直流電機作為電力拖動系統(tǒng)中的重要執(zhí)行元件，其調(diào)速性能直接影響工業(yè)生產(chǎn)的效率和質(zhì)量。在直流電機家族中，并勵電機因其勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)的特性，展現(xiàn)出獨特的控制優(yōu)勢。本文將深入探討直流并勵電機通過調(diào)節(jié)勵磁電流和電樞電阻兩種經(jīng)典調(diào)速方法的原理、實現(xiàn)方式及工程應用，并結合現(xiàn)代控制技術發(fā)展趨勢，分析這些傳統(tǒng)方法在智能化時代的創(chuàng)新應用。

一、直流并勵電機的基本結構和工作原理

直流并勵電機的定子部分包含主磁極和換向極，轉(zhuǎn)子則由電樞鐵芯和換向器組成。其獨特之處在于勵磁繞組與電樞繞組采用并聯(lián)連接方式，這種結構決定了它兼具并勵和串勵電機的特性。當電機通電運行時，電樞電流Ia與勵磁電流If形成兩個獨立回路，但共用同一電源電壓。根據(jù)直流電機轉(zhuǎn)速公式n=(U-IaRa)/(CeΦ)可知，轉(zhuǎn)速與電樞電壓U、電樞回路總電阻Ra、每極磁通Φ之間存在精確的數(shù)學關系，這為后續(xù)的調(diào)速控制奠定了理論基礎。

二、勵磁電流調(diào)速法原理與實現(xiàn)

勵磁電流調(diào)速是通過改變勵磁回路電阻Rf來調(diào)節(jié)勵磁電流If，進而改變主磁通Φ的弱磁調(diào)速方法。具體實施時，在勵磁繞組回路中串聯(lián)可調(diào)電阻器，當增大Rf時，If減小導致Φ減弱。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，Φ的減小將引起轉(zhuǎn)速n的上升，這種"弱磁升速"的特性使該方法特別適用于需要寬范圍調(diào)速的場合。工程實踐中，采用多級切換電阻或連續(xù)可變的滑線電阻器，配合電流檢測裝置構成閉環(huán)系統(tǒng)，可將轉(zhuǎn)速控制在±1%的精度范圍內(nèi)。某大型軋鋼機應用案例顯示，通過分級調(diào)節(jié)勵磁電流，實現(xiàn)了基速以上30%-150%的無級調(diào)速，滿足不同規(guī)格鋼材的軋制需求。

但這種方法存在明顯的局限性：當Φ過度減弱時，電樞反應加劇會導致?lián)Q向惡化，出現(xiàn)火花甚至環(huán)火現(xiàn)象；同時電機輸出轉(zhuǎn)矩Te=CTΦIa隨Φ減小而降低，造成"高速低轉(zhuǎn)矩"的運行特性。因此國際電工委員會(IEC)標準規(guī)定，并勵電機弱磁調(diào)速范圍一般不超過額定轉(zhuǎn)速的2倍，且需配合強通風冷卻措施。

三、電樞電阻調(diào)速法技術與應用

電樞電阻調(diào)速是在電樞回路中串聯(lián)可變電阻Rad，通過改變總電阻(Ra+Rad)來實現(xiàn)調(diào)速的方法。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，增大Rad將導致電樞壓降(Ia(Ra+Rad))增加，使轉(zhuǎn)速n下降。這種方法的突出優(yōu)點是實現(xiàn)簡單，僅需大功率變阻器或電阻箱即可構建調(diào)速系統(tǒng)，在早期的起重設備、電車驅(qū)動中廣泛應用。

實際操作中，通常采用鑄鐵電阻片或合金電阻絲構成分級可調(diào)電阻箱。某港口門式起重機的控制案例顯示，通過5級電阻切換可實現(xiàn)60%-100%額定轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但該方法存在顯著缺點：附加電阻消耗的電功率(I2Rad)以熱能形式浪費，系統(tǒng)效率η=輸出功率/(U(Ia+If))隨Rad增大急劇下降；同時機械特性變軟，負載波動時轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差。計算表明，當轉(zhuǎn)速調(diào)至50%額定值時，效率不足30%，這嚴重制約了其在節(jié)能要求嚴格場合的應用。

四、兩種調(diào)速方法的對比分析與聯(lián)合應用

從控制特性來看，勵磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速，適合基速以上調(diào)節(jié)；而電樞電阻調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適用于基速以下調(diào)節(jié)。動態(tài)響應方面，勵磁回路時間常數(shù)較大（通常0.5-2秒），調(diào)速響應較慢；電樞電阻調(diào)速則可實現(xiàn)秒級響應。某精密機床的雙模式調(diào)速系統(tǒng)創(chuàng)新性地結合兩者優(yōu)勢：基速以下采用電樞電阻調(diào)速保證起動轉(zhuǎn)矩，基速以上切換為勵磁調(diào)速擴展速度范圍，通過PLC編程實現(xiàn)自動切換，使調(diào)速范圍達到1:10。

現(xiàn)代電力電子技術為傳統(tǒng)調(diào)速方法注入新活力。采用IGBT器件構成的PWM勵磁調(diào)節(jié)器替代機械變阻器，可將勵磁電流調(diào)節(jié)精度提高到0.5%；而晶閘管相控調(diào)壓裝置與電樞電阻的混合使用，既保留了電阻調(diào)速的簡單性，又通過電壓調(diào)節(jié)減少了電阻損耗。某智能工廠的輸送線控制系統(tǒng)實測數(shù)據(jù)顯示，這種混合方案比純電阻調(diào)速節(jié)能40%以上。

五、調(diào)速系統(tǒng)的保護與優(yōu)化設計

無論采用哪種調(diào)速方式，都必須配置完善的保護電路。對于勵磁調(diào)速，需設置最小勵磁電流繼電器，防止磁場過弱導致"飛車"；電樞電阻調(diào)速則要配置過電流速斷保護，避免電阻器燒損。熱力學計算表明，額定功率10kW的電機采用電阻調(diào)速時，電阻箱的散熱面積不應小于0.5m2/kW。

先進的控制算法可顯著提升傳統(tǒng)調(diào)速方法的性能。引入模糊PID控制器后，某實驗平臺的轉(zhuǎn)速超調(diào)量從12%降至3%；基于模型預測控制(MPC)的智能勵磁系統(tǒng)，能根據(jù)負載變化預測性調(diào)節(jié)勵磁電流，使動態(tài)響應時間縮短60%。這些創(chuàng)新實踐為傳統(tǒng)調(diào)速技術賦予了智能化新內(nèi)涵。

六、技術發(fā)展趨勢與工程選型建議

隨著永磁材料與電力電子技術的發(fā)展，傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)正面臨新型驅(qū)動技術的挑戰(zhàn)。但在某些特殊領域，如大慣量負載起動、精密張力控制等場合，直流并勵電機調(diào)速仍具不可替代的優(yōu)勢。工程選型時應遵循"勵磁調(diào)速優(yōu)先，電阻調(diào)速補充"的原則，對于頻繁起動、制動場合，建議采用電樞電阻調(diào)速與再生制動結合的方案；而對寬范圍精密調(diào)速需求，宜選擇勵磁調(diào)速配合測速反饋的閉環(huán)系統(tǒng)。

展望未來，物聯(lián)網(wǎng)技術與傳統(tǒng)調(diào)速方法的融合將創(chuàng)造新的可能。通過嵌入智能傳感器和邊緣計算模塊，傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)可升級為具有狀態(tài)監(jiān)測、能效優(yōu)化功能的智能節(jié)點，這為工業(yè)4.0背景下的設備改造提供了經(jīng)濟有效的技術路徑。某軸承制造廠的智能化改造案例顯示，這種升級方案能使設備能耗降低15%，同時減少30%的維護停機時間。

審核編輯 黃宇