直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法

　　直流電動(dòng)機(jī)分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)最早采用恒定直流電壓給直流電動(dòng)機(jī)供電，通過改變電樞回路中的電阻來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。這種方法簡單易行、設(shè)備制造方便、價(jià)格低廉；但缺點(diǎn)是效率低、機(jī)械特性軟，不能得到較寬和平滑的調(diào)速性能。該法只適用在一些小功率且調(diào)速范圍要求不大的場合。30年代末期，發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的出現(xiàn)才使調(diào)速性能優(yōu)異的直流電動(dòng)機(jī)得到廣泛應(yīng)用。這種控制方法可獲得較寬的調(diào)速范圍、較小的轉(zhuǎn)速變化率和平滑的調(diào)速性能。但此方法的主要缺點(diǎn)是系統(tǒng)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(shù)的迅速發(fā)展，由晶閘管變流器供電的直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)已取代了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，它的調(diào)速性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過了發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。特別是大規(guī)模集成電路技術(shù)以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度、動(dòng)態(tài)性能、可靠性有了更大的提高。電力電子技術(shù)中IGBT等大功率器件的發(fā)展正在取代晶閘管，出現(xiàn)了性能更好的直流調(diào)速系統(tǒng)。

　　直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為

                                 (1)

式中 U_a——電樞供電電壓（V）；

     I_a ——電樞電流（A）；

     Ф——?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；

     R_a——電樞回路總電阻（Ω）；

     C_E——電勢系數(shù)，，p為電磁對數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。

　　由式1可以看出，式中U_a、R_a、Ф三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)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(lì)磁磁通Ф。

1.    改變電樞回路電阻調(diào)速

　　各種直流電動(dòng)機(jī)都可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速，如圖1(a)所示。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為       

                                                  (2)

　　式中R_w為電樞回路中的外接電阻（Ω）。{{分頁}}

　　圖1(a) 改變電樞電阻調(diào)速電路                   圖1(b) 改變電樞電阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

　　當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻R_w的增大，電樞回路總電阻R=(R_a+R_w)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。其機(jī)械特性如圖1(b)所示。R_w的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)。

　　這種調(diào)速方法為有級調(diào)速，調(diào)速比一般約為2：1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。

2. 改變電樞電壓調(diào)速

　　連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級調(diào)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(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。下面分別介紹這兩種調(diào)速系統(tǒng)。

1. 采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速方法

　　圖2 (a)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路{{分頁}}

　　(b)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性

　　如圖2(a)所示，通過改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流I_F來改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓U_a，從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。在不同的電樞電壓U_a時(shí)，其得到的機(jī)械特性便是一簇完全平行的直線，如圖2(b)所示。由于電動(dòng)機(jī)既可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，又可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，如圖2(a)中切換接觸器ZC和FC，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個(gè)象限內(nèi)。

　　由圖可知，這種調(diào)速方法需要兩臺與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一臺容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(LF)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)不方便。為克服這些缺點(diǎn)，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(zhuǎn)變流機(jī)組。目前已被更經(jīng)濟(jì)、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(diào)速方法

　　圖3 (a) 晶閘管供電的調(diào)速電路

　　(b) 晶閘管供電時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性

　　有晶閘管變流器供電的調(diào)速電路如圖3(a)所示。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。在此調(diào)速方法下可得到與發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖3(b)中。

　　圖3(b)中的每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較硬，改變延遲角a時(shí)，特性呈一簇平行的直線，它和發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電時(shí)的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，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(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。

　　變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。在此方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響（也就是假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]自冷式），則不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá)50:1～150：1,甚至更大。

3. 采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法

　　脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史久遠(yuǎn)，但因缺乏高速大功率開關(guān)器件而未能及時(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。今年來，由于大功率晶體管(GTR)，特別是IGBT功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過幾十兆瓦數(shù)量級。{{分頁}}

4.  改變勵(lì)磁電流調(diào)速

　　當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式1可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通Ф（也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T_e是磁通Ф和電樞電流I_a的乘積（即T_e=C_TФI_a），電樞電流不變時(shí)，隨著磁通Ф的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通Ф的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。

　　為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時(shí)的范圍一般為1.5:1～3:1，特殊電動(dòng)機(jī)可達(dá)到5:1。

　　這種調(diào)速電路的實(shí)現(xiàn)很簡單，只要在勵(lì)磁繞組上加一個(gè)獨(dú)立可調(diào)的電源供電即可實(shí)現(xiàn)。