直流電機的調速方法

摘要：直流電動機具有良好的運行和控制特性，長期以來，直流調速系統—直占據壟斷地位。在許多工業部門，如軋鋼、礦山采掘、紡織、造紙等需要高性能調速的場合得到廣泛的應用。從控制技術的角度來看，又是近年發展迅速的交流調速系統的基礎。目前，直流調速系統仍然是自動調速系統的主要形式。本文主要講的是改變電樞電壓調速。

關鍵詞：直流電機；調速方法：換向器

1、直流電動機

直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速系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、設備制造方便、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。該法只適用在一些小功率且調速范圍要求不大的場合。30年代末期，發電機廣電動機系統的出現才使調速性能優異的直流電動機得到廣泛應用。這種控制方法可獲得較寬的調速范圍、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系統重量大、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系統已取代了發電機-電動機調速系統，它的調速性能也遠遠地超過了發電機-電動機調速系統。特別是大規模集成電路技術以及計算機技術的飛速發展，使直流電動機調速系統的精度、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系統。

直流電動機的轉速n和其他參量的關系可表示為

式中：U_a——電樞供電電壓（V）；

I_a——電樞電流（A）；

φ——勵磁磁通（Wb）：

R_a——電樞回路總電阻（Ω）；

C_e——電勢系數，C_e=pN/60a，p為電磁對數，a為電樞并聯支路數，N為導體數。

由式（1）可以看出，式中U_a、R_a、φ三個參量都可以成為變量，只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R_a；（2）改變電樞供電電壓U_a；（3）改變勵磁磁通φ。

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范圍內實現無級調速。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系統；另一種是采用晶閘管變流器供電的調速系統。下面分別介紹這兩種調速系統。

2.1 采用發電機-電動機組調速方法

如圖1（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u_a，從而改變電動機的轉速n。在不同的電樞電壓U_a。時，其得到的機械特性便是一簇完全平行的直線，如圖1（b）所示。由于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1（a）中切換接觸器ZC和FC，就可以使系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臺與調速電動機容量相當的旋轉電機和另一臺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。

2.2 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2（a）所示。通過調節觸發器的控制電壓來移動觸發脈沖的相位，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一電動機組調速系統類似的調速特性。其開環機械特性示于圖2（b）中。

圖2（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，它和發電機廣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。這是由于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系統中應用最廣的一種調速方法。在此方法中，由于電動機在任何轉速下磁通都不變，只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。如果采用反饋控制系統，調速范圍可達50：1～150：1，甚至更大。