邵阳学院毕业设计（论文）
引言
当前全球经济发展过程中，有两条显著的相互交织的主线：能源和环境。能源的紧张不仅制约了相当多发展中国家的经济增长，也为许多发达国家带来了相当大的问题。能源集中的地方也往往成为全世界所关注的热点地区。而能源的开发与利用又对环境的保护有着重大影响。全球变暖、酸雨等一系列环境灾难都与能源的开发与利用有关。
能源工业作为国民经济的基础，对于社会、经济的发展和人民生活水平的提高都极为重要。在高速增长的经济环境下，中国能源工业面临经济增长与环境保护的双重压力。有资料表明，受资金、技术、能源价格的影响，中国能源利用效率比发达国家低很多。90年代中国高耗能产品的耗能量一般比发达国家高12% ~ 55%左右，90%以上的能源在开采、加工转换、储运和终端利用过程中损失和浪费。如果进行单位
GNP能耗（吨标准煤/千美元）的国家比较（90年代中期），中国分别是瑞士、意大
利、日本、法国、德国、英国、美国、加拿大的14.4倍、11.3倍、10.6倍、8.8倍、
8.3倍、7.2倍、4.6倍、和4.2倍。1995年，中国火电厂煤耗为412克标准煤kW/h，
是国际先进水平的1.27倍。
由此可见，对能源的有效利用在我国已经非常迫切。作为能源消耗大户之一的电机在节能方面是大有潜力可挖的。我国电机的总装机容量已达4亿千瓦，年耗电量达6000亿千瓦时，约占工业耗电量的80%。我国各类在用电机中，80%以上为0.55
—220kW以下的中小型异步电动机。我国在用电机拖动系统的总体装备水平仅相当
于发达国家50年代水平。因此，在国家十五计划中，电机系统节能方面的投入将高达500亿元左右。所以直流调速系统在我国将有非常巨大的市场需求。
目前，国内直流调速系统的研究非常活跃，但是在产业化方面还不是很理想，市场的很大一部分还是被国外公司所占据。因此，为了加快国内直流调速系统的发展，就需要对国际直流调速技术的发展趋势和国内的市场需求有一个全面的了解。 直流双闭环调速系统是工业生产过程中应用最广泛的电气传动装置之一。广泛的应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中。它在以计算机做为工具的仿真系统应用时不仅省钱，而且安全，周期短、见效快。
近年来，交流调速系统发展很快，然而直流调速系统无论在理论上和实践上都比
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较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速系统的基础[1]，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。
现代工业生产中，电动机是主要的驱动设备。在各种高精工业生产中，工作可靠、速度控制精度高，并且不受环境温度等条件的影响、具有参数自整定、故障报警、故障记忆等功能，给用户的使用、维护提供极大方便的调速系统成为了当今的热门。而计算机和直流双闭环调速系统的结合体，刚好具有以上特点。应而，将来相当长的一段时间内，它将具有不可替代的优势。
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1 直流调速系统简介
调速系统是当今电力拖动自动控制系统中应用最普遍的一种系统。目前，需要高性能可控电力拖动的领域多数都采用直流调速系统。
1.1 晶闸管-电动机直流调速系统简介
20世纪50年代末，晶闸管（大功率半导体器件）变流装置的出现，使变流技
术产生了根本性的变革，开始进入晶闸管时代。由晶闸管变流装置直接给直流电动机供电的调速系统，称为晶闸管-电动机直流调速系统，简称V-M系统，又称为静止的Ward-leonard系统。这种系统已成为直流调速系统的主要形式。
图1.1是V-M系统的简单原理图[1,3,5]。图中V是晶闸管变流装置，可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，以改变整流电压Ud，从而实现平滑调速。由于V-M系统具有调速范围大、精度高、动态性能好、效率高、易控制等优点，且已比较成熟，因此已在世界各主要工业国得到普遍应用。
+~GT
Uc
L
~+
_M-
Ud
图1.1 晶闸管-电动机直流调速系统（V-M系统）
但是，晶闸管还存在以下问题：
（1）由于晶闸管的单向导电性，给系统的可逆运行造成困难；
（2） 由于晶闸管元件的过载能力小，不仅要限制过电流和反向过电压，而且还要限制电压变化率（du/dt）和电流变化率(di/dt)，因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件；
（3） 当系统处于深调速状态，即在较低速下运行时，晶闸管的导通角小，使
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得系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流，引起电网电压波形畸变，对电网产生不利影响；
（4） 由于整流电路的脉波数比直流电动机每对极下的换向片数要小得多，因
此，V-M系统的电流脉动很严重。
1.2 单闭环调速系统简介 1.2.1 系统的组成
由前面的分析可知，开环系统不能满足较高的调速要求。许多需要无级调速的生产机械，常常不允许有很大的静差率。为了使系统同时满足D、S的要求，提高调速质量，必须采用闭环系统。用转速检测装置，例如在电动机上安装一台测速发电机
TG，检测出输出量或被调量n的大小和极性，并把它变换成与转速成正比的负反馈
电压Ufn，与转速给定电压Un相比较后，得到偏差电压△Un，经放大产生触发装置
GT的控制电压Uc，用以控制电动机的转速。这就组成了转速负反馈单闭环调速系
统，其原理图如图1.2。根据自动控制原理，反馈闭环控制系统是按被调量的偏差进行控制的系统。只要被调量出现偏差，它就会产生纠正偏差的自动调节过程。而前述转速降落正是由负载引起的转速偏差，因此闭环调速系统应该能大大减小转速降落。
+U-△Un+AUn+UfnUcGTME--+Ut -TG图1.2 单闭环调速系统
1.2.2 系统的工作原理
改变转速给定电压Un的大小，就可以改变直流电动机的转速，实现平滑调速。如图1.3所示，设电动机在Ud1决定的特性上的点1处以转速n1稳定运行，这时负载电流Id=Id1，控制电压Uc=Uc1,整流平均电压Ud=Ud1,当电动机上的负载转矩TL加大时有如下自动调节过程,整流电压平均值的增量△Ud=Ud2-Ud1,用
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TLnEIdIdRUcUdUfn△Un(=Un -Ufn)与补偿电阻牙降增量△IdR=(Id2-Id1)R中的很大部分，使转速最后稳定在Ud2决定的特性上的点2处，显然n2略小于n1。
O12345A（闭环静特性）nB（开环机械特性）Ud1UUd3 d4Ud2Id图1.3 闭环系统静特性与开环机械特性的关系
上述自动调节作用表明，增加或减小负载，就相应地提高或降低整流电压，因而得到一条新的开环机械特性。按上述工作原理在每条开环机械特性上取一个相应的工作点，再将这些点集合起来 ，就是闭环系统的静特性，也就是说，闭环调速系统的静特性实际上是由许多机械特性上的不同运行点集合而成，可视为一条综合的特性直线，它代表闭环调节作用的结果。
由此可知，闭环系统能减小稳态降速的实际在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变整流电路。
1.2.3 单闭环调速系统的基本性质
转速单闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，具有以下具体特征，也就是反馈控制的基本规律：
（1） 应用比例调节器的单闭环系统是有静差的； （2） 单闭环系统对于给定输入绝对服从； （3） 单闭环系统具有较强的抗扰性能。
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