直流电动机的一般调速方法

在直流电动机中，根据励磁绕组连接方式的不同，可分为他励、并励、串励和复励四类电动机、而在调速系统中用得最多的是他励电动机。图1为直流他励电动机与直流并励电动机的原理图。 

图1  直流他励电动机与直流并励电动机的原理图
电枢回路中的电压平衡方程式为：        U=E+IaRa         （1）
式中：U-电动机的端电压(V)；
Ia-流经电枢的电流(A)；
Ra-电枢绕组的电阻(Ω)；
E-直流电动机电刷间的电动势，它是由于电枢绕组在磁场中旋转而产生的感应电动势。                                E=KeΦn      （2）
式中：Φ-对磁极的磁通(WL)；
      n-电枢的转速(r／min)；
      Ke-与电动机结构有关的常数。
    以式(2)代入式(1)，并加整理可得：n= U/KeΦ- IaRa/KeΦ    （3）
为改善直流电动机的起动特性，限制电枢电流，在电枢回路中应串接外加电阻Rad，式(1-2)则为：     U=E+Ia（Ra+Rad)                          （4）
式(3)则变为：     n= U/KeΦ- Ia（Ra+Rad)/KeΦ               （5）
由式(1)可得：     Id＝T/KmΦ    代入式(1-6)，则可得：
                    n= U/KeΦ- T（Ra+Rad)/KeKmΦ2                             （6）
由式(6)可知，调节串入电枢回路的外加电阻Rad，电枢的供电电压U或磁极间的磁通(主磁通)Φ，都可以在负载转矩不变的情况下，调节电动机的转速；而改变电枢的供电电压U的方向，或电枢绕组中的电流Ia的方向，就可以改变电动机的旋转方向。即直流电动机的一般调速方法有三种：
1．调节串入电枢回路的外加电阻Rad，(调阻调速法或电阻控制法)

                 图2  具有三段附加电组的他励电动机控制电路
保持电动机的供电电压U和磁极的磁通由不变，调节电枢回路的电阻，就可得到不同的转速。如图2所示，在电枢回路中，串入R1、R2、R3不同的电阻，依靠控制接触器KMl、KM2和KM3，依次将外接的外加电阻Rad (如R1、R2、R3)接入，从而使Ra+Rad的阻值由Ra变为R1，(＝Ra+ R1)、R2，(＝Ra+ R1+ R2)和R3，(＝Ra+ R1+ R2+ R3)。这样，就可以得到对应于A、C、E、G点的不同转速nA、nC、nE、nG。
    当负载转矩TL相同时，转速随外加电阻Rad的增大而降低。
    若不考虑电枢电路的电感，电动机调速时（降低转速)的机电过程将如图中所示，沿着A→B→C→D→E→F→G变化。电动机从稳定的转速nA降低到新的稳定转速nC，再降低至nE、nG。。如串接的附加电阻减小，也可使转速上升。
这种调速方法具有以下一些特点：
1)    当Rad＝0时，电动机运行于固有机械特性的“基速”上，随着串入的外加电阻Rad的增大，转速降低，即从基速下调。若减小串入电阻，也可使转速上升，但永远不会超过基速。
2)    调阻调速，电动机工作于一组机械特性上，各条特性均经过相同的理想空载点nA，而斜率不同。机械特性较软，平滑性较差，Rad越大，斜率越大，即
特性越软。电动机在低速运行时稳定度变差。
3)    这种调速方法虽然能够调节转速，仅它一般只在需要降低转速时使用且多采用分级调速(一般最大为六级)，而实现无级调速闲难。
    4)在空载或轻载时，调速范围不大；在重载时会产生堵转现象。
    5)由于电枢电流流过调速电阻，因而消耗电能较大，转速越低，损耗越大。因此，这种调速方法只适用于对调速性能要求不高的中、小电动机，大容量电动机不宜采用。
2．调节电动机的电枢供电电压U (调压调速法或电压控制法)
保持直流电动机励磁磁通和电枢回路的电阻不变，调节电动机的电枢供电电压U，由式（6)可见，转速n即随之发生变化。如图3所示，在负载转矩
TL一定的情况下，加上不同的电枢电压UN、U1、U2、U3、…（UN＞U1＞U2＞U3＞…），

图3 改变电枢电压调速的特性
可以得到不同的转速na、nb、nc、nd、…（na＞nb＞nc＞nd＞…），并随着电压的降低，转速相应地降低。这种调速方法具有以下一些特点：
1)当供电电压连续变化时、转速也可以连续平滑地变化。即可实现无级调速，且调运范围较大。但供电电压不能超过电动机的额定电压。因此．调节的速度均低于额定转速。
2)降低电压时，电动机的机械特性与固有特性相平行，斜率不变、即硬度不变，调速的稳定度较高。
3)调速时，因电枢电流与电压U无关，且磁通未变化，故电磁转矩T＝KmΦId不变，即为恒转矩调速。
4)可以用调节电枢电压的办法来起动电动机，而不用其它起动设备。
由于这些持点，调压调速法在大型设备或精密设备上得到广泛的应用。（http://www.diangon.com/版权所有）电压的调节，过去是用直流发电机组(G­-M系统)、电动机放大机组、汞弧整流器、闸流管等．目前用的较多的是可调直流电源、晶闸管整流装置(V-M系统)、晶体管脉宽调制放大器供电系统等。
3．调节电动机的主磁通Φ (调磁调速法或励磁控制法)
保持电动机的电枢电压和电枢回路的电阻不变，调节励磁磁通，即改变了电动机的主磁通Φ，由式（6)可见，转速n随着磁通Φ的降低而升高。
图4所示为在负载转矩TL一定的情况下，在不同的主磁通ΦN、Φ1、Φ2、…     

 图4  弱磁调速的特性
下，得到的不同转速na、nb、nc、…。图中
ΦN＞Φ1＞Φ2．因而得到na＜nb＜nc。这种调速方法具有以下一些特点：
1)    可以平滑无级调速，但由于设计时一般总是取磁通工作在饱和区域，再增大主磁通的可能性不大，所以，调磁调速一般只能以削弱磁通来实现，即弱磁调速、而调节的速度将超过额定转速。
2)    调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制、普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1.2―1.5倍，所以，调速范围不大。
3)    调速时维持电枢电压U和电枢电流Id不变．即功率P＝UId不变。所以,调磁调速适合于带恒功率负载，实现恒功率调速。但电动机的转矩T＝KmΦId将随着主磁通Φ的减小而减小。                     
4)    由于削弱主磁通后．转速增长较快，过分地弱磁，甚至可能造成“飞车”事故。因此，不得过分地弱磁，速度不能调得过高。使用中还必须具有弱磁保护安全措施。基于弱磁的调速范围很小，一般不单独使用，需和调压调速配合使用。在额定转速（基速）以下，用降压调运；而在额定转速以上时，则用磁调速。这样，可得到很宽的调速范围，而且调速损耗小，运行效率高，并可获得较好的调速方式与负载的配合关系。
目前,对调速性能要求较高的电力拖动系统、大多以闭环控制的调压调速方法为主。