運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)安裝與調(diào)試主講：南工機(jī)電教學(xué)團(tuán)隊(duì)高等教育出版社2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法速度調(diào)節(jié)概念1電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是在一定的負(fù)載條件下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，使同一個(gè)機(jī)械負(fù)載得到不同的轉(zhuǎn)速。電機(jī)的速度變化與速度調(diào)節(jié)（調(diào)速）有著本質(zhì)的區(qū)別。速度變化是指由于電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化（增大與減?。┒痣妱?dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化（下降或上升）。速度變化是在某條機(jī)械特性上，由于負(fù)載改變而引起的速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性而得到不同的速度曲線。2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法運(yùn)行速度分析2直流電機(jī)處于正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，工作情況如圖2-27左圖所示。電網(wǎng)電壓U產(chǎn)生電流Ia,Ia在磁場(chǎng)中受電磁力作用使電機(jī)旋轉(zhuǎn)，電樞導(dǎo)體切割磁力線感生(反電流IE)反電勢(shì)Ea，Ia在電樞回路總電阻Ra（包括電樞繞組電阻及兩個(gè)電刷的接觸電阻）上產(chǎn)生壓降IaRa，因此：Ea＝U－IaRa電壓平衡方程式為IEIEIE+-拓展：基爾霍夫電壓定律：沿著閉合回路所有元件兩端的電勢(shì)差（電壓）的代數(shù)和等于零式2.132.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法由式2.6式2.7，電樞電流Ia所產(chǎn)生的電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩T，大小與Ia成正比把式2.6、式2.7帶入式2.13可得其中，n——轉(zhuǎn)速（r/min）；n0——理想空載轉(zhuǎn)速；U——電樞電壓（V）；Ia——電樞電流（A）；Ra——電樞回路總電阻（

）；

——?jiǎng)?lì)磁磁通（Wb）；Ce——由電機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)；CT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)，CT=9.55Ce可得：改變串入電樞回路的電阻Ra、改變外加電樞兩端的電壓U及主磁通Φ，都可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而在負(fù)載不變時(shí)可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)速的目的。因此直流電動(dòng)機(jī)有三種調(diào)速方法。2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法調(diào)節(jié)電樞供電電壓調(diào)速3

保持電阻R=Ra，Φ=ΦN。由于電動(dòng)機(jī)的電樞電壓一般以額定電壓UN為上限，因此改變電壓，通常只能在低于額定電壓的范圍變化與固有機(jī)械特性相比，轉(zhuǎn)速降Δn不變，即機(jī)械特性曲線的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電壓成正比減小

因此降壓時(shí)的人為機(jī)械特性是低于固有機(jī)械特性曲線的一組平行直線，如圖2-35所示。n0=U/CeΦ2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法調(diào)壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)：（1）電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速；（2）它的理想空載轉(zhuǎn)速隨外加電壓的平滑調(diào)節(jié)而改變。轉(zhuǎn)速降落不隨速度變化而改變，調(diào)速前后的機(jī)械特性的斜率不變，硬度較高，負(fù)載變化時(shí)穩(wěn)定性好；（3）無(wú)論輕載還是負(fù)載，調(diào)速范圍相同，一般可達(dá)D=2.5-12；（4）電能損耗較小。（5）這種調(diào)速方法還有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，就是可以靠調(diào)節(jié)電樞兩端電壓來(lái)起動(dòng)電動(dòng)機(jī)而不用另外添加起動(dòng)設(shè)備，這就是前節(jié)所說(shuō)的靠改變電樞電壓的起動(dòng)方法。

例如電樞靜止，反電動(dòng)勢(shì)為零；當(dāng)開始起動(dòng)時(shí)，加給電動(dòng)機(jī)的電壓應(yīng)以不產(chǎn)生超過(guò)電動(dòng)機(jī)最大允許電流為限。待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)以后，隨著轉(zhuǎn)速升高，其反電動(dòng)勢(shì)也升高，再讓外加電壓也隨之升高。這樣如果能夠控制得好，可以保持起動(dòng)過(guò)程電樞電流為最大允許值，并幾乎不變和變化極小，從而獲得恒加速起動(dòng)過(guò)程。調(diào)壓調(diào)速的缺點(diǎn)：由于需要獨(dú)立可調(diào)的直流電源，因而使用設(shè)備較只有直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法來(lái)說(shuō)要復(fù)雜，初投資也相對(duì)大些。但由于這種調(diào)速方法的調(diào)速平滑，特性硬度大、調(diào)速范圍寬等特點(diǎn)，就使這種調(diào)速方法具備良好的應(yīng)用基礎(chǔ)，在冶金、機(jī)床、礦井提升以及造紙機(jī)等方面得到廣泛應(yīng)用。2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法改變電樞回路電阻調(diào)速4

保持U=UN，Φ=ΦN，改變電樞回路電阻R。

人為機(jī)械特性與固有特性相比，理想空載轉(zhuǎn)速n0不變，

但轉(zhuǎn)速降Δn相應(yīng)增大，Ra越大，Δn越大，特性越“軟”，如圖2-36中曲線所示。

可見，電樞回路串入電阻后，在同樣大小的負(fù)載下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速將下降，穩(wěn)定在低速運(yùn)行。n0=U/CeΦ2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法改變電樞回路電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：電樞串電阻調(diào)速設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。改變電樞回路電阻調(diào)速缺點(diǎn)：（1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差；（2）機(jī)械特性的硬度隨外串電阻的增加而減?。划?dāng)負(fù)載較小時(shí)，低速時(shí)的機(jī)械特性很軟，負(fù)載的微小變化將引起轉(zhuǎn)速的較大波動(dòng)，特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性差；（3）輕載時(shí)調(diào)速范圍小，額定負(fù)載時(shí)調(diào)速范圍一般為D≦2；（4）損耗大，效率低，不經(jīng)濟(jì)。對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，調(diào)速前、后因磁通不變，而使Tem和Ia不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉(zhuǎn)速的下降而下降，減少的部分被串聯(lián)電阻消耗了。一般只用少數(shù)的調(diào)速級(jí)數(shù)。再加上電能損耗較大，所以這種調(diào)速方法近來(lái)在較大容量的電動(dòng)機(jī)上很少使采用，只是在調(diào)速平滑性要求不高，低速工作時(shí)間不長(zhǎng)，電動(dòng)機(jī)容量不大，采用其他調(diào)速方法又不值得的地方采用這種調(diào)速方法。2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法減弱勵(lì)磁磁通調(diào)速5改變主磁通Φ的調(diào)速方法，一般是指向額定磁通以下改變。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)正常工作時(shí)，磁路已經(jīng)接近飽和，即使勵(lì)磁電流增加很大，但主磁通Φ也不能顯著地再增加很多。所以一般所說(shuō)的改變主磁通Φ的調(diào)速方法，都是指往額定磁通以下的改變。減弱磁通可以在勵(lì)磁回路內(nèi)串接電阻Rf或降低勵(lì)磁電壓Uf，而在電樞回路中U=UN，R=Ra，二者沒有發(fā)生變化。因?yàn)棣凳亲兞?，所以轉(zhuǎn)速n=f（T）特性曲線如圖2.37所示。2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法當(dāng)減弱磁通時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速n0增加，轉(zhuǎn)速降Δn也增加。通常在負(fù)載不是太大的情況下，如圖2-37中的TL，減弱磁通可使他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。弱磁調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：（1）由于在電流較小的勵(lì)磁回路中進(jìn)行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)速平滑性好；（2）弱磁升速后電樞電流增大，電動(dòng)機(jī)的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動(dòng)機(jī)的效率基本不變，因此經(jīng)濟(jì)性是比較好。弱磁調(diào)速缺點(diǎn)：（1）機(jī)械特性的斜率變大，特性變軟；（2）轉(zhuǎn)速的升高受到電動(dòng)機(jī)換向能力和機(jī)械強(qiáng)度的限制，升速范圍不可能很大，一般D≤2。為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來(lái)，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓調(diào)速。額定電壓下，如果負(fù)載改變，轉(zhuǎn)速變化小就說(shuō)明機(jī)械特性硬2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法例2-1：某直流電機(jī)采用調(diào)壓調(diào)速方法進(jìn)行開環(huán)調(diào)速。電樞電壓U=200V，電樞電流Ia=30A，電樞回路總電阻Ra=1.4Ω，勵(lì)磁磁通Φ=2.21Wb，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ce=0.468。依據(jù)直流電機(jī)調(diào)速原理解決如下問(wèn)題：（1）請(qǐng)描述電機(jī)電壓平衡方程（2）當(dāng)電樞輸入電壓為200V時(shí)，求電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速n0。（3）求電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速n。①直流電機(jī)正向運(yùn)動(dòng)，電機(jī)電壓平衡方程為：②理想空載轉(zhuǎn)速：2.2.4直流電機(jī)的調(diào)速方法③實(shí)際轉(zhuǎn)速電樞電壓U=200V，電樞電流Ia=30A，電樞回路總電阻Ra=1.4Ω，勵(lì)磁磁通Φ=2.21Wb，電動(dòng)勢(shì)常數(shù)Ce=0.4