直流他励电动机三种主要调速方法的机械特性差异分析

莫癸酉 张辉

【摘  要】首先对直流电机的机械特性进行分析，明确其影响机械特性的三个主要因素，随后，分析了这三个主要因素各自对其机械特性和运行性能的影响，最后，通过性能指标的差异对比得出各种调速在生产中的应用场合。由此，在生产作业中对此类电机的调速有良好的参考意义。

【关键词】直流电动机;调速;机械特性

直流电动机与交流电动机相比，虽然结构复杂，使用维护麻烦，价格较贵，但由于其具有调速性能好、启动转矩大等优点，在起重、运输、冶金、精密机械设备及自动控制系统领域获得了广泛的应用。在实际生产工作中总要求其运行速度能在一定的范围内可以调节，为此往往要求拖动其工作的电动机转速能在一定的范围内进行调节。直流电动机调速是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机调速调速性能好，可在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，调速范围较宽，而且可以同时采用两种或以上调速方法达到达到调速要求，改善生产效果、提高效率、延长机械寿命，对于提高经济效益具有重大意义的。下面分析一下直流他励电机的几种主要调速方法。

1  固有机械特性

电动机的机械特性可分为固有机械特性和人為机械特性，下面先分析其固有机械特性。

Ce、CT是电动机的结构常数，当我们保持U、Ra、Φ的数值不变时，电机转速n与电磁转矩T为线性关系，且曲线为硬特性，机械特性曲线是一条过n0的斜向下的直线，这就是机械的固有特性。此时，特性硬度高，斜率β小，额定转速降 小，启动转矩T大。

2  人为机械特性

由电动机的固有机械特性分析可知，我们可以按照电机的使用场合需要人为调整直流电动机的电枢电压、励磁电流、电枢电路电阻这三个主要参数，使得其机械特性发生相应的人为变化，并有不同的输出速度，从而实现变速调速。

2.1  改变电枢电压调速

改变电枢电压时的人为机械特性，通过对电枢电压大小的调节，实现电动机调速的方法。直流电机的电枢直流电源输出电压可调装置目前多为采用的晶闸管整流装置作。给直流电机供电，由于受到绝缘强度的限制，调节电压只能小于电机额定电压，所以采用该方法调速，电动机转速会往低于额定转速方向调节。由机械特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。

结合其机械特性曲线（图1），我们分析可以得出该调速方法的特点是：

（1）调速方向虽只能向下，但可以从额定速度到低速，故调速范围广泛;

（2）特性曲线斜率 不变，保持机械特性硬度，与固有机械特性相同，速度变化比较平滑，机械特性曲线只做平移可以实现无级调速;

（3）稳定性能好，理想空载转速 与 成正比，两者同步成比例减小，能量消耗低;

（4）调压设备较为复杂，经济成本较高。

2.2  改变励磁电流以改变磁通的调速

改变励磁电流时的人为机械特性。因为在额定励磁电流时电动机的额定励磁接近磁化曲线的饱和点，在额定情况下再加大励磁电流对气隙磁通量增加不多，对转速调节的影响不大。在电枢电压不高于额定电压时， ，因此减少磁通量，即采取弱磁可以使得转速 变高。所以通常依靠减弱励磁来提高电动机转速，因此可以在励磁绕组电路中串接电阻增加励磁电阻的大小，达到减弱励磁电流的大小从而实现弱磁，再实现速度调节。其人为机械特性曲线如图2所示。

由式（1）可知， 和 有关，在 一定的情况下，改变 可以改变 。在励磁电路上串接上可变电阻 ，改变 的大小调节励磁电流，从而改变 的大小。分析公式①可得， 与 成反比，所以改变磁通调速的方法是减小磁通，n往上调。这种调速方法方向向上，以额定转速为下限，以电动机所允许的最高转速为上限，串接电阻后励磁电流减小，理想空载转速与磁通成反比，斜率 与磁通的二次方成正比，弱磁会使得斜率增大，机械特性会变软。电枢反应引起的去磁现象不严重，对机械特性影响微小，如忽略不计其机械特性是斜率变大的一条直线。对于大容量的直流电机，可以采取在主极增加一个绕组，其产生磁通的可以补偿电枢反应引起的去磁部分，保障机械特性的绝对硬度，避免机械特性出现上翘现象。改变励磁电流的调速方法是在励磁绕组电路中进行的因此设备简单，成本不高，控制极为方便，但电磁惯性较大，使得调速过渡时间较长。

2.3  改变电枢电路电阻调速

改变电枢电阻时的人为机械特性，保持 、 不变，在电枢绕组电路中串接调速电阻，当调节该电阻的阻值大小时，就会改变电枢总电阻。分析特性曲线图3可知，串接电阻这种调速方法对电动机调速时线路总电阻将会增大，从而实现电动机在额定转速以下的调速，理想空载转速 不变，与固有机械特性相同，斜率 随（ ）的增大成比例增加，转速降加快，机械特性软，能量损耗大，稳定性差，负载对转速影响很大，而且转速只能调低，并为有级调速，机械特性为一组过 的放射状直线。但其调速控制电路较为简单，因此该种调速方法常常用于对上述要求不高的小功率电动机拖动系统。但需要注意的是，调速变阻器可作为启动变阻器用，而因为启动变阻器是按短时启动设计的，所以启动变阻器不能用于调速。

3  结语

直流他励电动机的电气调速方法主要有以下三种：

（1）改变电枢电压调速;

（2）改变磁通调速;

（3）电枢串电阻调速。

综上分析所述，这三种调速方法性能指标情况对比如表1所示。

电枢串电阻调速和降压调速方式属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载，弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载，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和电阻调速。

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作者简介：

莫癸酉（1989—），男，广东肇庆，助理讲师，研究方向：机电技术教育。

张辉（1966—），男，广东肇庆，工程师，讲师，研究方向：电气自动化。

（作者单位：肇庆市工业贸易学校）