2 直流调速系统
2.1 直流调速系统的基本概念
直流调速系统起步早，发展快，并且具有良好的运行特性和控制特性，长期占据着调速领域的主导地位，近年来交流调速系统在现代化工业应用上也发展的很快，并期望在短时间内能够取代直流调速系统，而现代的工业生产中，如矿山开采、炼钢厂、造纸厂、纺织业等使用的自动调速系统仍然是直流调速系统，因其对调速性能的要求比较高，而交流调速系统的发展目前还不是很完善，这使得在现代工业的生产过程当中，直流调速系统仍然是自动调整系统的主要形式。
2.1.1 直流电动机的调速方法
(1) 直流他励电动机供原理图如图1所示。
图1 直流他励电动机供电原理图
(2) 直流他励电动机的电气方程：
(1)
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式(1)中 分别表示的是电动机电枢电压和电枢供电电源空载电压；E 表示的是电枢电动势；R 、
、
和
分别表示的是电枢回路总电阻、供电电
；桅 和
源内阻、电枢电阻和线路或外接电阻；n 表示的是转速，单位为决定的。
(3) 直流他励电动机的调速方法为；由公式(1)可知，通过改变电枢供电电压
的大小、或降低
的励磁磁通、或者改变电枢回路中的电阻 和
都
能对转速进行调节。在移动，如图2所示。
的值不变的情况下，改变电枢供电电压
的快慢，机械特性比较平稳的上下
Ke 分别表示的是励磁磁通和电动势系数；电动势系数 Ke 是由电动机的结构来
的大小，能平滑的调节转速
图2 直流他励电动机调压调速和弱磁调速时的
机械特性
因受电动机自身性能的影响，工作调节电枢电压不能超过额定电压，导致电枢电压的调节范围只能是在其额定电压范围内进行，所以这种调速的范围也只能是在其额定转速大小之下进行。这对要求在一定范围内的无级平滑调速系统来说，这种调节方式最好，通过调节电压大小来实现转速的调节是调速系统的一种主要调节方式。在
和
的值不变的情况下，减小励磁磁通
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（直
流电动机在运行时，为了更好的经济效益，通常都是在额定转速下运行，磁路中的磁通量趋于饱和，因此只有减小励磁磁通减小励磁磁通
来对电动机转速进行调节），
电动机的转速会比额定转速大，机械特性向上移动，如图2中部分机械特性，
来进行调速只能在额定转速以上进行调速，由于电动机存在机
械强度和换向器的限制，其调速范围也不可能太大，在现代工业的生产过程当中，通常只是配合调压调速方法一起使用，在额定的转速上作小范围的提升转速运转，这样的调压与调磁相结合的方式，可以扩大转速调节的范围。改变电枢回路电阻进行调速一般是在电枢回路中串接附加电阻，这种调速方法损耗比较大，只能进行有级调速，由于电动机的机械特性比固有特性软，通常只是用于少数小功率和场合。
2.1.2 直流调速系统的供电方式
要实现调压调速，就得要有一个平滑可调的直流电源，常用的可调直流电源有以下三种：
(1) 旋转变流机组：使用直流发电机组和交流电动机组成旋转变流机
组，可以获得可调的直流电压。在二十世纪四十年代，工业上就广泛采用旋转式变流机组给直流调速系统供电，如图3所示。
图3 旋转变流机组供电的直流调速系统
交流电动机M1拖动直流发电机G发电，发电机给需要调速的直流电动机M供电。调节发电机的励磁电流电动机的转速
可改变其输出电压U ，从而调节直流
的方向，则
,此系统简称为G-M系统。若改变电流
电压U的极性和转速n的转身都跟着改变，可以实现G-M系统的可逆运行。通常还要另外增加一台直流励磁发电机GE来供给电动机和直流发电机励磁电流。但因G-M系统设备多、相对比较复杂、安装运行维护不便、成本高、经济效益低、噪音大等缺点。
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(2) 静止可控整流器：使用静止的可控整流器，比如晶闸管可控整流器，可以获得可调的直流电压。二十世纪六十年代，晶闸管可控整流装置的出现，因其具有高效、费用底、体积小、噪音小等优良性能，面且晶闸管可控整流器的功率放大倍数在104以上。在控制的速度反应方面，变流机组是秒级，而晶闸管整流器的反应级数是毫秒级，从反应速度上来比较，晶闸管整流器的反应速度明显比变流机组快，这就大大提高了系统反应速度。
(3) 直流斩波器或脉宽调制变换器：使用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制变换器产生可变的直流平均电压。在电力牵引系统的设备上常采用直流串励或复励电动机，由恒压直流电源提供电能。直流电压也可以使用晶闸管来进行控制，即直流斩波器，也称之为直流调压器。如图X所示，在直流斩波器中，当VT被触发导通之后，电压
加到电
动机上，当断开VT之后，电动机和电源断开，电动机经过VD（二极管）的续流，电压值趋于零。经过反复作用，可以得到如图X的电枢端电压的波形。直流斩波器能通过调节晶闸管导通与关断的时间来改变其平均电压的大小，以此来调节转速。
2.1.3 开环V-M系统的机械特性
开环V-M系统的组成如图X所示，当调节给定电压时，晶闸管所组成的触发电路移相角α发生改变，导致整流电压改变，从而调节了转速n。
开环V-M系统的机械特性，若电流是连续的时候，转速为
和电枢电压
发生
（2）
开环V-M系统的机械特性如图4中的实线所示。
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图4 开环V-M系统的机械特性
其中式(2)中
。式中
表示的是电机在额定磁通下，电动势的转速比，其中表示整流电压在一个时间周期内的波头数，式中
。随即产生的转速降，若
表示的越小，的大小
表示的是开环调速系统的
是开环调速系统在理想空载的条件下的转速，式中稳态速降。给电动机加负载，就会产生电流完全由电阻
及所加负载的大小来决定的。
则开环V-M系统的机械特性硬度越大。当系统在开环条件下运行时，
晶闸管整流装置的电压输出是脉动电压，会造成在主回路电感量不足或者是在电动机负载较轻的情况下出现电流断续。当负载电流减小，反电动势快速变大，导致理想空载转速比，如图4中的虚线所示。
开环V-M系统的机械特性分为电流连续段和断续段，机械特性呈线性较硬的是连续段，呈非线性较软的是断续段。从综合特性来看，要提高系统的机械特性，需要增加反馈调节。这样才能满足工业化生产的应用要求。
2.2 直流调速系统的动态分析
2.2.1 单闭环直流系统的动态分析
(1) 单闭环调速系统的动态数学模型，通过建立系统的动态模型，能更加直观的定量分析单闭环调速系统的动态性能。建立模型的一般步骤为：例微分方程，进行拉氏变换得到传递函数，画出动态结构框图，求出系统的传递函数。
电压方程式为：
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直流电机模糊控制系统的MATLABSimulink仿真研究
