《电机与电气控制技术》课件-任务4 直流电机的调速

直流电机的结构与运行任务四

直流电机的调速（上）课程导入工业生产中，仅能启动远远不够：地铁需根据路况调整速度，机床需精准匹配加工转速，依赖电机调速能力直流他励电动机的调速优势，核心源于其可精准调控的机械特性思考一下同样一台电机，为何能在不同负载下保持稳定转速，又能灵活切换运行速度？目录CONTENTS机械特性的数学本质与调节逻辑//PARTONE//01转速与转矩的关联规律//PARTTWO//02人为干预实现不同工况下的转速需求//PARTTHREE//03一、直流他励电动机的固有机械特性电机调速原理首先需要掌握其最基础的运行规律，固有机械特性电机调速是电机在额定参数下的“原生”运行特性是所有人为调节的基础电源电压U为额定电压，U=UN励磁电流If=IfN，即主磁通Φ=ΦN电动机的转速与电磁转矩之间的关系n=f(T)称为电动机的固有机械特性一、直流他励电动机的固有机械特性直流他励电动机固有机械特性的方程式可用电枢电动势公式、电磁转矩公式及电枢回路的电压方程式得到

Ea=CeφNnT=CTφNIaUN=Ea+IaRan0一、直流他励电动机的固有机械特性

实际的空载转速：n0'指电动机轴上没有带机械负载，只存在空载转矩T0时的转速空载功率：P0指电动机克服轴承摩擦力及风扇阻力等所需的功率n0βn=n0-βTβ：固有特性机械特性的斜率一、直流他励电动机的固有机械特性额定工作点n=0，即电动机启动时，Ea=0，此时的电枢电流Ia=Is，称为启动电流，对应的电磁转矩T=Ts，称为启动转矩当T=0时，n=n0，电动机工作在理想空载状态当T=TN时，n=nN，此点为电动机的额定工作点随着电磁转矩T的增大，转速n降低，其特性曲线是一条略向下的直线由于电动机电枢回路不串电阻，机械特性斜率β的数值很小，特性曲线较平，称为硬特性二、人为机械特性调节技术（一）——电枢回路串电阻调节对于某一负载转矩只有一个固定的转速，这显然无法达到实际驱动对转速变化的要求一台直流电动机只有一条固有的机械特性：为满足生产机械加工工艺要求启动调速和制动等各种工作状态，就需要人为地改变电动机的参数改变电枢电压U电枢回路电阻R和气隙磁通量Φ，就可得到相应的三种人为特性二、人为机械特性调节技术（一）——电枢回路串电阻调节电枢回路串电阻的人为机械特性保持U

UN，

N

不变，只在电枢回路中串入电阻RS

的人为特性

01改变电枢回路串入的电阻Rs时，理想空载转速n0不变02Rs越大，人为机械特性的斜率βR越大，转速降Δn越大，特性越软电枢回路串电阻的人为机械特性，是通过理想空载点的一组放射性直线三、人为机械特性调节技术（二）——改变电枢电压调节改变电枢电压的人为机械特性电枢不串电阻磁通Φ=ΦN，只改变电枢电压的大小及方向

理想空载转速n0与电枢电压U成正比，且电枢电压改变正负极性时，n0u也改变转向改变电枢电压的人为机械特性，斜率β与固有机械特性斜率相同，即转速降Δn不变电动机不能过电压运转，所以只能降低电枢电压改变电枢电压的人为机械特性，全在固有机械特性下方四、人为机械特性调节技术（三）——减弱磁通调节一般电动机为节省铁磁材料、减小电机体积，已经使磁路接近饱和，只能减弱磁通理想空载转速随磁通的减弱而上升机械特性斜率因为与磁通的平方成反比，随着磁通的减弱而斜率就增大了，机械特性变软减弱磁通通过减小励磁电流实现，保持电枢电压为额定值不变

思想升华直流电机机械特性的调控技术，彰显了工程领域“精准施策、因地制宜”的思维智慧体现了尊重科学、严谨务实的治学态度蕴含着节能高效、优化创新的发展理念固有特性的客观规律认知三种人为调节方式的针对性设计技术从业者要树立“精益求精、绿色发展”的价值导向以科学方法解决实际问题，用技术创新助力工业高质量发展直流电机的结构与运行任务四

直流电机的调速（下）课程导入工业生产需要调速技术的实际支撑：从数控机床的精准切削到新能源车的平稳爬坡从起重机的重载升降到高速磨床的高效运转思考一下基于之前的机械特性理论，具体有哪些成熟的调速方法？不同方法又该如何适配不同工况？目录CONTENTS三种核心调速技术//PARTONE//01原理、特性与应用场景//PARTTWO//02从理论到实操的关键逻辑//PARTTHREE//03一、调速的核心逻辑与概念区分调速的本质的核心逻辑直流他励电动机的调速就是人为地改变电气参数使电动机的工作点从一条机械特性曲线转移到另一条机械特性曲线上，从而在同一负载下得到不同的转速调速可用机械、电气或机电配合的方法实现这种方法与电动机在负载变化时引起的转速变化是两个不同的概念。一、调速的核心逻辑与概念区分负载变化引起转速变化是自动进行的，电动机工作点总是在同一条机械特性曲线上，它不是根据生产的需要，人为的控制电气参数而控制转速的变化一、调速的核心逻辑与概念区分直流他励电动机的一般机械特性方程

直流电动机的调速核心就是通过控制电枢电压U、励磁磁通φ或电枢回路电阻Ra

改变电机转速降低电枢电压调速电枢回路串电阻调速弱磁调速结合机械特性方程，思考人为调速与负载变化导致的转速变化，核心区别在于是否改变了电机的哪些关键参数？这种区别对生产控制有什么实际意义？思考一下二、调速方法一——电枢回路串电阻调速（有级调速）

在电枢回路中外串入电阻R1和R2等，使总电阻变为Ra+R1+R2图中的负载是恒转矩负载设电动机工作点在固有特性a点，t=tl转速为N1稳定运行当电枢回路串入电阻Rp1时电枢回路总电阻增加到R1=Ra+Rp1，这时转速还未来得及改变，电枢电动势Ea也未改变电动机工作点由a点沿水平方向越变至电枢回路总电阻为R1的人为机械特性上的b点，对应的电枢电流Ia减小，电磁转矩减小为T'二、调速方法一——电枢回路串电阻调速（有级调速）电动机减速随着n下降，Ea也减小T'<TL电枢电流和电磁转矩增大，直到n=n2时，电磁转矩T=TL，电动机以较低的转n2稳定运行电枢回路串入的电阻值不同，所得到的稳定转速也不同电动机工作点由b点过渡到c点，调速的过渡过程结束二、调速方法一——电枢回路串电阻调速（有级调速）优点设备简单、操作方便无需复杂电子装置起重机卷扬机适用于对调速精度要求不高的场合缺点外串电阻长期流过电枢电流，会产生大量铜耗，效率低下只能实现有级调速，机械特性软负载波动时转速变化大，调速平滑性差低速损耗更严重，属于能耗型调速现代高性能系统已逐步淘汰此方法，仅用于低成本或临时调速需求若电动机原来稳定运行在固有机械特性上的a点，转速为n1当电源电压由额定值UN降到U1时，转速不变，电动机工作点由a平移到电压U1的人为机械特性上的b点由于转速未变，反电动势Ea也未变，Ia减小；电磁转矩减小到T1'；由于T'<TL，转速降低随着转速降低，反电动势也减小，电枢电流和电磁转矩随着转速的下降而增大三、调速方法二——降低电枢电压调速（恒转矩调速）T=TL时，电动机稳定运行于点c，转速n2<n1，负载一定时，电枢电压越低，转速越低由于磁通恒定，电磁转矩T=CTΦIa仅与电枢电流成正比，在允许的最大电流下可输出最大转矩，属于恒转矩调速当励磁磁通Φ保持额定不变时，降低电枢电压U，则转速n成比例下降现代系统多采用脉宽调制技术，通过调节占空比改变平均电压，广泛应用于中小功率电机控制三、调速方法二——降低电枢电压调速（恒转矩调速）优点调速范围宽，可在基速以下实现无级平滑调速，机械特性硬度高，稳定性好，适用于要求低速大力矩的场合缺点需配备大容量、可调压的直流电源（如晶闸管整流装置或PWM控制器），设备成本较高四、调速方法三——弱磁调速（恒功率调速）当Φ减小时，转速n上升，可达额定转速以上。转速n反比例于主磁通Φ：输入功率P=UIa恒定，输出转矩T正比例于主磁通Φ，其随磁通减小而下降，故称为恒功率调速若电枢电压U和电流Ia保持额定值通过减小励磁绕组的电流If，从而削弱主磁通Φ，实现转速升高电动机运行时若驱动不太大的恒转矩负载调速前电动机工作在固有机械特性上的a点四、调速方法三——弱磁调速（恒功率调速）电动机磁通：ΦN当磁通由ΦN减小到Φ1时，转速还来不及变化，电动机的工作点沿水平方向转移到对应于Φ1的人为机械特性上的c点转速：n1电枢电流：I1电枢电动势Ea随磁通Φ的减小而减小，Ea的减小引起Ia急剧增加Ia增加的相对数量比磁通减小的相对数量要大电磁转矩在磁通减小的瞬间是增大的，从而使电动机转速升高转速升高使电枢电动势Ea回升当电磁转矩等于负载转矩，即T=TL时，电动机稳定工作于b点，新的转速n2>n1四、调速方法三——弱磁调速（恒功率调速）与降压调速配合使用，构成“宽范围调速系统”：基速以下降压调速，基速以上弱磁升速❖

优点所需控制功率小，节能效果明显适用于需要高速运行的轻载场合离心机高速磨床❖

缺点动态响应较慢，因励磁回路电感大，电流变化迟缓存在超速风险，必须加装限速保护五、三种调速方法的核心特性总结

降低电枢电压调速高效率、宽范围、高精度，成为现代直流调速系统的首选，尤其结合PWM技术后更趋成熟

电枢回路串电阻调速结构简单但能效低，仅用于特定工况

弱磁调速作为高速扩展手段，常与降压调速协同使用，实现全范围无级调速实际应用中需根据负载特性、调速需求及成本预算综合选择思考一下假设：某大