第5讲 直流电动机的调速

知识点：直流电动机的调速主讲教师：韩振花直流电动机调速的概念1

目录2

直流电动机的降压调速234

电枢回路串电阻调速33

减弱磁通调速4

直流电动机调速的概念1

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。

直流电动机调速的概念1

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。

直流电动机调速的概念1

可知，当电枢电流Is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

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。根据他励直流电动机的转速公式（3-4）

直流电动机调速的概念1评价调速性能好坏的指标如下：（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

与最低转速

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。（3-5）

直流电动机调速的概念1（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：

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。（3-6）

直流电动机调速的概念1静差率与调速范围两个指标是相互制约的，设图3-17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：

（3-7）

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。图3-17不同机械特性的静差率

直流电动机调速的概念1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

≤0.01%。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

。

直流电动机调速的概念1（3）调速的平滑性在一定的调速范围内，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φ

：

（3-8）

φ值越接近1，则平滑性越好，当φ

=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，称为有级调速。（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。直流电动机的降压调速2

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3-18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。图3-18降压降压调速特性直流电动机的降压调速2

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）随时间的变化也类似。图3-18降压降压调速特性直流电动机的降压调速2

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。电枢回路串电阻调速3

电枢回路串电阻调速的原理及调速过程可用图3-19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。

图3-19电枢串电阻调速特性电枢回路串电阻调速3

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。图3-19电枢串电阻调速特性电枢回路串电阻调速3

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。（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（P2∝TLn）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。减弱磁通调速4

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图3-20说明。图3-20减弱磁通调速特性减弱磁通调速4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

减小至

，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。图3-20减弱磁通调速特性减弱磁通调速4Tem=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。图3-20减弱磁通调速特性减弱磁通调速4

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