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直流电动机的调速方法
直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速
系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电,通过改变电枢回
路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价
格低廉;但缺点是效率低、机械特性软,不能得到较宽和平滑的
调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场
合。30年代末期,发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异
的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范
围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点
是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来,随着电力
电子技术的迅速发展,由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系
统已取代了发电机-电动机调速系统,它的调速性能也远远地超
过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及
计算机技术的飞速发展,使直流电动机调速系统的精度、动态性
能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中 IGBT 等大功率器
件的发展正在取代晶闸管,出现了性能更好的直流调速系统。
直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为
(1)
式中 Ua——电枢供电电压(V);
Ia——电枢电流(A);
Ф——励磁磁通(Wb);
Ra——电枢回路总电阻(Ω);
CE——电势系数, ,p 为电磁对数,a 为电枢并联
支路数,N 为导体数。
由式1可以看出,式中 Ua、Ra、Ф三个参量都可以成为变量,
只要改变其中一个参量,就可以改变电动机的转速,所以直流电
动机有三种基本调速方法:(1)改变电枢回路总电阻 Ra;;(2)改
变电枢供电电压 Ua;(3)改变励磁磁通Ф。
1. 改变电枢回路电阻调速
各种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速,如图
1(a)所示。此时转速特性公式为
(2)
式中 Rw 为电枢回路中的外接电阻(Ω)。{{分页}}
图1(a) 改变电枢电阻调速电路图1(b)
改变电枢电阻调速时的机械特性
当负载一定时,随着串入的外接电阻 Rw 的增大,电枢回路
总电阻 R=(Ra+Rw)增大,电动机转速就降低。其机械特性如图1(b)
所示。Rw 的改变可用接触器或主令开关切换来实现。
这种调速方法为有级调速,调速比一般约为2:1左右,转速
变化率大,轻载下很难得到低速,效率低,故现在已极少采用。
2. 改变电枢电压调速
连续改变电枢供电电压,可以使直流电动机在很宽的范围内
实现无级调速。
如前所述,改变电枢供电电压的方法有两种,一种是采用发
电机-电动机组供电的调速系统;另一种是采用晶闸管变流器供
电的调速系统。下面分别介绍这两种调速系统。
1. 采用发电机-电动机组调速方法
图2 (a)发电机-电动机调速电路{{分页}}
(b)发电机-电动机组调速时的机械特性
如图2(a)所示,通过改变发电机励磁电流 IF 来改变发电机
的输出电压 Ua,从而改变电动机的转速 n。在不同的电枢电压
Ua 时,其得到的机械特性便是一簇完全平行的直线,如图2(b)
所示。由于电动机既可以工作在电动机状态,又可以工作在发电
机状态,所以改变发电机励磁电流的方向,如图2(a)中切换接触
器 ZC 和 FC,就可以使系统很方便地工