直流電機調速方法

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由於直流電動機具有低轉速大力矩的特點，是交流電動機無法取代的， 因此調節直流電動機速度的設備具有廣闊的應用天地。

直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速係統最早采用恒定直流電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行、設備製造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調速性能。該法隻適用在一些小功率且調速範圍要求不大的場合。

30年代末期，發電機-電動機係統的出現才使調速性能優異的直流電動機得到廣泛應用。這種控製方法可獲得較寬的調速範圍、較小的轉速變化率和平滑的調速性能。但此方法的主要缺點是係統重量大、占地多、效率低及維修困難。近年來，隨著電力電子技術的迅速發展，由晶閘管變流器供電的直流電動機調速係統已取代了發電機-電動機調速係統，它的調速性能也遠遠地超過了發電機-電動機調速係統。特別是大規模集成電路技術以及計算機技術的飛速發展，使直流電動機調速係統的精度、動態性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術中IGBT等大功率器件的發展正在取代晶閘管，出現了性能更好的直流調速係統。

直流電機的轉速計算公式如下：n=（U-IR）/Kφ，其中U為電樞端電壓，I為電樞電流，R為電樞電路總電阻，φ為每極磁通量，K為電動機結構參數。

直流電動機有三種調速方法

1 、降低電樞電壓調速　　基速以下調速

2 、電樞電路串電阻調速

3 、弱磁調速 基速以上調速

各種調速成方法特點：

1 、降低電樞電壓調速，電樞回路必須有可調壓的直流電源，電樞回路及勵磁回路電阻盡可能小，電壓降低轉速下降，人為特性硬度不變、運行轉速穩定，可無級調速。

2 、電樞回路串電阻調速，人為特性是一族 過 n 。的射線，串電阻越大，機械特性越軟、轉速越不穩定，低速時串電阻大，損耗能量也越多，效率變低。調速範圍受負載大小影響，負載大調速範圍廣，輕載調速範圍小。

3 、弱磁調速，一般直流電動機，為避免磁路過飽和隻能弱磁不能強磁。電樞電壓保持額定值，電樞回路串接電阻減至最小，增加勵磁回路電阻 Rf ，勵磁電流和磁通減小，電動機轉速隨即升高，機械特性變軟。 轉速升高時，如負載轉矩仍為額定值，則電動機功率將超過額定功率，電動機過載運行、這是不允許的，所以弱磁調速時，隨著電動機轉速的升高，負載轉矩相應減小，屬恒功率調速。 為避免電動機轉子繞組受離心力過大而撤開損壞，弱磁調速時應注意電動機轉速不超過允許限度。

直流電動機的轉速n和其他參量的關係可表示為

由式1可以看出，式中Ua、Ra、Ф三個參量都可以成為變量，隻要改變其中一個參量，就可以改變電動機的轉速，所以直流電動機有三種基本調速方法：

（1）改變電樞回路總電阻Ra；；

（2）改變電樞供電電壓Ua；

（3）改變勵磁磁通Ф。

1. 改變電樞回路電阻調速

各種直流電動機都可以通過改變電樞回路電阻來調速，如圖1（a）所示。此時轉速特性公式為

圖1（a） 改變電樞電阻調速電路 圖1（b） 改變電樞電阻調速時的機械特性 當負載一定時，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=（Ra+Rw）增大，電動機轉速就降低。其機械特性如圖1（b）所示。Rw的改變可用接觸器或主令開關切換來實現。

這種調速方法為有級調速，調速比一般約為2：1左右，轉速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現在已極少采用。

2. 改變電樞電壓調速

連續改變電樞供電電壓，可以使直流電動機在很寬的範圍內實現無級調速。

如前所述，改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發電機-電動機組供電的調速係統；另一種是采用晶閘管變流器供電的調速係統。下麵分別介紹這兩種調速係統。

1. 采用發電機-電動機組調速方法

如圖2（a）所示，通過改變發電機勵磁電流IF來改變發電機的輸出電壓Ua，從而改變電動機的轉速n。在不同的電樞電壓Ua時，其得到的機械特性便是一簇完全平行的直線，如圖2（b）所示。由於電動機既可以工作在電動機狀態，又可以工作在發電機狀態，所以改變發電機勵磁電流的方向，如圖2（a）中切換接觸器ZC和FC，就可以使係統很方便地工作在任意四個象限內。

由圖可知，這種調速方法需要兩台與調速電動機容量相當的旋轉電機和另一台容量小一些的勵磁發電機（LF），因而設備多、體積大、費用高、效率低、安裝需打基礎、運行噪聲大、維護不方便。為克服這些缺點，50年代開始采用水銀整流器（大容量）和閘流管這樣的靜止交流裝置來代替上述的旋轉變流機組。目前已被更經濟、可靠的晶閘管變流裝置所取代。

2. 采用晶閘管變流器供電的調速方法

有晶閘管變流器供電的調速電路如圖3（a）所示。通過調節觸發器的控製電壓來移動觸發脈衝的相位，即可改變整流電壓，從而實現平滑調速。在此調速方法下可得到與發電機-電動機組調速係統類似的調速特性。其開環機械特性示於圖3（b）中。

圖3（b）中的每一條機械特性曲線都由兩段組成，在電流連續區特性還比較硬，改變延遲角a時，特性呈一簇平行的直線，它和發電機-電動機組供電時的完全一樣。但在電流斷續區，則為非線性的軟特性。這是由於晶閘管整流器在具有反電勢負載時電流易產生斷續造成的。

變電樞電壓調速是直流電機調速係統中應用最廣的一種調速方法。在此方法中，由於電動機在任何轉速下磁通都不變，隻是改變電動機的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風惡化的影響（也就是假定電動機是強迫通風或為封閉自冷式），則不論在高速還是低速下，電動機都能輸出額定轉矩，故稱這種調速方法為恒轉矩調速。這是它的一個極為重要的特點。如果采用反饋控製係統，調速範圍可達50:1～150：1，甚至更大。

3. 采用大功率半導體器件的直流電動機脈寬調速方法

脈寬調速係統出現的曆史久遠，但因缺乏高速大功率開關器件而未能及時在生產實際中推廣應用。今年來，由於大功率晶體管（GTR），特別是IGBT功率器件的製造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導體器件實現的直流電動機脈寬調速係統才獲得迅猛發展，目前其最大容量已超過幾十兆瓦數量級。

4. 改變勵磁電流調速

當電樞電壓恒定時，改變電動機的勵磁電流也能實現調速。由式1可看出，電動機的轉速與磁通Ф（也就是勵磁電流）成反比，即當磁通減小時，轉速n升高；反之，則n降低。與此同時，由於電動機的轉矩Te是磁通Ф和電樞電流Ia的乘積（即Te=CTФIa），電樞電流不變時，隨著磁通Ф的減小，其轉速升高，轉矩也會相應地減小。所以，在這種調速方法中，隨著電動機磁通Ф的減小，其轉矩升高，轉矩也會相應地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉速時，電動機始終可以輸出額定功率，因此這種調速方法稱為恒功率調速。 為了使電動機的容量能得到充分利用，通常隻是在電動機基速以上調速時才采用這種調速方法。采用弱磁調速時的範圍一般為1.5:1～3:1，特殊電動機可達到5:1。

這種調速電路的實現很簡單，隻要在勵磁繞組上加一個獨立可調的電源供電即可實現。