直流他勵電動機三種主要調速方法的機械特性差異分析

莫癸酉 張輝

【摘 ?要】首先對直流電機的機械特性進行分析，明確其影響機械特性的三個主要因素，隨后，分析了這三個主要因素各自對其機械特性和運行性能的影響，最后，通過性能指標的差異對比得出各種調速在生產中的應用場合。由此，在生產作業中對此類電機的調速有良好的參考意義。

【關鍵詞】直流電動機;調速;機械特性

直流電動機與交流電動機相比，雖然結構復雜，使用維護麻煩，價格較貴，但由于其具有調速性能好、啟動轉矩大等優點，在起重、運輸、冶金、精密機械設備及自動控制系統領域獲得了廣泛的應用。在實際生產工作中總要求其運行速度能在一定的范圍內可以調節，為此往往要求拖動其工作的電動機轉速能在一定的范圍內進行調節。直流電動機調速是指電動機在一定負載的條件下，根據需要，人為地改變電動機的轉速。直流電動機調速調速性能好，可在重負載條件下，實現均勻、平滑的無級調速，調速范圍較寬，而且可以同時采用兩種或以上調速方法達到達到調速要求，改善生產效果、提高效率、延長機械壽命，對于提高經濟效益具有重大意義的。下面分析一下直流他勵電機的幾種主要調速方法。

1 ?固有機械特性

電動機的機械特性可分為固有機械特性和人為機械特性，下面先分析其固有機械特性。

Ce、CT是電動機的結構常數，當我們保持U、Ra、Φ的數值不變時，電機轉速n與電磁轉矩T為線性關系，且曲線為硬特性，機械特性曲線是一條過n0的斜向下的直線，這就是機械的固有特性。此時，特性硬度高，斜率β小，額定轉速降 小，啟動轉矩T大。

2 ?人為機械特性

由電動機的固有機械特性分析可知，我們可以按照電機的使用場合需要人為調整直流電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞電路電阻這三個主要參數，使得其機械特性發生相應的人為變化，并有不同的輸出速度，從而實現變速調速。

2.1 ?改變電樞電壓調速

改變電樞電壓時的人為機械特性，通過對電樞電壓大小的調節，實現電動機調速的方法。直流電機的電樞直流電源輸出電壓可調裝置目前多為采用的晶閘管整流裝置作。給直流電機供電，由于受到絕緣強度的限制，調節電壓只能小于電機額定電壓，所以采用該方法調速，電動機轉速會往低于額定轉速方向調節。由機械特性方程知：調電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。

結合其機械特性曲線（圖1），我們分析可以得出該調速方法的特點是：

（1）調速方向雖只能向下，但可以從額定速度到低速，故調速范圍廣泛;

（2）特性曲線斜率 不變，保持機械特性硬度，與固有機械特性相同，速度變化比較平滑，機械特性曲線只做平移可以實現無級調速;

（3）穩定性能好，理想空載轉速 與 成正比，兩者同步成比例減小，能量消耗低;

（4）調壓設備較為復雜，經濟成本較高。

2.2 ?改變勵磁電流以改變磁通的調速

改變勵磁電流時的人為機械特性。因為在額定勵磁電流時電動機的額定勵磁接近磁化曲線的飽和點，在額定情況下再加大勵磁電流對氣隙磁通量增加不多，對轉速調節的影響不大。在電樞電壓不高于額定電壓時， ，因此減少磁通量，即采取弱磁可以使得轉速 變高。所以通常依靠減弱勵磁來提高電動機轉速，因此可以在勵磁繞組電路中串接電阻增加勵磁電阻的大小，達到減弱勵磁電流的大小從而實現弱磁，再實現速度調節。其人為機械特性曲線如圖2所示。

由式（1）可知， 和 有關，在 一定的情況下，改變 可以改變 。在勵磁電路上串接上可變電阻 ，改變 的大小調節勵磁電流，從而改變 的大小。分析公式①可得， 與 成反比，所以改變磁通調速的方法是減小磁通，n往上調。這種調速方法方向向上，以額定轉速為下限，以電動機所允許的最高轉速為上限，串接電阻后勵磁電流減小，理想空載轉速與磁通成反比，斜率 與磁通的二次方成正比，弱磁會使得斜率增大，機械特性會變軟。電樞反應引起的去磁現象不嚴重，對機械特性影響微小，如忽略不計其機械特性是斜率變大的一條直線。對于大容量的直流電機，可以采取在主極增加一個繞組，其產生磁通的可以補償電樞反應引起的去磁部分，保障機械特性的絕對硬度，避免機械特性出現上翹現象。改變勵磁電流的調速方法是在勵磁繞組電路中進行的因此設備簡單，成本不高，控制極為方便，但電磁慣性較大，使得調速過渡時間較長。

2.3 ?改變電樞電路電阻調速

改變電樞電阻時的人為機械特性，保持 、 不變，在電樞繞組電路中串接調速電阻，當調節該電阻的阻值大小時，就會改變電樞總電阻。分析特性曲線圖3可知，串接電阻這種調速方法對電動機調速時線路總電阻將會增大，從而實現電動機在額定轉速以下的調速，理想空載轉速 不變，與固有機械特性相同，斜率 隨（ ）的增大成比例增加，轉速降加快，機械特性軟，能量損耗大，穩定性差，負載對轉速影響很大，而且轉速只能調低，并為有級調速，機械特性為一組過 的放射狀直線。但其調速控制電路較為簡單，因此該種調速方法常常用于對上述要求不高的小功率電動機拖動系統。但需要注意的是，調速變阻器可作為啟動變阻器用，而因為啟動變阻器是按短時啟動設計的，所以啟動變阻器不能用于調速。

3 ?結語

直流他勵電動機的電氣調速方法主要有以下三種：

（1）改變電樞電壓調速;

（2）改變磁通調速;

（3）電樞串電阻調速。

綜上分析所述，這三種調速方法性能指標情況對比如表1所示。

電樞串電阻調速和降壓調速方式屬于恒轉矩調速，適用于恒轉矩負載，弱磁調速屬于恒功率調速方式，適用于恒功率負載，為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速，在額定轉速以下采用降壓和電阻調速。

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作者簡介：

莫癸酉（1989—），男，廣東肇慶，助理講師，研究方向：機電技術教育。

張輝（1966—），男，廣東肇慶，工程師，講師，研究方向：電氣自動化。

（作者單位：肇慶市工業貿易學校）