直流电动机拖动系统的电气调速方法分析

直流电动机拖动系统的电气调速方法分析

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摘要：以直流电动机的机械特性方程为出发点，对直流电动机拖动系统的电气调速方法进行分析，然后通过定性分析和定量比较方法，研究不同调速方法下电动机的调速性能和应用。

关键词：直流电动机;拖动系统;电气调速方法

引言：直流电动机拖动系统是指将电动机作为原动机，拖动生产机械工作，完成既定生产任务的系统。直流拖动系统可以细分为两个系统，分别为可控硅直接供电系统和可控硅励磁系统。直流电动机拖动系统的机械特性良好，调速范围大，基于上述优点，被广泛应用于工业生产领域。因此，对直流电动机拖动系统的电气调速方法进行分析，具有十分重要的意义。

1直流电动机拖动系统的基本调速方法

衡量电动机运行状态的物理量主要包括两种，分别为电机转速和电机的电磁转矩。用M表示电机的电磁转矩、用n表示点击的转速，可以得到方程组1：n=U/CeH-CeCmH2/Rs+RcM。这个方程组可以表示电磁转矩与转速之间的关系，在方程组中，电枢电压由U表示，每极磁通由H表示，电枢绕组电阻由Rs表示，电枢绕组回路串联电阻由Rc表示，转矩常数由Cm表示，电势常数由Ce表示。假设n0=U/CeH，△n=Rs+Rc/CeCmH2M，则可以得到方程组2：n=n0-△n。在这个方程组中，理想空载转速由n0表示，就是负载为0时的电机转速;负载时的转速将由△n表示[1]。电动机电压为Ue，且额定磁通为He，在不会受到外串电阻Rc干扰的情况下，其机械特性是自然机械特性。方程组为：n=Ue/CeHe-Rs/CeCmH2（M）。通过方程组3可知，电动机拖动系统拥有直线状的自然机械特性，转速和转矩的关系为反比关系，简言之，转速n的上升会导致转矩M下降。

1.1  电枢回路串联电阻调速

直流电动机调速原理如图1所示，电动机机械特性曲线如图2所示。假设电源电压和磁通恒定，在这种情况下，对触点C1和C2进行调整，会导致负载转矩的产生，此时电机的速度会发生变化，速度调整特性为：不与电阻发生串联时电枢自然机械特性稳定运行点为A1，而电枢与电阻发生串联时，自然机械特定稳定运行点为A2和A3。将图2与方程组1相结合，可以得到以下结论：电枢回路与不同电阻进行串接，不会对电动机的空载转速产生影响，但是在负载状态下，电枢电阻增加会导致转速降加大，简言之，电机转速与负载状态下电枢电阻呈反向关联。因为电动机电枢电阻变化较少，故电机转速调整范围十分有限，此时电机机械特性会逐渐变软，调整转矩Mz，转速会发生显著的变化[2]。

1.2  改变电枢电压调速

通过观察图1可知，在负载转矩和磁通恒定且电枢回路不与电阻串联时，对电枢电压进行改变，促使其发生一定的变化，如图2所示，改变电压需要借助调压装置，可以用一条与自然机械特性直线相平行的直线表示改变后的电枢电压机械特性。图2中的各个A点代表电压的稳定运行点。因此，通过改变电枢电压调整电机转速存在限制，由于电机具有较硬的电机特性，负载转矩出现改变时，所产生的转速降落偏低[3]。

1.3  改变磁通调速

观察图2可以找到弱磁调速的接线原理，因为直流电机所运行的磁通为额定磁通，故磁路系统饱和程度较高，因此，磁通可调整的幅度较小。在特定条件下，对电阻进行调整，降低电流值可以起到调整磁通的作用，磁通会随之下降。结合方程组1和图2可以得到以下结论：电机空载转速与磁通具有反向关系，简言之，磁通越大，电机空载转速越小，反之则亦然。在负载状态下，二者的关系也不会发生改变。但由于磁通只能在额定磁通下变化，通过这种方法调整电动机，所得到的转速通常会高于额定转速，且会导致电动机机械特性由强变弱，如果负载转矩发生改变，会产生较大的转速差异[4]。

使用这种调速方法对电机转速进行调整的过程中，如果对恒转矩负载进行移动，电动机在不同转速下产生的电枢电流，与磁通的关系为反比关系。为了对电枢电流进行有效控制，确保其始终保持在恒定范围内，在降低磁通时，转速应增加，负载转矩会随之下降。因此，这种转速调整方法在恒功率负载调速中比较适用。

2电动机调速性能研究

调速稳定性、范围、平滑性和经济性等指标是衡量电动机调速性能优劣的重要指标。接下来，笔者对这些指标进行简要分析。

2.1  调速稳定性

调速稳定性的另一个名字为静差率，是衡量调速精度时所用的指标，主要是指在负载转矩出现变化时，转速变化的幅度。电动机在空载状态时的转速与负载状态下转速的对比数可以用S代表。

通常情况下，S值小表示电动机调速稳定性强，反之亦然。在电动机由空载状态过渡到负载状态时，转速变化量越小，S值就越小，表示系统具有非常强的调速稳定性，调速精度也有所保障。而电动机在空载状态下的转速越大，则表明S越大，系统稳定性和调速精度越低。

实践结果表明，电压调速与电阻调速相比，具有调速精度高的优点，一般情况下，电动机机械特性的硬、软直接关系到调速的稳定性。通过上述分析得知，电压调速所获得的机械特性，硬度大于弱磁调速和电阻调速，故电压调速是调压稳定性最高的调速方法。

2.2  调速范围

调速范围指的是电动机额定负载在发生变化时，能够达到的最高转速与最低转速的比值，可以用D代表。

D值越高，说明电动机拖动系统拥有更宽的调速范围，D值越小，说明电动机拖动系统的调速范围较为狭窄。

对弱磁调速的调速范围进行研究，使用這种方法调整电动机转速，只能向上调整而无法向下调整，故最低转速为电动机的初始转速，如果磁通大量减少，会加大电动机换向的难度，容易影响电动机的使用寿命。此外，使用弱磁调速，还需要考虑电枢机械强度的限制，以直流电机为例，在使用这种方法调整电动机转速时，应该对最高转速加以限制，不得高于额定转速的两倍以上，因此，在多种条件的制约下，弱磁调速范围相较于其他两种方法偏窄，其调速范围可以由D≤2表示。由此可知，在静差率相同的条件下，电阻调速的范围最大。

2.3  调速平滑性

调速平滑性是指在特定调速范围内，调速等级数量的多少。等级数量越少，调速平滑性越低，二者具有正比关系，而两个相邻的调速等级，转速比值就是所谓的平滑系数。这个系数与1距离越近，表明调速平滑性越强，比如无极调速就是指转速具有连续可调性。

对于电阻调速系统而言，在大电枢电流的影响下，难以通过这种调速方法实现无极调速，只能使用切除电枢电阻或分段投入的方法进行调速，这种调速方式被称为分段调速，一般会被分为2～4个调速等级，故调速平滑性不强。

相较于电阻调速系统，电压调速系统的调速平滑性十分显著，究其原因，主要是电压调速系统在调速过程中，改变电枢电压的方式为直流调压装置，保证了电枢电压调整的连续性，可以从低到高地调动电动机转速，具有非常多的调速等级，故平滑性十分显著。

弱磁调速系统的调速平滑性优于电阻调速系统，但弱于电压调速系统，究其原因，弱磁调速系统需要依靠勵磁电流调节转速，由于励磁电流小于电枢电流，励磁变阻器可以使磁通的变化更加平缓，在特定条件下，可以实现无极调速和多级调速。

2.4  调速经济性

电动机推动系统调速经济性由两方面内容构成，分别为调速所需设备的费用和能量使用情况以及电动机在调速过程中的运行情况。就前者来说，电阻调速系统在调整电动机转速时，使用的设备较为简单，无需大量的投资，但耗费能源较多;电压调速系统所使用的设备十分昂贵，需要投入大量的费用，但电动机的运行和调速所耗费的能源较少，且能够进入再生制动状态，向电网回馈能量。弱磁调速使用的设备较为简单，且容量和能量损耗小，与此同时，也存在机械特性软的特点，如果磁通大量下降，电动机容易陷入不稳定的运行状态，通常情况下，这种调速方法只能作为一种辅助调速手段，无法独立使用。综合比较而言，3种调速系统各具优缺点，需要企业根据自身的实际情况合理选择调速方法。如果企业实力有限，仅能使用弱磁调速方法，那么在使用过程中，应该在调速过程中确保电动机负载能力与生产机械的负载性质相契合。如果使用电压调速和电阻调速，则要确保电机负载能力配合恒转矩性负载。

3电动机调速特性对比

通过上述对比分析可知，3种电机调速方法各具优势，同时也存在缺点，但综合比较后发现电压调速比较合适。近年来伴随着科学技术的不断发展，电压调速所使用的设备性能逐渐增强，成本也日益下降，为这种调速方法的使用创造了有利的条件，故这种调速方法被人们发现并实现了普及应用。

结语

综上所述，本研究对直流电动机推动系统的电气调速方法进行了分析，阐述了电阻调速、电压调速和磁通调速的调速原理;并在此基础上，分别对比了3种调速方法的调速稳定性、调速范围、调速平滑性和调速经济性。认为这3种调速方法各具优势和缺点，但电压调速方法最为合适，并且在科学技术发展的推动下，电压调速方法的使用成本会进一步降低，故建议选择电压调速法。

[参考文献]

[1]戴  军.关于铸造车间起重机的电气改造的探讨[J].中国铸造装备与技术，2020，53（1）：55-57.

[2]陈立周.大型塔式起重机起升调速方法的对比[J].科技与创新，2021（14）：116-117.

[3]李明强，侯清涛，李鹏举，等.大型塔式起重机起升调速方法对比分析[J].建筑机械化，2020，35（12）：49-51.