2.3.2 直流電動機的調速

1.調速方式

根據直流電動機的轉速公式，可見，其調速方式有電樞串電阻調速、電樞電源電壓調速和弱磁調速三種。

（1）電樞串電阻調速

他勵、并勵直流電動機拖動負載運行時，保持電源電壓及勵磁電流不變、為額定值，在電樞回路串接不同的電阻值，電動機運行在不同的轉速，如圖2-20所示。電動機的機械特性斜率隨電樞回路串接電阻R變化，調速范圍只能在基速（運行于固有機械特性上的轉速）與零轉速之間調節。

電樞串電阻調速，保持電動機勵磁磁通恒定不變，對于恒轉矩負載，T=C_TΦ_NI_a =T_L ，電樞電流I_a大小與電樞串接電阻、電動機轉速無關。可見，電樞電流I_a的大小取決于負載轉矩T_L。雖然I_a的大小不變，轉速越低，串接的電阻損耗越大，因此，電動機效率越低。

這種調速方法的特點是設備簡單、調節方便；缺點為調速范圍限于在基速與零速之間調節，調速效率較低，電樞回路串接電阻后使得電動機機械特性變軟，負載變化引起電動機產生較大的轉速變化，轉速穩定性差。

（2）改變電樞電源電壓調速

直流電動機電樞回路不串接電阻，單獨由一個可調節的直流電源供電，最高電壓不超過額定電壓；勵磁繞組由另一電源供電，一般保持勵磁磁通為額定值。圖2-21為驅動恒轉矩負載，改變電樞電源電壓調速機械特性曲線。可見，電樞電源電壓越低，轉速就越低；通過改變電樞電源電壓，調速范圍限于基速與零轉速之間。

這種調速方式的特點為改變電樞電源電壓，電動機機械特性硬度不變，電動機低速穩定性好；若電樞電源電壓能夠連續調節，則能夠實現無級調節電動機轉速，且平滑性好、調速效率高，而被廣為采用。不足是調壓設備的投資費用較高。

（3）弱磁調速

保持直流電動機電樞電源電壓不變、電樞回路不串接電阻，電動機拖動負載轉矩小于額定轉矩時，減小直流電動機勵磁磁通，可以使電動機轉速升高，其機械特性如圖2-22所示。可見，其調速范圍在基速與允許最高轉速之間，調速范圍有限。

針對恒轉矩負載，采用弱磁調速，因T=C_TΦI_a =T_L ，磁通減小，I_a勢必增大，因此，需要注意避免電樞電流過載。

針對恒功率負載，即P_L =T_LΩ=常數，電磁功率P_M =TΩ=U_NI_a -=T_LΩ=常數，采用弱磁調速時，轉速升高，同時電磁轉矩減小，使得電樞電流I_a =常數，從而避免出現電樞電流過載現象。

這種調速方式的特點為設備簡單、調節方便，運行效率高，適合恒功率負載。不足之處是勵磁過弱時，機械特性變軟，轉速穩定性差；拖動恒轉矩負載，可能出現電樞電流過載現象。

實際運行中，往往采用改變電樞電源電壓調速及弱磁調速相結合的調速方法，保證調速范圍寬、電動機無級調速，損耗較小、運行效率較高，能滿足生產機械調速要求。

2.調速性能指標（1）調速范圍D

調速范圍指電動機在額定負載下調速時，其最高轉速與最低轉速之比，即

式中 n_max——最高轉速，受電動機換向及機械強度限制；

n _min——最低轉速，受轉速相對穩定性（靜差率）限制。

（2）靜差率s_D

靜差率是當系統在某一轉速下運行時，負載由理想空載增加到額定值時所對應的轉速降落Δn_N （額定速降）與理想空載轉速n₀之比，即

式中，Δn_N =n₀-n_N。

可見，在n₀相同時，機械特性越硬，額定負載時轉速降越小、s_D越小，則轉速穩定性越好，負載波動引起的轉速變化越小。

靜差率s_D與機械特性硬度是有區別的。一般調壓調速系統在不同轉速下的機械特性是互相平行的，若硬度特性一樣，則理想空載轉速越低時，靜差率越大，轉速的相對穩定度也就越差。

調速范圍D與靜差率s_D指標有時是矛盾的，并不是彼此孤立的。采用同一種調速方法，若靜差率s_D要求不高（亦即s_D值大），則調速范圍寬；反之，若靜差率s_D要求高（亦即s_D值小），則調速范圍窄。因此，在實際應用中往往根據對靜差率s_D要求，選擇相適應的調速方法。調速系統的靜差率指標應以最低速時所能達到的數值為準。

舉例：電動機由初始值1000r/min（n₀ =1000r/min）降落10r/min（Δn_N =10r/min），此時s_D=1%；電動機由初始值100r/min（n₀ =100r/min）同樣降落10r/min（Δn_N =10r/min），此時s_D =10%；如果電動機由初始值10r/min（n₀ =10r/min）降落10r/min（Δn_N =10r/min），此時s_D =100%，電動機已經停止轉動。可見，靜差率s_D與理想空載轉速n₀有關，針對同樣的轉速降落Δn_N ，理想空載轉速越低則靜差率越大，轉速的相對穩定度也就越差。

（3）平滑系數φ

調速平滑性指相鄰兩級轉速的接近程度，用平滑系數φ表示為

φ接近于1，則表明調速的平滑性越好。

若連續可調，則其級數趨于無窮大，稱為無級調速，平滑性最好。若為非連續調節，則其級數有限，稱為有級調速，平滑性較差。

（4）恒轉矩調速與恒功率調速方式

恒轉矩調速方式的特點為保持電樞電流I_a =I_N不變，電動機的電磁轉矩恒定不變，如他勵直流電動機電樞串電阻、改變電樞電壓調速方式就屬于這種類型。

恒功率調速方式的特點為電樞電流I_a =I_N不變，電動機的電磁功率恒定不變，如他勵直流電動機弱磁調速方式就屬于這種類型。

（5）調速經濟性

表2-4所列為各種調速方式的經濟性比較表。

3.調速范圍D、靜差率s_D和額定速降Δn_N之間的關系

假設電動機的額定轉速n_N為最高轉速，轉速降落為Δn_N ，基于最低速時的靜差率原則，由式（2-15）求得最低轉速為

同理，調速范圍為

可見，調速系統的調速范圍D、靜差率s_D和額定速降Δn_N應滿足一定的關系。對于同一個調速系統，Δn_N值一定，如果對靜差率要求越嚴，即要求s_D值越小時，系統能夠允許的調速范圍值也越小。因此，確定一個調速系統的調速范圍，實質是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉速可調范圍。

算例：某直流調速系統電動機額定轉速n_N為1430r/min，額定速降Δn_N為115r/min。計算：

1）若要求靜差率s_D≤30%，調速范圍是多少？

2）若要求靜差率s_D≤20%，調速范圍是多少？

3）若要求調速范圍D=10，靜差率是多少？

解：

1） s_D≤30%時，調速范圍為

2） s_D≤20%時，調速范圍為

3）調速范圍D=10，則靜差率為