摘要：工业控制中大量采用异步电动机和直流电机作为电力拖动设备，为适应不同场合的需要，电机应当有较好的调速性能。本文首先介绍直流电机的基本调速方式，并根据其电气结构特点给出几种常见的控制调速方式。并建立了开环控制模型，分析其电气性能和机械性能上的优劣。
关键词：直流电机；开环控制
1.直流电机及其调速方式
直流电机是根据电磁感应定律和电磁力定律实现机械能与直流电能转换的电气设备。直流电动机的特点是具有良好的起动，调速，制动性能。它的起动转矩大，能在较大的范围内实现平滑，经济地调速。虽然相对于三相异步电动机具有成本较高占地较大，机械设计维护制造维护难度较大，且需要整流电源配置等缺点，还是在实际工业生产中在对起动性能和调速性能要求较大的场合仍然具有一定的地位，如发电厂锅炉给粉系统，矿井卷扬机械，大型机床和电力机车以及城市无轨电车，都使用直流电动机拖动。由此可见直流电动机在工农业生产中发挥的重要作用。
根据电机学中直流电机的基本理论，电机转速由下式给出：
n =（U−IR）/（CeΦ）
式中 n——转速（r/min）；
U——电枢电压（V）；
I——电枢电流（A）；
R——电枢回路总电阻（Ω）；
Φ——励磁磁通（Wb）；
Ce——电机的常数，由其结构决定。
从上式中可以看出三种基本的直流电机调速方法，改变电枢电压，改变主磁通，或者 改变电枢回路总电阻。改变电枢电压调速。这种调速方法可以实现连续平滑调速，电枢电压可以依靠电力电子设备进行控制。
现常用的方法有两种，其一为使用晶闸管把交流电能整成直流电能，控制量为晶闸管的移相触发角。在实现的时候，晶闸管的触发角和输出电压并不是正相关的关系。在控制理论的建模中，将晶闸管环节简化成是一个一阶惯性环节，方便使用经典的控制理论进行系统分析与校正。根据电力电子中的分析，三相全控整流桥的输出电压由U = 2.34U2cos（ ）决定，触发角的范围为 0-90，这就需要在实际控制时，对触发角进行处理，包括将前级的输出量成比例的放缩至触发区间，以及将输出量转化为正相关的量。工业控制中通过求余角的方式实现这一点。
改变主磁通调速，又称弱磁调速。弱磁调速虽然能够实现平滑调速，但是调速范围不大，一般只是配合方案，在额定转速以上做小范围的弱磁升速，且根据由于铁磁性物质磁化特性非线性，在控制中等效成一个非线性环节，在实际处理时需要进行线性化。在实行电力传动系统仿真控制的时候，其控制对象是电机的励磁电流。
改变电枢回路总电阻调速。该种调速方法只能实现有级调速，不能在大范围内实现平滑调速。设备操作较为简单，但是串电阻使得电机机械特性变软，同时在调速电阻上还会有大量的能耗。
综合以上三种调速方式的特点，电枢回路串电阻缺点很多，应用不广，仅有在一些起重机，卷扬机及电力机车等调速性能要求不高等场合才用。弱磁调速实现的调速范围不大，往往是和调压方式配合使用，在额定转速以上做小幅度升速。对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，往往采用调节电枢电压的方式最为实用。
2．V-M 调速系统概述
工业控制中广泛应用晶闸管——电动机调速系统（简称 V-M 系统），下面介绍阐述 V-M 的主要技术问题：
（1）电流脉动。由于直流电机中的电感值不是无限大，所以输出电流会有脉动。脉动电流会增加电机的发热，同时也产生了脉动转矩，对生产不利。在实际应用中可以选取增加整流电路相数，采用多重化技术，设置平波电抗器等方式进行稳流。对于三相全桥，总电感计算公式为L = 0.693 U2 Idmin，单位是毫亨（mH）。再减去电枢中的线圈电感，即为平波电抗器的电感值。
（2）电流断续问题。由于整流电路的一周期脉波数是有限的。三相半桥一周期三脉波，三相全桥一周期六脉波。采用多重化技术以后有十二脉波整流电路。但是输出电压波形必然是脉动的，由于电感不可能无限大，电流脉动的过程中有可能出现断续的情况。当电感量较小或者负载较轻的情况下，在某一相导通后电流升高的阶段里，电感的储能较少，等到电流下降而下一相尚未被触发以前，电流已衰减到零，于是便造成电流波形断续的情况。电流波形的断续给用平均值描述的系统带来一种非线性因素，也引起机械特性的非线性，影响系统的运行性能。因此，在实际中应尽量避免出现电流断续。
（3）晶闸管触发和整流装置的放大系数和传递函数。实际的触发电路和整流电路都不 是线性环节。实际中将该环节等效为一个一阶惯性环节。在动态过程中，晶闸管触发与整 流装置看成是一个纯滞后环节，其滞后效应是由晶闸管的失控时间引起的。
3，开环直流电机调速系统的波形分析
模型参数选取如下：电枢回路电阻 R=0.5Ω，L=0.015H。电机本身的时间常数τ = L/R=0.03s，励磁支路电阻为 200Ω，电感为 120H。励磁方式为它励，励磁电压为220V。交流电源线电压为 380V，触发延迟角为 30 度。负载转矩加为 50Nm。得到转速，电枢电流，励磁电流，电磁转矩波形如下图
1.4.2 开环系统波形分析
1）电磁转矩与电枢电流波形完全相同，这是由于电磁转矩正比于电枢电流所致，由决定。
2）励磁电流应该是一条直线，曲线虽然看起来是下垂的，但是实际上波动十分小，可认为是一条直线。这种情况一方面可能来自于matlab自身数值运算产生的误差，同时在刚起动时，加一直流电源的电流电源，电流波形实际上属于一阶RL动态电路的零状态相应，到稳态需要一个过渡过程。励磁回路时间常数，根据电路理论，一般认为3-5可认为进入稳态，与实际波形基本一致。
3）转速n上升的波形非线性。这是由于电流非线性变化。转速公式为
在开环系统中，只有电枢电流I 是变量，故而转速上升规律非线性。在后面我们将看到引入了电流截至负反馈以后可以使得电流在起动过程中不变，可以使得转速上升曲线为一条直线。
1.4.3 开环系统存在的问题
上述开环系统存在的问题主要在于静差率太大，即机械特性较软。即增加一定负载转矩，转速下降较大.对于有些电机设备，要求负载变化时，转速不能有太大变化。此外在图1-2中可以看出在起动过程中，电流先变大后变小，最后达到稳态值，稳态时电流值对应的电磁转矩就对应着负载转矩，最后电枢电流稳定在20A左右，但是电流上升过程中电流最大值可达到600A以上。虽然起动过程很短暂，但是这段时期仍然会产生巨大的焦耳热。同时也会产生巨大的电磁力，甚至可以使电枢中的绕组扭曲变形散架。
参考文献：
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[3] 王兆安，刘进军主编.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2018
[4] 陈伯时主编.电力拖动自动控制系统.北京：机械工业出版社，2005
[5] 胡寿松主编.自动控制原理.北京：科学出版社，2007
论文作者:马宇威
论文发表刊物:《电力设备》2019年第6期
论文发表时间:2019/8/1
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