2.3.2 直流电动机的调速
1.调速方式
根据直流电动机的转速公式，可见，其调速方式有电枢串电阻调速、电枢电源电压调速和弱磁调速三种。
（1）电枢串电阻调速
他励、并励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流不变、为额定值，在电枢回路串接不同的电阻值，电动机运行在不同的转速，如图2-20所示。电动机的机械特性斜率随电枢回路串接电阻R变化，调速范围只能在基速（运行于固有机械特性上的转速）与零转速之间调节。
图2-20 电枢串电阻调速
电枢串电阻调速，保持电动机励磁磁通恒定不变，对于恒转矩负载，T=CTΦNIa =TL ，电枢电流Ia大小与电枢串接电阻、电动机转速无关。可见，电枢电流Ia的大小取决于负载转矩TL。虽然Ia的大小不变，转速越低，串接的电阻损耗
越大，因此，电动机效率越低。
这种调速方法的特点是设备简单、调节方便；缺点为调速范围限于在基速与零速之间调节，调速效率较低，电枢回路串接电阻后使得电动机机械特性变软，负载变化引起电动机产生较大的转速变化，转速稳定性差。
（2）改变电枢电源电压调速
直流电动机电枢回路不串接电阻，单独由一个可调节的直流电源供电，最高电压不超过额定电压；励磁绕组由另一电源供电，一般保持励磁磁通为额定值。图2-21为驱动恒转矩负载，改变电枢电源电压调速机械特性曲线。可见，电枢电源电压越低，转速就越低；通过改变电枢电源电压，调速范围限于基速与零转速之间。
这种调速方式的特点为改变电枢电源电压，电动机机械特性硬度不变，电动机低速稳定性好；若电枢电源电压能够连续调节，则能够实现无级调节电动机转速，且平滑性好、调速效率高，而被广为采用。不足是调压设备的投资费用较高。
（3）弱磁调速
保持直流电动机电枢电源电压不变、电枢回路不串接电阻，电动机拖动负载转矩小于额定转矩时，减小直流电动机励磁磁通，可以使电动机转速升高，其机械特性如图2-22所示。可见，其调速范围在基速与允许最高转速之间，调速范围有限。
图2-21 改变电枢电源电压调速
图2-22 弱磁调速
针对恒转矩负载，采用弱磁调速，因T=CTΦIa =TL ，磁通减小，Ia势必增大，因此，需要注意避免电枢电流过载。
针对恒功率负载，即PL =TLΩ=常数，电磁功率PM =TΩ=UNIa -
=TLΩ=常数，采用弱磁调速时，转速升高，同时电磁转矩减小，使得电枢电流Ia =常数，从而避免出现电枢电流过载现象。
这种调速方式的特点为设备简单、调节方便，运行效率高，适合恒功率负载。不足之处是励磁过弱时，机械特性变软，转速稳定性差；拖动恒转矩负载，可能出现电枢电流过载现象。
实际运行中，往往采用改变电枢电源电压调速及弱磁调速相结合的调速方法，保证调速范围宽、电动机无级调速，损耗较小、运行效率较高，能满足生产机械调速要求。
2.调速性能指标（1）调速范围D
调速范围指电动机在额定负载下调速时，其最高转速与最低转速之比，即
式中 nmax——最高转速，受电动机换向及机械强度限制；
n min——最低转速，受转速相对稳定性（静差率）限制。
（2）静差率sD
静差率是当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落ΔnN （额定速降）与理想空载转速n0之比，即
式中，ΔnN =n0-nN。
可见，在n0相同时，机械特性越硬，额定负载时转速降越小、sD越小，则转速稳定性越好，负载波动引起的转速变化越小。
静差率sD与机械特性硬度是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，若硬度特性一样，则理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
调速范围D与静差率sD指标有时是矛盾的，并不是彼此孤立的。采用同一种调速方法，若静差率sD要求不高（亦即sD值大），则调速范围宽；反之，若静差率sD要求高（亦即sD值小），则调速范围窄。因此，在实际应用中往往根据对静差率sD要求，选择相适应的调速方法。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。
举例：电动机由初始值1000r/min（n0 =1000r/min）降落10r/min（ΔnN =10r/min），此时sD=1%；电动机由初始值100r/min（n0 =100r/min）同样降落10r/min（ΔnN =10r/min），此时sD =10%；如果电动机由初始值10r/min（n0 =10r/min）降落10r/min（ΔnN =10r/min），此时sD =100%，电动机已经停止转动。可见，静差率sD与理想空载转速n0有关，针对同样的转速降落ΔnN ，理想空载转速越低则静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
（3）平滑系数φ
调速平滑性指相邻两级转速的接近程度，用平滑系数φ表示为
φ接近于1，则表明调速的平滑性越好。
若连续可调，则其级数趋于无穷大，称为无级调速，平滑性最好。若为非连续调节，则其级数有限，称为有级调速，平滑性较差。
（4）恒转矩调速与恒功率调速方式
恒转矩调速方式的特点为保持电枢电流Ia =IN不变，电动机的电磁转矩恒定不变，如他励直流电动机电枢串电阻、改变电枢电压调速方式就属于这种类型。
恒功率调速方式的特点为电枢电流Ia =IN不变，电动机的电磁功率恒定不变，如他励直流电动机弱磁调速方式就属于这种类型。
（5）调速经济性
表2-4所列为各种调速方式的经济性比较表。
表2-4 调速经济性比较表
3.调速范围D、静差率sD和额定速降ΔnN之间的关系
假设电动机的额定转速nN为最高转速，转速降落为ΔnN ，基于最低速时的静差率原则，由式（2-15）求得最低转速为
同理，调速范围为
可见，调速系统的调速范围D、静差率sD和额定速降ΔnN应满足一定的关系。对于同一个调速系统，ΔnN值一定，如果对静差率要求越严，即要求sD值越小时，系统能够允许的调速范围值也越小。因此，确定一个调速系统的调速范围，实质是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。
算例：某直流调速系统电动机额定转速nN为1430r/min，额定速降ΔnN为115r/min。计算：
1）若要求静差率sD≤30%，调速范围是多少？
2）若要求静差率sD≤20%，调速范围是多少？
3）若要求调速范围D=10，静差率是多少？
解：
1） sD≤30%时，调速范围为
2） sD≤20%时，调速范围为
3）调速范围D=10，则静差率为
