他励直流电动机调速技术优化

1.调速的概念

调速是指在一定的负载下，根据生产工艺的要求，人为地改变电动机的转速。

生产机械的速度调节可以用机械方法获得，但机械变速机构复杂。现代电力拖动中多采用电气调速方法，即对拖动生产机械的电动机进行速度调节，其优点是可以简化机械结构，提高生产机械的传动效率，操作简便，调速性能好，能实现自动控制等。电动机的速度调节是人为的、有意的，而电动机由于转矩变化沿着某一机械特性的速度变化是电动机自动调节的，两者是有区别的。

2.电动机调速性能的评价指标

（1）调速范围。电动机调速时所能得到的最高转速与最低转速之比，如10∶1。

（2）调速的平滑性。可由电动机在其调速范围内能得到的转速的数目（级数）来说明。所能得到的转速数目越多，则相邻两个转速的差值越小，则调速的平滑性越好。如转速只能得到若干个跳跃的调节，称为有级调速；如在一定范围内可得到任意转速，称为无级调速。

（3）调速的经济性。包括调速设备的投资、电能的损耗、运转的费用等。

（4）调速的稳定性。由负载变化时转速的变化程度来衡量。电动机机械特性越硬，稳定性越高。

（5）调速方向。指所采用的调速方法是使转速比额定转速（基本转速）高的称为向上调速；若为低的，称为向下调速。

（6）调速时允许的负载。调速时，不同的生产机械需要的功率和转矩是不同的。有的要求电动机在各种转速下都能输出同样的机械功率。例如，金属切削机床要求在精加工小进刀量时工件转速高，粗加工大进刀量时转速低。由于机械功率是由转矩与转速的乘积决定的，因此要求电动机具有恒功率调速。另一类生产机械，如起重机，要求电动机在各种转速上都能输出同样的转矩，即恒转矩调速。

3.直流电动机的调速方法

由直流电动机的机械特性方程可知，改变Ra，Φ，U中的任意一个参数都可以使转速n发生变化，所以直流电动机的调速方法有3种。以下讨论他励（并励）电动机的调速方法。

他励直流电动机的电枢电路电压平衡方程式为

Ea＝U－Ia(Ra＋R)

电枢电动势方程为

Ea＝KEΦn

由上两式可得转速公式为

由上式可知，调速方式有3种。

（1）电枢串电阻调速：保持电源电压U和励磁电流If为额定值，在电枢电路中串联不同的电阻值，通过改变所串电阻R的大小来改变电枢电路的电阻值进而改变电枢电流Ia，从而实现调速，如图2-41所示。显然，保持U＝UN、Φ＝ΦN，n0也不变，调节所串电阻R的大小即可改变转速n。

①R＝0时，电动机运行于固有机械特性的基速上，基速是指运行于固有机械特性上的转速。随着串入电阻的增加，转速降低，串电阻调速为从基速下调。

②串电阻调速时，如果负载为恒转矩，电动机运行于不同的转速n1、n2、n3时，电动机的电枢电流Ia是不变的，这时，电磁转矩为

T＝TL时，电枢电流为

当TL为常数时，Ia为常数，与转速无关。

③串电阻调速时，由于R上流过很大的电枢电流Ia，R上将有较大的损耗，转速越低，损耗越大。(www.xing528.com)

④串电阻调速，电机工作于一组机械特性上，各条特性曲线经过相同的理想空载点n0，而斜率不同。R越大，斜率越大，特性越软，电机在低速运行稳定性越差。

（2）降低电枢电压调速，保持Φ不变、R＝0。

改变电枢电压，可得到一簇与固有机械特性曲线平行的且低于固有机械特性曲线的人为机械特性曲线。降低电源电压，电动机的机械特性曲线斜率不变，即硬度不变，如图2-24所示。与串电阻调速相比较，降低电源电压调速在低速范围运行时，转速稳定性要好得多。恒转矩负载情况下，对于不同转速，电枢电流Ia不变。

图2-41　电枢串电阻调速图

图2-42　降低电源电压调速

（3）改变励磁磁通的弱磁调速，保持U＝UN、R＝0。

保持电源电压U为额定值，在励磁电路中串联一个调速变阻器Rc，改变励磁电流If以改变磁通Φ进行调速，故又称为调磁调速。

由机械特性方程可见，磁通Φ减小时，n0升高，Δn与Φ2成反比增加，所以磁通Φ减小，机械特性曲线升高，机械特性变软，如图2-43所示。在一定负载下，Φ减小，则n升高。由于电动机在额定运行时，磁路已趋饱和，所以通常只是减小磁通Φ，转速n上调，故称为弱磁调速。

弱磁调速有如下特点。

①励磁回路所串的调节电阻的损耗很小，可借助于连续调节Rf值，实现基速上调的无级调速。

②弱磁调速，由于受换相能力和机械强度的限制，转速不能过高。一般按（1.2～1.5）nN设计。特殊电机设计可达（3～4）nN。

图2-43　弱磁调速图

③弱磁调速时，转速和转矩满足KTΦIa＝9.55KEΦIa，则电机的电磁功率为

如果电机拖动恒功率负载，即Pe＝TLΩ＝常数，则Ia＝常数。

4.他励直流电机的功率和转矩问题

（1）降低电枢电压调速按恒转矩调速。调速时，Φ＝ΦN，因此电机允许输出转矩为Ta1＝KTΦNIN＝常数，称为恒转矩输出，此时允许的输出功率为

（2）改变励磁磁通的弱磁调速按恒功率调速。在弱磁调速时，U＝UN、Ia＝IN。则磁通Φ与转速n的关系为

将上式带入T＝KTΦIa有

式中

将代入，有

由上可见：在弱磁调速时，当恒功率负载时，允许输出转Ta1与转速n成反比。恒转矩和恒功率，是在保持电枢电流为额定值，对电动机的输出功率和转矩而言。

表2-1列出了他励直流电机3种调速方法的不同特点。

表2-1　他励直流电机3种调速方法调速性能比较