直流电动机的调速方法
时间：2023-03-21来源：佚名
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直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。
直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为
 (1)式中 Ua——电枢供电电压（V）；
Ia ——电枢电流（A）；
Ф——励磁磁通（Wb）；
Ra——电枢回路总电阻（Ω）；
CE——电势系数，
 ，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻Ra；；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通Ф。
1. 改变电枢回路电阻调速
各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速，如图1(a)所示。此时转速特性公式为
 (2)式中Rw为电枢回路中的外接电阻（Ω）。
 图1(a) 改变电枢电阻调速电路 图1(b) 改变电枢电阻调速时的机械特性
当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra Rw)增大，电动机转速就降低。其机械特性如图1(b)所示。Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。
这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。
2. 改变电枢电压调速
连续改变电枢供电电压，可以使直流电动机在很宽的范围内实现无级调速。
如前所述，改变电枢供电电压的方法有两种，一种是采用发电机-电动机组供电的调速系统；另一种是采用晶闸管变流器供电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。
1. 采用发电机-电动机组调速方法
 图2 (a)发电机-电动机调速电路
(b)发电机-电动机组调速时的机械特性
如图2(a)所示，通过改变发电机励磁电流IF来改变发电机的输出电压Ua，从而改变电动机的转速n。在不同的电枢电压Ua时，其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线，如图2(b)所示。由于电动机既可以工作在电动机状态，又可以工作在发电机状态，所以改变发电机励磁电流的方向，如图2(a)中切换接触器ZC和FC，就可以使系统很方便地工作在任意四个象限内。
由图可知，这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机(LF)，因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大、维护不方便。为克服这些缺点，50年代开始采用水银整流器（大容量）和闸流管这样的静止交流装置来代替上述的旋转变流机组。目前已被更经济、可靠的晶闸管变流装置所取代。
2. 采用晶闸管变流器供电的调速方法
 图3 (a) 晶闸管供电的调速电路
(b) 晶闸管供电时调速系统的机械特性
有晶闸管变流器供电的调速电路如图3(a)所示。通过调节触发器的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变整流电压，从而实现平滑调速。在此调速方法下可得到与发电机-电动机组调速系统类似的调速特性。其开环机械特性示于图3(b)中。
图3(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区，则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。
变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达50:1～150：1,甚至更大。
3. 采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法
脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大功率开关器件而未能及时在生产实际中推广应用。今年来，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。
4. 改变励磁电流调速
当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1可看出，电动机的转速与磁通Ф（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通Ф和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTФIa），电枢电流不变时，随着磁通Ф的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通Ф的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。
为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基速以上调速时才采用这种调速方法。采用弱磁调速时的范围一般为1.5:1～3:1，特殊电动机可达到5:1。
这种调速电路的实现很简单，只要在励磁绕组上加一个独立可调的电源供电即可实现。 |
