直流电机的调速方法样稿.doc

第八章 直流调速系统
 概 述
    调速方法通常有机械、电气、液压、气动多个，仅就机械和电气调速方法而言，也可采取电气和机械配合方法来实现速度调整。电气调速有很多优点，如可简化机械变速机构，提升传动效率，操作简单，易于取得无极调速，便于实现远距离控制和自动控制，所以，在生产机械中广泛采取电气方法调速。
因为直流电动机含有极好运动性能和控制特征，尽管它不如交流电动机那样结构简单、价格廉价、制造方便、维护轻易，不过长久以来，直流调速系统一直占据垄断地位。当然，多年来，伴随计算机技术、电力电子技术和控制技术发展，交流调速系统发展很快，在很多场所正逐步替换直流调速系统。不过就现在来看，直流调速系统仍然是自动调速系统关键形式。在中国很多工业部门，如轧钢、矿山采掘、海洋钻探、金属加工、纺织、造纸和高层建筑等需要高性能可控电力拖动场所，仍然广泛采取直流调速系统。而且，直流调速系统在理论上和实践上全部比较成熟，从控制技术角度来看，它又是交流调速系统基础。所以，我们先着重讨论直流调速系统。

    依据第三章直流电机基础原理，由感应电势、电磁转矩和机械特征方程式可知，直流电动机调速方法有三种：
    （1）调整电枢供电电压U。改变电枢电压关键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，属恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速系统来说，这种方法最好。改变碰到时间常数较小，能快速响应，不过需要大容量可调直流电源。
    （2）改变电动机主磁通。改变磁通能够实现无级平滑调速，但只能减弱磁通进行调速（简称弱磁调速），从电机额定转速向上调速，属恒功率调速方法。改变时间碰到时间常数同改变碰到相比要大得多，响应速度较慢，但所需电源容量小。
    （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方法，设备简单，操作方便。不过只能进行有级调速，调速平滑性差，机械特征较软；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。
    改变电阻调速缺点很多，现在极少采取，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传动系统中采取。弱磁调速范围不大，往往是和调压调速配合使用，在额定转速以上作小范围升速。所以，自动控制直流调速系统往往以调压调速为主，必需时把调压调速和弱磁调速两种方法配合起来使用。
    直流电动机电枢绕组中电流和定子主磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，电枢所以转动。直流电动机电磁转矩中两个可控参量和是相互独立，能够很方便地分别调整，这种机理使直流电动机含有良好转矩控制特征，从而有优良转速调整性能。调整主磁通通常还是经过调整励磁电压来实现，所以，不管是调压调速，还是调磁调速，全部需要可调直流电源。
 调速系统性能指标
    任何一台需要转速控制设备，其生产工艺对控制性能全部有一定要求。比如，精密机床要求加工精度达成几十微米至几微米；重型机床进给机构需要在很宽范围内调速，最高和最低相差近300倍；容量几千kW初轧机轧辊电动机在不到1秒时间内就得完成从正转到反转过程；高速造纸机抄纸速度达成1000m/min，%。全部这些要求，全部能够转化成运动控制系统稳态和动态指标，作为设计系统时依据。
转速控制要求
    多种生产机械对调速系统提出了不一样转速控制要求，归纳起来有以下三个方面：
    （1）调速。在一定最高转速和最低转速范围内，分档（有级）地或平滑（无级）地调整转速。
    （2）稳速。以一定精度在所需转速上稳定地运行，不因多种可能外来干扰（如负载改变、电网电压波动等）而产生过大转速波动，以确保产品质量。
    （3）加、减速控制。对频繁起、制动设备要求立即地加、减速，缩短起、制动时间，以提升生产率；对不宜经受猛烈速度改变生产机械，则要求起、制动尽可能平稳。
    以上三个方面有时全部须含有，有时只要求其中一项或两项，其中有些方面之间可能还是相互矛盾。为了定量地分析问题，通常要求多个性能指标，方便衡量一个调速系统性能。
稳态指标
    运动控制系统稳定运行时性能指标称为稳态指标，又称静态指标。比如，调速系统稳态运行时调速范围和静差率，位置随动系统定位精度和速度跟踪精度，张力控制系统稳态张力误差等等。下面我们具体分析调速系统稳态指标。
    （1）调速范围D
    生产机械要求电动机能达成最高转速nmax和最低转速nmin之比称为调速范围，用字母D表示，即
                                                                       （）
    其中nmax