直流电动机调速技术方案解析

时间：2023-06-21 理论教育版权反馈

【摘要】：本节只介绍他励直流电动机的电气调速。如果机械特性不变,因负载变化而引起电动机转速的改变不能称为调速。不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。要扩大调速范围,必须尽可能地提高电动机的最高转速并降低电动机的最低转速。调速不连续时,级数有限,称为有级调速,此时电动机的转速具有不连续性。

直流电动机调速技术方案解析

所谓调速,就是在所拖动的负载不变的前提下,人为改变运行的转速。电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或两者配合起来调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速;通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。本节只介绍他励直流电动机的电气调速。

改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性,从而使负载工作点发生变化,转速随之变化。可见,在调速前后,电动机必然运行在不同的机械特性上,此时所得到的机械特性曲线称为人为机械特性。如果机械特性不变,因负载变化而引起电动机转速的改变不能称为调速。

由可知,当电枢电流I_a不变时(即在一定的负载下),改变串入电枢回路的电阻R_ad,电枢供电电压U或主磁通Φ,都可以得到不同的人为机械特性,从而在负载不变时可以改变电动机的转速,以达到速度调节的要求,故直流电动机调速的方法有以下三种,分别为电枢回路串电阻调速、降低电源电压调速和减弱磁通调速。下面就这3种调速方法做一下介绍。

1.调速指标

(1)调速范围是指电动机在额定负载下可能运行的最高转速n_max与最低转速n_min之比,通常用D表示,即

不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。要扩大调速范围,必须尽可能地提高电动机的最高转速并降低电动机的最低转速。电动机的最高转速受到电动机的机械强度、换向条件、电压等级等多方面条件的限制,而最低转速则受到低速运行时转速的相对稳定性的限制。

(2)静差率(相对稳定性)。转速的相对稳定性是指负载变化时,转速的变化程度,转速变化小,其相对稳定性好。转速的相对稳定性用静差率δ%表示。当电动机在某一机械特性上运行时,由理想空载增加到额定负载,电动机的转速降落与理想空载转速n₀之比,就称为静差率,用百分数表示。

显然,电动机的机械特性越硬,其静差率越小,转速的相对稳定性就越高。但是静差率的大小不仅由机械特性的硬度决定,还与理想空载转速的大小有关。例如,图4-26中的两条相互平行的机械特性曲线2、3,它们的硬度相同,额定转速降也相等,即Δn₂=Δn₃,但由于它们的理想空载转速不等,n₀₂＞n₀₃,所以它们的静差率不等,δ₂%＜δ₃%。可见,硬度相同的两条机械特性,理想空载转速越低,其静差率越大。

静差率与调速范围这两个指标是相互制约的,若图4-26中曲线1和曲线4为电动机最高转速和最低转速时的机械特性,则电动机的调速范围D与最低转速时的静差率δ关系如下:

式中Δn——最低转速机械特性上的转速降;

δ——最低转速时的静差率,即系统的最大静差率。

由上式可知,若对静差率这一指标要求过高,即δ值越小,则调速范围D就越小;反之,若要求调速范围D越大,则静差率δ也越大,转速的相对稳定性越差。

不同的生产机械,对静差率的要求不同,普通车床要求δ≤30%,而高精度的造纸机则要求δ≤0.1%。在保证一定静差率指标的前提下,要扩大调速范围,就必须减小转速降落,就是说,必须提高机械特性的硬度。

图4-26 机械特性与静差率

(3)调速的平滑性。在一定的调速范围内,调速的级数越多,调速越平滑,电动机运行越平稳。相邻两级转速之比称为平滑系数,表示为

φ值越接近1,则平滑性越好,当φ=1时,称为无级调速,即转速可以连续调节。调速不连续时,级数有限,称为有级调速,此时电动机的转速具有不连续性。

(4)调速的经济性。经济性包含两方面的内容:一是指调速设备的投资和调速过程中的能量损耗、运行效率及维修费用等;另一方面是指电动机在调速时能否得到充分利用,即调速方法是否与负载类型相配合。

2.调速方法

(1)电枢回路串电阻调速的原理及调速过程可用图4-27说明。

1)电枢回路串电阻调速的前提条件:U=U_N,Φ=Φ_N,T_L=C,R=R_a+R_ad

调速过程:设电动机拖动恒转矩负载T_L在固有特性A点上运行,其转速为n_N。若电枢回路串入电阻R_s1,由于转速不能突变,由A点转换至A′后沿人为特性曲线,达到新的稳态后,工作点变为B点,转速下降到n₁。从图中可以看出,串入的电阻值越大,稳态转速就越低。

现以转速由n_N降至n₁为例,说明其调速过程。电动机原来在A点稳定运行时,T_e=T_L,n=n_N,当串入R_s后,电动机的机械特性变为直线2,因串入电阻瞬间转速由于惯性不能突变,故E_a不突变,于是I_a及T_e突然减小,工作点平移到A′点。在A′点,T_e＜T_L,所以电动机开始减速,随着n的减小,E_a减小,I_a及T_e增大,即工作点沿A′￫B方向移动,当到达B点时,T_e=T_L,达到了新的平衡,电动机便在n₁转速下稳定运行。

2)电枢串电阻调速具有以下几个特点。

①增大电阻,转速下降,机械特性曲线变软。

②串入的电阻一般是分段串入,调速为有级调速,平滑性差。

③效率降低,只能实现基速以下调速,调速范围较小,一般D≤2。

④电枢电流大,消耗能量多,不经济。

⑤低速时机械特性变软,静差率增大,相对稳定性变差。

⑥调速方法简单,易于实现。

正因为缺点不少,目前已很少采用这种方式调速,仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。

(2)调压调速。直流电动机拖动负载运行时,保持励磁电压(磁通)额定,电枢回路不串电阻,改变电枢两端的电压,可以得到不同的转速。由于受电动机绝缘耐压的限制,电动机的工作电压不允许超过额定电压U_N,因此改变电枢电压只能在额定电压以下进行调节,故调压调速也是一种在基速以下调节转速的方法。降低电源电压调速的原理及调速过程可用图4-28说明。

图4-27 电枢回路串电阻

1)改变电枢调速的前提条件:Φ=Φ_N,R=R_a,T_L=C

2)调速过程:设电动机拖动恒转矩负载T_L在固有特性的A点上运行,其转速为n_N。若电源电压由U_N下降至U₁,则达到新的稳态后,工作点将移到对应人为特性曲线上的B点,其转速下降为n₁。从图中可以看出,电压越低,稳态转速也越低。

电动机原来在A点稳定运行时,T_e=T_L,n=n_N。当电压降至U₁后,电动机的机械特性变为直线2。在降压瞬间,转速n由于惯性不能突变,E_a不能突变,所以I_a和T_e突然减小,工作点平移到A′点。在A′点,T_e＜T_L,电动机开始减速,随着n减小,E_a减小,I_a和T_e增大,工作点沿A′B方向移动,到达B点时,达到了新的平衡,T_e=T_L,此时电动机便在较低转速n₁下稳定运行。

3)降压调速的特点。

①电源电压能够连续平滑调节,可以实现无级调速。

图4-28 调压调速

②调速特性与固有特性互相平行,机械特性硬度不变,调速的稳定度较高。

③调速范围较大,一般可达10~20。

④电能损耗较小。

⑤降压调速的缺点是需要一套电压可连续调节的直流电源,早期常采用发电机—电动机系统(简称G-M系统),可以改变发电机G发出的电压,从而实现对直流电动机的调压调速。这种系统的性能较为优越,但投资大。目前,G-M系统已被晶闸管—电动机系统(简称SCR-M系统)所取代。调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上,如机床、轧钢机、造纸机等。

(3)改变磁通调速。直流电动机拖动负载运行时,保持电枢电压额定,电枢回路不串电阻,改变励磁电流(磁通),可以得到不同的转速。电动机在额定运行时,其磁路已基本饱和,即使励磁电流增加很多,磁通增加得也很少。另外,从电动机的性能考虑也不允许磁路过饱和,因此,改变磁通调速只能从额定值往下调,所以叫弱磁调速。

小容量系统在励磁回路中串入可调电阻以实现调速,大容量系统须用专用可调电源供励磁绕组调节电流,如图4-29所示。

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图4-29 改变磁场调速

设电动机拖动恒转矩负载T_L在固有机械特性曲线的A点上运行,如图4-30所示,其转速为n_N。若磁通由Φ_N减小至Φ₁,则达到新的稳态后,工作点将移到对应人为机械特性曲线上的B点,其转速上升为n₁。从图中可见,磁通越少,稳态转速将越高。

图4-30 弱磁调速

调速过程如下:电动机原来在A点稳定运行时,T_e=T_L,n=n_N。当磁通减弱到Φ₁时,电动机的机械特性变为直线2。在磁通减弱的瞬间,转速n由于惯性不能突变,电动势E_a随Φ而减小,于是电枢电流I_a增大。尽管Φ减小,但I_a增大很多,所以电磁转矩T_e还是增大的,因此工作点移到A′点。在A′点,T_e＞T_L,电动机开始加速,随着n上升,E_a增大,I_a和T_em减小,工作点沿A′B方向移动。到达B点时,T_e=T_L,出现了新的平衡,此时电动机便在较高的转速n₁下稳定运行。