有静差直流调速系统

有静差直流调速系统高级维修电工考证复习之一

一、直流调速系统

1.直流调速系统概述

直流调速有三种方法：○1电枢回路串电阻调速———（有级调速）

○2弱磁调速（调磁调速）——（无级调速）

○3调压调速————————（无级调速）

其中调磁调速为恒功率调速，其调速范围小；

调压调速为恒转矩调速，其调速范围大。

在低于额定转速的调速一般采用调压调速，

在高于额定转速的调速一般采用调磁调速。

采用调压调速的直流调速系统需要一个可控直流电源为直流电动机供电。常用的可控直流电源有：○1旋转变流机组（发电机G—电动机M调速

系统）

○2静止式可控整流器（晶闸管相位控制直流调

速系统）

○3直流斩波器（直流斩波器调速系统）

晶闸管相位控制直流调速系统与直流斩波器调速系统的共同优点是：调速范围宽，可获得较硬的机械特性。

发电机—电动机（G—M）调速系统与晶闸管相位控制直流调速系统、直流斩波器调速系统相比，后两种调速系统具有○1放大倍数大○2快速性能好○3经济性好○4体积小○5控制方便○6运行噪声小等优点。

晶闸管相位控制直流调速系统与直流斩波器调速系统相比，前者又具有○1功率器件少○2线路简单○3调速范围宽○4快速反应好○5功率因数和效率高。但受器件容量等因素的限制，主要用于中、小功率范围的系统。

在工业生产中，早期应用的是发电机——电动机（G—M）调速系统，随着电子技术的发展，晶闸管相位控制直流调速和直流斩波调速系统获得越来越广泛的应用。目前应用最广泛的还是晶闸管相位控制直流调速系统。

晶闸管直流调速系统的种类很多，

根据系统运行时是否存在稳态偏差，可分为：

○1有静差直流调速系统

○2无静差直流调速系统

根据系统中负反馈环节的数量，可分为：

○1单闭环直流调速系统

○2双闭环直流调速系统

○3多闭环直流调速系统

根据系统中电动机是否正、反转，可分为：

○1可逆直流调速系统

○2不可逆直流调速系统

2.直流调速方式

根据全电路欧姆定律来分析下列他励直流电动机：

Ud = Ed + IdRd Ud ——电动机的电枢

Ed = Ce Фn Ed ——电动机分电动势

T = Ct ФId T ——电动机的电磁转矩

Rd ——电枢绕组

Ct ——电动机的转矩常数

Ф ——主磁极磁通

机械特性为

002Ud Rd n

n KtT n n Ce CeCt 0/n Ud Ce ——理想空载转矩

2/Kt Rd CeCt ——机械特性斜率 2/n RdT CeCt ——转速降落值

由上式可知，直流电动机的速度由Ud （电枢两端电压）和Ф（主磁极磁通）所决定。 调节Ud 即调压调速，

调节Ф 即调磁调速。

（1）改变电枢电压的调速方式（调压调速）

若保持磁通Ф和电枢电阻Rd 不变，将电枢电压Ud 减小（由于耐压限制

不能升压），机械特性的斜率不变，而空载转速会减小，于是得到一组以Ud 为参数的平行直线。如下图：

在允许的静差度值内，可获得低于额定转速的稳定速度，调速范围可达10～12（电动机能提供的最高转速n max和最低转速n min之比D）。

改变Ud调速的实质是：在Ud减少时，为了充分利用电动机的容量，电枢电流Id仍保持为额定值，由T = CtФId 可知，电动机输出转矩是恒定的。

但此时的反电动势Ed却随Ud减小而减小，转速n也随之下降。

由此可见，调压调速为恒转矩调速，它的变速特性正好满足恒转矩负载的要求。

恒转矩调速的特性曲线如下图：

调压调速的优点：调节细，平滑性好；机械特性硬度不变，相对稳定好；

调速过程能耗低，可节省降压启动设备，经济性好；调速范围较宽。

（2）改变励磁磁通的调速方式（调磁调速）

若保持电枢电压Ud和电枢电阻Rd不变, 将RL增加或UL减小, 而使磁通Φ减小（因受磁饱和限制而不能增大）, 空载转速no随之增大（no ∝ 1/Φ）, 机械特性斜率急剧增加（Kt ∝ 1/Φ2）。由此得到一组以Φ为参数的曲线。

磁通Φ减小使转速n增高, 特性变软, 调速范围2～4（D =n max/n min）。如下图所示：

调磁调速具有恒功率的调速特性, 在调速过程中电动机转矩T随转速n的上升而降低.。输出功率为额定功率Pe, 满足恒功率机械负载的要求。

调磁调速虽然调速范围不宽, 但它具有调节容量小、平滑性好、投资少、能耗低、经济性好等优点。

恒功率调速特性曲线如下图所示：

（3）恒转矩调速与恒功率调速

调压调速和调磁调速是直流调速中常用的两种方式, 它们的调速特性刚好满足常用的恒转矩和恒功率机械负载特性的要求。

所谓恒转矩调速或恒功率调速, 是指在电动机不超过发热条件限制下, 以可调的不同转速长期工作时, 都能给（输）出额定转矩或额定功率的调速。

根据负载的特性来选择电动机的调速方式, 才能在任何一级转速下, 都能使它的输出达到要求的转矩或功率, 电动机的容量才能得到充分利用。

一个恒功率负载, 若采用了恒转矩调速方式, 会因为电动机调速时输出的转矩恒定, 但负载在高速时要求的转矩小, 低速时要求的转矩大, 若按低速时要求选定的电动机额定转矩, 当电动机工作在高速时,电动机的容量就得不到充分的利用。若按高速时要求选定的电动机额定转矩，则工作在低速时电动机将超载, 所以均不合理。因此在考虑调速方案时, 必须先弄清负载的性质。

3. 调速的性能指标

调速系统的优劣, 可用技术性能指标来衡量, 在电动机调速系统中, 常用的性能指标有以下几项：

（1）调速范围D

在额定负载下, 电动机能提供的最高转速与最低转速之比：

D = n max / n min

不同的工作机械要求的调速范围不同, 不同类型电动机在不同的调速方式下, 所能达到的调速范围不同。

一般机床的主传动和进给传动的调速范围如下表, 数控机床和随动系统的调速范围可能比下表要求更宽些。

机床传动调速范围