1、遼寧工程技術大學 電機與拖動課程設計 設 計 題 目： 他勵直流電動機調速系統設計 院（系、部）： 電氣與控制工程學院 專 業 班 級： 電氣12-4 姓 名： 高明 學 號： 1205040404 指 導 教 師： 劉春喜 榮德生 王繼強 李國華 日 期： 2014-6-26 電氣工程系課程設計標準評分模板課程設計成績評定表學期2011/2012第2學期姓名高明專業電氣工程及其自動化班級電氣12-4課程名稱電機與拖動設計題目他勵直流電動機調速系統設計 成績 評分項目優良中及格不及格設計表現1.設計態度非常認真認真較認真一般不認真2.設計紀律嚴格遵守遵守基本遵守少量違反嚴重違反3.獨立工作能力

2、強較強能獨立設計完成基本獨立設計完成不能獨立設計完成4.上交設計時間提早或按時按時遲交半天遲交一天遲交一天以上設計說明書5.設計內容設計思路清晰，結構方案良好，設計參數選擇正確，條理清楚，內容完整，結果正確設計思路清晰，結構方案合理，設計參數選擇正確，條理清楚，內容較完整，極少量錯誤設計思路較清晰，結構方案基本合理，設計參數選擇基本正確，調理清楚，內容基本完整，有少量錯誤設計思路基本清晰，結構方案基本合理，設計參數選擇基本正確，調理清楚，內容基本完整，有些錯誤設計思路不清晰，結構方案不合理，關鍵設計參數選擇有錯誤，調理清楚，內容不完整，有明顯錯誤6.設計書寫、字體、排版規范、整潔、有條理，排版

3、很好較規范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規范、整潔、有條理，個別排版有問題基本規范、整潔、有條理，排版有問題較多不規范、不整潔、無條理，排版有問題很大7.封面、目錄、參考文獻完整較完整基本完整缺項較多不完整圖紙8.繪圖效果很出色較出色一般較差很差9.布局合理、美觀較合理基本合理有些混亂布局混亂10.繪圖工程標準符合標準較符合標準基本符合標準個別不符合標準完全不符合標準評定說明：不及格標準：設計內容一項否決制，即5為不及格，整個設計不及格，其他4項否決；優、良、中、及格標準：以設計內容為主體，其他項超過三分之一為評定標準，否則評定為下一等級；如優秀評定，設計內容要符合5，其余九項要有4項符合

4、才能評定為優，否則評定為良好，以此類推。最終成績： 評定教師簽字：課程設計任務書一、設計題目他勵直流電動機調速系統設計二、設計任務一臺他勵直流電動機，參數如下：P=5KW；U=180V；I=36A；n=1450r/min；R=0.08 1. 用其拖動通風機負載運行，若采用電樞串電阻調速時，要使轉速降至1100r/min,試設計電樞電路中的調速電阻。2. 用其拖動恒轉矩負載運行，負載轉矩等于電動機的額定轉矩，采用改變電樞電壓調速時，要使轉速降至900r/min，試設計電樞電壓值。3. 用其拖動恒功率負載運行，采用改變勵磁電流調速，要使轉速增至1500r/min,試設計出C的值。三、設計計劃電機與

5、拖動課程設計共計1周內完成：1、第12天查資料,熟悉題目；2、第35天方案分析,具體按步驟進行設計及整理設計說明書；3、第6天準備答辯；4、第7天答辯。四、設計要求1、設計工作量為完成設計說明書一份；2、設計必須根據進度計劃按期完成；3、設計說明書必須經指導教師審查簽字方可答辯。指 導 教師：劉春喜 王繼強 李國華 榮德生教研室主任：李洪珠時 間：2014 年 3 月 25 日摘要直流電動機是人類最早發明的和應用的一種電機，是生產和使用直流電能的機電能量轉換機械，直流電動機具有調速性能好、啟動和制動轉矩大、過載能力強等優點，因此廣泛應用于啟動和調速要求的機械上。直流發電機可以作為各種直流電源。

6、隨著電子技術的發展，可控硅整流電源在生產上的應用越來越廣泛，大有取代直流發電機的趨勢。反過來，由于利用了可控硅整流電源，使直流電源機的應用增加了一個有利因素，而配合直流電動機組成的調速系統也正在迅速發展。本文主要介紹他勵直流電動機調速的有關方法及其參數設計。關鍵字：直流電機 調速 串電阻 參數設計目錄1 引言12 直流電動機的基本結構和工作原理22.1 直流電動機的基本結構22.1.1 定子（磁極）22.1.2 轉子（電樞）22.2直流電機的勵磁方式22.3 直流電動機的工作原理33 直流電動機的機械特性33.1 固有機械特性33.2 人為機械特性44 他勵直流電動機的調速44.1 他勵直流電

7、動機電樞串電阻調速44.2 他勵直流電動機改變電樞電壓調速54.3 他勵直流電動機改變勵磁電流調速65 直流電動機調速設計內容76 結論9參考文獻101 引言直流電機是生產和使用直流電能的機電能量轉換機械。將機械能轉換成直流電能的，成為直流發電機；將點呢過轉換為機械能，稱為直流電動機。直流電動機具有調速性能好、啟動和制動轉矩大、過載能力強等優點，因此廣泛應用于啟動和調速要求高的機械上。例如軋鋼機、機床、電車、電氣軌道牽引、挖掘機械、紡織機械等。直流發電機可以作為各種直流電源。例如直流電動機的直流電源、同步電機的勵磁電源以及化學工業方面用于電解電鍍的低壓大電流直流電源等。與交流電機相比，直流電機

8、的主要缺點是換向問題，他限制了直流電機的極限容量，又使直流電機的結構復雜，消耗較多有色金屬，維護比較麻煩，致使直流電機的應用受到一定限制。直流電動機分為有換向器和無換向器兩大類。直流電動機調速系統最早采用恒定直流電壓給直流電動機供電，通過改變電樞回路中的電阻來實現調速。這種方法簡單易行、設定制造方便、價格低廉；但缺點是效率低、機械特性軟，不能得到較寬和平滑的調速性能。該法只適用在一些小功率且調速范圍要求不大的場所。30年代末期，發電機-電動機系統的出現才使調速性能優異的直流電動機得到廣泛應用。這種控制方法可獲得較寬的調速范圍、較小的轉速變化率和平滑的調速性能。但此方法的主要缺點是系統重量大、占

9、地多、效率低及維修困難。近年來，隨著電力電子技術的迅速發展，由晶閘管變流器供電的直流電動機調速系統已取代了發電機-電動機調速系統，它的調速性能也遠遠地超過了發電機-電動機調速系統。特別是大規模集成電路技術以及計算機技術的飛速發展，使直流電動機調速系統的精度、動態性能、可靠性有了跟大的提高。電力電子技術中IGBT等大功率器件的發展正在取代晶閘管，出現了性能更好的直流調速系統。電動機所驅動的負載，有時候要求從高轉速迅速降為低轉速，甚至停轉、反轉，需要對電動機采取措施以保證負載的要求，這種措施稱為電動機的調速。調速的原理是在電動機轉子上增加或減小力矩，具體有三種方法，改變電樞電阻調速、改變電樞電壓調

10、速、改變勵磁電流調速。2 直流電動機的基本結構和工作原理2.1 直流電動機的基本結構直流電動機主要由定子(磁極)、轉子(電樞)和機座等部分構成。2.1.1 定子（磁極）磁極是電機中產生磁場的裝置，如圖1-1所示。它分成主磁極（極心）和換向磁極（極掌）兩部分。極心又分成勵磁繞組和主磁極鐵心兩部分，主磁極用來產生氣隙磁場并在電樞表面外的氣隙空間里產生一定形狀分布的氣隙磁密。極掌的作用是改善換向，即當線圈轉到水平位置時，正好切割極掌的磁通而產生附加電動勢以抵消換向電動勢，使換向得到改善。機座是用來固定主磁極、換向極和端蓋等部件，磁極都用螺栓固定在機座的內壁上，因此機座也是主磁路的一部分；機座一般用導

11、磁性能較好的鑄鋼和厚鋼片焊接而成。2.1.2 轉子（電樞）電樞是電機中產生感應電動勢的部分，主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風扇等組成。直流電機的電樞鐵芯是旋轉的，電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中放有電樞繞組。電樞繞組的作用是產生感應電動勢和通過電流，實現機電能量轉換，換向器是直流電機的一種特殊裝置，將電樞線圈中的交流變換為電刷間的直流或將電刷間的直流逆變為電樞線圈中的交流。主要由許多換向片組成，每兩個相鄰的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉動的電樞繞組得以同外電路聯接。換向器是直流電機的結構特征，易于識別。2.2直流電機的勵磁方式直流電機勵磁方式分

12、為四種：他勵、并勵、串勵、復勵。（1） 他勵直流電機：勵磁電流由其他直流電源單獨供給，與電樞繞組無任何關系。（2） 并勵直流電機：勵磁繞組與電樞繞組并聯。（3） 串勵直流電機：勵磁繞組和電樞繞組回路串聯，流過勵磁繞組的電流即是電樞電流。（4） 復勵直流電機：主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組回路并聯，；一個與電樞繞組串聯。圖1 勵磁方式分類 2.3 直流電動機的工作原理直流電動機電刷兩端接直流電源電流從電源正極流入電刷A，經導體ab到cd，從電刷B流回到電源負極。由電磁定律可知，導體ab，cd受力大小為：F=BLIB為磁場強度，單位T；L為導體長度，單位m；I為導體中流過電流，單位A。由

13、左手定則可知圖中瞬間導體ab、cd受力方向相反，力F乘以轉子半徑等于電磁轉矩。若果電磁轉矩能夠克服阻轉矩，電樞就會如圖示沿逆時針方向旋轉。當電樞轉過180°時，cd轉到N極下，ab轉到S極下，電流仍從電刷A流入，電刷B流出，方向為dcba。同樣依據左手定則有導體ab，cd上所受力仍相反，電磁轉矩方向不變，因此電樞仍沿逆時針方向轉動。通過分析可知，導體中的電流是交變電流，然而電磁轉矩方向不變，其原因在于通過電刷和換向器的作用使得通過N，S極下的導體中電流方向始終不變，從而由力矩定義可知，電磁轉矩方向始終不變，電樞能夠沿同一個方向繼續旋轉，將直流電能轉化為機械能。這時電動機可作為原動機帶

14、動生產機械旋轉，即由電動機向機械負載輸出機械功率。他勵直流電動機的基本方程U=E+IRE=CnT=CIT=T+T=TI=其中U是電樞兩端電壓，I是電樞電流，E是電樞感應電勢，T是電磁轉矩，T是轉軸輸出轉矩，T是空載轉矩。3 直流電動機的機械特性3.1 固有機械特性直流電動機的機械特性是電動機機械性能的主要表現，是指電動機的電樞加上一定的端電壓U和一定的勵磁電流If時，轉速n和電磁轉矩T的關系，即n=f（T）。在本設計中我們只討論他勵直流電動機。他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個獨立的直流電源供電，如圖3-1所示。在勵磁電壓Uf的作用下,勵磁繞組中通過勵磁電流If，從而產生主磁極磁通。在電

15、樞電壓U的作用下，電樞電流為I。電樞電流與磁場相互作用產生電磁轉矩T，從而拖動產生機械以某一轉速n運轉。電樞旋轉時，切割磁感線產生電動勢E。電動勢的方向與電樞電流方向相反。 圖2 他勵直流電動機固有機械特性他勵電動機固有特性如圖3-2所示，由于電樞電路電阻R很小，所以機械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性為硬性。固有特性上的no點為理想空載轉速，N點為電動機的額定狀態，這時電動機的電壓、電流、功率和轉速都為額定值。M點為電動機的臨界狀態，這時的電樞電流Ia等于換向所允許的最大電樞電流Iamax=（1.52.0）IaN。3.2 人為機械特性直流電動機的機械特性一般表達式：n=U/(CE)-（R+

16、Ra）T/(CTCE2)人為地改變他勵直流電動機串聯的電阻R的大小、電樞端電壓U以及勵磁磁通，都可以使其機械特性發生改變，這些有人為原因改變的機械特性稱為人為機械特性。主要有三種情況：(1)電樞回路串電阻的人為機械特性。即改變R的值。(2)改變電樞電壓時的人為機械特性。即改變U的值。(3)改變氣隙每極磁通時的人為機械特性。即改變的值。4 他勵直流電動機的調速4.1 他勵直流電動機電樞串電阻調速他勵直流電動機串電阻調速原理圖如圖4-1，即在電樞電路內串聯一個調速變阻器。保持電源電壓及勵磁電流為額定值不變，調節變阻器，電動機將運行于不同的轉速，機械特性如圖4-2，圖中的負載為恒轉矩負載。ME+-+

17、-圖3 原理圖圖4 機械特性從圖4-2可以看到，調速前，系統工作a點，電阻改變R的瞬間，因機械慣性，轉速來不及改變，工作點有a平移到人為特性上的b點。由于此時T<TL,n下降，工作點沿人為特性由b點移至c點為止。系統在比原來低的轉速下重新穩定運行。調速方法的調速性能如下：1) 調速時，由公式(Ra + R)增大則n就下降，(Ra + R)與n成反比，故調速方向是往下調。 2) 調速的平滑性取決于調速變阻器的調節方式。如能均勻的調節變阻器的電阻值，可實現無級調速。不過，一般調速電阻多為分級調節。故為有級調速。3) 調速的穩定性差，因為R增加后，機械特性硬度降低，靜差率增大。4) 調速的經濟

18、性差，因為初期投資雖然不大，但損耗Ia2（Ra+R）增加，運行效率低。5) 調速范圍不大，因受低速時靜差率的限制。6) 調速時的允許負載為恒轉矩負載。因為調速時的基本不變，滿載電流即額定電流IaN一定，又T=CTIa，因此，各種轉速下也許輸出的轉矩相同，屬于恒轉矩調速。總之，這種調速方法缺點甚多，調速的經濟性很差、調速方法簡單，控制設備不復雜、 一般用于調速性能要求不高的中、小電動機上，大容量電動機不采用。4.2 他勵直流電動機改變電樞電壓調速他勵直流電動機的電樞回路不串聯電阻，用一可調的直流電源向電樞供電，最高電壓不應超過額定電壓。勵磁繞組由另一電源供電，保持勵磁磁通為額定值。電樞電壓不同時

19、，電動機拖動負載將運行于不同的轉速上，機械特性如圖3-3可以看出，當電樞電壓為額定值時，電動機和負載的機械特性的交點為A，轉速為n；電壓降到U1后，交點為A1，轉速為n1；電壓為U2，交點為A2，轉速為n2。電樞電壓越低，轉速也越低。同樣，改變電樞電壓調速方法的調速范圍也只能在額定轉速與零轉速之間調節。n T>>An0圖 5 改變電樞電壓調速機械特性改變電樞電壓調速平滑性好，如果能均勻的調節變阻器的電阻值即可實現無級調速，調速效率高，調速范圍大；轉速穩定性較串電阻調速好；所需的可調壓電源設備投資較高，但運行費用少。總之，這種調速方法在直流電力拖動系統中被廣泛應用。4.3 他勵直流電

20、動機改變勵磁電流調速改變勵磁電流的多少便可改變磁通的多少，從而達到調速的目的。保持他勵直流電動機電樞電源電壓不變，電樞回路也不串接電阻，在電動機拖動負載轉矩不很大（小于額定轉矩）時，減少直流電動機的勵磁磁通，可使電動機轉速升高。他勵直流電動機帶恒轉矩負載時弱磁調速，如圖4-4所示。圖 6 改變勵磁電流調速從圖中可以看出，當勵磁磁通為額定值N時，電動機和負載的機械特性的交點a，轉速為n；勵磁磁通減少為1時，理想空載轉速增大，同時機械特性斜率也變大，交點為c，轉速為n1。弱磁調速的范圍是在額定轉速與電動機所允許最高轉速之間進行調速，至于電動機所允許最高轉速值時受換向也機械強度所限制，一般約1.2n

21、N左右，特殊設計的調速電動機，可達到3nN或更高。弱磁調速的優點時設備簡單，調節方便，運行斜率也較高，適用于恒功率負載。缺點時勵磁過弱時，機械特性的斜率大，轉速穩定性差，拖動恒轉矩負載時，可能會使電樞電流過大。在實際電力拖動系統中，可以將幾種調速方法結合，這樣可以得到較寬的調速范圍，電動機可以在調速范圍之內的任何轉速上運行，而且調速時損耗較小，運行效率較高，能很好地滿足各種生產機械對調速的要求。應用:不經常逆轉的重型機床。5 直流電動機調速設計內容一臺他勵直流電動機，參數如下：P=5KW；U=180V；I=36A；n=1450r/min；R=0.08 1. 用其拖動通風機負載運行，若采用電樞串

22、電阻調速時，要使轉速降至1100r/min,試設計電樞電路中的調速電阻。2. 用其拖動恒轉矩負載運行，負載轉矩等于電動機的額定轉矩，采用改變電樞電壓調速時，要使轉速降至900r/min，試設計電樞電壓值。3. 用其拖動恒功率負載運行，采用改變勵磁電流調速，要使轉速增至1500r/min,試設計出C的值。內容解析:采用電樞串電阻調速：R=(U- P/ I)/ I=1.14在額定狀態下運行時E= UR I =(1801.14×36)V=139VC=E/ n=139/1450=0.096C=60 C/2=60×0.096/(2×3.14)=0.878T=60 P /(2

23、n)=60×5000/(2×3.14×1450) N. m =32.95 N. m由于通風機負載的轉矩與轉速的平方成正比，故n=1100r/min時的轉矩為T=(n/ n) T =(1100/1450)×32.95 N. m =18.97 N. mn= U / C=180/0.096 r/min=1956 r/min= n-n=1956-1100=856 r/min由于 =（R+R）T/C C由此求得R= C C/T- R=856×0.096×0.878/18.97-1.14=2.66采用電樞電壓調速由上題可知：R=1.14C=0.096 C=0.878T=32.95 N.