直流他励电动机调速方法及性能分析

由直流他励电动机的机械特性方程式

可以看出，改变串入电枢回路的电阻Rs、外加电枢两端的电压U及主磁通Φ，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时改变电动机的转速，以达到调速的目的。因此直流电动机有以下三种调速方法。

1.电枢回路串接电阻调速

由人为机械特性的讨论可知，电枢回路串接电阻，不能改变理想空载转速n0，只能改变机械特性的硬度。所串的附加电阻愈大，特性愈软，在一定负载转矩TL下，转速也就愈低。

这种调速方法，其调节区间只能是电动机的额定转速向下调节。其调节特性的硬度随外串电阻的增加而减小；当负载较小时，低速时的机械特性很软，负载的微小变化将引起转速的较大波动，在极端情况下，即理想空载时，则失去调速性能。这种调速方法是属于恒转矩调速性质，因为在调速范围内，其长时间输出额定转矩不变。

电枢回路串接电阻调速的优点是方法较简单。但由于调速是有级的，调速的平滑性很差。虽然理论上可以细分为很多级数，甚至做到“无级”，但由于电枢电路电流较大，实际上能够引出的抽头要受到接触器和继电器数量限制，不能过多。如果过多时，装置复杂，不仅初投资过大，维护也不方便。一般只用少数的调速级数。再加上电能损耗较大，所以这种调速方法近来在较大容量的电动机上很少使用，只是在调速平滑性要求不高，低速工作时间不长，电动机容量不大，采用其他调速方法又不值得的地方才采用这种调速方法。

2.改变电源电压调速

由直流他励电动机的机械特性方程式可以看出，升高电源电压可以提高电动机的转速，降低电源电压便可以减少电动机的转速。由于电动机正常工作时已是工作在额定状态下，所以改变电源电压通常是向下调，即降低加在电动机电枢两端的电源电压，进行降压调速。由人为机械特性可知，当降低电枢电压时，理想空载转速降低，但其机械特性斜率不变。它的调速方法是从基速（额定转速）向下调的。这种调速方法是属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载的生产机械。

图6-10　晶闸管整流装置供电的直流调速系统(www.xing528.com)

不过公用电源电压通常总是固定不变的，为了能改变电压来调速，必须使用独立可调的直流电源，目前用得最多的可调直流电源是晶闸管整流装置，如图6-10所示。图中，调节触发器的控制电压，以改变触发器所发出的触发脉冲的相位，即改变了整流器的整流电压，从而改变了电动机的电枢电压，从而达到调速的目的。

采用降低电枢电压调速方法的特点是调节的平滑性较高，因为改变整流器的整流电压是依靠改变触发器脉冲的相移，故能连续变化，也就是端电压可以连续平滑调节，因此可以得到任何所需要的转速。另一特点是它的理想空载转速随外加电压的平滑调节而改变。由于转速降落不随速度变化而改变，故特性的硬度大，调速的范围也相对大得多。

这种调速方法还有一个特点，就是可以靠调节电枢两端电压来起动电动机而不用另外添加起动设备，这就是前节所说的靠改变电枢电压的起动方法。例如电枢静止，反电动势为零；当开始起动时，加给电动机的电压应以不产生超过电动机最大允许电流为限。待电动机转动以后，随着转速升高，其反电动势也升高，再让外加电压也随之升高。这样如果能够控制得好，可以保持起动过程电枢电流为最大允许值，并几乎不变或变化极小，从而获得恒加速起动过程。

这种调速方法的主要缺点是由于需要独立可调的直流电源，因而使用设备较只有直流电动机的调速方法来说要复杂，初投资也相对大些。但由于这种调速方法的调速平滑，特性硬度大、调速范围宽等特点，就使这种调速方法具备良好的应用基础，在冶金、机床、矿井提升以及造纸机等方面得到广泛应用。

3.改变电动机主磁通的调速方法

改变主磁通Φ的调速方法，一般是指向额定磁通以下改变。因为电动机正常工作时，磁路已经接近饱和，即使励磁电流增加很大，但主磁通Φ也不能显著地再增加很多。所以一般所说的改变主磁通Φ的调速方法，都是指往额定磁通以下的改变。而通常改变磁通的方法都是增加励磁电路电阻，减小励磁电流，从而减小电动机的主磁通Φ。

由前节中人为机械特性的讨论可知，在电枢电压为额定电压UN及电枢回路不串接附加电阻（Ra=ra）的条件下，当减弱磁通时，其理想空载转速升高，而且斜率加大。在一般的情况下，即负载转矩不是过大的时候，减弱磁通使转速升高。他的调速方向是由基速（额定转速）向上调。附加电阻（Ra=ra）的条件下，当减弱磁通时，其理想空载转速升高，而且斜率加大，如普通的非调磁直流他励电动机，所能允许的减弱磁通提高转速的范围是有限的。专门作为调磁使用的电动机，调速范围可达3～4倍。限制电动机弱磁升速范围的原因有机械方面的，也有电方面的。例如，机械强度的限制、整流条件的恶化、电枢反应等。普通非调磁电动机额定转速较高（1500r/min左右），在弱磁升速就要受到机械强度的限制。同时再减弱磁通后，电枢反应增加，影响电动机的工作稳定性。

可调磁电动机的设计是在允许最高转速的情况下，降低额定转速以增加调速范围。所以在同一功率和相同最高转速的条件下，调速范围愈大，额定转速愈低，因此额定转矩也大，相应的电动机尺寸就愈大，因此价格也就愈高。

采用弱磁调速方法，当减弱励磁磁通Φ时，虽然电动机的理想空载转速升高、特性的硬度相对差些，但其调速的平滑性好。因为励磁电路功率小，调节方便，容易实现多级平滑调节。其调速范围，普通直流电动机大约为1∶1.5。如果要求调速范围增大时，则应用特殊结构的调Φ电动机，它的机械强度和换向条件都有改进，适于高转速工作，一般调速范围可达1∶2、1∶3或1∶4。

因为电动机发热所允许的电枢电流不变，所以电动机的转矩随磁通Φ的减小而减小，故这种调速方法是恒功率调节，适于恒功率性质的负载。这种调速方法是改变励磁电流，所以损耗功率极小，经济效果较高。又由于控制比较容易，可以平滑调速，因而在生产中得可到广泛应用。