直流他勵電動機三種主要調(diào)速方法的機械特性差異分析

莫癸酉 張輝

【摘 ?要】首先對直流電機的機械特性進行分析，明確其影響機械特性的三個主要因素，隨后，分析了這三個主要因素各自對其機械特性和運行性能的影響，最后，通過性能指標的差異對比得出各種調(diào)速在生產(chǎn)中的應用場合。由此，在生產(chǎn)作業(yè)中對此類電機的調(diào)速有良好的參考意義。

【關鍵詞】直流電動機;調(diào)速;機械特性

直流電動機與交流電動機相比，雖然結構復雜，使用維護麻煩，價格較貴，但由于其具有調(diào)速性能好、啟動轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點，在起重、運輸、冶金、精密機械設備及自動控制系統(tǒng)領域獲得了廣泛的應用。在實際生產(chǎn)工作中總要求其運行速度能在一定的范圍內(nèi)可以調(diào)節(jié)，為此往往要求拖動其工作的電動機轉(zhuǎn)速能在一定的范圍內(nèi)進行調(diào)節(jié)。直流電動機調(diào)速是指電動機在一定負載的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。直流電動機調(diào)速調(diào)速性能好，可在重負載條件下，實現(xiàn)均勻、平滑的無級調(diào)速，調(diào)速范圍較寬，而且可以同時采用兩種或以上調(diào)速方法達到達到調(diào)速要求，改善生產(chǎn)效果、提高效率、延長機械壽命，對于提高經(jīng)濟效益具有重大意義的。下面分析一下直流他勵電機的幾種主要調(diào)速方法。

1 ?固有機械特性

電動機的機械特性可分為固有機械特性和人為機械特性，下面先分析其固有機械特性。

Ce、CT是電動機的結構常數(shù)，當我們保持U、Ra、Φ的數(shù)值不變時，電機轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T為線性關系，且曲線為硬特性，機械特性曲線是一條過n0的斜向下的直線，這就是機械的固有特性。此時，特性硬度高，斜率β小，額定轉(zhuǎn)速降 小，啟動轉(zhuǎn)矩T大。

2 ?人為機械特性

由電動機的固有機械特性分析可知，我們可以按照電機的使用場合需要人為調(diào)整直流電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞電路電阻這三個主要參數(shù)，使得其機械特性發(fā)生相應的人為變化，并有不同的輸出速度，從而實現(xiàn)變速調(diào)速。

2.1 ?改變電樞電壓調(diào)速

改變電樞電壓時的人為機械特性，通過對電樞電壓大小的調(diào)節(jié)，實現(xiàn)電動機調(diào)速的方法。直流電機的電樞直流電源輸出電壓可調(diào)裝置目前多為采用的晶閘管整流裝置作。給直流電機供電，由于受到絕緣強度的限制，調(diào)節(jié)電壓只能小于電機額定電壓，所以采用該方法調(diào)速，電動機轉(zhuǎn)速會往低于額定轉(zhuǎn)速方向調(diào)節(jié)。由機械特性方程知：調(diào)電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。

結合其機械特性曲線（圖1），我們分析可以得出該調(diào)速方法的特點是：

（1）調(diào)速方向雖只能向下，但可以從額定速度到低速，故調(diào)速范圍廣泛;

（2）特性曲線斜率 不變，保持機械特性硬度，與固有機械特性相同，速度變化比較平滑，機械特性曲線只做平移可以實現(xiàn)無級調(diào)速;

（3）穩(wěn)定性能好，理想空載轉(zhuǎn)速 與 成正比，兩者同步成比例減小，能量消耗低;

（4）調(diào)壓設備較為復雜，經(jīng)濟成本較高。

2.2 ?改變勵磁電流以改變磁通的調(diào)速

改變勵磁電流時的人為機械特性。因為在額定勵磁電流時電動機的額定勵磁接近磁化曲線的飽和點，在額定情況下再加大勵磁電流對氣隙磁通量增加不多，對轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的影響不大。在電樞電壓不高于額定電壓時， ，因此減少磁通量，即采取弱磁可以使得轉(zhuǎn)速 變高。所以通常依靠減弱勵磁來提高電動機轉(zhuǎn)速，因此可以在勵磁繞組電路中串接電阻增加勵磁電阻的大小，達到減弱勵磁電流的大小從而實現(xiàn)弱磁，再實現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。其人為機械特性曲線如圖2所示。

由式（1）可知， 和 有關，在 一定的情況下，改變 可以改變 。在勵磁電路上串接上可變電阻 ，改變 的大小調(diào)節(jié)勵磁電流，從而改變 的大小。分析公式①可得， 與 成反比，所以改變磁通調(diào)速的方法是減小磁通，n往上調(diào)。這種調(diào)速方法方向向上，以額定轉(zhuǎn)速為下限，以電動機所允許的最高轉(zhuǎn)速為上限，串接電阻后勵磁電流減小，理想空載轉(zhuǎn)速與磁通成反比，斜率 與磁通的二次方成正比，弱磁會使得斜率增大，機械特性會變軟。電樞反應引起的去磁現(xiàn)象不嚴重，對機械特性影響微小，如忽略不計其機械特性是斜率變大的一條直線。對于大容量的直流電機，可以采取在主極增加一個繞組，其產(chǎn)生磁通的可以補償電樞反應引起的去磁部分，保障機械特性的絕對硬度，避免機械特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。改變勵磁電流的調(diào)速方法是在勵磁繞組電路中進行的因此設備簡單，成本不高，控制極為方便，但電磁慣性較大，使得調(diào)速過渡時間較長。

2.3 ?改變電樞電路電阻調(diào)速

改變電樞電阻時的人為機械特性，保持 、 不變，在電樞繞組電路中串接調(diào)速電阻，當調(diào)節(jié)該電阻的阻值大小時，就會改變電樞總電阻。分析特性曲線圖3可知，串接電阻這種調(diào)速方法對電動機調(diào)速時線路總電阻將會增大，從而實現(xiàn)電動機在額定轉(zhuǎn)速以下的調(diào)速，理想空載轉(zhuǎn)速 不變，與固有機械特性相同，斜率 隨（ ）的增大成比例增加，轉(zhuǎn)速降加快，機械特性軟，能量損耗大，穩(wěn)定性差，負載對轉(zhuǎn)速影響很大，而且轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，并為有級調(diào)速，機械特性為一組過 的放射狀直線。但其調(diào)速控制電路較為簡單，因此該種調(diào)速方法常常用于對上述要求不高的小功率電動機拖動系統(tǒng)。但需要注意的是，調(diào)速變阻器可作為啟動變阻器用，而因為啟動變阻器是按短時啟動設計的，所以啟動變阻器不能用于調(diào)速。

3 ?結語

直流他勵電動機的電氣調(diào)速方法主要有以下三種：

（1）改變電樞電壓調(diào)速;

（2）改變磁通調(diào)速;

（3）電樞串電阻調(diào)速。

綜上分析所述，這三種調(diào)速方法性能指標情況對比如表1所示。

電樞串電阻調(diào)速和降壓調(diào)速方式屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于恒轉(zhuǎn)矩負載，弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速方式，適用于恒功率負載，為了擴大調(diào)速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結合起來，在額定轉(zhuǎn)速以上，采用弱磁調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓和電阻調(diào)速。

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作者簡介：

莫癸酉（1989—），男，廣東肇慶，助理講師，研究方向：機電技術教育。

張輝（1966—），男，廣東肇慶，工程師，講師，研究方向：電氣自動化。

（作者單位：肇慶市工業(yè)貿(mào)易學校）