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为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，许多生产机械在工作过程中都需要调速。例如车床切削工件时，精加工用高转速，粗加工用低转速；轧钢机在轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须有不同的工作速度。电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合起来调速。通过改变传动机构速比的方法称为机械调速；通过改变电动机参数的方法称为电气调速。本节只介绍他励直流电动机的电气调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之变化。可见，在调速前后，电动机必然运行在不同的机械特性上。如果机械特性不变，因负载变化而引起电动机转速的改变，则不能称为调速。 根据他励直流电动机的转速公式  可知，当电枢电流Ia不变时（即在一定的负载下），只要改变电枢电压U、电枢回路串联电阻Rs及励磁磁通φ三者之中的任意一个量，就可改变转速n。因此，他励直流电动机具有三种调速方法：调压调速,电枢串电阻调速和调磁调速。为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定的技术经济指标，称为调速指标。下面先对调速指标做一介绍，然后讨论他励电动机的三种调速方法及其与负载类型的配合问题。 本文来自www.eadianqi.com 1．评价调速的指标 评价调速性能好坏的指标由以下四个方面 （1）调速范围 调速范围是指电动机在额定负载下可能运行的最高转速nmax与最低转速nmin之比，通常又用D表示，即  不同的生产机械对电动机的调速范围有不同的要求。要扩大调速范围，必须尽可能地提高电动机的最高转速和降低电动机的最低转速。电动机的最高转速受电动机的机械强度、换向条件、电压等级等方面的限制，而最低转速则受到低速运行时转速的相对稳定性的限制。 （2）静差率（相对稳定性） 转速的相对稳定性是指负载变化时，转速变化的程度。转速变化小，其相对稳定性好。转速的相对稳定性用静差率  表示。当电动机在某一机械特性上运行时，由理想空载增加到额定负载，电动机的转速降落与理想空载转速n0之比 ，就称为静差率，用百分数表示为： 本文来自www.eadianqi.com  显然，电动机的机械特性越硬，其静差率越小，转速的相对稳定性就越高。但是静差率的大小不仅仅是由机械特性的硬度决定的，还与理想空载转速的大小有关。 静差率与调速范围两个指标是相互制约的，设图中曲线1和曲线4为电动机最高转速和最低转速时的机械特性，则电动机的范围D与最低转速是的静差率  关系如下： 式中，  为最低转速机械特性上的转速降；为最低转速时的静差率，即系统的最大静差率。 本文来自www.eadianqi.com  图 不同机械特性的静差率 由式 可知，若对静差率这一指标要求过高，即 值越小，则调速范围D就越小；反之，若要求调速范围D越大，则静差率也越大，转速的相对稳定性越差。不同的生产机械，对静差率的要求不同，普通车床要求  ，而高精度的造纸机则要求 。保证一定静差率指标的前提下，要扩大调速范围，就必须减小转速降落。 本文来自www.eadianqi.com （3）调速的平滑性 在一定的调还范围内，调速的级数越多，就认为调速越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数  ： （1-65）值越接近1，则平滑性越好，当=1时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为自级调速。（4）调速的经济性 主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。 2．调速方法 （1）电枢回路串电阻调速 电枢回路串电阻调速的原理及调速过程可用下图说明。设电动机拖动恒转矩负载TL在固有特性上A点运行，其转速为nN。若电枢回路串入电阻Rs1，则达到新的稳态后，工作点变为人为特性上的B点，转速下降到n1。从图中可以看出，串入的电阻值越大，稳态转速就越低。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 现以转速由nN降至n1为例，说明其调速过程。电动机原来在A点稳定运行时，Tem=TL，n=nN,当串入Rs1后，电动机的机械特性变为直线n0B，因串电阻瞬间转速不突变，故Ea不突变，于是Ia及Tem突变减小，工作点平移到A/点。在A/点，Tem<TL,所以电动机开始减速，随着n的减小，Ea减小，Ia及Tem增大，即工作点沿A/B方向移动，当到达B点时，Tem=TL，达到了新的平衡，电动机便在n1转速下稳定运行。调速过程中转速n和电流ia(或Tem)随时间的变化规律如图1—40所示。  电枢串电阻调速 恒转矩负载时电枢串电阻调速过程 电枢串电阻调速的优点是设备简单，操作方便；缺点是： （1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差。 （2）低速是特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差。 自动控制网www.eadianqi.com版权所有 （3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D≤2。 （4）如果负载转矩保持不变，则调速前和调速后因磁通不变而使电动机的Tem和Ia不变，输入功率（P1=UNIa）也不变，但输出功率（  ）却随转速的下降而减小，减小的部分被串联的电阻消耗掉了，所以损耗较大，效率较低。而且转速越低，所串电阻越大，损耗越大，效率越低，所以这种调速方法是不太经济的。因此，电枢串电阻调速多用于对调速性能要求不高的生产机械上，如起重机、电车等。 （2）降低电源电压调速 电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降低电源电压调速的原理及调速过程可用图1—41说明。  图1—41 降低电压调速 设电动机拖动恒转矩负载TL在固有特性上A点运行，其转速为nN。若电源电压由UN下降至U1，则达到新的稳态后，工作点将移到对应人为特性曲线上的B点，其转速下降为n1。从图中可以看出，电压越低，稳态转速也越低。 本文来自www.eadianqi.com 转速由nN下降至n1的调速过程如下：电动机原来在A点稳定运行时，Tem=TL，n=nN。当电压降至U1后，电动机的机械特性变为直线n01B。在降压瞬间，转速n不突变，Ea不突变，所以Ia和Tem突变减小，工作点平移到A/点。在A/点，Tem<TL，电动机开始减速，随着n减小，Ea减小，Ia和Tem增大，工作点沿A/B方向移动，到达B点时，达到了新的平衡：Tem=TL，此时电动机便在较低转速n1下稳定运行。降压调速过程与电枢串电阻调速过程类似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间的变化曲线也与图类似。 降压调速的优点是： （1）电源电压能够平衡调节，可以实现无级调速； （2）调速前后机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时，速度稳定性好； （3）无论轻载还是重载，调速范围相同，一般可达D=2.5~12； （4）电能损耗较小。 降压调速的缺点是，需要一套电压可连续调节的直流电源。早期常采用发电机-电动机系统，简称G—M系统，如图1—42所示。图中交流电动机作为直流发电机G2及直流励磁机G1的驱动电机。调节G2的励磁电流IfG,可以改变G2发出的电压，从而实现对直流电动机M的调压调速。通过图中的双向开关可以改变IfG的方向，从而改变G2输出电压的极性，以实现对直流电动机的正反转控制。此外，调节直流电动机励磁回路的电阻，可以实现对直流电动机的调磁调速。 本文来自www.eadianqi.com 这种系统的性能较为优越，但设备多、投资大。目前，这种系统已被晶闸管—电动机系统（简称SCR—M系统）取代，SCR—M系统如图1—43所示。调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、造纸机等。  G—M系统示意图 SCR—M系统示意图 （3）减弱磁通调速 额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很多，磁通也增加很少，从电动机的性能考虑也不允许磁路过饱和。因此，改变磁通只能从额定值往下调，调节磁通调速即是弱磁调速，其调速原理及调速过程可用下图 说明。 设电动机拖动恒转矩负载TL在固有特性曲线上A点运行，其转速为nN。若磁通由  减少至 ，则达到新的稳态后，工作点将移到对应认为特性上的B点，其转速上升为n1。从图中可见，磁通越少，稳态转速将越高。转速由nN上升到n1的调速过程如下：电动机原来在A点稳定运行时，Tem=TL，n=nN。当磁通减弱到后，电动机的机械特性变为直线n01B。在磁通减弱的瞬间，转速n不突变，电动势Ea随着 而减小，于是电枢电流Ia增大。尽管减小，但Ia增大很多，所以电磁转矩Tem还是增大的，因此工作点移到A/点。在A/点，Tem>TL，电动机开始加速，随着n上升，Ea增大，Ia和Tem减小，工作点沿A/B方向移动，到达B点时，Tem=TL，出现了新的平衡，此时电动机便在较高的转速n1下稳定运行。调速过程中电枢电流和转速随时间的变化规律如图1—45所示。 本文来自www.eadianqi.com  减弱磁通调速 恒转矩负载时弱磁通调速过程 对于恒转矩负载，调速前后电动机的电磁转矩不变，因为磁通减小，所以调速后的稳态电枢电流大于调速前的电枢电流，这一点与前两种调速方法不同。当忽略电枢反应影响和较小的电阻压降RaIa的变化时，可近似认为转速与磁通成反比变化。 弱磁调速的优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，而且调速平滑性好。虽然弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此弱磁调速的经济性是比较好的。 弱磁调速的缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；转速的升高受到电机换向能力和机械强度的限制，因此升速范围不可能很大，一般D≤2。 为了扩大调速范围，常常把降压和弱磁两种调速方法结合起来。在额定转速以下采用降压调速，在额定转速以上采用弱磁调速。 |