直流電機(jī)作為電力拖動(dòng)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(jī)家族中，并勵(lì)電機(jī)因其勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)的特性，展現(xiàn)出獨(dú)特的控制優(yōu)勢(shì)。本文將深入探討直流并勵(lì)電機(jī)通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流和電樞電阻兩種經(jīng)典調(diào)速方法的原理、實(shí)現(xiàn)方式及工程應(yīng)用，并結(jié)合現(xiàn)代控制技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，分析這些傳統(tǒng)方法在智能化時(shí)代的創(chuàng)新應(yīng)用。

一、直流并勵(lì)電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

直流并勵(lì)電機(jī)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(dú)特之處在于勵(lì)磁繞組與電樞繞組采用并聯(lián)連接方式，這種結(jié)構(gòu)決定了它兼具并勵(lì)和串勵(lì)電機(jī)的特性。當(dāng)電機(jī)通電運(yùn)行時(shí)，電樞電流Ia與勵(lì)磁電流If形成兩個(gè)獨(dú)立回路，但共用同一電源電壓。根據(jù)直流電機(jī)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(xué)關(guān)系，這為后續(xù)的調(diào)速控制奠定了理論基礎(chǔ)。

二、勵(lì)磁電流調(diào)速法原理與實(shí)現(xiàn)

勵(lì)磁電流調(diào)速是通過改變勵(lì)磁回路電阻Rf來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流If，進(jìn)而改變主磁通Φ的弱磁調(diào)速方法。具體實(shí)施時(shí)，在勵(lì)磁繞組回路中串聯(lián)可調(diào)電阻器，當(dāng)增大Rf時(shí)，If減小導(dǎo)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(shí)踐中，采用多級(jí)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(gòu)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(jī)應(yīng)用案例顯示，通過分級(jí)調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，實(shí)現(xiàn)了基速以上30%-150%的無級(jí)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(dāng)Φ過度減弱時(shí)，電樞反應(yīng)加劇會(huì)導(dǎo)致?lián)Q向惡化，出現(xiàn)火花甚至環(huán)火現(xiàn)象；同時(shí)電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩Te=CTΦIa隨Φ減小而降低，造成"高速低轉(zhuǎn)矩"的運(yùn)行特性。因此國際電工委員會(huì)(IEC)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，并勵(lì)電機(jī)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(qiáng)通風(fēng)冷卻措施。

三、電樞電阻調(diào)速法技術(shù)與應(yīng)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(shí)現(xiàn)調(diào)速的方法。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，增大Rad將導(dǎo)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(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單，僅需大功率變阻器或電阻箱即可構(gòu)建調(diào)速系統(tǒng)，在早期的起重設(shè)備、電車驅(qū)動(dòng)中廣泛應(yīng)用。

實(shí)際操作中，通常采用鑄鐵電阻片或合金電阻絲構(gòu)成分級(jí)可調(diào)電阻箱。某港口門式起重機(jī)的控制案例顯示，通過5級(jí)電阻切換可實(shí)現(xiàn)60%-100%額定轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。但該方法存在顯著缺點(diǎn)：附加電阻消耗的電功率(I2Rad)以熱能形式浪費(fèi)，系統(tǒng)效率η=輸出功率/(U(Ia+If))隨Rad增大急劇下降；同時(shí)機(jī)械特性變軟，負(fù)載波動(dòng)時(shí)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差。計(jì)算表明，當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)至50%額定值時(shí)，效率不足30%，這嚴(yán)重制約了其在節(jié)能要求嚴(yán)格場合的應(yīng)用。

四、兩種調(diào)速方法的對(duì)比分析與聯(lián)合應(yīng)用

從控制特性來看，勵(lì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)方面，勵(lì)磁回路時(shí)間常數(shù)較大（通常0.5-2秒），調(diào)速響應(yīng)較慢；電樞電阻調(diào)速則可實(shí)現(xiàn)秒級(jí)響應(yīng)。某精密機(jī)床的雙模式調(diào)速系統(tǒng)創(chuàng)新性地結(jié)合兩者優(yōu)勢(shì)：基速以下采用電樞電阻調(diào)速保證起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，基速以上切換為勵(lì)磁調(diào)速擴(kuò)展速度范圍，通過PLC編程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)切換，使調(diào)速范圍達(dá)到1:10。

現(xiàn)代電力電子技術(shù)為傳統(tǒng)調(diào)速方法注入新活力。采用IGBT器件構(gòu)成的PWM勵(lì)磁調(diào)節(jié)器替代機(jī)械變阻器，可將勵(lì)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(shí)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(hù)與優(yōu)化設(shè)計(jì)

無論采用哪種調(diào)速方式，都必須配置完善的保護(hù)電路。對(duì)于勵(lì)磁調(diào)速，需設(shè)置最小勵(lì)磁電流繼電器，防止磁場過弱導(dǎo)致"飛車"；電樞電阻調(diào)速則要配置過電流速斷保護(hù)，避免電阻器燒損。熱力學(xué)計(jì)算表明，額定功率10kW的電機(jī)采用電阻調(diào)速時(shí)，電阻箱的散熱面積不應(yīng)小于0.5m2/kW。

先進(jìn)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)的轉(zhuǎn)速超調(diào)量從12%降至3%；基于模型預(yù)測控制(MPC)的智能勵(lì)磁系統(tǒng)，能根據(jù)負(fù)載變化預(yù)測性調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，使動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間縮短60%。這些創(chuàng)新實(shí)踐為傳統(tǒng)調(diào)速技術(shù)賦予了智能化新內(nèi)涵。

六、技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與工程選型建議

隨著永磁材料與電力電子技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)正面臨新型驅(qū)動(dòng)技術(shù)的挑戰(zhàn)。但在某些特殊領(lǐng)域，如大慣量負(fù)載起動(dòng)、精密張力控制等場合，直流并勵(lì)電機(jī)調(diào)速仍具不可替代的優(yōu)勢(shì)。工程選型時(shí)應(yīng)遵循"勵(lì)磁調(diào)速優(yōu)先，電阻調(diào)速補(bǔ)充"的原則，對(duì)于頻繁起動(dòng)、制動(dòng)場合，建議采用電樞電阻調(diào)速與再生制動(dòng)結(jié)合的方案；而對(duì)寬范圍精密調(diào)速需求，宜選擇勵(lì)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(shù)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(jì)算模塊，傳統(tǒng)直流調(diào)速系統(tǒng)可升級(jí)為具有狀態(tài)監(jiān)測、能效優(yōu)化功能的智能節(jié)點(diǎn)，這為工業(yè)4.0背景下的設(shè)備改造提供了經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)路徑。某軸承制造廠的智能化改造案例顯示，這種升級(jí)方案能使設(shè)備能耗降低15%，同時(shí)減少30%的維護(hù)停機(jī)時(shí)間。

審核編輯 黃宇