运动控制系统安装与调试（第2版）课件 2.2.4 直流电机的调速方法 b2

运动控制系统安装与调试主讲：南工机电教学团队高等教育出版社2.2.4直流电机的调速方法速度调节概念1电动机的调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，使同一个机械负载得到不同的转速。电机的速度变化与速度调节（调速）有着本质的区别。速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）而引起电动机转速的变化（下降或上升）。速度变化是在某条机械特性上，由于负载改变而引起的速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到不同的速度曲线。2.2.4直流电机的调速方法运行速度分析2直流电机处于正向电动运行状态，工作情况如图2-27左图所示。电网电压U产生电流Ia,Ia在磁场中受电磁力作用使电机旋转，电枢导体切割磁力线感生(反电流IE)反电势Ea，Ia在电枢回路总电阻Ra（包括电枢绕组电阻及两个电刷的接触电阻）上产生压降IaRa，因此：Ea＝U－IaRa电压平衡方程式为IEIEIE+-拓展：基尔霍夫电压定律：沿着闭合回路所有元件两端的电势差（电压）的代数和等于零式2.132.2.4直流电机的调速方法由式2.6式2.7，电枢电流Ia所产生的电动机电磁转矩T，大小与Ia成正比把式2.6、式2.7带入式2.13可得其中，n——转速（r/min）；n0——理想空载转速；U——电枢电压（V）；Ia——电枢电流（A）；Ra——电枢回路总电阻（

）；

——励磁磁通（Wb）；Ce——由电机结构决定的电动势常数；CT——转矩常数，CT=9.55Ce可得：改变串入电枢回路的电阻Ra、改变外加电枢两端的电压U及主磁通Φ，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到调速的目的。因此直流电动机有三种调速方法。2.2.4直流电机的调速方法调节电枢供电电压调速3

保持电阻R=Ra，Φ=ΦN。由于电动机的电枢电压一般以额定电压UN为上限，因此改变电压，通常只能在低于额定电压的范围变化与固有机械特性相比，转速降Δn不变，即机械特性曲线的斜率不变，但理想空载转速n0随电压成正比减小

因此降压时的人为机械特性是低于固有机械特性曲线的一组平行直线，如图2-35所示。n0=U/CeΦ2.2.4直流电机的调速方法调压调速的优点：（1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速；（2）它的理想空载转速随外加电压的平滑调节而改变。转速降落不随速度变化而改变，调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好；（3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5-12；（4）电能损耗较小。（5）这种调速方法还有一个优点，就是可以靠调节电枢两端电压来起动电动机而不用另外添加起动设备，这就是前节所说的靠改变电枢电压的起动方法。

例如电枢静止，反电动势为零；当开始起动时，加给电动机的电压应以不产生超过电动机最大允许电流为限。待电动机转动以后，随着转速升高，其反电动势也升高，再让外加电压也随之升高。这样如果能够控制得好，可以保持起动过程电枢电流为最大允许值，并几乎不变和变化极小，从而获得恒加速起动过程。调压调速的缺点：由于需要独立可调的直流电源，因而使用设备较只有直流电动机的调速方法来说要复杂，初投资也相对大些。但由于这种调速方法的调速平滑，特性硬度大、调速范围宽等特点，就使这种调速方法具备良好的应用基础，在冶金、机床、矿井提升以及造纸机等方面得到广泛应用。2.2.4直流电机的调速方法改变电枢回路电阻调速4

保持U=UN，Φ=ΦN，改变电枢回路电阻R。

人为机械特性与固有特性相比，理想空载转速n0不变，

但转速降Δn相应增大，Ra越大，Δn越大，特性越“软”，如图2-36中曲线所示。

可见，电枢回路串入电阻后，在同样大小的负载下，电动机的转速将下降，稳定在低速运行。n0=U/CeΦ2.2.4直流电机的调速方法改变电枢回路电阻调速优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。改变电枢回路电阻调速缺点：（1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；（2）机械特性的硬度随外串电阻的增加而减小；当负载较小时，低速时的机械特性很软，负载的微小变化将引起转速的较大波动，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）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因磁通不变，而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。一般只用少数的调速级数。再加上电能损耗较大，所以这种调速方法近来在较大容量的电动机上很少使采用，只是在调速平滑性要求不高，低速工作时间不长，电动机容量不大，采用其他调速方法又不值得的地方采用这种调速方法。2.2.4直流电机的调速方法减弱励磁磁通调速5改变主磁通Φ的调速方法，一般是指向额定磁通以下改变。因为电动机正常工作时，磁路已经接近饱和，即使励磁电流增加很大，但主磁通Φ也不能显著地再增加很多。所以一般所说的改变主磁通Φ的调速方法，都是指往额定磁通以下的改变。减弱磁通可以在励磁回路内串接电阻Rf或降低励磁电压Uf，而在电枢回路中U=UN，R=Ra，二者没有发生变化。因为Φ是变量，所以转速n=f（T）特性曲线如图2.37所示。2.2.4直流电机的调速方法当减弱磁通时，理想空载转速n0增加，转速降Δn也增加。通常在负载不是太大的情况下，如图2-37中的TL，减弱磁通可使他励直流电动机的转速升高。弱磁调速优点：（1）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，调速平滑性好；（2）弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。弱磁调速缺点：（1）机械特性的斜率变大，特性变软；（2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D≤2。为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。额定电压下，如果负载改变，转速变化小就说明机械特性硬2.2.4直流电机的调速方法例2-1：某直流电机采用调压调速方法进行开环调速。电枢电压U=200V，电枢电流Ia=30A，电枢回路总电阻Ra=1.4Ω，励磁磁通Φ=2.21Wb，电动势常数Ce=0.468。依据直流电机调速原理解决如下问题：（1）请描述电机电压平衡方程（2）当电枢输入电压为200V时，求电机的理想空载转速n0。（3）求电机的实际转速n。①直流电机正向运动，电机电压平衡方程为：②理想空载转速：2.2.4直流电机的调速方法③实际转速电枢电压U=200V，电枢电流Ia=30A，电枢回路总电阻Ra=1.4Ω，励磁磁通Φ=2.21Wb，电动势常数Ce=0.4