第3章 直流电机的电力拖动(3)

降低电源电压只能在额定转速 （又称为基速）以下调速。
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P n n 1 p 1 (1 ) P n0 n0 1
由于调压调速在低速时n0也变小，所以效率较串电阻调 速要高。 优点： （1）调速平滑性好，可实现无级调速； （2）机械特性硬度不变，转速稳定性好； （3）调速效率高； 缺点：调压电源设备投资较高。
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b、降低电源电压降压降速
图3.23给出了他励直流电动机降低电源电压时的人工机械特性以及恒 转矩负载的转矩特性。
Ra U1 Ia n Ce C e
切换瞬间，n不能突变！
Te CT I a
GD 2 dn Tem TL 375 dt
图3.23 降低电源电压情况下的 人工机械特性和负载特性
第3章 直流电机的电力拖动（3）
电气工程教研室
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3.6
概述及定义
直流电动机的调速
1、什么是调速？为什么需要调速？ 为提高劳动生产率，确保产品质量，被拖动的 生产机械根据工艺要求需要电动机在运行中能 调节转速。 例子：轧钢机在轧制不同品种和不同厚度的钢 材时，就必须有不同的工作速度以保证生产的 需要。这种人为改变速度的方法称为调速。
n
1
Ce

a
Ce
Ia
切换瞬间，n不能突变！
Te CT I a
GD 2 dn Tem TL 375 dt
结论： （1）随着电枢回路电阻的增加，理 想空载转速不变，机械特性的硬度 变软，导致转速下降。 （2）电枢回路串电阻只能在额定转 速（又称为基速）以下调速。 12
图3.22 电枢回路串电阻情况下的 人工机械特性和负载特性
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b、假若恒功率负载选择恒转矩调速方式（见图3.28b）。
为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须 Tem TL ，根据图3.28b，显然， 负载低速时对转矩要求最大，电动机 的额定转矩应按照负载低速时的要求选择，即：TN TLb 。 高速时，电机输出功率（选为额定功率）：
PN
TN nmax TLb nmin nmax DPL 9.55 9.55 nmin
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高速时 的Δn
调速范围D与静差率 之间的关系：
低速时 的Δn
nmax D nmin
图3.21 他励直流电动机的机械特性 与静差率之间的关系
D越大，则要求最低速度越小，即低速时静差率2越大，此 时对串电阻调速而言，转速稳定性越差。而变电压调速时 ，电机机械特性曲线斜率不变，负载波动时转速变化小， 稳定性较好，因此其比串电阻调速有更宽的调速范围D。
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（b) 对于弱磁调速方式： 对于他励直流电机，若要保持 I a I N 不变，就有： U N Ra I N 1 K Ce n n 1 K Tem CT I N CT K I N 将上式代入电磁转矩表达式得： n n Tem n K 常数 于是有：P 9.55 9.55 若强制保持 I a I N 不变，应该有电机输出功率 P 等于常数 的结果。 结论： 弱磁调速属于恒功率调速方式，其容许的输出转矩与转 速成反比。
Ea Ia Te
图3.26 他励直流电动机弱磁升速的过渡过程
若考虑励磁回路存在时间常数，Uf改变时，If和磁通不能突变， 其结果是，Ia和Tem无法到达d点。动态过程只能沿acb而不是 adb完成。
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优点：通过功率较小的励磁回路，控制方便，能耗小； 缺点：带额定负载时，弱磁升速需要的电枢电流通常超过额 定值，故升速范围不大。 为了获得较高的调速范围，通常将额定转速以上的弱磁升速 与额定转速以下的降压调速配合使用。
图3.28 调速方式与负载类型不匹配的说明
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a、假若恒转矩负载选择恒功率调速方式（见图3.28a）。
为了满足整个调速范围内的转矩要求，必须满足： Tem TL 。根据图3.28a， 显然，电动机的转矩应按照高速数值选择，不得不取电机高速时功率作为额 定功率PN：
T n K P em 常数 9.55 9.55
Tem CT N I N TN 常数
电机轴上的输出功率（单位W）为：
2 n Tem n P2 Tem Tem ( n ) 60 9.55
结论： 电枢回路串电阻与降低电源电压的降压调速都具有 Ф和Ia不变的特点；所以均属恒转矩调速方式，其 轴上容许的输出功率与转速成正比。
Ea C n ) U 1 I a (1 e ) U1 C e n0
（3-52）
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于是，电机的效率为：
P n n 1 p 1 (1 ) P n0 n0 1
（3-53）
可见，串电阻调速由于n0不变，随着转速的下降，电动机 的运行效率降低。 优点：设备简单、调节方便； 缺点： （1）机械特性变软，负载波动时电动机产生较大的转速变 化，稳定性差； （2）电能损耗大，运行效率低。
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3.6.1 与调速有关的性能指标 电力拖动系统一般要求转速调节范围宽、调 节平稳、运行可靠、调节方法简单/经济。 评价调速系统优劣的几个指标：
调速范围 技术性指标：静差率 平滑性 经济性指标：原始投资与运行成本
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(1)调速范围 D：
定义： 调速范围定义为拖动系统的最高转速（或速度） 与最低转速（或速度）之比。这里的转速是指电机带 指定负载时可能的最大转速与可能的最小转速，不是 指电机自身的转速。
Ra U1 T 根据 n 2 e 可知，他励直流电动机可以采 Ce CeCT
用下列两种方法调速：
电枢回路串电阻调速 降低电源电压调速
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1. 降低电枢电压降速
a、电枢回路串电阻降压降速
图3.22给出了他励直流电动机电枢回路串电阻时的人工机械特性和恒转 矩负载的转矩特性。 R U
PN
TL nmax 9.55
（3-54）
(恒功率)：电机低速功率 = 电机高速功率， TN
TL Tema
Pem Tem ( b ) min Tem ( a ) max
Tem (b )
Pem T N max TN D （3-55） min min
浪费的转矩为：电机低速转矩 – 电机高速转矩(负载实需)
P2 P2 100% 100% P P2 p 1
（3-50）
P1：电动机的输入总功率 P2：电动机输出有效功率
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3.6.2 他励直流电动机常用的调速方法
他励直流电机稳态平衡方程：
U1 E Ra I a E Ce n T C I T a e
受两个因素影响： nN ；
（3-47）
n0
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高速时 的Δn
n0不变 针对特性线1、2有：
低速时 的Δn
nN n0 nN nN 1 nN 2

nN n0
图3.21 他励直流电动机的机械特性 与静差率之间的关系
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机械特性越硬，额定负载时转速降越小，静差率δ越小， 转速的相对稳定性越好；负载波动时，转速变化也越小。 反之，机械特性越软，静差率δ越大，相对稳定性越差。
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(3)调速的平滑性：
采用有级和无级调速来描述调速的平滑性，其性能指标为平滑 系数。平滑系数定义为相邻两级的转速比，即：
ni K ni 1
（3-49）
如果转速连续可调，其级数趋于无穷多，k趋于1称为无级调 速，此时平滑性好； 如果转速不连续，级数有限，称为有级调速。
(4)原始投资与运行成本
调速系统的经济指标包括设备的原始性一次投资和设备的运 行费用。运行费用主要是指调速过程中的损耗，通常用效率 来衡量，即：
电枢回路串电阻调速的经济性指标分析如下： 直流电动机的输入电功率为：
P 1 U1 I a ( Ea RI a ) I a
（3-51）
忽略机械耗和铁耗，并根据上式得电动机的总损耗（主要是电 枢绕组铜耗）为：
p I a 2 R U 1 I a E a I a U 1 I a (1 P1 (1 n ) n0
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2. 弱磁升速
图3.25给出了他励直流电动机弱磁调速时的人工机械特性。
Rf Uf
n
If

n0
R U1 1 U R a Ia = 1 a Ia Ce Ce Ce Ce
n
图3.25 励磁改变情况下的直流电动机 人工机械特性和负载特性 即只能降低额定磁通 升速而不能超过额定 磁通减速。
Ra U1 T 2 e Ce CeCT
Te CT I a
结论： 随着励磁电流的减小，电动机的 转速升高。为了确保电机的磁路 不至于过饱和，通常，弱磁调速 一般在基速（固有特性曲线）以 上进行。 17
弱磁调速时的过渡过程可用图3.26加以描述。
U1 Ea Ra I a Ea Ce n T C I T a e
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2、实现生产机械转速变化的方法： 1）机械调速，改变传动机构的速比； 2）电气调速，人为改变电气参数，在负载 不变的条件下，使电动机的工作点从一条机 械特性曲线转化到另一条机械特性曲线上， 达到对电动机转速的控制。 一般把具有速度调节功能的电力拖动系 统简称为调速系统。由电动机类型不同，分 直流调速系统与交流调速系统。
1. 调速方式
电力拖动系统的调速方式主要分为两大类： Tem保持不变 （1）恒转矩调速方式：在保持 I a I N 不变的前提下， Pem 保持不变 （2）恒功率调速方式：在保持 I a I N 不变的前提下，
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（a) 对于电枢回路串电阻调速（或降压调速）方式：
N ，I a I N 保持不变，故电磁转矩为： 由于调速前后，
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综合结论： 基速以下，他励直流电动机采用恒转矩调速方式（输出功率 与转速成正比），而基速以上，则采用恒功率调速方式（输 出转矩与转速成反比）。