1、 JIU JIANG UNIVERSITY 電機拖動課程設計 題 目 他勵直流電動機的調速系統設計 英文題目 The design of separately excited DC motor speed control system 院 系 電子工程學院 專 業 軌道交通信號與控制 姓 名 鄒文靜 班級學號 A1341 05 指導老師 王萍 l二零一六年十月摘 要直流電動機具有良好的啟動、制動和調速性能；能夠快速起、制動，正、反轉；能在十分寬廣的范圍內平滑而經濟的調節速度，因此在一些要求較高的電力拖動系統中，得到了廣泛的應用。在一些機床、電氣牽引機車和起重設備中，都采用了直流電動機拖動。在生

2、產實踐中，有許多生產的機械根據工藝要求需要調節轉速，改變生產機械的轉速可以采用該變傳動機構的速比實現，這種方法稱為機械調速，在生產中應用較多的是電氣調速，即認為改變電動機的參數，從而得到不同的參數。他勵直流電動機具有優良的調速性能，它能在很寬的范圍內實現平滑的無極調速，本文主要介紹了他勵直流電動機的調速原理，包含了電樞串電阻、降低電壓電源和弱磁調速，主要用到的是降低電壓與弱磁結合的方式。關鍵詞：他勵直流電動機；調速；轉速；- I -目 錄摘 要II第一章 直流電機4第二章 直流電動機的結構與工作原理52.1直流電機的基本結構52.2 他勵直流電動機的工作原理6第三章 他勵直流電動機的調速73.

3、1調速指標83.2 電樞串電阻調速103.3改變電樞電源電壓調速113.4弱磁調速12第四章 課程設計內容13總結15心得體會16參考文獻17- III -第一章 直流電機直流電機是是生產和使用直流電能的機電能量轉換機械。將機械能轉換為直流電能的，稱為直流發電機；將電能轉換為機械能的。成為直流電動機。它與交流電動機（如三相異步電動機）相比，雖然因結構比較復雜、生產成本較高、故障較多等，目前已不如交流電動機應用普遍，但由于它具有優良的調速性能和較大的啟動轉矩，得到廣泛應用。本節僅就直流電動機的結構與工作原理、直流電動機的分類及在印刷設備中的應用、直流電動機的啟動與調速做一簡單介紹。下圖為直流電動

4、機的結構原理圖，圖中的N和S是一對固定不動的磁極，用以產生所需要的磁場。容量較大一些的電機，磁場都是由直流勵磁電流通過繞在磁極鐵心上的勵磁繞組產生。為了清晰，圖中只畫出了磁極的鐵心，沒有畫出勵磁繞組。在N極和S極之間有一個可以繞軸旋轉的繞組。直流電機這部分稱為電樞，而實際電機的電樞繞組嵌在鐵心槽內，電樞繞組的電流稱為電樞電流。 線圈兩端分別與兩個彼此絕緣而且與線圈同軸旋轉的銅片連接，銅片上有各壓著一個固定不動的電刷。 在直流電動機中，為了產生方向始終如一的電磁轉矩，外部電路中的直流電流必須改變成電機內部的交流電流，這一過程稱為電流的換向。換向的銅片稱為換向片。互相絕緣的換向片組合的總體稱為換向

5、器。圖1.1 直流電動機的結構原理第二章 直流電動機的結構與工作原理2.1直流電機的基本結構 直流電機由靜止的定子和旋轉的轉子兩大部分組成。定，轉子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產生磁場和對電機的機械支撐，主要由主磁極、換向極、機座、端蓋、電刷裝置等部件組成。轉子的作用是產生感應電動勢或電磁轉矩，主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉軸和風扇等部件組成的。（1） 定子部分 1.主磁極 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。主磁極由主極鐵芯和勵磁線圈組成，主極鐵芯由11.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，然后疊壓用鉚釘鉚在一起，上面套上事先繞制好的勵磁

6、線圈，整個磁極用螺釘固定在機座內表面上。 2.換向極 換向極是用來改善直流機的換向性能。換向極是由換向極鐵芯和套在鐵芯上的換向極繞組組成。 3.機座 機座一方面用來固定主磁極，換向極和端蓋等部件，并借助于低腳將電機固定在基礎上，起機械支撐作用；另一方面它還是電機主磁路的一部分，叫定子磁軛，導磁作用，機座一般用導磁性能較好的鑄鋼或厚鋼片焊接而成。 4.電刷裝置 電刷裝置是使固定的電刷與旋轉的轉換器保持滑動接觸，將電樞電路與外電路接通，使電流經電刷輸入電樞或從電樞輸出。（2） 轉子部分 1. 電樞鐵芯 電樞鐵芯的作用是用來嵌放電樞繞組和通過主磁通。 2. 電樞繞組 電樞繞組的作用是產生感應電勢和通

7、過電流，實現機電能轉換。 3. 換向器換向器的作用是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。2.2 他勵直流電動機的工作原理圖2.1 他勵直流電動機的工作原理若在A、B之間外加一個直流電壓，A接電源正極，B接負極，則線圈中有電流流過。當線圈處于圖2.1所示位置時，有效邊ab在N極下，cd在s極上，兩邊中的電流方向為ab，cd。由安培定律可知，ab邊和cd邊所受的電磁力為：F=BIL式中，I為導線中的電流，單位為安（A）。根據左手定則知，兩個F的方向相反，形成電磁轉矩，驅使線圈逆時針方向旋轉。當線圈轉過180°時，cd邊處于N極下，ab邊處于S極上。

8、由于換向器的作用，使兩有效邊中電流的方向與原來相反，變為dc、ba，這就使得兩極面下的有效邊中電流的方向保持不變，因而其受力方向、電磁轉矩方向都不變。由此可見，正是由于直流電動機采用了換向器結構，使電樞線圈中受到的電磁轉矩保持不變，在這個電磁轉矩作用下使電樞按逆時針方向旋轉。這時電動機可作為原動機帶動生產機械旋轉，即由電動機向機械負載輸出機械功率。在直流電動機中，除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場。電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電源單獨供電，也可以由一個公共電源供電。按勵磁方式的不同，直流電動機可以分為他勵、并勵、串勵和復勵等形式。由于勵磁方式不同，它們的特

9、性也不用。 他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源，設備較復雜。但這種電動機調速范圍很寬，多用于主機拖動中。 圖2.2 他勵電動機第三章 他勵直流電動機的調速為了提高勞動生產率和保證產品質量，要求生產機械在不同情況下有不同的工作速度，如扎鋼機在扎制不同的品種和不同厚度的鋼材時，就必須有不同的工作速度以保證生產的需要，這種人為改變速度的方法稱為調速。可以用機械的方法或電氣的方法實現調速。這里只分析電氣調速方法及其性能特點。電氣調速是人為的改變電氣參數，有意識地使電動機工作點由一條機械特性曲線轉換到另一條機械特性曲線上，為了生產需要而對電動機轉速進行的一

10、種控制，它與電機在負載或電壓隨機波動時而引起的轉速擾動變化是兩個不同的概念。根據直流電動機調速公式n=可見，當電樞電流不變時（即負載不變），只要在電樞電壓U、電樞電路附加電阻和每極磁通三個參數中，任意改變一個，都能引起轉速的變化。因此，他勵直流電動機可以有三種調速方法。為了評價各種調速方法的優缺點，對對調速方法提出了一定的技術經濟指標，通常稱為調速指標。下面對調速指標做一簡要說明。3.1調速指標（1）調速范圍調速范圍是只指電動機在額定負載下調素時，其最高轉速與最低轉速之比，用D表示，即D=不同的生產機械對對調速范圍的要求不同，如車床D=20100，龍門刨床D=1040，扎鋼機D=1.203等。

11、電動機最高轉速nmax受電動機的換向及機械強度限制，最低轉速相對穩定（即靜差率）要求的限制。（2）靜差率（調速的相對穩定性）靜差率或轉速變化率是指電動機在一條機械特性上額定負載時的轉速降落n與該機械特性的理想空載轉速n0之比，用*表示，即=式中，n為額定負載轉矩Tem=TL時的轉速圖3.1從上式可以看出，在n相同時，機械特性越“硬”，額定負載時轉速降越小，靜差率越小，轉速的相對穩定性越好，負載波動時，轉速變化也越小。圖3-1中機械特性1比機械特性2“硬”。靜差率除了與機械特性硬度有關外，還與理想空載轉速n0成反比。對于同樣“硬度”的特性，如圖3.2中特性1和特性3，雖然轉速將相同，但其靜差率卻

12、不同。為了保證轉速的相對穩定性，常要求靜差率應不大于某一允許值（允許值）。 圖3.2調速范圍D與靜差率兩項性能指標是相互制約的，當采用同一種方法調速時，靜差率要求較低時，則可以得到較低的調速范圍；反之，靜差率要求較高時，則調速范圍小。如果靜差率要求一定時，采用不同的調速方法，其調速范圍不同，如果改變電樞電壓調速比電樞串電阻調速的調速范圍大。調速范圍與靜差率是相互制約的，因此需要調速生產機械，必須同時給出靜差率與調速范圍這兩項指標，以便選擇適當的調速方法。（3）調速的平滑性調速的平滑性是指相鄰兩級轉速的接近程度，用平滑系數表示，即 =平滑系數越接近1，說明調速的平滑性越好。如果轉速連續可調，其級

13、數趨于無窮多，稱為無級調速，=1，其平滑性最好；調速不連續，級數有限，稱為有級調速。（4）調速的經濟性經濟性包含兩方面的內容，一是指調速所需的設備和調速過程中的能量損耗，另一方面是指電動機調速時能否得到充分的利用。一臺電動機當采用不同的調速方法時，電動機容許輸出的功率和轉矩隨轉速變化的規律是不同的，但電動機實際輸出的功率和轉矩是有負載需要所決定的，而不同的負載，其所需要的功率和轉矩隨轉速的變化的規律也是不同的，因此在選擇調速方法時，既要滿足伏在要求，又要盡可能是電動機得到充分利用。經分析可知，電樞回路串電阻調速以及降低電樞電壓調速適用于恒轉矩負載的調速，而若此調速適用于恒功率負載的調速。3.2

14、 電樞串電阻調速他勵直流電動機拖動負載運行時，保持電源電壓及勵磁電流為額定值不變，在電樞回路中串入不同阻值的電阻，電動機將運行于不同的轉速，如圖33所示，圖中的負載為恒轉矩負載。從圖3.3可以看到，當電樞回路串入電阻R時，電動機的機械特性的斜率將增大，電動機和負載的機械特性的交點將下移，即電動機穩定運行轉速降低。圖3.3 電樞串電阻調速機械特性如圖3.3中傳入的電阻>,交點的轉速低于交點的轉速，它們都比原來沒有外串電阻的交點A的轉速n低。電樞回路串電阻調速方法的優點是設備簡單，調節方便，缺點是調速范圍小，電樞回路串入電阻后電動機的機械特性變“軟”，使負載變動時電動機產生較大的轉速變化，即

15、轉速穩定性差，而且調速效率較低。3.3改變電樞電源電壓調速圖3.4他勵直流電動機的電樞回路不串接電阻，由一可調節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，一般保持勵磁磁通為額定值。電樞電壓不同時，電動機拖動負載將運行于不同的轉速上。從圖3.4中可以看出，當電樞電源電壓為額定值時，電動機和負載的機械特性的交點為A，轉速為n；電壓降到后，交點為,轉速為；電壓為，交點為，轉速為；電壓為，交點為，轉速為；電樞電源電壓越低，轉速也越低。同樣，改變點數電源電壓調速方法的范圍也只能在額定轉速與零轉速之間調節。 改變電樞電源電壓調速時，電動機機械特性的“硬度”不變，因此，集市電動

16、機在低速運行時，轉速隨附在變動而變化的幅度較小，即轉速穩定性好。當電樞電源電壓連續調節時，轉速變化也是連續的，所以這種調速稱為無級調速。改變電樞電源電壓調速方法的優點是調速的平滑性好，即可實現無級調速，調速效率高，轉速穩定性好，缺點是所需的可調電源設備投資較高。這種調速方法在直流電力拖動系統中被廣泛使用。3.4弱磁調速勵直流電機電樞電流電壓不變，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，可使電動機的轉速提高。他勵直流電動機帶恒轉矩負載時弱磁調速，如圖35所示。圖3.5 弱磁調速機械特性 從圖3.5中可以看出，當勵磁磁通為額定值N時，電動機和負

17、載的機械特性的交點為A,轉速為n:勵磁磁通減少為2時，理想空載轉速增大，同時機械特性斜率也變大，交點為A1,轉速為n1;勵磁電流減少為1，交點為A2，轉速為n2。弱磁調速的范圍是在額定轉速與電動機的所允許最高轉速之間進行調節，至于電動機所允許最高轉速值是受換向與機械強度所限制，一般約為1.2m左右，特殊設計的調速電動機，可達3 nN 或更高。 弱磁調速的優點是設備簡單，調節方便，運行效率也較高，適用于恒功率負載，缺點是勵磁過弱時，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。 在實際的電力拖動系統中可以將幾種調速方法結合起來，這樣，可以得到較寬的調速范圍，電動機可以在

18、調速范圍之內任何轉速上運行，而且調速時的損耗較小，運行效率較高，能很好的滿足各種生產機械對調速的要求。第四章 課程設計內容一臺他勵直流電動機，參數如下：PN=29KWUN=440VIN=76AnN=1000r/minRa=0.376采用降低電源電壓及弱磁調速，要求最低理想空載轉速n0min=250r/min，最高理想空載轉速n0max=1500r/min.求T=TN時的最低轉速及此時的靜差率；求調速范圍；解：因為T=TN電動勢，有：空載轉速低速時采用降壓調速：靜差率最低轉速高速時采用弱磁調速，U=UN不變，允許最高轉速時Ia=IN：因為所以轉矩最高轉速調速范圍總結通過以上所討論的關于他勵直流電動機的調速的內容，我們可知實現調速可以有三種不同的方法：改變電樞電阻調速、改變電樞電壓調速、改變勵磁電流調速。具體采用哪種方法要根據具體需要和各方面實際條件來決定，比如平滑性、穩定性。經濟性等。三種調速方法各有優缺點，改變電樞電阻調速的缺點較多，所以只適用于調速范圍不大，調速時間不長的小容量電動機中；改變電樞電壓調速是一種性能優越的調速方法，被廣泛應用于對調速性能要求較高的電力拖動系統中；改變勵磁電流調速通常與改變電樞電壓同時應用于對調速