电气传动自动控制系统第2章03

2.4 调速系统的基本指标与直流电机的基本调速方法

许多生产机械的运行速度，随其具体工作情况而不同。例如：车床切削工件时，精加工用高转速，粗加工用低转速；龙门刨床刨切时，刀具切入和切出工件用较低速度，中间一段切削用较高速度，工作台返回时用高速度。这就是说，传动系统的运行速度需要根据生产机械的工艺要求而人为调节。

调速即是速度调节的简称。调速可分为机械调速和电气调速两类。改变传动机构速比的调速方法称为机械调速。而通过改变电动机相关参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。在电力传动系统中研究的调速，一般是指电气调速，即指在某一不变负载条件下，人为地改变电路的参数，而得到不同的速度。调速与由其他因素(如负载变化)引起的速度变化不同，后者称为速度变化。

生产机械的调速是工业生产的实际需要。大量的生产机械都需要调速。可调速电力传动是现代电力传动的特点之一。正确地选择可调速电力传动系统，可以保证工艺过程的顺利实现和完成，可以达到提高生产质量和增加产量的目的。同时，在很多情况下，可以简化机械结构。

2.4.1 调速系统的基本指标

如何选择和评价一个调速系统？应考虑以下指标（技术指标和经济指标）：调速范围、调速的稳定性和相对稳定性（即静差率）、调速的平滑性、调速的负载能力以及调速的经济性。

2.4.1.1 调速范围——D

电力传动系统的调速范围，是指系统所能给出的最高转速n max 与最低转速n min 的比值，即

min

max n n D =

(2-52)

电力传动系统的调速范围，一般是机械调速和电气调速配合起来实现的。所以，系统的调速范围应为机械调速范围与电气调速范围的乘积。这里，主要研究电气调速范围。在决定调速范围时，一般取额定转矩下的最高转速与最低转速的比值，即

N

T T n n D ==

min

max

最高转速受电动机的换向和机械强度的限制；

最低转速受生产机械对转速相对稳定性(静差率)要求的限制。

一般，金属切削机床主传动系统的调速范围为4~100，辅助传动系统可达1000；轧钢工业中的热轧机传动调速范围为3~10，而冷轧机可达20以上；造纸机传动系统调速范围为10~20。

2.4.1.2 调速的稳定性和静差率s

调速的稳定性是表示负载转矩在给定范围内变化时所引起的速度变化。它决定于机械特性的斜率。斜率大的机械特性在发生负载波动时，引起的速度变化也大，如图2-26所示。这会影响到加工质量和生产效率。

只用机械特性的斜率来表示调速的稳定性很不确切，需要引入新的概念来表示调速的相对稳定性——静差率。

静差率是指电机由理想空载到满载（额定负载）时的转速落差与理想转速的比值，即

00

n n n n n s -=

∆=

<1

一般，取额定转矩下的转速落差∆n N ，即有额定静差率

00

n n n n n n n s N

N T T N N

-=

∆=

∆=

=

由上式可知，当n 0相同时，斜率愈大，静差率愈大，调速的相对稳定性愈差；当机械特性的斜率相同时，n 0愈低，静差率愈大，调速的相对稳定性愈差。

下面，讨论静差率s 与调速范围D 的关系。

如图2-27所示，直线1代表固有特性，直线2代表人工特性。

n

T

n

T 1

T 2

n

r a

T

n r a +R ad 1

n n a

r T N

图2-26 机械特性的斜率与稳定性的关系 图2-27 电枢串接电阻时的人工机械特性

在额定转矩下，最高转速等于额定转速，即

n max =n N

最低转速为

n min =n arN

调速范围为

arN

N min

max n n n n D ==

（2-30）

对固有特性——高速特性，其额定静差率为

00n n n s N

N -=

则

n N =n 0(1-s N ) （2-31）

人工特性——低速特性的静差率为

0n n n s arN

arN -=

则

n arN =n 0(1-s arN ) （2-32）

则

arN

N s s D --=

11 （2-33）

一般，s N 很小，可忽略，则有

arN

s D -≈

11 （2-34）

由上式可知，当要求静差率s arN 小的时候，调速范围D 不可能大。例如，当s arN =0.3时，电枢回路串电阻调速的调速范围D=1.4，D 很小。可见，静差率s 与调速范围D 是两个互相制约的指标。

如果在电枢串电阻调速时，所串电阻R ad 最大的一条人工机械特性，即低速特性的静差率s 满足要求，则其他各条特性上的静差率就都能满足要求。这条串电阻值R ad 最大的人工机械特性上对应T=T L 时的转速，就是串电阻调速时的最低转速，因此，称为低速特性。而电动机的n N 是最高转速n max ，则固有特性称为高速特性。

系统的最低转速受低速特性的静差率的限制。 调速范围与静差率存在这样制约的关系，因此对于需要调速的生产机械，必须同时提出静差率与调速范围这两项指标，以便选择合适的调速方法。例如，普通车床调速要求为s ≤30%，D=10~40。龙门刨床调速要求为s ≤10%，D=10~40。高级造纸机调速要求为s ≤0.1%，D=3~20。等等。

2.4.1.3 调速的平滑性

调速的平滑性，是指在一定的调速范围内，相邻两级速度变化的程度，用平滑系数表示有

1

-=

i i n n K （2-35）

式中

n i 和n i -1——相邻两级（即i 级与i -1级）的速度。

平滑系数K 愈接近愈1，则速度跃变愈小，调速愈平滑。根据系统调速的平滑性，调速

可分为有级调速和无级调速，平滑性最好的调速为无级调速，无级调速时，当i →∞，K →1，可以实现连续平滑调节。

2.4.1.4 调速的经济性

在设计和选择调速系统时，不仅要考虑技术指标，还要考虑其经济指标，即调速的经济性问题。

调速的经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时的电能损耗以及运行费用等。在初投资中，除了设备费用外，有时还需要考虑安装费用、占地面积、对厂房的要求等项目。在运行费用中，包括能量消耗、工资、设备折旧（包括大修费用）、一般维修费用等项目。

在比较简单的情况下，可以只计算电能的损耗∆P ，或者是设备的总效率，即

P

P P ∆+=

22η

式中 P 2-—设备的有效功率。

在全面评价调速的经济性时，就需综合考虑初投资和运行费用。

还有一个调速的技术指标，即电动机调速时的负载能力及其与负载性质的配合，将在2.4.3中专门讨论。

在具体技术指标方面，有时个别的指标会成为决定调速系统方案的重要因素，例如调速的灵活性和快速性。

2.4.2 直流他励电动机的基本调速方法及其调速性能

由直流他励电动机的机械特性方程式

T C C R r C U T C C R C U n T e ad a e T e a e 2

2

Φ

+-

Φ

=

Φ

-

Φ

=