直流电机调速进阶：电压控制、流控与磁场控制技术详解
直流电机调速方法——电压控制、流控及串/并励直流电机磁场控制
直流电机将直流电能基于磁场产生的力转换为机械动力，输出为转轴旋转速度（转速）。
应用中需改变电机转速，有意改变转速称电机调速。
调速不同于调速率。调速率指负载变化时维持转速恒定的能力。
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直流电机电动势方程
直流电机电动势方程：
Eb = PΦNZ / 60A
其中：
- P = 极数
- Φ = 每极磁通
- N = 电机转速 (RPM)
- Z = 导体数
- A = 并联支路数
电机设计定型后，P、Z、A为固定量。
Eb ∝ ΦN
Eb = kΦN
k = 比例常数
直流电机电动势也定义为：
Eb = V – IaRa
其中：
- V = 电源电压
- Ia = 电枢电流
- Ra = 电枢电阻
比较两式：
kΦN = V – IaRa
N = (V – IaRa) / kΦ
可见电机转速取决于电源电压(V)、磁通(Φ)、电枢电阻(Ra)。
因此，通过改变以下参数可调节直流电机转速：
- 端电压 “V”（即施加电压控制法）。
- 电枢电阻Ra串联外接电阻（即流控控制法）。
- 每极磁通 Φ（即磁场控制法）。
端电压和电枢电阻关联电枢回路，磁通关联励磁回路。
故直流电机调速法分类为：
- 电枢控制法
- 励磁控制法
下文详述直流串励、并励、复励电机的具体实施。
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直流串励电机调速
串励电机调速采用电枢控制和励磁控制法。
串励电机电枢电阻控制法
此法在电枢电阻串联可变电阻或调压器。电路图如下图所示。
图-1
串励电机电枢绕组与励磁绕组串联，故电枢电流=励磁电流。
改变电枢电阻可变电枢电压电流。增大外接电阻，电枢两端电压和电流减小，转速下降。
此法只能使转速低于无外接电阻时的基准转速，不能升高。
外接电阻串联在电枢回路，需流过满载电流，故须设计为连续承载满载电流。
转速-电流特性曲线如下图。
图-2
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串励电机电枢电压控制法
此法通过改变电枢电压（电源电压）控制转速，需单独可变电压源。
转速与电源电压成正比。电压升转速升，反之亦然。
一般不采用此法，因可变电源成本高，极少用于调速。
串励电机励磁控制法
励磁电流与磁通成正比。此法通过控制励磁电流调速。两种方式：
- 励磁分流器控制
- 励磁抽头控制
励磁分流器控制
串励绕组并联分流器（可变电阻）。部分励磁电流分流通过分流器。
转速方程中磁通与转速反比。磁通减小转速升高。
分流器电阻越小，分流电流越大，励磁电流越小，磁通越小，转速越高。
此法可使转速高于正常转速。电路图如下。
图-3
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励磁抽头控制
励磁绕组设抽头选择匝数。选不同抽头控制励磁电流。
匝数多励磁电流大转速低；匝数少励磁电流小转速高。
此法通过选择励磁绕组抽头控制转速，用于电力牵引传动调速。电路图如下。
图-4
直流并励电机调速
并励电机调速法同串励电机，电枢控制和励磁控制均适用。
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并励电机电枢电阻控制法
电枢回路串联外接电阻。励磁绕组直连电源，励磁电流恒定，磁通不随外接电阻变化。
转速方程中电枢电流与转速成正比。增大外接电阻，电枢电流减小，转速下降。
此法用于低于额定转速调速，不能超额定转速。接线图如下。
图-5
转速-电流特性如下图。
图-6
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并励电机励磁控制法
并励电机中，可变电阻串联在并励绕组中。通过可变电阻调节励磁电流，此电阻称励磁调节器。
接线图如下。
图-7
并励励磁电流方程：增大电阻，励磁电流减小，磁通减小。转速与磁通反比，故磁通减小转速升高。
此法适用于高于额定转速调速，不能降低至额定以下。转速-电流特性如下图。
图-8
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并励电机电枢电压控制法
此法励磁绕组供恒定电源，电枢绕组由独立可变直流源供电。
此法即Ward-Leonard法。接线图如下。
图-9
上图控制电机M1转速。M1由发电机G供电。
并励绕组接直流电源。发电机G由电机M2驱动。M2为恒速电机，直流供电。
发电机G输出电压送M1使其转动。通过控制发电机G输出电压控制M1转速。
励磁调节器跨接发电机配直流线控制励磁。
控制发电机励磁电压即控制其输出电压，进而控制M1转速。
RS为反向开关，切换励磁端子极性，励磁电流反向，发电机输出反向电压，实现M1反向运行及双向调速。
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Ward-Leonard法优缺点
优点：
- 调速范围宽
- 运行极平稳
- 调速率好
- 匀加速运行
- 固有制动能力
- 易反向，双向调速
缺点：
- 需同容量电机-发电机组两台额外设备，综合成本极高
- 噪音大
- 需频繁维护
- 占地大
- 轻载长期运行综合效率低
Ward-Leonard法应用
需宽调速范围、对转速极敏感的场合：起重机、挖掘机、电梯、矿井提升机、造纸机、钢轧机等。
工业技术