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改變電樞電壓調(diào)速是直流調(diào)速系統(tǒng)采用的主要方法，調(diào)節(jié)電樞供電電壓或者改變勵(lì)磁磁通，都需要有專門的可控直流，常用的可控直流電源有以下三種：

（1）旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。用交流和直流發(fā)電機(jī)組成機(jī)組，以獲得可調(diào)的直流電壓。

（2）靜止可控整流器。用靜止的可控整流器，如汞弧整流器和晶閘管整流裝置，產(chǎn)生可調(diào)的直流電壓。

（3）直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器。用恒定直流電源或不可控整流電源供電，利用直流斬波或脈寬調(diào)制的方法產(chǎn)生可調(diào)的直流平均電壓。

下面分別對(duì)各種可控直流電源以及由它供電的直流調(diào)速系統(tǒng)作概括性介紹。

靜止可控整流器

從20世紀(jì)50年代開始，采用汞弧整流器和閘流管這樣的靜止變流裝置來代替旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，形成所謂的離子拖動(dòng)系統(tǒng)。離子拖動(dòng)系統(tǒng)克服旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組的許多缺點(diǎn)，而且縮短了響應(yīng)時(shí)間，但是由于汞弧整流器造價(jià)較高，體積仍然很大，維護(hù)麻煩，尤其是水銀如果泄漏，將會(huì)污染環(huán)境，嚴(yán)重危害身體健康。因此，應(yīng)用時(shí)間不長(zhǎng)，到了20世紀(jì)60年代又讓位給更為經(jīng)濟(jì)可靠的晶閘管整流器。

1957年，晶閘管問世，它是一種大功率半導(dǎo)體可控整流元件，俗稱可控硅整流元件，簡(jiǎn)稱“可控硅”，20世紀(jì)60年代起就已生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置。晶閘管問世以后，變流技術(shù)出現(xiàn)了根本性的變革。目前，采用晶閘管整流供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)（即晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱v-m系統(tǒng)，又稱靜止ward-leonard系統(tǒng)）已經(jīng)成為直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。圖8.1所示是v-m系統(tǒng)的原理框圖，圖中v是晶閘管可控整流器，它可以是任意一種整流電路，通過調(diào)節(jié)觸發(fā)裝置gt的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，從而改變整流輸出電壓平均值，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速。和旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組及離子拖動(dòng)變流相比，晶閘管整流不僅在經(jīng)濟(jì)性和可靠性上都有很大提高，而且在技術(shù)性能上顯示出很大的優(yōu)越性。晶閘管可控整流器的功率放大倍數(shù)大約在，控制功率小，有利于微引入到強(qiáng)電領(lǐng)域；在控制作用的快速性上也大大提高，有利于改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。但是，晶閘管整流器也有它的缺點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下方面：

（1）晶閘管一般是單向?qū)щ娫чl管整流器的電流是不允許反向的，這給電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)可逆運(yùn)行造成困難。必須實(shí)現(xiàn)四象限可逆運(yùn)行時(shí)，只好采用開關(guān)切換或正、反兩組全控型整流電路，構(gòu)成v-m可逆調(diào)速系統(tǒng)，后者所用變流設(shè)備要增多一倍。

（2）晶閘管元件對(duì)于過電壓、過電流以及過高的du/dt和di/dt十分敏感，其中任一指標(biāo)超過允許值都可能在很短時(shí)間內(nèi)元件損壞，因此必須有可靠的保護(hù)裝置和符合要求的散熱條件，而且在選擇元件時(shí)還應(yīng)保留足夠的余量，以保證晶閘管裝置的可靠運(yùn)行。

（3）晶閘管的控制原理決定了只能滯后觸發(fā)，因此，晶閘管可控制整流器對(duì)交流電源來說相當(dāng)于一個(gè)感性負(fù)載，吸取滯后的無(wú)功電流，因此功率因素低，特別是在深調(diào)速狀態(tài)，即系統(tǒng)在較低速運(yùn)行時(shí)，晶閘管的導(dǎo)通角很小，使得系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的高次諧波電流，引起電網(wǎng)電壓波形畸變，殃及附近的用電設(shè)備。如果采用晶閘管整流裝置的調(diào)速系統(tǒng)在電網(wǎng)中所占容量比重較大，將造成所謂的“公害”。為此，應(yīng)采取相應(yīng)的無(wú)功補(bǔ)償、濾波和高次諧波的抑制措施。

（4）晶閘管整流裝置的輸出電壓是脈動(dòng)的，而且脈波數(shù)總是有限的。如果主電路電感不是非常大，則輸出電流總存在連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，因而機(jī)械特性也有連續(xù)和斷續(xù)兩段，連續(xù)段特性比較硬，基本上還是直線；斷續(xù)段特性則很軟，而且呈現(xiàn)出顯著的非線性。

圖8.1晶閘管－電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)原理框圖（v-m系統(tǒng)）

直流斬波器或脈寬調(diào)制變換器

直流斬波器又稱直流調(diào)壓器，是利用開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)通斷控制，將直流電源電壓斷續(xù)加到負(fù)載上，通過通、斷時(shí)間的變化來改變負(fù)載上的直流電壓平均值，將固定電壓的直流電源變成平均值可調(diào)的直流電源，亦稱直流－直流變換器。它具有效率高、體積小、重量輕、成本低等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)廣泛應(yīng)用于地鐵、電力機(jī)車、城市無(wú)軌電車以及電瓶搬運(yùn)車等電力牽引設(shè)備的變速拖動(dòng)中。

圖8.2為直流斬波器的原理電路和輸出電壓波型，圖中vt代表開關(guān)器件。當(dāng)開關(guān)vt接通時(shí)，電源電壓u。加到電動(dòng)機(jī)上；當(dāng)vt斷開時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓為零。如此反復(fù)，得電樞端電壓波形如圖2.5（b）所示。

圖8.2直流斬波器原理電路及輸出電壓波型

（a）原理圖 （b）電壓波型

這樣，電動(dòng)機(jī)電樞端電壓的平均值為：

（8.1）

式中，t－開關(guān)器件的通斷周期；

－開關(guān)器件的導(dǎo)通時(shí)間；

－占空比；

－開關(guān)頻率。

由式（8.1）可知，直流斬波器的輸出電壓平均值可以通過改變占空比，即通過改變開關(guān)器件導(dǎo)通或關(guān)斷時(shí)間來調(diào)節(jié)，常用的改變輸出平均電壓的調(diào)制方法有以下三種：

（1）脈沖寬度調(diào)制（pulse width modulation，簡(jiǎn)稱pwm）。開關(guān)器件的通斷周期t保持不變，只改變器件每次導(dǎo)通的時(shí)間，也就是脈沖周期不變，只改變脈沖的寬度，即定頻調(diào)寬。

（2）脈沖頻率調(diào)制（pulse frequency modulation，簡(jiǎn)稱pfw）。開關(guān)器件每次導(dǎo)通的時(shí)間不變，只改變通斷周期t或開關(guān)頻率，也就是只改變開關(guān)的關(guān)斷時(shí)間，即定寬調(diào)頻，稱為調(diào)頻。

（3）兩點(diǎn)式控制。開關(guān)器件的通斷周期t和導(dǎo)通時(shí)間均可變，即調(diào)寬調(diào)頻，亦可稱為混合調(diào)制。當(dāng)負(fù)載電流或電壓低于某一最小值時(shí)，使開關(guān)器件導(dǎo)通；當(dāng)電流或電壓高于某一最大值時(shí)，使開關(guān)器件關(guān)斷。導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間以及通斷周期都是不確定的。

構(gòu)成直流斬波器的開關(guān)器件過去用得較多的是普通晶閘管和逆導(dǎo)晶閘管，它們本身沒有自關(guān)斷的能力，必須有附加的關(guān)斷電路，增加了裝置的體積和復(fù)雜性，增加了損耗，而且由它們組成的斬波器開關(guān)頻率低，輸出電流脈動(dòng)較大，調(diào)速范圍有限。自20世紀(jì)70年代以來，電力電子器件迅速發(fā)展，研制并生產(chǎn)了多種既能控制其導(dǎo)通又能控制其關(guān)斷的全控型器件，如門極可關(guān)斷晶閘管（gto）、電力電子晶體管（gtr）、電力場(chǎng)效應(yīng)管（p-mosfet）、絕緣柵雙極型晶體管（igbt）等，這些全控型器件性能優(yōu)良，由它們構(gòu)成的脈寬調(diào)制直流調(diào)速系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱pwm調(diào)速系統(tǒng)）近年來在中小功率直流傳動(dòng)中得到了迅猛的發(fā)展，與v-m調(diào)速相比，pwm調(diào)速系統(tǒng)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）采用全控型器件的pwm調(diào)速系統(tǒng)，其脈寬調(diào)制電路的開關(guān)頻率高，一般在幾khz，因此系統(tǒng)的頻帶寬，響應(yīng)速度快，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。

（2）由于開關(guān)頻率高，僅靠電動(dòng)機(jī)電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速性能好，穩(wěn)速精度高，調(diào)速范圍寬，同時(shí)電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小。

（3）pwm系統(tǒng)中，主回路的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)，損耗小，裝置效率高，而且對(duì)交流電網(wǎng)的影響小，沒有晶閘管整流器對(duì)電網(wǎng)的“污染”，功率因數(shù)高，效率高。

（4）主電路所需的功率元件少，線路簡(jiǎn)單，控制方便。

目前，受到器件容量的限制，pwm直流調(diào)速系統(tǒng)只用于中、小功率的系統(tǒng)。