2.5 他勵直流電動機的調速

為了提高生產率、保證產品質量或節約能源，需要許多生產機械在生產過程中有不同的運行速度。人為地改變電動機的參數（如他勵電動機的端電壓、勵磁電流或電樞回路串電阻），使同一個機械負載得到不同的轉速，被稱為電動機調速。為了評價各種調速方法的優缺點，對調速方法提出了一定技術經濟指標，稱為調速指標。

2.5.1 調速指標

1.調速范圍

調速范圍是指電動機在額定負載下能運行的最高轉速n_max和最低轉速n_min之比，用字母D表示，即

針對不同的生產機械其電動機的調速范圍不同。要擴大調速范圍，必須提高n_max和降低n_min。電動機的最高轉速受電動機的機械強度、換向條件等方面的限制，而最低轉速受到低速運行時轉速的相對穩定性的影響。

2.靜差率

當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載變到額定負載時所對應的轉速降落Δn_N與理想空載轉速n₀之比，稱為靜差率s，即

顯然，靜差率表示調速系統在負載變化下轉速的穩定程度，它和機械特性的硬特性有關，特性越硬，靜差率越小，轉速的穩定程度就越高。

然而靜差率與硬特性又是有區別的。一般變壓調速系統在不同轉速下的機械特性是互相平行的，如圖2-27中的兩條特性曲線，兩者的硬度相同，額定速降相等，但它們的靜差率卻不同，因為理想空載轉速不一樣。這就是說，對于同樣硬特性，理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩定性也就越差。

在直流電動機調壓調速系統中，n_max就是電動機的額定速度n_N，若額定負載時的轉速降落為Δn_N，則系統的靜差率應該是最低轉速時的靜差率，即

而額定負載時的最低轉速為

考慮到式（2-34），式（2-35）可以寫成

而調速范圍為

將式（2-36）代入式（2-37），得

式（2-38）表達了調速范圍D、靜差率s和額定速降Δn_N之間應滿足的關系。對于同一個調速系統，其硬特性或Δn_N值是一定的，如果對靜差率的要求越嚴（即s值越小），系統允許的調速范圍D就越小。

D與s相互制約：s越小，D越小，相對穩定性越好；在保證一定的s指標的前提下，要擴大D，須減少Δn，即提高硬特性。

3.調速的平滑性

在一定的調速范圍內，調速的級數越多，調速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數

?越接近1，平滑性越好，當?=1時，則稱為無級調速，即轉速可以連續調節。調速不連續時，級數有限，則稱為有級調速。

4.調速的經濟性

主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用等。

【例2-2】某臺他勵直流電動機有關數據為：P_N=60kW，U_N=220V，I_N=305A，n_N=1000r/min，電樞回路總電阻R_a=0.04Ω，電樞回路串電阻調速。當靜差率s≤30%時，求電動機的調速范圍D。

解：由已知條件得理想空載轉速

靜差率s=30%時的最低轉速由式（2-40）可得

n _min=n₀-sn₀=（1058.7-30%×1058.7）r/min=741.1r/min

2.5.2 電樞回路串電阻調速

他勵直流電動機拖動負載運行時，保持電源電壓及磁通為額定值不變，在電樞回路中串入不同的電阻時，可使電動機運行于不同的轉速，如圖2-28所示。該圖中負載是恒轉矩負載。未串電阻時，工作點為A的轉速為n_N，電樞回路中串入電阻R_Ω1后，工作點A就經由A′變成了B，轉速降為n₁。從圖中可以看出，串入電阻值越大，穩態轉速就越低。

電樞串電阻調速的特點：

1）串入電阻后轉速只能降低，由于機械特性變軟，靜差率變大，特別是低速運行時，負載稍有變動，電動機轉速波動大，因此調速范圍受到限制。

2）由于電阻只能分段調節，所以調速的平滑性差。

3）由于電樞電流大，調速電阻消耗的能量較多，不夠經濟。

4）調速方法簡單，設備投資小。

因此，電樞回路串電阻調速多用于電動機容量不大、低速工作時間短、調速范圍較小的場合，如起重機、電車等。

2.5.3 降低電源電壓調速

電動機的工作電源電壓不允許超過額定電壓，因此電樞電壓只能在額定電壓以下進行調節，即減壓調速。如圖2-29所示，圖中負載是恒轉矩負載。原來工作點為A的轉速為n_N，當電壓降至U₁后，工作點A就經由A′變成了B，轉速降為n₁。可以看出，電源電壓降低越多，穩態轉速也越低。

減壓調速的特點：

1）無論高速還是低速，機械特性硬度不變，調速性能穩定，故調速范圍廣。

2）電源電壓能平滑調節，故調速平滑性好，可達到無級調速。

3）降壓調速是通過小輸入功率來降低轉速的，損耗小，調速經濟性好。

4）調壓電源設備較復雜。

因此，減壓調速被廣泛地應用于對起動、制動和調速性能要求較高的場合，如龍門刨床、軋剛機等。

2.5.4 弱磁調速

為了充分使用電動機，一般設計電機時，把鐵心接近飽和時的磁通作為額定磁通Φ_N。若再增加勵磁電流，磁通能增加的部分已經不多了。故只能采用減弱磁通的方法來達到調速的目的，稱為弱磁調速。如圖2-30所示，負載是恒轉矩負載，原來工作點為A的轉速為n_N，當磁通降至Φ₁后，工作點A就經由A′變成了B，轉速升為n₁。可以看出，電動機以新的較高的轉速穩定運行。

弱磁調速的特點：

1）弱磁調速機械特性較軟，受電動機換向條件和機械強度的限制，轉速增幅不能太大。

2）調速平滑，可以無級調速。

3）適合于功率較小的勵磁回路，能量損耗小。

4）控制方便，控制設備投資少。