直流调速系统：认识和调试

知识导读

一、直流电动机的调速方法

由感应电动势、电磁转矩以及机械特性方程式可知，直流电动机的调速方法有三种。

1.调节电枢供电电压U

改变电枢电压主要是从额定电压往下降低电枢电压，从电动机额定转速向下变速，对恒转矩系统来说，电源电压能平稳调节，可以实现无级平滑调速，负载变化时，速度变化小，稳定性好，无论轻载或重载，调速范围相同，电能损耗小，这种方法最好。

改变电枢电压调速的工作条件：保持励磁Φ = ΦN，保持电阻R = Ra；调节过程：改变电压UN→U↓→n↓，n0↓；

调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移，如图3.1.1 所示。

2.改变电动机主磁通

改变磁通可以实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电动机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。其响应速度较慢，但所需电源容量小。

改变电动机主磁通的工作条件：保持电压U = UN；保持电阻R = Ra；

调节过程：减小励磁ΦN→Φ↓→n↑，n0↑；

调速特性：转速上升，机械特性曲线变软，如图3.1.2 所示。

图3.1.1　直流电动机调压调速特性曲线

图3.1.2　直流电动机调磁调速特性曲线

3.改变电枢回路电阻

在电动机电枢回路外串电阻进行调速的方法，设备简单，操作方便。但是只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特性较软；空载时几乎没什么调速作用；还会在调速电阻上消耗大量电能。

图3.1.3　直流电动机变电阻调速特性曲线

改变电阻调速的缺点很多，目前很少采用，仅在有些起重机、卷扬机及电车等调速性能要求不高或低速运转时间不长的传动系统中采用。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上做小范围的升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主，必要时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。

（1） 改变电阻调速的工作条件：保持励磁Φ = ΦN，保持电压U = UN。

（2） 调节过程：增加电阻Ra→R↑→n↓，n0 不变；

（3） 调速特性：转速下降，机械特性曲线斜率变大，特性变软，如图3.1.3 所示。

二、直流调压调速用可控直流电源

1.旋转变流机组系统（G-M 系统）

旋转变流机组系统用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压，简称G-M 系统。其原理图和机械特性如图3.1.4 所示。

图3.1.4　G-M 系统原理图和机械特性

2.晶闸管脉冲相位控制系统（V-M 系统）

采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统（即晶闸管-电动机调速系统，简称V-M系统，又称静止Ward-Leonard 系统）已经成为直流调速系统的主要形式。其原理图如图3.1.5所示。

调速系统中的VT 是晶闸管可控整流器，它可以是任意一种整流电路，通过调节触发装置GT 的控制电压来移动触发脉冲的相位，从而改变整流输出电压平均值Ud，实现电动机的平滑调速。

V-M 系统与G-M 系统比较的优缺点如下。

优点：和旋转变流机组及离子拖动变流相比，晶闸管整流不仅在经济性和可靠性上都有很大提高，而且在技术性能上显示出很大的优越性。晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104～105，控制功率小，有利于微电子技术引入到强电领域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系统的动态性能。与旋转变流机组和汞弧整流器相比，具有控制灵敏、响应快、占地面积小、能耗低、效率高、噪声小、维护方便等优点。

图3.1.5　晶闸管-电动机调速系统

缺点：

（1） 晶闸管一般是单向导电元件，必须实现四象限可逆运行时，只好采用开关切换或正、反两组全控型整流电路，构成V-M 可逆调速系统，后者所用变流设备要增多一倍。(www.xing528.com)

（2） 晶闸管元件对于过电压、过电流十分敏感，必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应保留足够的余量，以保证晶闸管装置的可靠运行。

（3） 晶闸管的控制原理决定了只能滞后触发，晶闸管可控整流器对交流电源来说相当于一个感性负载，功率因素低，特别是在深调速状态，晶闸管的导通角很小、功率因素很低，并产生较大的高次谐波电流，引起电网电压波形畸变，因此需采取相应的无功补偿、滤波和高次谐波的抑制措施。

（4） 晶闸管整流装置还会导致强烈的电磁辐射。

3.直流脉宽调速系统（PWM 系统）

直流脉宽调速系统（PWM 系统）是交流电源经不可控整流得到稳恒的直流电压，再利用斩波电路将直流电压变成宽度可调的高频脉冲电压，加在电动机电枢绕组上，通过改变脉冲的宽度改变电动机电枢电压的平均值，从而实现对电动机的调速控制。其电路组成及原理如图3.1.6 所示。

图3.1.6　PWM 系统电路组成及原理

三、直流调速系统的性能指标

1.静差率S

静差率S 是指空载转速与额定负载转速之差与理想空载转速的比值，它反映了电动机转速稳定程度。

2.调速范围D

电动机在额定负载下进行调速时，在满足静差率要求的前提下，所能达到的最高转速与最低转速之比称为调速范围。

3.调速平滑性

一定范围内调速级数越多，平滑性越好。

任务实施

一、准备阶段

（1） 自动控制实训室THPDC-2 型电力电子及电气传动实训设备与配套电动机等，如图3.1.7 所示；可调直流电源、可变电阻器、测功机、转速表；常用电工工具及仪器仪表，安全保护用具。

图3.1.7　THPDC-2 型电力电子及电气传动实验台

（2） 实训手册及使用说明书等技术资料。

二、操作步骤

1.电路接线

按图3.1.8 所示装接电路。

2.通电调试前的检查

（1） 将电枢回路断开，通电后检查直流电动机是否有励磁电压，若有则断电后恢复接线。

（2） 直流电动机空载，将各可变电阻器调零，对可调直流电源输出进行调零。

图3.1.8　直流电动机调速电路图

（3） 通电调试。

① 调压调速：调节可调直流电源的输出电压，改变直流电动机电枢电压，观察直流电动机转速的变化。

② 弱磁升速：加大励磁回路中的电阻，减小励磁电流，减弱励磁磁通，提高直流电动机的转速。

注意事项

（1） 调节可调直流电源输出电压时，不要超过直流电动机的额定电压。

（2） 增大励磁回路中的电阻时，阻值不能过大，否则励磁电流过小，容易导致转速过高造成“飞车”事故。

（3） 严格遵守实训室管理规定和安全操作规范。