2.5 他励直流电动机的调速

为了提高生产率、保证产品质量或节约能源，需要许多生产机械在生产过程中有不同的运行速度。人为地改变电动机的参数（如他励电动机的端电压、励磁电流或电枢回路串电阻），使同一个机械负载得到不同的转速，被称为电动机调速。为了评价各种调速方法的优缺点，对调速方法提出了一定技术经济指标，称为调速指标。

2.5.1 调速指标

1.调速范围

调速范围是指电动机在额定负载下能运行的最高转速n_max和最低转速n_min之比，用字母D表示，即

针对不同的生产机械其电动机的调速范围不同。要扩大调速范围，必须提高n_max和降低n_min。电动机的最高转速受电动机的机械强度、换向条件等方面的限制，而最低转速受到低速运行时转速的相对稳定性的影响。

2.静差率

当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载变到额定负载时所对应的转速降落Δn_N与理想空载转速n₀之比，称为静差率s，即

显然，静差率表示调速系统在负载变化下转速的稳定程度，它和机械特性的硬特性有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定程度就越高。

然而静差率与硬特性又是有区别的。一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，如图2-27中的两条特性曲线，两者的硬度相同，额定速降相等，但它们的静差率却不同，因为理想空载转速不一样。这就是说，对于同样硬特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定性也就越差。

在直流电动机调压调速系统中，n_max就是电动机的额定速度n_N，若额定负载时的转速降落为Δn_N，则系统的静差率应该是最低转速时的静差率，即

而额定负载时的最低转速为

考虑到式（2-34），式（2-35）可以写成

而调速范围为

将式（2-36）代入式（2-37），得

式（2-38）表达了调速范围D、静差率s和额定速降Δn_N之间应满足的关系。对于同一个调速系统，其硬特性或Δn_N值是一定的，如果对静差率的要求越严（即s值越小），系统允许的调速范围D就越小。

D与s相互制约：s越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的s指标的前提下，要扩大D，须减少Δn，即提高硬特性。

3.调速的平滑性

在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数

ϕ越接近1，平滑性越好，当ϕ=1时，则称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，则称为有级调速。

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。

【例2-2】某台他励直流电动机有关数据为：P_N=60kW，U_N=220V，I_N=305A，n_N=1000r/min，电枢回路总电阻R_a=0.04Ω，电枢回路串电阻调速。当静差率s≤30%时，求电动机的调速范围D。

解：由已知条件得理想空载转速

静差率s=30%时的最低转速由式（2-40）可得

n _min=n₀-sn₀=（1058.7-30%×1058.7）r/min=741.1r/min

2.5.2 电枢回路串电阻调速

他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同的电阻时，可使电动机运行于不同的转速，如图2-28所示。该图中负载是恒转矩负载。未串电阻时，工作点为A的转速为n_N，电枢回路中串入电阻R_Ω1后，工作点A就经由A′变成了B，转速降为n₁。从图中可以看出，串入电阻值越大，稳态转速就越低。

电枢串电阻调速的特点：

1）串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有变动，电动机转速波动大，因此调速范围受到限制。

2）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差。

3）由于电枢电流大，调速电阻消耗的能量较多，不够经济。

4）调速方法简单，设备投资小。

因此，电枢回路串电阻调速多用于电动机容量不大、低速工作时间短、调速范围较小的场合，如起重机、电车等。

2.5.3 降低电源电压调速

电动机的工作电源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，即减压调速。如图2-29所示，图中负载是恒转矩负载。原来工作点为A的转速为n_N，当电压降至U₁后，工作点A就经由A′变成了B，转速降为n₁。可以看出，电源电压降低越多，稳态转速也越低。

减压调速的特点：

1）无论高速还是低速，机械特性硬度不变，调速性能稳定，故调速范围广。

2）电源电压能平滑调节，故调速平滑性好，可达到无级调速。

3）降压调速是通过小输入功率来降低转速的，损耗小，调速经济性好。

4）调压电源设备较复杂。

因此，减压调速被广泛地应用于对起动、制动和调速性能要求较高的场合，如龙门刨床、轧刚机等。

2.5.4 弱磁调速

为了充分使用电动机，一般设计电机时，把铁心接近饱和时的磁通作为额定磁通Φ_N。若再增加励磁电流，磁通能增加的部分已经不多了。故只能采用减弱磁通的方法来达到调速的目的，称为弱磁调速。如图2-30所示，负载是恒转矩负载，原来工作点为A的转速为n_N，当磁通降至Φ₁后，工作点A就经由A′变成了B，转速升为n₁。可以看出，电动机以新的较高的转速稳定运行。

弱磁调速的特点：

1）弱磁调速机械特性较软，受电动机换向条件和机械强度的限制，转速增幅不能太大。

2）调速平滑，可以无级调速。

3）适合于功率较小的励磁回路，能量损耗小。

4）控制方便，控制设备投资少。