直流电动机调速控制详解

1.直流电动机的调速控制方式

直流电动机的调速控制方式主要有：串接电阻调速、改变磁场磁通调速和改变电动机电枢的端电压调速三种。

2.直流电动机改变电压的调速控制

在串励直流电动机调速控制的电路中（图7-9），当开关SA与触头1接合时，电动机两端的电压低，电动机的输出转矩较小。当开关SA与触头2结合时，电动机两端的电压高，电动机的输出转矩较大；同样阻力转矩时，电动机的电压高，则转速较高（图7-10）。

图7-9 串励直流电动机的调压电路

图7-10 改变电压的调速原理

无论是串接电阻调速、改变磁场磁通调速，还是改变电动机的电压调速，串励电动机的调速过程均是有级的，这样使电动车辆在变速过程中存在冲击，操作不方便。理想的方法是，利用电力电子器件实现均匀改变施加到电动机上的电压，使电动机的电流均匀变化，其输出转矩相应变化，实现电动机的无级调速控制。

3.电力电子器件的无级调速控制

（1）串励直流电动机无级调速的控制器件 主要有晶闸管、功率场效应晶体管或大功率晶体管等电力电子器件。

（2）串励直流电动机无级调速的控制原理 通过控制电力电子器件的相对导通时间，改变了电动机的工作电流，实现电动机的变速控制，如图7-11所示。

图7-11 电力电子器件控制的串励电动机调速电路

a）晶闸管 b）功率场效应管

（3）电力电子器件的调速控制方式 在电力电子器件导通时，若忽略器件上的电压降，电动机上的电压U_M与电源的电压U_B相等；当电力电子器件关断时，电动机上的电压为零。设电力电子器件的导通与关断时间分别为t_on和t_off，则电动机上的电压平均值为(www.xing528.com)

U_M=（U_Bt_on+0×t_off）/（t_on+t_off）=U_Bt_on/T=γU_B

式中，T为电力电子器件的工作周期，T=t_on+t_off；γ为电力电子器件的导通比，γ=t_on/T。由此可以得出三种调速控制方式：

1）定频调宽：电子器件工作频率f（f=1/T）一定时，导通时间越长，电动机的平均电压越高，电动机的输出转矩越大，运行转速越高。

2）定宽调频：电子器件导通时间一定时，工作频率f（f=1/T）越高，电动机的平均电压也越高，电动机的输出转矩越大，运行转速越高。

3）调频调宽：同时改变电力器件的导通时间和工作频率的一种调速方式。

（4）三种不同调速方式下电动机电压的平均值 具体情况如图7-12所示。

图7-12 电动机在不同调速方式下电压的平均值

a）工作时间与工作原理 b）定频调宽 c）定宽调频 d）调频调宽

（5）电力电子器件调速方式的应用 定频调宽、定宽调频及调频调宽的方法在晶闸管脉冲调速和其他电力电子晶体管脉冲调速的蓄电池车辆上均有应用，而且实际应用中还在电动机的两端并联一个二极管VD，称续流二极管，如图7-13a所示。

当晶闸管导通时，电源B供给电动机的电流i_B将按指数关系上升，其波形如图7-13b所示。当晶闸管关断时，电源不供给电流即i_B=0。但由于电动机绕组的电感中储有能量，使电动机电流经二极管VD继续流通，即电动机M中将流过电流i_VD，i_VD的波形是按指数关系下降的。因此，电动机M流过的电流i_M应为电源电流i_B与续流电流i_VD之和，即i_M=i_B+i_VD，其波形见图7-13b。可见，并联续流二极管后，可以在晶闸管导通较小时得到较大的电动机电流，从而得到较大的电动机转矩。并且，续流二极管的存在吸收了电动机磁场绕组的自感电动势，避免该瞬变过电压加到电子器件上，保护了电力电子器件。

图7-13 续流二极管的作用

a）电路原理图 b）波形图

这种调速方法具有节省电能、电源利用率高及能实现无级调速等优点，故虽然其控制系统较复杂，仍然在串励直流电动机调速控制中获得广泛应用。