直流电机的无级调速方法及性能分析

许多生产机械的运行速度，随其具体工作情况不同而不同。譬如，车床切削工件时，精加工用高转速，粗加工用低转速；电动汽车驱动电机要根据实际的路况和司机的意愿而改变转速。改变传动机构速比的调速方法称为机械调速，通过改变电机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。

本部分只介绍他励直流电机的电气调速方法以及调速的性能。

1.电枢串接电阻调速

他励直流电机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串人不同的电阻时，电机运行于不同的转速，如图2-21所示。该图中负载是恒转矩负载。比如原来没有串接电阻时，工作点为A，转速为n，电枢中串接电阻R1后，工作点就变成了A1，转速降为n1。电机从A→A'→A1运行的物理过程，与关于电机稳定运行中分析的过渡过程是相似的，这里不再详细叙述了，读者可自行分析。电枢中串接的电阻若加大为R2，工作点变成A2，转速则进一步下降为n2。显然，串接电枢回路的电阻值越大，电机运行的转速越低。通常把电机运行于固有机械特性上的转速称为基速，那么，电枢串接电阻调速的方法，其调速方向只能是从基速向下调。注意，这里的调速方向并不是说串接电阻调速时只能是逐渐加大电阻值而使转速逐渐减小，其实调速也可以是在较低转速上逐渐减小电枢串接的电阻值，使其转速逐渐升高。所谓调速方向，是指调速的结果，其转速与基速比较而言，只要电枢回路串接电阻，无论串多大，电机运行的转速都比不串接电阻运行在基速上要低，就称之为调速方向是从基速向下调。

图2-21　电枢回路串电阻调速

电枢回路串接电阻调速时，所串的调速电阻R1、R2等上通过很大的电枢电流Ia时，会产生很大的损耗、等，转速越低，损耗越大。电枢回路串接电阻后产生人为机械特性，是一组过理想空载点n0的直线，串接的调速电阻越大，机械特性越软。这样在低速运行时，负载在不大的范围内变动，就会引起转速较大的变化，也就是转速的稳定性较差。

由于Ia较大，调速电阻的容量也较大、较笨重，不易做到电阻值连续调节，因而电机转速也不能连续调节，一般最多分为六级。尽管电枢串接电阻调速方法所需设备简单，但由于上述功率损耗大、低速时转速不稳定、不能连续调速等缺点，只应用于调速性能要求不高的中、小电机上，在大容量电机上不采用。

2.降低电源电压调速

保持他励直流电机磁通为额定值不变，电枢回路不串接电阻，降低电枢的电源电压为不同大小时，电机拖动着负载运行于不同的转速上，如图2-22所示。该图中所示的负载为恒转矩负载，当电源电压为额定值UN时，工作点为A，转速为n；电压降到U1后，工作点为A1，转速为n1；电压为U2，工作点为A2，转速为n2，…，电源电压越低，转速也越低，调速方向也是从基速向下调。

降低电源电压时，机械特性的硬度不变。这样，比起电枢回路串接电阻调速使机械特性变软这一点，降低电源电压可以使电机在低速范围运行时，转速随负载变化而变化的幅度较小，转速稳定性要好得多。

当电源电压连续变化时，转速的变化也是连续的，这种调速称为无级调速。与串接电阻调速（有级调速）相比，这种速度调节要平滑得多，并且还可以得到任意多级的转速。因此，降低电源电压从基速向下调速的调速方法，在直流电力拖动系统中被广泛采用。

图2-22　降低电源电压调速

3.弱磁调速

保持他励直流电机电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电机拖动的负载转矩不过分大时，降低他励直流电机的磁通，可以使电机转速升高。图2-23所示为他励直流电机带恒转矩负载时弱磁升速的机械特性，显然，磁通量减少得越多，转速升高得越大。弱磁升速是从基速向上调速的调速方法。

图2-23　弱磁调速

在正常运行情况下，他励直流电机的励磁电流比电枢电流要小很多，因此励磁回路中所串接的调速电阻消耗的功率要比电枢回路串接调速电阻时电阻消耗的功率小得多；而且由于励磁电路电阻的容量很小，控制很方便，可以连续调节电阻值，实现转速连续调节的无级调速。减弱磁通升高转速的转速调节，电机转速最大值受换向能力与机械强度的限制，一般约为（1.2～1.5）nN，特殊设计的弱磁调速电机，可以达到（3～4）nN的最高转速。

他励直流电机电力拖动系统中，广泛地采用降低电源电压向下调速及减弱磁通量向上调速的双向调速方法。这样，可以得到很宽的调速范围，并可以在调速范围之内的任何有需要的转速上运行，而且调速时损耗较小、运行效率较高，因此能很好地满足各种生产机械对调速的要求。

4.调速指标

调速的性能指标是决定电机选择调速方法的依据，主要性能指标有以下几个方面。(www.xing528.com)

1）静差率δ

静差率总是针对某一机械特性而言的，其定义为

式中，n0为该特性上的理想空载转速，nN为该特性上额定负载（电磁转矩等于其额定值）时的转速，ΔnN为该特性在额定负载时的转速降。习惯上，静差率常用百分数表示。

静差率与特性的硬度是有区别的。以降压调速为例，不同电压下的机械特性是一组平行线，可以说它们的硬度相同，额定负载时的转速降也相同，但电压越低，理想空载转速越低，静差率越大（参见图2-24，图中TN为额定电磁转矩）。

为了使负载的变化引起转速的变化相对较小，即保证一定的转速稳定性，常要求δ小于某一允许值。例如，普通车床可允许δ≤30%，而高精度的造纸机则要求δ≤0.1%。一般来讲，若对应于最低转速的机械特性能满足静差率的要求，则其他情况下也能满足要求。

图2-24　降压调速机械特性

2）调速范围D

调速范围是指电机在额定负载下可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比，即

不同的生产机械对电机的调速范围有不同的要求。D与δ这两个指标是互相制约、互相影响的。参见图2-24，低速特性的静差率为

由式（2-34）和式（2-35）整理得到

式中，nmax为额定负载时的最高转速；ΔnN为低速特性上的额定转速降，对降压调速，ΔnN是常数。

由式（2-36）可知，若nmax、ΔnN一定，则对δ要求越高，调速范围D也越小；如果nmax一定，对δ的要求也一定，要扩大调速范围就必须设法减小ΔnN。

3）调速的平滑性

相邻两级转速的接近程度叫调速的平滑性，可用平滑系数ψ来衡量，它是相邻两级转速之比，即

ψ越接近于1，平滑性越好。ψ在1.06以下时，可认为转速基本上连续可调，级数接近无穷多，称作无级调速。