【文章內(nèi)容簡介】 法及其與負載類型的配合問題。評價調(diào)速性能好壞的指標由以下四個方面（1）調(diào)速范圍調(diào)速范圍是指電動機在額定負載下可能運行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，通常又用D表示，即 （3—6） 不同的生產(chǎn)機械對電動機的調(diào)速范圍有不同的要求。要擴大調(diào)速范圍，必須盡可能地提高電動機的最高轉(zhuǎn)速和降低電動機的最低轉(zhuǎn)速。電動機的最高轉(zhuǎn)速受電動機的機械強度、換向條件、電壓等級等方面的限制，而最低轉(zhuǎn)速則受到低速運行時轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性的限制。（2）靜差率（相對穩(wěn)定性）轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性是指負載變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化小，其相對穩(wěn)定性好。轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性用靜差率表示。當電動機在某一機械特性上運行時，由理想空載增加到額定負載，電動機的轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，就稱為靜差率，用百分數(shù)表示為： （3—7）顯然，電動機的機械特性越硬，其靜差率越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性就越高。但是靜差率的大小不僅僅是由機械特性的硬度決定的，還與理想空載轉(zhuǎn)速的大小有關(guān)。靜差率與調(diào)速范圍兩個指標是相互制約的，設(shè)圖3—11中曲線1和曲線4為電動機最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速時的機械特性，則電動機的范圍D與最低轉(zhuǎn)速是的靜差率關(guān)系如下： （3—8） 式中，為最低轉(zhuǎn)速機械特性上的轉(zhuǎn)速降；為最低轉(zhuǎn)速時的靜差率，即系統(tǒng)的最大靜差率。圖3—11 不同機械特性的靜差率由式（3—8）可知，若對靜差率這一指標要求過高，即值越小，則調(diào)速范圍D就越小；反之，若要求調(diào)速范圍D越大，則靜差率也越大，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越差。不同的生產(chǎn)機械，對靜差率的要求不同，普通車床要求，而高精度的造紙機則要求≤% 。保證一定靜差率指標的前提下，要擴大調(diào)速范圍，就必須減小轉(zhuǎn)速降落。（3）調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，就認為調(diào)速越平滑，相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比稱為平滑系數(shù)： （3—9） 值越接近1，則平滑性越好，當=1時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。（4）調(diào)速的經(jīng)濟性主要指調(diào)速設(shè)備的投資、運行效率及維修費用等。2 降低電源電壓調(diào)速電動機的工作電壓不允許超過額定電壓，因此電樞電壓只能在額定電壓以下進行調(diào)節(jié)。降低電源電壓調(diào)速的原理及調(diào)速過程可用圖3—12說明。圖3—12 降低電壓調(diào)速設(shè)電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載TL在固有特性上A點運行，其轉(zhuǎn)速為nN。若電源電壓由UN下降至U1，則達到新的穩(wěn)態(tài)后，工作點將移到對應(yīng)人為特性曲線上的B點，其轉(zhuǎn)速下降為n1。從圖中可以看出，電壓越低，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速也越低。轉(zhuǎn)速由nN下降至n1的調(diào)速過程如下：電動機原來在A點穩(wěn)定運行時，Tem=TL，n=nN。當電壓降至U1后，電動機的機械特性變?yōu)橹本€n01B。在降壓瞬間，轉(zhuǎn)速n不突變，Ea不突變，所以Ia和Tem突變減小，工作點平移到A/點。在A/點，TemTL，電動機開始減速，隨著n減小，Ea減小，Ia和Tem增大，工作點沿A/B方向移動，到達B點時，達到了新的平衡：Tem=TL，此時電動機便在較低轉(zhuǎn)速n1下穩(wěn)定運行。降壓調(diào)速過程與電樞串電阻調(diào)速過程類似，調(diào)速過程中轉(zhuǎn)速和電樞電流（或轉(zhuǎn)矩）隨時間的變化曲線也與圖3—46類似。降壓調(diào)速的優(yōu)點是：（1）電源電壓能夠平衡調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)無級調(diào)速；（2）調(diào)速前后機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時，速度穩(wěn)定性好；（3）無論輕載還是重載，調(diào)速范圍相同，一般可達D=~12；（4）電能損耗較小。降壓調(diào)速的缺點是，需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電源。 電樞回路串電阻調(diào)速電樞回路串電阻調(diào)速的原理及調(diào)速過程可用圖3—13說明。設(shè)電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載TL在固有特性上A點運行，其轉(zhuǎn)速為nN。若電樞回路串入電阻Rs1，則達到新的穩(wěn)態(tài)后，工作點變?yōu)槿藶樘匦陨系腂點，轉(zhuǎn)速下降到n1。從圖中可以看出，串入的電阻值越大，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速就越低。現(xiàn)以轉(zhuǎn)速由nN降至n1為例，說明其調(diào)速過程。電動機原來在A點穩(wěn)定運行時，Tem=TL，n=nN,當串入Rs1后，電動機的機械特性變?yōu)橹本€n0B，因串電阻瞬間轉(zhuǎn)速不突變，故Ea不突變，于是Ia及Tem突變減小，工作點平移到A/點。在A/點，TemTL,所以電動機開始減速，隨著n的減小，Ea減小，Ia及Tem增大，即工作點沿A/B方向移動，當?shù)竭_B點時，Tem=TL，達到了新的平衡，電動機便在n1轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運行。調(diào)速過程中轉(zhuǎn)速n和電流ia(或Tem)隨時間的變化規(guī)律如圖3—14所示。圖3—13 電樞串電阻調(diào)速 圖3—14 恒轉(zhuǎn)矩負載時電樞串電阻調(diào)速過程電樞串電阻調(diào)速的優(yōu)點是設(shè)備簡單，操作方便；缺點是：（1）由于電阻只能分段調(diào)節(jié)，所以調(diào)速的平滑性差。（2）低速是特性曲線斜率大，靜差率大，所以轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差。（3）輕載時調(diào)速范圍小，額定負載時調(diào)速范圍一般為D≤2。（4）如果負載轉(zhuǎn)矩保持不變，則調(diào)速前和調(diào)速后因磁通不變而使電動機的Tem和Ia不變，輸入功率（P1=UNIa）也不變，但輸出功率（P2∝）卻隨轉(zhuǎn)速的下降而減小，減小的部分被串聯(lián)的電阻消耗掉了，所以損耗較大，效率較低。而且轉(zhuǎn)速越低，所串電阻越大，損耗越大，效率越低，所以這種調(diào)速方法是不太經(jīng)濟的。因此，電樞串電阻調(diào)速多用于對調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機械上，如起重機、電車等。 減弱磁通調(diào)速額定運行的電動機，其磁路已基本飽和，即使勵磁電流增加很多，磁通也增加很少，從電動機的性能考慮也不允許磁路過飽和。因此，改變磁通只能從額定值往下調(diào)，調(diào)節(jié)磁通調(diào)速即是弱磁調(diào)速，其調(diào)速原理及調(diào)速過程可用圖3—15說明。設(shè)電動機拖動恒轉(zhuǎn)矩負載TL在固有特性曲線上A點運行，其轉(zhuǎn)速為nN。若磁通由減小至，則達到新的穩(wěn)態(tài)后，工作點將移到對應(yīng)認為特性上的B點，其轉(zhuǎn)速上升為n1。從圖中可見，磁通越少，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速將越高。轉(zhuǎn)速由nN上升到n1的調(diào)速過程如下：電動機原來在A點穩(wěn)定運行時，Tem=TL，n=nN。當磁通減弱到后，電動機的機械特性變?yōu)橹本€n01B。在磁通減弱的瞬間，轉(zhuǎn)速n不突變，電動勢Ea隨著而減小，于是電樞電流Ia增大。盡管減小，但Ia增大很多，所以電磁轉(zhuǎn)矩Tem還是增大的，因此工作點移到A/點。在A/點，TemTL，電動機開始加速，隨著n上升，Ea增大，Ia和Tem減小，工作點沿A/B方向移動，到達B點時，Tem=TL，出現(xiàn)了新的平衡，此時電動機便在較高的轉(zhuǎn)速n1下穩(wěn)定運行。調(diào)速過程中電樞電流和轉(zhuǎn)速隨時間的變化規(guī)律如圖3—16所示。圖3—15 減弱磁通調(diào)速 圖3—16 恒轉(zhuǎn)矩負載時弱磁通調(diào)速過程對于恒轉(zhuǎn)矩負載，調(diào)速前后電動機的電磁轉(zhuǎn)矩不變，因為磁通減小，所以調(diào)速后的穩(wěn)態(tài)電樞電流大于調(diào)速前的電樞電流，這一點與前兩種調(diào)速方法不同。當忽略電樞反應(yīng)影響和較小的電阻壓降RaIa的變化時，可近似認為轉(zhuǎn)速與磁通成反比變化。弱磁調(diào)速的優(yōu)點：由于在電流較小的勵磁回路中進行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，而且調(diào)速平滑性好。雖然弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉(zhuǎn)速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此弱磁調(diào)速的經(jīng)濟性是比較好的。弱磁調(diào)速的缺點：機械特性的斜率變大，特性變軟；轉(zhuǎn)速的升高受到電機換向能力和機械強度的限制，因此升速范圍不可能很大，一般D≤2。為了擴大調(diào)速范圍，常常把降壓和弱磁兩種調(diào)速方法結(jié)合起來。在額定轉(zhuǎn)速以下采用降壓調(diào)速，在額定轉(zhuǎn)速以上采用弱磁調(diào)速。 直流電機的換向直流電機電樞繞組中一個元件經(jīng)過電刷從一個支路轉(zhuǎn)換到另一個支路時，電流方向改變的過程為換向。當電機帶負載后，元件中的電流經(jīng)過電刷時，電流方向會發(fā)生變化。換向不良會產(chǎn)生電火花或環(huán)火，嚴重時將燒毀電刷，導(dǎo)致電機不能正常運行，甚至引起事故。（一）換向概述直流電機每個支路里所含元件的總數(shù)是相等的，但是，就某一個元件來說它一會兒在這個支路里，一會兒又在另一個支路里。一個元件從一個支路換到另一個支路時要經(jīng)過電刷。當電機帶有負載后，電樞元件中有電流流過，同一支路里各元件的電流大小與方向都是一樣的，相鄰支路里電流大小雖然一樣，但方向卻是相反的?？梢?，某一元件經(jīng)過電刷，從一個支路換到另一個支路時，元件里的電流必然改變方向?，F(xiàn)以圖3—17所示單疊繞組為例來看某個元件里電流換向的過程。圖3—17 直流電機的換向過程為了分析簡單，忽略換向片之間的絕緣并假設(shè)電刷寬度等于換向片寬度。在圖3—30中，電樞繞組以線速度ua從右向左移動，電刷固定不動，觀察圖中元件1的換向過程。當電刷完全與換向片1接觸時，元件1里流過的電流為圖中所標方向，電流大小為。當電樞轉(zhuǎn)到使電刷與換向片2相接觸時，元件1被電刷短路。由于換向片2接觸了電刷，該元件里的電流被分流了一部分。當電刷僅與換向片2接觸時，換向元件1已進入另一支路，其中電流也從換向前的方向變?yōu)閾Q向后的反方向，完成了換向過程元件1中流過的電流為。元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間，稱為換向周期，換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行時電樞繞組每個元件在經(jīng)歷過電刷時，都要經(jīng)歷上述的換向過程。換向問題很復(fù)雜，換向不良會在電刷和換向片之間產(chǎn)生火花，當火花到一定程度時有可能損壞電刷和換向器表面，從而使電機不能正常工作，但也不是說，直流電機運行時，一點火花也不許出現(xiàn)。詳細情況可以參閱有關(guān)國家技術(shù)標準的規(guī)定。產(chǎn)生火花的原因是多方面的，除電磁原因外，還有機械的原因，此外換向過程中還伴隨著有電化學(xué)和電熱學(xué)等現(xiàn)象，所以相當復(fù)雜。下面僅對電磁方面的原因做一簡略地分析。（二）換向的電磁理論換向的電磁理論指的是換向元件在換向過程中電流變化的情況，從而判斷什么情況下會產(chǎn)生火花，什么情況下不產(chǎn)生火花。設(shè)兩相鄰的換向片與電刷間的接觸電阻分別為和，元件自身電阻為R，流過的電流為，元件與換向片間的連線電阻為，與兩個換向片連接的元件電流為和，是換向元件的合成電動勢，則根據(jù)基爾霍夫電壓定律可列寫換向元件在換向過程中的回路方程： （3—10） 根據(jù)合成電動勢的取值情況，換向可分為直線換向、延遲換向或超越換向1．直線換向如果元件里的合成電動勢為零，并忽略元件電阻過程R和元件與換向片或超越換向片間的連線電阻，則上式可簡化為 （3—11） 式中接觸電阻和是變化的，其值與電刷和換向片之間的接觸面積成反比，即 （3—12） （3—13） 式中、是電刷與換向片2的接觸面積，是換向片與電刷完全接觸時的接觸電阻，是電刷軸向長度，為換向器線速度，是換向周期。根據(jù)結(jié)點電流定律 （3—14） （3—15） 將式（3—10）至式（3—15）代入式（3—11）可得 （3—16） 從式（3—16）可看出，換向元件里的電流隨時間線性變化，這種換向稱為直線換向。直線換向時不產(chǎn)生火花，故又稱為理想換向，直線換向時元件電流i的變化曲線如圖3—18所示。圖3—18 換向電流變化曲線2．延遲換向由于換向元件為線圈，且換向過程中線圈中的電流是變化的，因此線圈中存在自感電動勢；為了保證換向可靠，實際的電刷的寬度比換向片的寬度要大得多，在換向過程中有多個元件同時換向，因此線圈中存在互感電動勢，用表示。通常將自感電動勢和互感電動勢合起來，稱為電抗電動勢，用表示。故有 （3—17） 式中，為換向元件的電感系數(shù)；L為換向元件的自感系數(shù)；M為換向元件的互感系數(shù)。根據(jù)楞次定律，電抗電動勢的作用總是阻礙電流變化的，因此，的方向與元件的換向前電流的方向相同。此外，雖然電刷安裝在幾何中性線處，主磁極磁密為零，但由于電樞反應(yīng)的存在，電樞反應(yīng)磁密卻不為零，因此在換向元件中還有切割電動勢的存在。 （3—18） 式中，為元件的匝數(shù)；為換向元件邊所在處的氣隙磁通密度；為元件邊導(dǎo)體的有效長度；ua為電樞表面線速度。切割電動勢存在同樣使換向電流變化延緩。因此線圈中合成電動勢（電抗電動勢和切割電動勢之和）的存在使換向電流變化不再是線性的，出現(xiàn)了電流延遲現(xiàn)象的換向稱為延遲換向。延遲換向時電刷下的各點電流密度不再為常數(shù)。er+ea在換向元件中產(chǎn)生的電流稱為附加換向電流，用ik表示 （3—19） 如果換向元件里的電流按照圖3—20中的延遲換向曲線變化，電機運行時不會產(chǎn)生火花，但是當合成電動勢較大時，換向元件里的電流并不按圖中所繪制的延遲換向曲線變化，在電刷與換向片離開的瞬間，換向元素中的附加電流可能