他励直流电动机的调速系统标准设计.doc

JIU JIANG UNIVERSITY

电机拖动课程设计

题 目 她励直流电动机调速系统设计
英文题目 The design of separately excited DC motor speed control system
院 系 电子工程学院
专 业 轨道交通信号和控制
姓 名 邹文静
班级学号 A1341 05
指导老师 王萍

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二零一六年十月
摘 要

直流电动机含有良好开启、制动和调速性能；能够快速起、制动，正、反转；能在十分宽广范围内平滑而经济调整速度，所以在部分要求较高电力拖动系统中，得到了广泛应用。在部分机床、电气牵引机车和起重设备中，全部采取了直流电动机拖动。在生产实践中，有很多生产机械依据工艺要求需要调整转速，改变生产机械转速能够采取该变传动机构速比实现，这种方法称为机械调速，在生产中应用较多是电气调速，即认为改变电动机参数，从而得到不一样参数。
她励直流电动机含有优良调速性能，它能在很宽范围内实现平滑无极调速，本文关键介绍了她励直流电动机调速原理，包含了电枢串电阻、降低电压电源和弱磁调速，关键用到是降低电压和弱磁结合方法。

关键词：她励直流电动机；调速；转速；

目 录

摘 要 II
第一章 直流电机 4
第二章 直流电动机结构和工作原理 5
2.1直流电机基础结构 5
2.2 她励直流电动机工作原理 6
第三章 她励直流电动机调速 7
3.1调速指标 8
3.2 电枢串电阻调速 10
3.3改变电枢电源电压调速 11
3.4弱磁调速 12
第四章 课程设计内容 13
总结 15
心得体会 16
参考文件 17

第一章 直流电机
直流电机是是生产和使用直流电能机电能量转换机械。将机械能转换为直流电能，称为直流发电机；将电能转换为机械能。成为直流电动机。它和交流电动机（如三相异步电动机）相比，即使因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等，现在已不如交流电动机应用普遍，但因为它含有优良调速性能和较大开启转矩，得到广泛应用。本节仅就直流电动机结构和工作原理、直流电动机分类及在印刷设备中应用、直流电动机开启和调速做一简单介绍。
下图为直流电动机结构原理图，图中N和S是一对固定不动磁极，用以产生所需要磁场。容量较大部分电机，磁场全部是由直流励磁电流经过绕在磁极铁心上励磁绕组产生。为了清楚，图中只画出了磁极铁心，没有画出励磁绕组。在N极和S极之间有一个能够绕轴旋转绕组。直流电机这部分称为电枢，而实际电机电枢绕组嵌在铁心槽内，电枢绕组电流称为电枢电流。
线圈两端分别和两个相互绝缘而且和线圈同轴旋转铜片连接，铜片上有各压着一个固定不动电刷。
在直流电动机中，为了产生方向一直如一电磁转矩，外部电路中直流电流必需改变成电机内部交流电流，这一过程称为电流换向。换向铜片称为换向片。相互绝缘换向片组合总体称为换向器。

图1.1 直流电动机结构原理
第二章 直流电动机结构和工作原理
2.1直流电机基础结构
直流电机由静止定子和旋转转子两大部分组成。定，转子之间有一定间隙，称为气隙。定子作用是产生磁场和对电机机械支撑，关键由主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。转子作用是产生感应电动势或电磁转矩，关键由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部件组成。
（一） 定子部分
1.主磁极
主磁极用来产生气隙磁场并在电枢表面外气隙空间里产生一定形状分布气隙磁密。主磁极由主极铁芯和励磁线圈组成，主极铁芯由1~1.5mm厚低碳钢板冲成一定形状，然后叠压用铆钉铆在一起，上面套上事先绕制好励磁线圈，整个磁极用螺钉固定在机座内表面上。
2.换向极
换向极是用来改善直流机换向性能。换向极是由换向极铁芯和套在铁芯上换向极绕组组成。
3.机座
机座首先用来固定主磁极，换向极和端盖等部件，并借助于低脚将电机固定在基础上，起机械支撑作用；其次它还是电机主磁路一部分，叫定子磁轭，导磁作用，机座通常见导磁性能很好铸钢或厚钢片焊接而成。
4.电刷装置
电刷装置是使固定电刷和旋转转换器保持滑动接触，将电枢电路和外电路接通，使电流经电刷输入电枢或从电枢输出。
（二） 转子部分
1. 电枢铁芯
电枢铁芯作用是用来嵌放电枢绕组和经过主磁通。
2. 电枢绕组
电枢绕组作用是产生感应电势和经过电流，实现机电能转换。
3. 换向器
换向器作用是将电枢线圈中交流变换为电刷间直流或将电刷间直流逆变为电枢线圈中交流。

2.2 她励直流电动机工作原理

图2.1 她励直流电动机工作原理

若在A、B之间外加一个直流电压，A接电源正极，B接负极，则线圈中有电流流过。当线圈处于图2.1所表示位置时，有效边ab在N极下，cd在s极上，两边中电流方向为a→b，c→d。由安培定律可知，ab边和cd边所受电磁力为：
F=BIL

式中，I为导线中电流，单位为安（A）。依据左手定则知，两个F方向相反，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180°时，cd边处于N极下，ab边处于S极上。因为换向器作用，使两有效边中电流方向和原来相反，变为d→c、b→a，这就使得两极面下有效边中电流方向保持不变，所以其受力方向、电磁转矩方向全部不变。
由此可见，正是因为直流电动机采取了换向器结构，使电枢线圈中受到电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转，即由电动机向机械负载输出机械功率。
在直流电动机中，除了必需给电枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组能够用两个电源单独供电，也能够由一个公共电源供电。按励磁方法不一样，直流电动机能够分为她励、并励、串励和复励等形式。因为励磁方法不一样，它们特征也不用。
她励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，她励电动机因为采取单独励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。

图2.2 她励电动机

第三章 她励直流电动机调速
为了提升劳动生产率和确保产品质量，要求生产机械在不一样情况下有不一样工作速度，如扎钢机在扎制不一样品种和不一样厚度钢材时，就必需有不一样工作速度以确保生产需要，这种人为改变速度方法称为调速。
能够用机械方法或电气方法实现调速。这里只分析电气调速方法及其性能特点。电气调速是人为改变电气参数，有意识地使电动机工作点由一条机械特征曲线转换到另一条机械特征曲线上，为了生产需要而对电动机转速进行一个控制，它和电机在负载或电压随机波动时而引发转速扰动改变是两个不一样概念。
依据直流电动机调速公式n=
可见，当电枢电流不变时（即负载不变），只要在电枢电压U、电枢电路附加电阻和每极磁通ф三个参数中，任意改变一个，全部能引发转速改变。所以，她励直流电动机能够有三种调速方法。
为了评价多种调速方法优缺点，对对调速方法提出了一定技术经济指标，通常称为调速指标。下面对调速指标做一简明说明。
3.1调速指标
（1）调速范围
调速范围是只指电动机在额定负载下调素时，其最高转速和最低转速之比，用D表示，即
D=
不一样生产机械对对调速范围要求不一样，如车床D=20~100，龙门刨床D=10~40，扎钢机D=1.20~3等。
电动机最高转速nmax受电动机换向及机械强度限制，最低转速相对稳定（即静差率）要求限制。
（2）静差率（调速相对稳定性）
静差率或转速改变率是指电动机在一条机械特征上额定负载时转速降落△n和该机械特征理想空载转速n0之比，用*表示，即
σ==
式中，n为额定负载转矩Tem=TL时转速

图3.1

从上式能够看出，在△n相同时，机械特征越“硬”，额定负载时转速降越小，静差率σ越小，转速相对稳定性越好，负载波动时，转速改变也越小。图3-1中机械特征1比机械特征2“硬”。静差率除了和机械特征硬度相关外，还和理想空载转速n0成反比。对于一样“硬度”特征，图3.2中特征1和特征3，即使转速将相同，但其静差率却不一样。为了确保转速相对稳定性，常要求静差率应小于某一许可值（许可值）。

图3.2

调速范围D和静差率σ两项性能指标是相互制约，当采取同一个方法调速时，静差率要求较低时，则能够得到较低调速范围；反之，静差率要求较高时，则调速范围小。假如静差率要求一定时，采取不一样调速方法，其调速范围不一样，假如改变电枢电压调速比电枢串电阻调速调速范围大。调速范围和静差率是相互制约，所以需要调速生产机械，必需同时给出静差率和调速范围这两项指标，方便选择合适调速方法。
（3）调速平滑性
调速平滑性是指相邻两级转速靠近程度，用平滑系数ψ表示，即
Ψ=
平滑系数Ψ越靠近1，说明调速平滑性越好。假如转速连续可调，其级数趋于无穷多，称为无级调速，Ψ=1，其平滑性最好；调速不连续，级数有限，称为有级调速。

（4）调速经济性
经济性包含两方面内容，一是指调速所需设备和调速过程中能量损耗，其次是指电动机调速时能否得到充足利用。一台电动机当采取不一样调速方法时，电动机许可输出功率和转矩随转速改变规律是不一样，但电动机实际输出功率和转矩是有负载需要所决定，而不一样负载，其所需要功率和转矩随转速改变规律也是不一样，所以在选择调速方法时，既要满足伏在要求，又要尽可能是电动机得到充足利用。经分析可知，电枢回路串电阻调速和降低电枢电压调速适适用于恒转矩负载调速，而若此调速适适用于恒功率负载调速。

3.2 电枢串电阻调速
她励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不一样阻值电阻，电动机将运行于不一样转速，图3—3所表示，图中负载为恒转矩负载。
从图3.3能够看到，当电枢回路串入电阻R时，电动机机械特征斜率将增大，电动机和负载机械特征交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。

图3.3 电枢串电阻调速机械特征

图3.3中传入电阻>,交点转速低于交点转速，它们全部比原来没有外串电阻交点A转速n低。
电枢回路串电阻调速方法优点是设备简单，调整方便，缺点是调速范围小，电枢回路串入电阻后电动机机械特征变“软”，使负载变动时电动机产生较大转速改变，即转速稳定性差，而且调速效率较低。
3.3改变电枢电源电压调速

图3.4

她励直流电动机电枢回路不串接电阻，由一可调整直流电源向电枢供电，最高电压不应超出额定电压。励磁绕组由另一电源供电，通常保持励磁磁通为额定值。
电枢电压不一样时，电动机拖动负载将运行于不一样转速上。从图3.4中能够看出，当电枢电源电压为额定值时，电动机和负载机械特征交点为A，转速为n；电压降到后，交点为,转速为；电压为，交点为，转速为；电压为，交点为，转速为；电枢电源电压越低，转速也越低。一样，改变点数电源电压调速方法范围也只能在额定转速和零转速之间调整。
改变电枢电源电压调速时，电动机机械特征“硬度”不变，所以，集市电动机在低速运行时，转速随附在变动而改变幅度较小，即转速稳定性好。当电枢电源电压连续调整时，转速改变也是连续，所以这种调速称为无级调速。
改变电枢电源电压调速方法优点是调速平滑性好，即可实现无级调速，调速效率高，转速稳定性好，缺点是所需可调电源设备投资较高。这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛使用。
3.4弱磁调速
励直流电机电枢电流电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，降低直流电动机励磁磁通，可使电动机转速提升。她励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，图3—5所表示。

图3.5 弱磁调速机械特征

从图3.5中能够看出，当励磁磁通为额定值ΦN时，电动机和负载机械特征交点为A,转速为n:励磁磁通降低为Φ2时，理想空载转速增大，同时机械特征斜率也变大，交点为A1,转速为n1;励磁电流降低为Φ1，交点为A2，转速为n2。弱磁调速范围是在额定转速和电动机所许可最高转速之间进行调整，至于电动机所许可最高转速值是受换向和机械强度所限制，通常约为1.2m左右，特殊设计调速电动机，可达3 nN 或更高。
弱磁调速优点是设备简单，调整方便，运行效率也较高，适适用于恒功率负载，缺点是励磁过弱时，机械特征斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。
在实际电力拖动系统中能够将多个调速方法结合起来，这么，能够得到较宽调速范围，电动机能够在调速范围之内任何转速上运行，而且调速时损耗较小，运行效率较高，能很好满足多种生产机械对调速要求。

第四章 课程设计内容
一台她励直流电动机，参数以下：
PN=29KW
UN=440V
IN=76A
nN=1000r/min
Ra=0.376Ω
采取降低电源电压及弱磁调速，要求最低理想空载转速n0min=250r/min，最高理想空载转速n0max=1500r/min.
求T=TN时最低转速及此时静差率；
求调速范围；
解：因为T=TN
电动势，有：

空载转速
低速时采取降压调速：

静差率
最低转速
高速时采取弱磁调速，U=UN不变，许可最高转速时Ia=IN：
因为
所以
转矩
最高转速
调速范围

总结
经过以上所讨论相关她励直流电动机调速内容，我们可知实现调速能够有三种不一样方法：改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。具体采取哪种方法要依据具体需要和各方面实际条件来决定，比如平滑性、稳定性。经济性等。
三种调速方法各有优缺点，改变电枢电阻调速缺点较多，所以只适适用于调速范围不大，调速时间不长小容量电动机中；改变电枢电压调速是一个性能优越调速方法，被广泛应用于对调速性能要求较高电力拖动系统中；改变励磁电流调速通常和改变电枢电压同时应用于对调速要求很高电力拖动系统中，来扩大调速范围和实现双向调速。
经过这个设计我跟深入了解了她励直流电动机调速方法，使我对电动机运行原理及过程有了新认识，让我知道了做学问需要严紧思维，和认真态度，所以，这次做课程设计收获是历来没有体验过，也是我应该好好珍爱。

心得体会
这次课程设计花了快要一周时间，在这一周里，我对直流电机调速了解更深了一步，经过查阅书本，上网找资料，来丰富这次设计。这次课程设计，是以后更深远学习一个很好前奏，我学到了很多，这个课程设计是一个规范、严格要求课程设计，也是我们学习必需经历阶段。这次设计不仅对所学知识进行了巩固和加深，还从知识海洋里发觉了很多以前不曾学懂内容，对本课知识进行了补充和扩展，而且还增强了我学习技巧性和把握关键能力。
这次课程设计可能会又很多不足地方，期望老师多多批评，我也会在以后日子里不停学习提升自己学习能力，使以后设计会愈加好，也使自己得到更全方面提升！

参考文件
[1]李晓竹. 电机和拖动. 徐州：中国矿业大学出版社. .
[2]唐介. 控制微电机. 北京：高等教育出版社. 1987.4
[3]王毓东. 电机学. 杭州浙江大学出版社. 1990
[4]杨长能. 电机学. 重庆：重庆大学出版社. 1994
[5]李发海. 电机学. 北京：科学出版社. 1991
[6]刘启新. 电机和拖动基础. 北京：中国电力出版社.
[7]汤蕴. 电机学. 西安：西安交通大学出版社. 1993