交直流调速系统比较

论交流调速与直流调速

丁山传（s2*******）

研电子1班

本文主要阐述了当今正在使用和不断发展的直流调速系统和交流调速系统，并具体分析了调速系统发展和现状，并对他们的调速方式进行了简单说明，最后对直流调速系统与交流调速系统的一些性能进行了对比。

关键词直流调速交流调速

直流电动机拖动和交流电动机拖动先后诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。但是，由于技术上的原因，在很长一段时期内，占整个电力拖动系统80%左右的不变速拖动系统中采用的是交流电动机（包括异步电动机和同步电动机），而在需要进行调速控制的拖动系统中则基本上采用的直流电动机。这一格局应用至今并将持续一段时间。

第一章直流调速系统

第一节直流调速系统的现状和发展

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。长期以来，直流电动机一直占据着调速控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高的效率，优异的动态特性；尽管近年来不断受到其他电动机(如交流变频电机、步进电机等)的挑战，但到目前为止，它仍然是大多数调速控制电动机的优先选择。

五十多年来，直流电气传动经历了重大的变革。首先，实现了整流器件的更新换代，从50年代的使用已久的直流发电机—电动机组(简称G．M系统)及水银整流装置，到60年代的晶闸管—电动机调速系统(简称V-M系统)，使得变流技术产生了根本的变革。再到脉宽调制(PWM)变换器的产生，不仅在经济性和可靠性上有所提高，而且在技术性能上也显示了很大的优越性，使电气传动完成了一次大的飞跃。另外，集成运算放大器和众多的电子模块的出现，不断促进了控制系统结构的变化。随着计算机技术和通信技术的发展，数字信号处理器DSP应用于控制系统，控制电路已实现高集成化，小型化，高可靠性及低成本。以上技术的应用，使系统的性能指标大幅度提高，应用范围不断扩大。由于系统的调速精度高，调速范围广，所以，在对调速性能要求较高的场合，一般都采用直流电气传动。技术迅速发展，走向成熟化、完善化、系统化、标准化，在可逆、宽调速、高精度的电气传动领域中一

直居于垄断地位。

第二节 直流调速系统的调速方式

根据直流电机的工作基本原理，由直流电机的机械特性方程

T U

K K R K t e a e Φ-Φ=n

可知直流调速方法有三种：

（1）改变电枢回路电阻。该方法的优点是系统结构简单；缺

点是效率低。因此，该方法适于小功率直流电机、开环控制且仅能有级调速。一般应用于电动玩具中。

（2）改变电动机主磁通Φ。该方法的优点是能够实现平滑调

速；缺点是调速范围小而且通常是配合调压调速在基速以上作小范围的升速。现已很少单独使用，通常以非独立控制励磁的方式出现。

（3）调节电枢供电电压U 。改变电枢电压主要从额定电压往

下降低电枢电压，从电动机额定向下变速，属于恒转矩调速方法。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，这种方法最好。

比较上面三种直流调速方法可看出，改变电阻调速缺点很多，

目前很少使用，仅在一些起重机、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，做额定转速以上作小范围升速。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配合使用。

在调压调速系统中调节电动机的电枢供电电压需要专门的可控直流电源，可调的直流电源有以下三种：

①旋转变流机组：用交流电动和直流发电机组成机组以获得可调的电源。这种方法的优点是可以在准许的转矩范围内四象限运行，缺点是设备多、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，50年代广泛使用，今天很少用。

②静止式可控整流器：用静止可控整流器，如晶闸管可控整流器以获得可控直流电压。采用晶闸管整流供电的直流电动机调速系统已经成为直流调速系统的主要形式。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，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。但是，晶闸管整流器也有它的缺点：晶闸管一般是单向导电元件，晶闸管整流器的电流是不允许反向的，这给电动机实现可逆运行造成困难。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。晶闸管整流装置的输出电压是脉动的，而且脉波数总是有限的。

③直流斩波器和脉宽调制变器：以恒定直流电源供电，用直流斩波器和脉宽调制变换器中的开关器件，将直流电源电压断续加到负载上，通过通、断时间的变化来改变负载上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源，亦称直流－直流变换器。它具有效率高、体积小、重量轻、成本低等

优点，现广泛应用于地铁、电力机车、城市无轨电车以及电瓶搬运车等电力牵引设备的变速拖动中。

第二章交流调速系统

第一节交流调速系统的现状和发展

我们可以把交流调速的发展看作两个阶段：

1.古典控制阶段。

此时交流电机控制主要考虑电动机的外部稳态特性．亦即启动、调速、制动的控制。调速研究的主要内容是由一个状态到另一状态的速度变化状况，对电动机内部电磁变化的过程考虑较少，且主要着重于力学的过渡过程。由于力学惯性时间常数大于电磁时间常数，从而掩盖了电磁过程所起的作用。

2.现代控制阶段。

首先是电力电子器件的发展为交流调速奠定了物质基础。电力电子器件的发展，使得电动机电源的控制变得容易，相应地也促进了电动机控制技术的发展。现代交流电机调速技术的发展，一方面要求提高性能、降低损耗、降低成本，另一方面又不断地要求技术指标的提高。随着微电子技术和计算机技术的飞速发展，以及控制理论的完善、各种工具的目渐成熟，尤其是专用集成电路、DSP和FPGA近年来令人瞩目的发展，给交流电机控制系统带来了很多新的发展契机。目前交流电机控制已经成为一门集电机、电力电子、自动化、计算机控制和数字仿真为一体的新兴学科。

第二节交流调速系统控制方式

交流异步电动机的转速公式为：

N=N1(1-s)=60f(1-s)/p

上式中：N 一异步电动机的转速；

N l一旋转磁通势同步转速；

s一转差率；

f一电源频率；

P一极对数。

由上式可知，交流调速系统的调速方法可分为：

(1)降电压调速；

(2)转差离合器调速；

(3)转子串电阻调速；

(4)绕线转子电动机串级调速和双馈电动机调速；

(5)变极对数调速；

(6)变压变频调速等。

以上是一种比较原始的分类方法。

现代科学的分类是：看调速系统的是如何处理转差率的，转差率是消耗还是得到回收。从这点出发，可以把异步电动机的调速系统分成三类：

1)转差功率消耗型调速系统：这种类型的全部转差功率都转换成热能消耗在转子回路中.

2)转差功率馈送型调速系统：在这类系统中，除转子铜损外，

大部分转差功率在转子侧通过变流装置馈出或馈入，转速越低，能馈送的功率越多，

3)转差功率不变型调速系统：在这类系统中，转差功率只有转子铜损，而且无论转速高低，转差功率基本不变，因此效率更高.

在上述异步电动机的各种调速方式中，效率最高、性能最好、应用最广泛的是变压变频调速方式，它是一种转差功率不变型调速，可以实现大范围平滑调速。变频调速是通过改变电动机定子供电频率f来改变电动机同步转速N1，从而实现交流电动机调速的一种方法。变频装置工作是随着输出频率的变化，输出电压也要配合改变，因此，变频调速系统常被称为变压变频(VVVF)调速系统。交流电动机变频调速系统的种类很多，从早期提出的电压源型变频器开始，相继发展了电流源型，脉宽调制等各种变频器。目前，变频调速的主要方案有：交一交变频调速，交一直一交变频调速，同步电动机自控式变频调速，正弦波脉宽调制(SPWM)

变频调速，矢量控制变频调速等。这些变频调速技术的发展很大程度上依赖于大功率半导体器件的制造水平。随着电力电子技术的发展，特别是可关断晶闸管GT0，电力晶体管GTR，绝缘门极晶体管IGBT，MOS晶闸管及MTC等具有自关断能力全控功率元件的发展，再加上控制单元也从分离元件发展到大规模数字集成电路及采用微机控制，从而使变频装置的快速性，可靠性及经济性不断提高，变频调速系统的性能也得到不断完善。

第三章交直流调速系统的比较

直流调速控制简单，调速性能好，变流装置(晶闸管整流装置)容量小，长期以来在调速传动中一直占统治地位，但也具有以下缺点:

(1)功直流电动机结构复杂，成本高、故障多、维护困难，经常因火花大而影响生产。

(2)换向器的换向能力限制了电机的容量和速度。直流电动机的极限容量和速度之积约为106kW．r/min，许多大型机械的传动电动机己经接近或者超过该值，设计制造困难，甚至根本制造不出来。

(3)为改善换向能力，要求电枢漏感小，转子短粗，影响系统动态性能，在动态性能要求高的场合，不得不采用双电枢或者三电枢，带来造价高、占地面积大、易共振等一系列的问题。

(4)直流电动机除励磁外，全部输入功率都通过换向器流入电枢，电机效率低，由于转子散热条件差，冷却费用高。

交流电机没有上述缺点，但调速困难。近年来，随着电力电子技术的发展，大功率交流调速的性能己达到直流传动的水平，装置成本降低到与直流传动相当或者略低的程度，由于维修费用及能耗大大降低，可靠性提高，因此出现了以交流传动代替直流传动的强烈趋势。采用这项技术能取得下述效果:

(1)减小维修工作量，减少停机时间，提高产量。

(2)可以突破直流电动机的功率和速度极限，为设备提供更大

的动力，从而提高产量。

(3)减小电机的转动惯量。

(4)节能、节水。

(5)由于交流电动机结构简单，因此有可能与机械合为一体，形成机电一体化产品，大大简化机械结构，减小体积和重量，提高可靠性。

(6)成本方面，交流调速的功率装置(变频器与电网补偿装置)和控制装置比直流调速的功率装置和控制装置贵，但是它的电动机便宜。随着电动机功率的增加，交流调速总成本的增长比直流调速总成本的增加要慢，大于某一功率后，交流调速就比直流调速便宜。

第二节交直流调速系统的性能比较

总结

变频调速之所以比直流调速广泛运用是因为交流电机，不是变频调速原理具有优越性，变频调速只能应用于调速，而对力矩是无法做到精确控制的，原因很简单，直流调速的电枢和励磁不是耦合的，是分开的，这样对电枢电流和励磁电流能够做到精确控制。而交流调速，电枢电流和励磁电流是耦合的，是无法做到精确控制的，尽管目前的变频调速具有矢量控制，也就是运用现代控制理论，通过矢量转换，将交流电机中耦合的电枢电流和励磁电流解开，从而对其进行控制，也就是仿真直流调速的原理。但是要做到直流调速的控制特性目前是很困难的。因此在轧机、造纸等对力矩要求很高行业，直流调速还是具有广泛性。而仅对速度控制，目前变频调速是可以逼真直流调速的特性，因为交流电机的优越性是直流电机无法做到的。所以在今后的一段时间内还将是交流调速系统与直流调速系统共存的一段时期。

参考文献

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望，科学时代2010年第07期