直流电动机调速

直流电动机调速在直流传动系统中，人为地或自动地改变电动机的转速以满足工作机械不同转速地要求，称之为调速。

可以通过改变电动机的参数或外加电压等方法，来改变电动机的机械特性，从而改变电动机的稳定转速。

电动机的转速由操作工给定，不能自动纠正转速偏差的方式称为开环控制。

在很多情况下，希望转速稳定，即转速不随负载及电网电压等外界扰动而变化，此时电动机的转速应能自动调节，为此构成的调速系统称为闭环系统。

一、电动机调速的分类及静态指标1、 直流电动机调速的分类1） 无级调速和有级调速：a ） 无级调速：又称连续调速，是指电动机的转速可以平滑地调节。

其特点为转速变化均匀，适应性强而且容易实现调速自动化，因此在工业装置中被广泛采用。

b ） 有级调速：又称间断调速或分级调速。

它的转速只有有限的几级，调速范围有限且不易实现调速自动化。

2） 向上调速和向下调速（调速的方向性）： 电动机未作调速时的固有转速，通常即为电动机额定负载时的额定转速，也称为基本转速或基速。

一般在基速方向提高转速的调速称为向上调速，例如直流电动机改变磁通进行调速，其调速极限受电动机的机械强度和换向条件限制。

在基速方向降低转速的调速称为向下调速，例如直流电动机改变电枢电压进行调速，调速的极限即最低转速主要受转速稳定性的限制。

3） 恒转矩调速和恒功率调速：a) 恒转矩调速：有很大一部分工作机械，其负载性质属于恒转矩类型，即在调速过程中不同的稳定速度下，电动机的转矩为常数。

如果选择的调速方法能使=I ∝T 常数，则在恒转矩负载下，电机不论在高速和低速下运行，其发热情况是一样的，这就使电动机容量能被合理而充分地利用。

这种调速方法称为恒转矩调速。

例如，当磁通一定时调节电枢电压或电枢回路电阻的方法，就属于恒转矩调速方法。

b)恒功率调速：具有恒功率特性的负载，是指在调速过程中负载功率P L ＝常数，负载转矩T L =na1。

对于直流电动机，当电枢电压一定时减弱磁通的调速方法就属于此种类型。

用恒功率调速方法去带动恒转矩性质的负载是不合理的，在高速时电机将会过载。

因此，对恒功率负载，应尽量采用恒功率调速方法；而对恒转矩负载，应尽量采用恒转矩调速方法。

这样，电机容量才会得到充分利用。

2、 直流电动机调速的静态指标1） 调速范围：生产机械要求电动机能提供的最高转速n max 和最低转速n min 之比叫做调速范围，通常用D 表示，即minmaxn n D =式中n max 和n min －一般都指额定负载时的转速，闭环调速系统的调速范围可达100：1或更大。

2） 静差率：电动机在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所产生的转速降落和额定负载时的转速之比，称为静差率（又称转速变化率）S ，常用百分数表示，即%1000⨯-=nnn s 式中n 0 ――电动机理想空载转速；n ――电动机额定负载时的转速。

闭环调速系统的静差率一般为10－2～10－3。

3） 稳速精度μ：在稳速系统中常用稳速精度的概念，即在规定的电网质量和负载扰动的条件下，在规定的运行时间（如1h 或8h ）内，在某一指定的转速下，t 时间（通常t 取1s ）内平均转速最大值n max 和另一个t 时间内平均转速最小值n min 的相对误差的百分值，来表明稳速系统的性能%100minmax minmax ⨯+-=n n n n μ数字稳速系统的稳速精度可在10－4～10－5。

二、直流电动机的调速方法1、 直流电动机的调速原理： 直流电动机的机械特性方程式为T C C RC U n T e e 2Φ-Φ=(1) 式中U ――加在电枢回路上的电压；R ――电动机电枢电路总电阻； Φ――电动机磁通；C e ――电动势常数；C T ――转矩常数； T ――电磁转矩。

由式1可知，改变电动机电枢回路电阻R 、外加电压U 及磁通Φ中的任何一个参数，就可以改变电动机的机械特性，从而对电动机进行调速。

2、 直流电动机的调速方法：1） 改变电枢回路电阻调速从式1可知，当电枢电路串联附加电阻R 时（见图1），其特性方程式变为T C C R R C Un T e e 20Φ+-Φ=(2)式中R 0――电动机电枢电阻；R ――电枢电路外串附加电阻； 从式中2可以看出，电动机电枢电路中串联电阻时特性的斜率增加；在一定负载转矩下，电动机的转速降增加，因而实际转速降低了。

图1所示为不同附加电阻值时的一组特性曲线。

图1 直流电动机电枢电路串联电阻调速 （a ）线路图；（b ）机械特性图采用这种调速方法，因其机械特性变软，转速受负载影响较大，轻载时达不到调速的目的，重载时还会产生堵转现象，而且在串联电阻中流过的是电枢电流，长期运行损耗也大，经济性差，因此在使用上有一定局限性。

电枢电路串联电阻的调速方法，属于恒转矩调速，只有在需要降低转速时使用。

工业上，在小容量电动机的电枢回路中可串一台手动或电动变阻器来进行调速，对较大容量的电动机多用接触器－继电器系统来切换电枢串联电阻，故多属于有级调速。

由于在电枢回路中串联电阻的调速方法使特性变软，故在实践中又产生一种在电枢电路中串并联电阻的调速方法，其线路见图2。

此时电动机的机械特性方程式为T C C KRR Kn n T e 20Φ+-= RR R K B B+=(3)式中R B ――与电枢并联的电阻。

由式3可见，串并联电阻后，理想空载转速降低了（K<1）,机械特性斜率较单纯串电阻时小，见图3。

图2 电枢电路串并联电阻的调速线路 图3 电枢串并联电阻后的机械特性2)改变电枢电压调速当改变电枢电压调速时，理想空载转速n 0 也将改变，但机械特性的斜率不变。

这时的机械特性方程为 T K n T C C RC U n m T e e -=Φ-Φ=02'' (4) 式中'U ――改变后的电枢电压；0'n ――改变电压后的理想空载转速，0'n Φ=e C U /'；m K ――特性曲线的斜率，m K )/(2Φ=T e C C R 。

图4 改变电枢电压调速时的机械特性其特性曲线是一族以'U 为参数的平行直线，见图4。

由图4可见，在整个调速范围内均有较大的硬度，在允许的转速变化率范围内可获得较低的稳定转速。

这种调速方式的调速范围较宽，一般可达10～12，如果采用闭环控制系统，调速范围可更大。

改变电枢电压调速方式属于恒转矩调速，并在空载或负载转矩时也能得到稳定转速，通过电压正反向变化，还能使电动机平滑地起动和四个象限工作，实现回馈制动。

这种调速方式控制功率较小，效率较高，配上各种调节器可组成性能指标较高的调速系统，因而在工业中得到了广泛的应用。

3)改变磁通调速在电动机励磁回路中改变其串联电阻R f 的大小（见图5a ）或采用专门的励磁调节器来控制励磁电压（见图5b ），都可以改变励磁电流和磁通。

这时电动机的电枢电压通常保持为额定值U N ，因为I C RC U T C C R C U n e e N T e e N Φ-Φ=Φ-Φ=2(5)图5 直流电动机改变磁通的调速线路（a ）励磁回路串联电阻调速；（b ）用放大器控制励磁电压调速所以，理想空载转速)/(Φe N C U 与磁通（Φ）成反比；电动机机械特性的斜率与磁通的二次方成反比。

此时，转矩和电流与转速的关系见图6。

在调速过程中，为使电动机容量得到充分利用，应该使电枢电流一直保持在额定电流N I 不变，见图6b 中垂直虚线。

这时，磁通与转速成双曲线关系，n /1∝Φ，即n T /1∝,（见图6a 中的虚线）。

在虚线左边各点工作时，电动机没有得到充分利用；在虚线右边各点工作时，电动机过载，不能长期工作。

因此，改变磁通调速适用于恒功率负载，即为恒功率调速。

图6 调磁通时)(T f n =与)(I f n =曲线（a ）)(T f n=曲线；（b ）)(I f n =曲线采用改变励磁进行调速时，在高速下由于电枢电流去磁作用增大，使转速特性变得不稳定，换向性能也会下降。

因此，采用这种方法的调速范围有限。

无换向极电动机的调速范围为基速的1.5倍左右，有换向极电动机的调速范围为基速的3～4倍，有补偿绕组电动机的调速范围为基速的4～5倍。

4）三种调速方法的性能比较直流电动机三种调速方法的性能比较见表1。

三、晶闸管变流器供电的直流传动系统晶闸管变流器供电的直流传动调速系统已广泛用于直流电动机的调速装置上，基速以下改变电枢电压实现恒转矩调速，基速以上改变磁通实现恒功率调速，这种系统的特点是调速范围广、平滑性好、动态性能优越、效率高。

1、晶闸管变流装置主回路方案选择晶闸管变流调速装置的主回路设备通常包括整流变压器（或交流进线电抗器）、晶闸管变流器（含控制及保护设备）、电抗器及快速开关等。

变流装置的主回路方案和控制，应根据生产机械的工作状态并结合国内的定型产品参照表2选取。

表2中的主回路方案基本上分为两类，一类是不可逆系统，一类是可逆系统。

1）不可逆系统：电枢变流器为三相半控桥或三相全控桥晶闸管整流器，用于改变电动机的电枢电压实现恒转矩调速。

励磁回路变流器有两种接线方式，一种为三相不控桥式整流器，励磁电流不可调，另一种为单相半控桥整流器，励磁电流可调，用于恒功率调速。

2）可逆系统：在晶闸管变流器的研发阶段，可逆系统的主接线方案多种多样，例如主回路接触器可逆、晶闸管交叉接线可逆、晶闸管反并联接线可逆、励磁可逆等。

按环流控制划分有：逻辑无环流系统、有环流系统、可控环流系统及错位无环流系统。

但是随着技术的进一步发展以及控制系统可靠性的进一步提高，目前各生产厂家提供的成套产品，其主回路方案基本上都是三相全控桥反并联接线、逻辑无环流控制系统、励磁回路为单相半控桥整流电路，既可用于改变电枢电压实现基速以下调速，又可用于弱磁实现基速以上调速。

如上所述，晶闸管主回路的接线方案虽有多种多样，但目前各生产厂家能够成套提供的定型产品，只有表2所示的两类，为此，对其它类别的接线方案不一一叙述，设计时拟采用的直流传动系统应根据生产机械的工作状态参照表2选择即可。

1.只提供单一方向转矩,变流器只限于整流状态工作,机械的减速、停车不能用变流装置控制。

2.设备费用少,晶闸管数量少,控制线路及保护方式简单。

3.不宜在经常起动、停车或要求调速的场所。

1.靠正反方向两组晶闸管实现主回路电流双向可逆运转,电流换向时通过逻辑控制电路的一定时序,选择封锁和释放晶闸管的触发脉冲,实现主电流方向可逆。

电流方向切换时,为保证由导通转为封锁的晶闸管能可靠恢复阻断有5~10ms的切换死时。

2.接线方式简单,设备费用少,晶闸管对接或变流器直接反并联,环流回路不设限流电抗器和直流快速断路器多用于单方向连续运行或某些缓慢减速及负载变动不大的生产机械。