他励直流电动机调速技术

【学习任务】（1）正确分析直流电动机的调速指标。

（2）正确分析直流电动机的调速过程。

（3）正确选择直流电动机的调速方式。

为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机械在工作过程中都需要调速。例如，在车床切削工作时，精加工用高速转、粗加工用低转速；轧钢机在轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须有不同的加工速度。

电动机的调速可采用机械调速、电气调速或二者配合的调速。通过改变传动机构速度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。

改变电动机的参数就是人为改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之改变。可见，在调速前后，电动机必然运行在不同的机械特性上。如果机械特性不变，因负载变化而引起的电动机转速的改变，则不能称为调速。直流电动机能在宽广的范围内平滑地调速。当电枢回路内接入调节电阻Rf时，则他励直流电动机的转速公式为

可见，当电枢电流Ia不变时（即在一定的负载下），只要改变电枢电压U、电枢回路调节电阻Rf及励磁磁通Φ这三者之中的任意一个量，就可以改变转速n。因此，他励直流电动机具有三种调速方法：调磁调速、调压调速和调节电枢串联电阻调速。

为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的技术经济指标，称为调速指标。下面先对调速指标做简单介绍，然后讨论他励直流电动机的三种调速方法及其与负载类型的配合问题。

1.调速指标

评价直流电动机调速性能好坏的指标有以下四个方面。

1）调速范围

调速范围是指电动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，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和降低电动机的最低转速。电动机的最高转速受电动机的机械强度、换向条件、电压等级等的限制，而最低转速则受低转速运行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，转速变化的程度。转速变化越小，其相对稳定性越高。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ΔnN＝n0－nN与理想空载转速n0之比，就称为静差率，用百分数表示为

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，但静差率的大小不仅仅由机械特性的硬度决定，还与理想空载转速的大小有关，即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。

调速范围与静差率两个指标相互制约，其之间的关系式为

式中　Δn——最低转速机械特性上的转速降落；

δ——最低转速时的静差率，即系统的最大静差率。

由式（11－12）可知，若对静差率要求过高，即δ要求小，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%。在保证一定静差率的前提下，要扩大调速范围，就必须减小转速降落ΔnN，即必须提高机械特性的硬度。

3）调速的平滑性

在一定的调速范围内，调速的级数越多，就认为调速越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数，用φ表示：

φ越接近于1，则平滑性越好，当φ＝1时，称为无级调速，即速转可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。

4）调速的经济性

调速的经济性主要指调速设备投资、运行效率及维修费用等。

2.调速方法

1）调节励磁电流

额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很大，磁通增加很少，从电动机的性能考虑也不允许磁路过饱和。因此，改变励磁电流只能将IfN由额定值往下调，即为弱磁调速。

对于恒转矩负载，调速前后电动机的电磁转矩不变，因为磁通减少，所以调速后的电枢电流大于调速前的电枢电流。

调节励磁电流调速的优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量耗损小，设备简单，而且调速平滑性好。虽然弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率增大，电动机的效率基本不变，因此，该调速方式经济性较好。其缺点是：机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，因此升速范围不可能很大，一般D≤2。

他励直流电动机励磁电流改变时的机械特性如图11－11所示。

图11－11　他励直流电动机励磁电流改变时的机械特性

2）调节电枢电压

电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此，电枢电压只能在额定电压以下进行调节。

调节电枢电压调速的优点如下：

（1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速；

（2）调速前后机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时速度稳定性好；

（3）无论是轻载还是重载，调速范围相同，一般可达D＝2.5～12；

（4）电能损耗较小。

调节电枢电压调速的缺点是需要一套电压可连续调节的直流电源。调节电枢电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。

他励直流电动机电枢电压改变时的机械特性如图11－12所示。

3）调节电枢回路串联电阻(www.xing528.com)

电枢串联电阻调速的优点是设备简单、操作方便。其缺点有以下几点：

（1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；

（2）低速时特性曲线斜率大、静差率大，所以转速的相对稳定性差；

（3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≤2；

（4）如果负载转矩保持不变，则调速前后因磁通不变而使电动机的TM和Ia不变，输入功率也不变，但输出功率却随转速的下降而减小，减小的部分被串联的电阻消耗掉了，所以消耗功率较大、效率较低，而且转速越低，所串联的电阻越大、损耗越大、效率越低。因此，电枢串联电阻调速适用于对调速性能要求不高的生产机械中，如起重机、电车等。

他励直流电动机电枢串联电阻时的机械特性如图11－13所示。

图11－12　他励直流电动机电枢电压改变时的机械特性

图11－13　他励直流电动机电枢串联电阻时的机械特性

不同调速方法的特点、性能和适用范围见表11－1。

表11－1　不同调速方法的特点、性能和适用范围

自测题

一、填空题

1.直流电动机调速时，在励磁回路中增加调节电阻，可使转速________，而在电枢回路中增加调节电阻，可使转速________。

2.拖动恒转转负载进行调速时应采用____________调速方法，而拖动恒功率负载时应采用____________方法。

3.直流他励电动机的转速升高，其电枢电流____________。

4.静差率也称____________，指在负载转矩变化时，转速变化的程度。

5.在电动机调速过程中，相邻两级转速之比称为______________。

二、选择题

1.他励直流电动机改变电枢电压调速时，其特点是（　　）。

A.理想空载转速不变，特性曲线变软　　　B.理想空载转速变化，特性曲线变软

C.理想空载转速变化，特性曲线斜率不变　D.理想空载转速不变，特性曲线斜率不变

2.他励或者并励电动机的理想空载转速是（　）。

A.Ea/CeΦ　　　　　B.IaRa/CeΦ　　　　　C.Ua/CeΦ　　　　　D.Ua/CTΦ

3.一台并励直流电动机，在保持转矩不变时，如果电源电压U降为0.5UN，忽略电枢反应和磁路饱和的影响，此时电动机的转速（　　）。

A.不变　B.转速降低到原来转速的0.5倍

C.转速下降　D.无法判定

4.并励直流电动机带恒转矩负载，当在电枢回路中串接电阻时，其（　　）。

A.电动机电枢电流不变，转速下降　B.电动机电枢电流不变，转速升高

C.电动机电枢电流减小，转速下降　D.电动机电枢电流减小，转速升高

三、判断题

1.他励直流电动机降低电源电压调速与减小磁通调速都可以做到无级调速。（　　）

2.直流电动机降压调速适用于恒转矩负载。（　　）

3.直流电动机调节励磁回路中的电阻值，电动机的转速将升高。（　　）

4.对于风机型负载采用电枢串电阻调速和降压调速要比弱磁调速合适一些。（　　）

5.直流他励电动机的转速升高，其电枢电流降低。（　　）

6.恒转矩调速方式适用于恒转矩负载。（　　）

7.恒功率调速方式适用于恒功率负载。（　　）

四、分析计算题

1.电动机的TM是驱动性质的转矩，TM增大时，n反而下降，这是什么原因？

2.某串励直流电动机，PN＝14.7 kW，UN＝220 V，IN＝78.5 A，nN＝585 r/min，Ra＝0.26 Ω（包括电刷接触电阻）。欲在负载转矩不变条件下把转速降到350 r/min，需串入多大电阻？

答案11.3