直流電動機拖動系統的電氣調速方法分析

陳良

摘? ?要：以直流電動機的機械特性方程為出發點，對直流電動機拖動系統的電氣調速方法進行分析，然后通過定性分析和定量比較方法，研究不同調速方法下電動機的調速性能和應用。

關鍵詞：直流電動機;拖動系統;電氣調速方法

直流電動機拖動系統是指將電動機作為原動機，拖動生產機械工作，完成既定生產任務的系統。直流拖動系統可以細分為兩個系統，分別為可控硅直接供電系統和可控硅勵磁系統。直流電動機拖動系統的機械特性良好，調速范圍大，基于上述優點，被廣泛應用于工業生產領域。因此，對直流電動機拖動系統的電氣調速方法進行分析，具有十分重要的意義。

1? ? 直流電動機拖動系統的基本調速方法

衡量電動機運行狀態的物理量主要包括兩種，分別為電機轉速和電機的電磁轉矩。用M表示電機的電磁轉矩、用n表示點擊的轉速，可以得到方程組1：n=U/CeH-CeCmH2/Rs+RcM。這個方程組可以表示電磁轉矩與轉速之間的關系，在方程組中，電樞電壓由U表示，每極磁通由H表示，電樞繞組電阻由Rs表示，電樞繞組回路串聯電阻由Rc表示，轉矩常數由Cm表示，電勢常數由Ce表示。假設n0=U/CeH，△n=Rs+Rc/CeCmH2M，則可以得到方程組2：n=n0-△n。在這個方程組中，理想空載轉速由n0表示，就是負載為0時的電機轉速;負載時的轉速將由△n表示[1]。電動機電壓為Ue，且額定磁通為He，在不會受到外串電阻Rc干擾的情況下，其機械特性是自然機械特性。方程組為：n=Ue/CeHe-Rs/CeCmH2（M）。通過方程組3可知，電動機拖動系統擁有直線狀的自然機械特性，轉速和轉矩的關系為反比關系，簡言之，轉速n的上升會導致轉矩M下降。

1.1? 電樞回路串聯電阻調速

直流電動機調速原理如圖1所示，電動機機械特性曲線如圖2所示。假設電源電壓和磁通恒定，在這種情況下，對觸點C1和C2進行調整，會導致負載轉矩的產生，此時電機的速度會發生變化，速度調整特性為：不與電阻發生串聯時電樞自然機械特性穩定運行點為A1，而電樞與電阻發生串聯時，自然機械特定穩定運行點為A2和A3。將圖2與方程組1相結合，可以得到以下結論：電樞回路與不同電阻進行串接，不會對電動機的空載轉速產生影響，但是在負載狀態下，電樞電阻增加會導致轉速降加大，簡言之，電機轉速與負載狀態下電樞電阻呈反向關聯。因為電動機電樞電阻變化較少，故電機轉速調整范圍十分有限，此時電機機械特性會逐漸變軟，調整轉矩Mz，轉速會發生顯著的變化[2]。

1.2? 改變電樞電壓調速

通過觀察圖1可知，在負載轉矩和磁通恒定且電樞回路不與電阻串聯時，對電樞電壓進行改變，促使其發生一定的變化，如圖2所示，改變電壓需要借助調壓裝置，可以用一條與自然機械特性直線相平行的直線表示改變后的電樞電壓機械特性。圖2中的各個A點代表電壓的穩定運行點。因此，通過改變電樞電壓調整電機轉速存在限制，由于電機具有較硬的電機特性，負載轉矩出現改變時，所產生的轉速降落偏低[3]。

1.3? 改變磁通調速

觀察圖2可以找到弱磁調速的接線原理，因為直流電機所運行的磁通為額定磁通，故磁路系統飽和程度較高，因此，磁通可調整的幅度較小。在特定條件下，對電阻進行調整，降低電流值可以起到調整磁通的作用，磁通會隨之下降。結合方程組1和圖2可以得到以下結論：電機空載轉速與磁通具有反向關系，簡言之，磁通越大，電機空載轉速越小，反之則亦然。在負載狀態下，二者的關系也不會發生改變。但由于磁通只能在額定磁通下變化，通過這種方法調整電動機，所得到的轉速通常會高于額定轉速，且會導致電動機機械特性由強變弱，如果負載轉矩發生改變，會產生較大的轉速差異[4]。

使用這種調速方法對電機轉速進行調整的過程中，如果對恒轉矩負載進行移動，電動機在不同轉速下產生的電樞電流，與磁通的關系為反比關系。為了對電樞電流進行有效控制，確保其始終保持在恒定范圍內，在降低磁通時，轉速應增加，負載轉矩會隨之下降。因此，這種轉速調整方法在恒功率負載調速中比較適用。

2? ? 電動機調速性能研究

調速穩定性、范圍、平滑性和經濟性等指標是衡量電動機調速性能優劣的重要指標。接下來，筆者對這些指標進行簡要分析。

2.1? 調速穩定性

調速穩定性的另一個名字為靜差率，是衡量調速精度時所用的指標，主要是指在負載轉矩出現變化時，轉速變化的幅度。電動機在空載狀態時的轉速與負載狀態下轉速的對比數可以用S代表。

通常情況下，S值小表示電動機調速穩定性強，反之亦然。在電動機由空載狀態過渡到負載狀態時，轉速變化量越小，S值就越小，表示系統具有非常強的調速穩定性，調速精度也有所保障。而電動機在空載狀態下的轉速越大，則表明S越大，系統穩定性和調速精度越低。

實踐結果表明，電壓調速與電阻調速相比，具有調速精度高的優點，一般情況下，電動機機械特性的硬、軟直接關系到調速的穩定性。通過上述分析得知，電壓調速所獲得的機械特性，硬度大于弱磁調速和電阻調速，故電壓調速是調壓穩定性最高的調速方法。

2.2? 調速范圍

調速范圍指的是電動機額定負載在發生變化時，能夠達到的最高轉速與最低轉速的比值，可以用D代表。

D值越高，說明電動機拖動系統擁有更寬的調速范圍，D值越小，說明電動機拖動系統的調速范圍較為狹窄。

對弱磁調速的調速范圍進行研究，使用這種方法調整電動機轉速，只能向上調整而無法向下調整，故最低轉速為電動機的初始轉速，如果磁通大量減少，會加大電動機換向的難度，容易影響電動機的使用壽命。此外，使用弱磁調速，還需要考慮電樞機械強度的限制，以直流電機為例，在使用這種方法調整電動機轉速時，應該對最高轉速加以限制，不得高于額定轉速的兩倍以上，因此，在多種條件的制約下，弱磁調速范圍相較于其他兩種方法偏窄，其調速范圍可以由D≤2表示。由此可知，在靜差率相同的條件下，電阻調速的范圍最大。

2.3? 調速平滑性

調速平滑性是指在特定調速范圍內，調速等級數量的多少。等級數量越少，調速平滑性越低，二者具有正比關系，而兩個相鄰的調速等級，轉速比值就是所謂的平滑系數。這個系數與1距離越近，表明調速平滑性越強，比如無極調速就是指轉速具有連續可調性。

對于電阻調速系統而言，在大電樞電流的影響下，難以通過這種調速方法實現無極調速，只能使用切除電樞電阻或分段投入的方法進行調速，這種調速方式被稱為分段調速，一般會被分為2～4個調速等級，故調速平滑性不強。

相較于電阻調速系統，電壓調速系統的調速平滑性十分顯著，究其原因，主要是電壓調速系統在調速過程中，改變電樞電壓的方式為直流調壓裝置，保證了電樞電壓調整的連續性，可以從低到高地調動電動機轉速，具有非常多的調速等級，故平滑性十分顯著。

弱磁調速系統的調速平滑性優于電阻調速系統，但弱于電壓調速系統，究其原因，弱磁調速系統需要依靠勵磁電流調節轉速，由于勵磁電流小于電樞電流，勵磁變阻器可以使磁通的變化更加平緩，在特定條件下，可以實現無極調速和多級調速。

2.4? 調速經濟性

電動機推動系統調速經濟性由兩方面內容構成，分別為調速所需設備的費用和能量使用情況以及電動機在調速過程中的運行情況。就前者來說，電阻調速系統在調整電動機轉速時，使用的設備較為簡單，無需大量的投資，但耗費能源較多;電壓調速系統所使用的設備十分昂貴，需要投入大量的費用，但電動機的運行和調速所耗費的能源較少，且能夠進入再生制動狀態，向電網回饋能量。弱磁調速使用的設備較為簡單，且容量和能量損耗小，與此同時，也存在機械特性軟的特點，如果磁通大量下降，電動機容易陷入不穩定的運行狀態，通常情況下，這種調速方法只能作為一種輔助調速手段，無法獨立使用。綜合比較而言，3種調速系統各具優缺點，需要企業根據自身的實際情況合理選擇調速方法。如果企業實力有限，僅能使用弱磁調速方法，那么在使用過程中，應該在調速過程中確保電動機負載能力與生產機械的負載性質相契合。如果使用電壓調速和電阻調速，則要確保電機負載能力配合恒轉矩性負載。

3? ? 電動機調速特性對比

通過上述對比分析可知，3種電機調速方法各具優勢，同時也存在缺點，但綜合比較后發現電壓調速比較合適。近年來伴隨著科學技術的不斷發展，電壓調速所使用的設備性能逐漸增強，成本也日益下降，為這種調速方法的使用創造了有利的條件，故這種調速方法被人們發現并實現了普及應用。

4? ? 結語

綜上所述，本研究對直流電動機推動系統的電氣調速方法進行了分析，闡述了電阻調速、電壓調速和磁通調速的調速原理;并在此基礎上，分別對比了3種調速方法的調速穩定性、調速范圍、調速平滑性和調速經濟性。認為這3種調速方法各具優勢和缺點，但電壓調速方法最為合適，并且在科學技術發展的推動下，電壓調速方法的使用成本會進一步降低，故建議選擇電壓調速法。

[參考文獻]

[1]戴? 軍.關于鑄造車間起重機的電氣改造的探討[J].中國鑄造裝備與技術，2018，53（1）：55-57.

[2]陳立周.大型塔式起重機起升調速方法的對比[J].科技與創新，2015（14）：116-117.

[3]李明強，侯清濤，李鵬舉，等.大型塔式起重機起升調速方法對比分析[J].建筑機械化，2015，35（12）：49-51.

[4]許慧玲.淺析交流電動機電氣調速節能[J].科技信息，2015（1）：522-523.