第四章 直流调速系统
第四章 直流调速系统
§4.1 直流电动机得调速原理
直流电动机具有良好的起、制动性能，适宜于在大范围内平滑调速，在扎钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。由直流电动机得速度公式
n?(U?IaRa)Ke?可以看出，直流电动机得调速方法有以下三种：改变电源电压
U（简称调压调速）；改变电枢回路电阻Ra（简称串电阻调速）；改变励磁电流以改变主磁通Φ（简称削弱磁场调速）。下面分别予以介绍。
一、 改变电源电压U调速
并励直流电动机用改变电源电压调速的机械特性如图4—1所示。 这种调速方法的主要特点是：
（1） 调速范围宽广，可以从低速一直调到额定转速，速度变化平滑，通常
称为无极调速。
（2） 调速过程中没有附加能量损耗。电压降低后，机械特性硬度不变，故
稳定性好。
（3） 转速只能调低（低于额定转速），不能调高（因端电压不能超过额定电
压）。
（4） 所需设备较复杂，成本较高。
随着晶闸管变流技术的飞速发展，这种调速方法已获得越来越广泛的应用。在 晶闸管变流技术采用以前，直流电动机得调压调速一般采用直流他励发电机——直流电动机组来实现，通称G—M系统。在许多大型的龙门刨床、重型机床轧钢机中，该系统仍有采用。简化其工作原理如图4—2所示，三相异步电动机拖动直流他励发电机，它产生直流电压供给直流电动机，改变发电机的励磁电流，则发电机产生
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的感应电动势E随之改变，即达到了调压调速的目的。由于G—M系统所需电动机数量多、耗电大，声音及干扰也较大，故已逐渐被淘汰。
二、改变电枢回路电阻调速
该方法通过在电枢回路中串入调速电阻来实现调速目的，其接线如图4—3和4—4所示。但必须注意，调速变阻器可作启动变阻器用，而启动变阻器不能用于调速，因为启动变阻器是按短时工作设计的，如将它用于调速，则很容易损坏。
相应调速方法的特性曲线如图4—5和4—6所示，该调速方法的特点是： （1）所需设备较简单、成本低，因此在小功率直流电动机中用的较多。在20世纪70年代前，由于晶闸管技术尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流电动机中也采用电枢回路串电阻调速，如城市电车、矿用电力机车、蓄电池运输车等。
（2）电动机转速只能调低，而且为有极调速。特性曲线较软，即负载变动时，
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电动机转速变化较大。
（3）在调速电阻上有较大的能力损耗，即经济性能较差。 目前，此种调速方法已逐步被晶闸管可调直流电源调速代替。
三、削弱磁场调速
当直流电动机得电源电压及负载转矩不变时，如使主磁通减小，则电动机得转速就相应地增高，故通常称为削弱磁场调速。对并励电动机而言，可在励磁回路中串联附加电阻RP1如图4—7a所示。对串励电动机而言，则可在励磁回路中并联磁场分路电阻RP1如图4—7b所示。
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这种调速器的特点是：
（1）由于调速是在励磁回路中进行，功率较小，故能量损耗小、控制方便。 （2）可以得到平滑的无极调速，但转速只能从额定转速往上调，不能再额定转速以下进行调速，故往往只作为辅助调速，与前面第一种或第二种调速方法一起组合使用。
（3）一般来讲削弱磁场调速的调速范围较窄，而且当磁通减少太多时，由于电枢磁场对主磁场的影响加大
到电枢机械强度的影响。因此，对一般的直流电动机而言，最高转速控制在两倍额定转速的范围内。
§4.2 直流调速系统的可控直流电源
变电压调速是直流调速系统中使用的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源包括旋转变流机组、静止可控整流器、直流斩波器和脉宽调制变换器。
下面分别对各种可控直流电源以及由它供电的直流调速系统做概括性的分析。
一、旋转变流机组
旋转变流机组是用交流电动机和直流发电机组成的机组，以获得可调的直流电 压。图4—8所示为旋转变流机组和由它供电的直流调速系统原理图。由交流电动机M1(异步电动机或同步电动机)拖动直流发电机G，由发电机给需要调速的直流电动机M2供电，调节发电机的励磁电流if即可改变其输出电压Ud，从而调节电动机得转速n。这样的调速系统简称G—M系统。为例供电给直流发电机和电动机得励磁绕组，通常专门设置一台直流磁通发电机GE，可装在变流机组同轴上，也可另外单用一台交流电动机拖动。
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系统调速性能要求不高时，it可由励磁电源供电，要求较高的闭环调速系统一般都应通过放大装置进行控制。G—M系统的放大装置多采用电机型放大器（如交磁放大机）和磁放大器。需要进一步提高放大系数时还可憎设电子放大器作为前级放大。如果改变if的方向，则U的极性和n的转向都跟着改变，所以G—M系统的可逆运动使很容易实现的。图4—9所示为采用变流机组供电时电动机可逆运动的机械特性。由图可见，无论正转减速还是反转减速时都能够实现回馈制动，因此G—M系统是可以在允许转矩范围之内四象限运动的系统。图4—9右上角是表示四象限运行的简单示意图。
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