直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的電氣調(diào)速方法分析

陳良

摘? ?要：以直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為出發(fā)點(diǎn)，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的電氣調(diào)速方法進(jìn)行分析，然后通過(guò)定性分析和定量比較方法，研究不同調(diào)速方法下電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：直流電動(dòng)機(jī);拖動(dòng)系統(tǒng);電氣調(diào)速方法

直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)是指將電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作，完成既定生產(chǎn)任務(wù)的系統(tǒng)。直流拖動(dòng)系統(tǒng)可以細(xì)分為兩個(gè)系統(tǒng)，分別為可控硅直接供電系統(tǒng)和可控硅勵(lì)磁系統(tǒng)。直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的機(jī)械特性良好，調(diào)速范圍大，基于上述優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域。因此，對(duì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的電氣調(diào)速方法進(jìn)行分析，具有十分重要的意義。

1? ? 直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的基本調(diào)速方法

衡量電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的物理量主要包括兩種，分別為電機(jī)轉(zhuǎn)速和電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩。用M表示電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩、用n表示點(diǎn)擊的轉(zhuǎn)速，可以得到方程組1：n=U/CeH-CeCmH2/Rs+RcM。這個(gè)方程組可以表示電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，在方程組中，電樞電壓由U表示，每極磁通由H表示，電樞繞組電阻由Rs表示，電樞繞組回路串聯(lián)電阻由Rc表示，轉(zhuǎn)矩常數(shù)由Cm表示，電勢(shì)常數(shù)由Ce表示。假設(shè)n0=U/CeH，△n=Rs+Rc/CeCmH2M，則可以得到方程組2：n=n0-△n。在這個(gè)方程組中，理想空載轉(zhuǎn)速由n0表示，就是負(fù)載為0時(shí)的電機(jī)轉(zhuǎn)速;負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速將由△n表示[1]。電動(dòng)機(jī)電壓為Ue，且額定磁通為He，在不會(huì)受到外串電阻Rc干擾的情況下，其機(jī)械特性是自然機(jī)械特性。方程組為：n=Ue/CeHe-Rs/CeCmH2（M）。通過(guò)方程組3可知，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)擁有直線狀的自然機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為反比關(guān)系，簡(jiǎn)言之，轉(zhuǎn)速n的上升會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩M下降。

1.1? 電樞回路串聯(lián)電阻調(diào)速

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速原理如圖1所示，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性曲線如圖2所示。假設(shè)電源電壓和磁通恒定，在這種情況下，對(duì)觸點(diǎn)C1和C2進(jìn)行調(diào)整，會(huì)導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生，此時(shí)電機(jī)的速度會(huì)發(fā)生變化，速度調(diào)整特性為：不與電阻發(fā)生串聯(lián)時(shí)電樞自然機(jī)械特性穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)為A1，而電樞與電阻發(fā)生串聯(lián)時(shí)，自然機(jī)械特定穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)為A2和A3。將圖2與方程組1相結(jié)合，可以得到以下結(jié)論：電樞回路與不同電阻進(jìn)行串接，不會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)的空載轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響，但是在負(fù)載狀態(tài)下，電樞電阻增加會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)速降加大，簡(jiǎn)言之，電機(jī)轉(zhuǎn)速與負(fù)載狀態(tài)下電樞電阻呈反向關(guān)聯(lián)。因?yàn)殡妱?dòng)機(jī)電樞電阻變化較少，故電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)整范圍十分有限，此時(shí)電機(jī)機(jī)械特性會(huì)逐漸變軟，調(diào)整轉(zhuǎn)矩Mz，轉(zhuǎn)速會(huì)發(fā)生顯著的變化[2]。

1.2? 改變電樞電壓調(diào)速

通過(guò)觀察圖1可知，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩和磁通恒定且電樞回路不與電阻串聯(lián)時(shí)，對(duì)電樞電壓進(jìn)行改變，促使其發(fā)生一定的變化，如圖2所示，改變電壓需要借助調(diào)壓裝置，可以用一條與自然機(jī)械特性直線相平行的直線表示改變后的電樞電壓機(jī)械特性。圖2中的各個(gè)A點(diǎn)代表電壓的穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)。因此，通過(guò)改變電樞電壓調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速存在限制，由于電機(jī)具有較硬的電機(jī)特性，負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)改變時(shí)，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)速降落偏低[3]。

1.3? 改變磁通調(diào)速

觀察圖2可以找到弱磁調(diào)速的接線原理，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)所運(yùn)行的磁通為額定磁通，故磁路系統(tǒng)飽和程度較高，因此，磁通可調(diào)整的幅度較小。在特定條件下，對(duì)電阻進(jìn)行調(diào)整，降低電流值可以起到調(diào)整磁通的作用，磁通會(huì)隨之下降。結(jié)合方程組1和圖2可以得到以下結(jié)論：電機(jī)空載轉(zhuǎn)速與磁通具有反向關(guān)系，簡(jiǎn)言之，磁通越大，電機(jī)空載轉(zhuǎn)速越小，反之則亦然。在負(fù)載狀態(tài)下，二者的關(guān)系也不會(huì)發(fā)生改變。但由于磁通只能在額定磁通下變化，通過(guò)這種方法調(diào)整電動(dòng)機(jī)，所得到的轉(zhuǎn)速通常會(huì)高于額定轉(zhuǎn)速，且會(huì)導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性由強(qiáng)變?nèi)?，如果?fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生改變，會(huì)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速差異[4]。

使用這種調(diào)速方法對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)整的過(guò)程中，如果對(duì)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載進(jìn)行移動(dòng)，電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下產(chǎn)生的電樞電流，與磁通的關(guān)系為反比關(guān)系。為了對(duì)電樞電流進(jìn)行有效控制，確保其始終保持在恒定范圍內(nèi)，在降低磁通時(shí)，轉(zhuǎn)速應(yīng)增加，負(fù)載轉(zhuǎn)矩會(huì)隨之下降。因此，這種轉(zhuǎn)速調(diào)整方法在恒功率負(fù)載調(diào)速中比較適用。

2? ? 電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能研究

調(diào)速穩(wěn)定性、范圍、平滑性和經(jīng)濟(jì)性等指標(biāo)是衡量電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。接下來(lái)，筆者對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行簡(jiǎn)要分析。

2.1? 調(diào)速穩(wěn)定性

調(diào)速穩(wěn)定性的另一個(gè)名字為靜差率，是衡量調(diào)速精度時(shí)所用的指標(biāo)，主要是指在負(fù)載轉(zhuǎn)矩出現(xiàn)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的幅度。電動(dòng)機(jī)在空載狀態(tài)時(shí)的轉(zhuǎn)速與負(fù)載狀態(tài)下轉(zhuǎn)速的對(duì)比數(shù)可以用S代表。

通常情況下，S值小表示電動(dòng)機(jī)調(diào)速穩(wěn)定性強(qiáng)，反之亦然。在電動(dòng)機(jī)由空載狀態(tài)過(guò)渡到負(fù)載狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速變化量越小，S值就越小，表示系統(tǒng)具有非常強(qiáng)的調(diào)速穩(wěn)定性，調(diào)速精度也有所保障。而電動(dòng)機(jī)在空載狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速越大，則表明S越大，系統(tǒng)穩(wěn)定性和調(diào)速精度越低。

實(shí)踐結(jié)果表明，電壓調(diào)速與電阻調(diào)速相比，具有調(diào)速精度高的優(yōu)點(diǎn)，一般情況下，電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬、軟直接關(guān)系到調(diào)速的穩(wěn)定性。通過(guò)上述分析得知，電壓調(diào)速所獲得的機(jī)械特性，硬度大于弱磁調(diào)速和電阻調(diào)速，故電壓調(diào)速是調(diào)壓穩(wěn)定性最高的調(diào)速方法。

2.2? 調(diào)速范圍

調(diào)速范圍指的是電動(dòng)機(jī)額定負(fù)載在發(fā)生變化時(shí)，能夠達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速的比值，可以用D代表。

D值越高，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)擁有更寬的調(diào)速范圍，D值越小，說(shuō)明電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)的調(diào)速范圍較為狹窄。

對(duì)弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍進(jìn)行研究，使用這種方法調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，只能向上調(diào)整而無(wú)法向下調(diào)整，故最低轉(zhuǎn)速為電動(dòng)機(jī)的初始轉(zhuǎn)速，如果磁通大量減少，會(huì)加大電動(dòng)機(jī)換向的難度，容易影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。此外，使用弱磁調(diào)速，還需要考慮電樞機(jī)械強(qiáng)度的限制，以直流電機(jī)為例，在使用這種方法調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，應(yīng)該對(duì)最高轉(zhuǎn)速加以限制，不得高于額定轉(zhuǎn)速的兩倍以上，因此，在多種條件的制約下，弱磁調(diào)速范圍相較于其他兩種方法偏窄，其調(diào)速范圍可以由D≤2表示。由此可知，在靜差率相同的條件下，電阻調(diào)速的范圍最大。

2.3? 調(diào)速平滑性

調(diào)速平滑性是指在特定調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速等級(jí)數(shù)量的多少。等級(jí)數(shù)量越少，調(diào)速平滑性越低，二者具有正比關(guān)系，而兩個(gè)相鄰的調(diào)速等級(jí)，轉(zhuǎn)速比值就是所謂的平滑系數(shù)。這個(gè)系數(shù)與1距離越近，表明調(diào)速平滑性越強(qiáng)，比如無(wú)極調(diào)速就是指轉(zhuǎn)速具有連續(xù)可調(diào)性。

對(duì)于電阻調(diào)速系統(tǒng)而言，在大電樞電流的影響下，難以通過(guò)這種調(diào)速方法實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速，只能使用切除電樞電阻或分段投入的方法進(jìn)行調(diào)速，這種調(diào)速方式被稱為分段調(diào)速，一般會(huì)被分為2～4個(gè)調(diào)速等級(jí)，故調(diào)速平滑性不強(qiáng)。

相較于電阻調(diào)速系統(tǒng)，電壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速平滑性十分顯著，究其原因，主要是電壓調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)速過(guò)程中，改變電樞電壓的方式為直流調(diào)壓裝置，保證了電樞電壓調(diào)整的連續(xù)性，可以從低到高地調(diào)動(dòng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，具有非常多的調(diào)速等級(jí)，故平滑性十分顯著。

弱磁調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速平滑性優(yōu)于電阻調(diào)速系統(tǒng)，但弱于電壓調(diào)速系統(tǒng)，究其原因，弱磁調(diào)速系統(tǒng)需要依靠勵(lì)磁電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，由于勵(lì)磁電流小于電樞電流，勵(lì)磁變阻器可以使磁通的變化更加平緩，在特定條件下，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)極調(diào)速和多級(jí)調(diào)速。

2.4? 調(diào)速經(jīng)濟(jì)性

電動(dòng)機(jī)推動(dòng)系統(tǒng)調(diào)速經(jīng)濟(jì)性由兩方面內(nèi)容構(gòu)成，分別為調(diào)速所需設(shè)備的費(fèi)用和能量使用情況以及電動(dòng)機(jī)在調(diào)速過(guò)程中的運(yùn)行情況。就前者來(lái)說(shuō)，電阻調(diào)速系統(tǒng)在調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，使用的設(shè)備較為簡(jiǎn)單，無(wú)需大量的投資，但耗費(fèi)能源較多;電壓調(diào)速系統(tǒng)所使用的設(shè)備十分昂貴，需要投入大量的費(fèi)用，但電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行和調(diào)速所耗費(fèi)的能源較少，且能夠進(jìn)入再生制動(dòng)狀態(tài)，向電網(wǎng)回饋能量。弱磁調(diào)速使用的設(shè)備較為簡(jiǎn)單，且容量和能量損耗小，與此同時(shí)，也存在機(jī)械特性軟的特點(diǎn)，如果磁通大量下降，電動(dòng)機(jī)容易陷入不穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)，通常情況下，這種調(diào)速方法只能作為一種輔助調(diào)速手段，無(wú)法獨(dú)立使用。綜合比較而言，3種調(diào)速系統(tǒng)各具優(yōu)缺點(diǎn)，需要企業(yè)根據(jù)自身的實(shí)際情況合理選擇調(diào)速方法。如果企業(yè)實(shí)力有限，僅能使用弱磁調(diào)速方法，那么在使用過(guò)程中，應(yīng)該在調(diào)速過(guò)程中確保電動(dòng)機(jī)負(fù)載能力與生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載性質(zhì)相契合。如果使用電壓調(diào)速和電阻調(diào)速，則要確保電機(jī)負(fù)載能力配合恒轉(zhuǎn)矩性負(fù)載。

3? ? 電動(dòng)機(jī)調(diào)速特性對(duì)比

通過(guò)上述對(duì)比分析可知，3種電機(jī)調(diào)速方法各具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也存在缺點(diǎn)，但綜合比較后發(fā)現(xiàn)電壓調(diào)速比較合適。近年來(lái)伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，電壓調(diào)速所使用的設(shè)備性能逐漸增強(qiáng)，成本也日益下降，為這種調(diào)速方法的使用創(chuàng)造了有利的條件，故這種調(diào)速方法被人們發(fā)現(xiàn)并實(shí)現(xiàn)了普及應(yīng)用。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本研究對(duì)直流電動(dòng)機(jī)推動(dòng)系統(tǒng)的電氣調(diào)速方法進(jìn)行了分析，闡述了電阻調(diào)速、電壓調(diào)速和磁通調(diào)速的調(diào)速原理;并在此基礎(chǔ)上，分別對(duì)比了3種調(diào)速方法的調(diào)速穩(wěn)定性、調(diào)速范圍、調(diào)速平滑性和調(diào)速經(jīng)濟(jì)性。認(rèn)為這3種調(diào)速方法各具優(yōu)勢(shì)和缺點(diǎn)，但電壓調(diào)速方法最為合適，并且在科學(xué)技術(shù)發(fā)展的推動(dòng)下，電壓調(diào)速方法的使用成本會(huì)進(jìn)一步降低，故建議選擇電壓調(diào)速法。

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