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直流电机调速方法
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)。
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
(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作在任意四个象限内。
由图可知,这种调速方法需要两台与调速电动机容量相当的旋转电机和另一台容量小一些的励磁发电机(LF),因而设备多、体积大、费用高、效率低、安装需打基础、运行噪声大