面的问题，产生了多种控制系统结构，总的来说可以分为两种：有环流可逆调速系统、无环流可逆调速系统。2.6有环流可逆调速系统（1）有环流可逆调速系统之一用正反组配合工作制消除直流平均环流；用环流电抗器减小瞬时脉动环流；用剩余的少许脉动环流改善低速机械性能，防止电流断续。（2）有环流可逆调速系统之二当主回路电流断续时采用正组控制角小于反组逆变角的控制方式；当主回路电流连续时采用正组控制角大于反组逆变角的控制方式。2.7无环流可逆调速系统（1）无环流可逆调速系统之一：逻辑控制无环流可逆调速系统这种系统的优点是省掉了四个环流电抗器；既无直流平均环流又无瞬时脉动环流，可靠性高，它的缺点是反向过程慢、电流不平滑。常应用于反向过程平滑性不高，可靠性要求高的大型系统。（2）无环流可逆调速系统之二：逻辑选触无环流可逆调速系统利用电子模拟开关进行选触的无环流可逆系统。该系统的优点是节省了一套控制器和触发装置。从简化系统结构、提高系统性能出发，人们采取了一些措施，得到了其他形式的控制方式。（3）无环流可逆调速系统之三:错位控制无环流可逆调速系统该系统的原理是借助于两组触发脉冲的错位来实现无环流。正组控制角+反组逆变角=360度或300度，初始相位整定在180度或150度。系统原理如图4所示。[2]3设计思想3.1发展过程由以上发展过程可知，直流调速系统的发展过程是一个从简单到复杂、从开环到闭环、从单环到多环、从单向调速到可逆调速的不断丰富完善的过程。发展过程如图5所示。不仅存在从单一调速方式向多种调速方式的纵向发展过程，而且每一种调速系统本身也都在发展完善之中。如开环闭环、单闭环、双闭环、三环、有环流可逆调速系统和无环流可逆调速系统都在不断的完善和发展之中。单闭环不仅是转速闭环一种，根据应用要求不同可以采用电压负反馈、电流补偿等替代措施。有环流可逆调速系统目前有两种，无环流可逆调速系统目前有三种，它们都在不断完善和发展之中。3.2直流调速系统的发展与其他学科的发展紧密相连直流调速系统的产生与发展都与其他学科存在紧密联系。例如直流调速系统与神经网络的结合用于智能机内检测；专家控制用于双闭环直流调速[8]。首先它与电机学有紧密地联系，因为对于调速来说，电机是控制对象，对控制对象的研究越深入控制效果才会越好。其次与半导体变流技术的发展密不可分，电力电子技术元器件的性能越好可供选择的种类越多，调速系统的性能才会越好。微型计算机的发展，尤其是微控制器的发展为直流调速系统的进一步发展插上了翅膀。正如现场总线PROFIBUS在现场中对直流调速系统的网络控制[6]。微控制器在这里的应用，改变了控制系统的结构，改变了传感元件的检测技术，并且使各种先进控制算法得以实现。任何设计都不是终极设计，都在随着其他科技的发展而不断完善。参考文献[1].王新岚.浅谈直流调速系统的发展.吉林工程技术师范学院学报.2009.3[2].刘广瑞.从直流调速系统的发展过程看机电产品的设计思想.中国科技信息.2007.3[3].杨琳琳.数字直流调速系统的设计与实现.合肥工业大学.20071201[4].白芹.现代交直流调速系统的发展与展望.滁州农机技工学校.科学时代.2010.7[5].张井岗曾建潮孙志毅.直流电动机调速系统的内模控制.电机与控制学报.1998.6[6].蔡连群何凤有袁文华陶永正.直流调速系统的网络控制.煤炭科学技术.2007.2[7].梅英杜云峰.智能机内检测技术及其在直流调速系统中的应用.电工电气.2010.1[8].卢建强孙培德顾宝龙.专家控制用于双闭环直流调速系统.电气时代.2004.12[9].王鑫张丽玲.转速、电流双闭环直流调速系统设计.机械与电子.2010.1[10].赵相宾年培新.谈我国变频调速技术的发展及应用.天津电气传动研究所.2004.3