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水星先生

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传动教材

发表评论（4）发布时间：2008年3月2日

    第1篇直流拖动控制系统

    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，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统有逐步取代直流调速系统的趋势。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。
    从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统(伺服系统)、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。
    直流电动机转速和其它参量之间的稳态关系可用表示为
    (1-1)
    式中 ——转速（r/min）;
    ——电枢电压（V）；
    ——电枢电流（A）；
    ——电枢回路总电阻（Ω）；
    ——励磁磁通（Wb）；
    ——由电机结构决定的电动势常数。
    由式（1-1）可以看出，调节电动机的转速有三种方法：
    1）调节电枢供电电压。
    2）减弱励磁磁通。
    3）改变电枢回路电阻。
    对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁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（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以变压调速为主。
    第1章闭环控制的直流调速系统
    内容提要
    开环控制的直流电机调速方法已在《电机与拖动》课中讲授，本书以讲授闭环自动控制系统为主，本章着重讨论基本的闭环控制系统及其分析与设计方法。直流调速系统主要采用变压调速，因此，第1-1节首先介绍三种可控的直流电源。采用电力电子装置的可控直流电源是《电力电子技术》课程的内容，为了承上启下，第1-2节和1-3节重点地归纳了晶闸管-电动机系统和直流脉宽调速系统的主要问题。第1-4节开始研究反馈控制的闭环调速系统，首先研究稳态的分析和设计方法，并总结反馈控制规律和一些实际问题。第1-5节则应用经典的自动控制理论解决调速系统的动态分析和设计。第1-6节讨论无静差调速系统，并总结积分控制规律和比例积分控制规律。第1-7节介绍采用电压反馈和电流补偿的调速系统，并总结补偿控制规律。
    1.1 直流调速系统用的可控直流电源
    变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有以下三种：
    1）旋转变流机组。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。
    2）静止式可控整流器。用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。
    3）直流斩波器或脉宽调制变换器。用恒定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，产生可变的平均电压。
    下面分别对各种可控直流电源及由它供电的直流调速系统作概括性的介绍。

    1.1.1 旋转变流机组
    图1-1所示为旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。由交流电动机（异步机或同步机）拖动直流发电机G实现变流，由G给需要调速的直流电动机M供电，调节G的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。这样的调速系统简称G-M系统，国际上通称Ward-Leonard系统。为了给G和M提供励磁电源，通常专设一台直流励磁发电机GE，可装在变流机组同轴上，也可另外单用一台交流电动机拖动。




    图1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M系统）原理图

    对系统的调速性能要求不高时，可直接由励磁电源供电；要求较高的闭环调速系统一般都应通过放大装置进行控制，如交磁放大机、磁放大器、晶体管电子放大器等。改变的方向时，的极性和的转向都跟着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。图1-2所示为采用变流机组供电时电动机可逆运行的机械特性。由图可见，无论正转减速还是反转减速时都能够实现回馈制动，因此G-M系统是可以在允许转矩范围之内四象限运行的系统。图1-2右上角是表示四象限运行的示意图。



    图1-2 G-M系统的机械特性

    机组供电的直流调速系统在20世纪60年代以前曾广泛地使用着，但该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，因此设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便。为了克服这些缺点，在60年代以后开始采用各种静止式的变压或变流装置来替代旋转变流机组。

    1.1.2 静止式可控整流器
    采用闸流管或汞弧整流器的离子拖动系统是最早应用静止式变流装置供电的直流调速系统。它虽然克服了旋转变流机组的许多缺点，而且还大大缩短了响应时间，但闸流管容量小，汞弧整流器造价较高，维护麻烦，万一水银泄漏，将会污染环境，危害人身健康。
    1957年，晶闸管（俗称可控硅整流元件，简称“可控硅”）问世，到了20世纪60年代，已生产出成套的晶闸管整流装置，逐步取代了旋转变流<　