他励直流电动机的调速系统设计

JIU JIANG UNIVERSITY

电机拖动课程设计

题 目 他励直流电动机的调速系统设计 英文题目 The design of separately excited DC

motor speed control system

院 系 电子工程学院 专 业 轨道交通信号与控制 姓 名 邹文静 班级学号 A1341 05 指导老师 王萍

二零一六年十月

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九江学院电子工程学院

摘 要

直流电动机具有良好的启动、制动和调速性能；能够快速起、制动，正、反转；能在十分宽广的范围内平滑而经济的调节速度，因此在一些要求较高的电力拖动系统中，得到了广泛的应用。在一些机床、电气牵引机车和起重设备中，都采用了直流电动机拖动。在生产实践中，有许多生产的机械根据工艺要求需要调节转速，改变生产机械的转速可以采用该变传动机构的速比实现，这种方法称为机械调速，在生产中应用较多的是电气调速，即认为改变电动机的参数，从而得到不同的参数。

他励直流电动机具有优良的调速性能，它能在很宽的范围内实现平滑的无极调速，本文主要介绍了他励直流电动机的调速原理，包含了电枢串电阻、降低电压电源和弱磁调速，主要用到的是降低电压与弱磁结合的方式。

关键词：他励直流电动机；调速；转速；

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目 录

摘 要 .................................................................................................................................... II 第一章 直流电机 ...................................................................................................................... 4 第二章 直流电动机的结构与工作原理 .................................................................................. 5

2.1直流电机的基本结构 .................................................................................................. 5 2.2 他励直流电动机的工作原理 ..................................................................................... 6 第三章 他励直流电动机的调速 .............................................................................................. 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 参考文献 .................................................................................................................................. 17

- III -

第一章 直流电机

直流电机是是生产和使用直流电能的机电能量转换机械。将机械能转换为直流电能的，称为直流发电机；将电能转换为机械能的。成为直流电动机。它与交流电动机（如三相异步电动机）相比，虽然因结构比较复杂、生产成本较高、故障较多等，目前已不如交流电动机应用普遍，但由于它具有优良的调速性能和较大的启动转矩，得到广泛应用。本节仅就直流电动机的结构与工作原理、直流电动机的分类及在印刷设备中的应用、直流电动机的启动与调速做一简单介绍。

下图为直流电动机的结构原理图，图中的N和S是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。容量较大一些的电机，磁场都是由直流励磁电流通过绕在磁极铁心上的励磁绕组产生。为了清晰，图中只画出了磁极的铁心，没有画出励磁绕组。在N极和S极之间有一个可以绕轴旋转的绕组。直流电机这部分称为电枢，而实际电机的电枢绕组嵌在铁心槽内，电枢绕组的电流称为电枢电流。

线圈两端分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接，铜片上有各压着一个固定不动的电刷。

在直流电动机中，为了产生方向始终如一的电磁转矩，外部电路中的直流电流必须改变成电机内部的交流电流，这一过程称为电流的换向。换向的铜片称为换向片。互相绝缘的换向片组合的总体称为换向器。

图1.1 直流电动机的结构原理

第二章 直流电动机的结构与工作原理

2.1直流电机的基本结构

直流电机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定，转子之间有一定的间隙，称为气隙。定子的作用是产生磁场和对电机的机械支撑，主要由主磁极、换向极、机座、端盖、电刷装置等部件组成。转子的作用是产生感应电动势或电磁转矩，主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等部件组成的。 （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的气隙空间里产生一定形状分布的气隙磁密。主磁极由主极铁芯和励磁线圈组成，主极铁芯由1~1.5mm厚的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的励磁线圈，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的换向性能。换向极是由换向极铁芯和套在铁芯上的换向极绕组组成。 3.机座

机座一方面用来固定主磁极，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；另一方面它还是电机主磁路的一部分，叫定子磁轭，导磁作用，机座一般用导磁性能较好的铸钢或厚钢片焊接而成。 4.电刷装置

电刷装置是使固定的电刷与旋转的转换器保持滑动接触，将电枢电路与外电路接通，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

电枢铁芯的作用是用来嵌放电枢绕组和通过主磁通。 2. 电枢绕组 3. 换向器

换向器的作用是将电枢线圈中的交流变换为电刷间的直流或将电刷间的直流逆变为电枢线圈中的交流。

电枢绕组的作用是产生感应电势和通过电流，实现机电能转换。

2.2 他励直流电动机的工作原理

IN+AaCUdBSIFFb-

图2.1 他励直流电动机的工作原理

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所示位置时，有效边ab在N极下，cd在s极上，两边中的电流方向为a→b，c→d。由安培定律可知，ab边和cd边所受的电磁力为：

F=BIL

式中，I为导线中的电流，单位为安（A）。根据左手定则知，两个F的方向相反，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。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d→c、b→a，这就使得两极面下的有效边中电流的方向保持不变，因而其受力方向、电磁转矩方向都不变。

由此可见，正是由于直流电动机采用了换向器结构，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，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，除了必须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可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励等形式。由于励磁方式不同，它们的特性也不用。

他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，他励电动机由于采用单独的励磁电源，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。

IfUfMU

图2.2 他励电动机

第三章 他励直流电动机的调速

为了提高劳动生产率和保证产品质量，要求生产机械在不同情况下有不同的工作速度，如扎钢机在扎制不同的品种和不同厚度的钢材时，就必须有不同的工作速度以保证生产的需要，这种人为改变速度的方法称为调速。

可以用机械的方法或电气的方法实现调速。这里只分析电气调速方法及其性能特点。电气调速是人为的改变电气参数，有意识地使电动机工作点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲线上，为了生产需要而对电动机转速进行的一种控制，它与电机在负载或电压随机波动时而引起的转速扰动变化是两个不同的概念。

根据直流电动机调速公式n=

U?Ia(Ra?Rpa)

Ce?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，都能引起转速的变化。因此，他励直流电动机可以有三种调速方法。

为了评价各种调速方法的优缺点，对对调速方法提出了一定的技术经济指标，通常称为调速指标。下面对调速指标做一简要说明。

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，其最高转速与最低转速之比，用D表示，即

D=

nmax nmin不同的生产机械对对调速范围的要求不同，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受电动机的换向及机械强度限制，最低转速相对稳定（即静差率）要求的限制。

（2）静差率（调速的相对稳定性）

静差率或转速变化率是指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落△n与该机械特性的理想空载转速n0之比，用*表示，即

?nn0?nσ=n0=n0

式中，n为额定负载转矩Tem=TL时的转速

n0n▲nNn01TN

图3.1

图3-1从上式可以看出，在△n相同时，机械特性越“硬”，额定负载时转速降越小，静差率σ越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速变化也越小。图3-1中机械特性1比机械特性2“硬”。静差率除了与机械特性硬度有关外，还与理想空载转速n0

成反比。对于同样“硬度”的特性，如图3.2中特性1和特性3，虽然转速将相同，但其静差率却不同。为了保证转速的相对稳定性，常要求静差率应不大于某一允许值（允许值）。

nn0nN▲n11▲n2nine2TN图3-23

图3.2

调速范围D与静差率σ两项性能指标是相互制约的，当采用同一种方法调速时，静差率要求较低时，则可以得到较低的调速范围；反之，静差率要求较高时，则调速范围小。如果静差率要求一定时，采用不同的调速方法，其调速范围不同，如果改变电枢电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大。调速范围与静差率是相互制约的，因此需要调速生产机械，必须同时给出静差率与调速范围这两项指标，以便选择适当的调速方法。

（3）调速的平滑性

调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度，用平滑系数ψ表示，即

ni Ψ=ni?1

平滑系数Ψ越接近1，说明调速的平滑性越好。如果转速连续可调，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）调速的经济性

经济性包含两方面的内容，一是指调速所需的设备和调速过程中的能量损耗，另一方面是指电动机调速时能否得到充分的利用。一台电动机当采用不同的调速方法时，电动机容许输出的功率和转矩随转速变化的规律是不同的，但电动机实际输出的功率和转

矩是有负载需要所决定的，而不同的负载，其所需要的功率和转矩随转速的变化的规律也是不同的，因此在选择调速方法时，既要满足伏在要求，又要尽可能是电动机得到充分利用。经分析可知，电枢回路串电阻调速以及降低电枢电压调速适用于恒转矩负载的调速，而若此调速适用于恒功率负载的调速。

3.2 电枢串电阻调速

他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同阻值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图3—3所示，图中的负载为恒转矩负载。

从图3.3可以看到，当电枢回路串入电阻R时，电动机的机械特性的斜率将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。

nn0AnA1n1A2n2RaRa+R1Ra+R20TL图3.3 电枢串电阻调速机械特性

Tem

如图3.3中传入的电阻R2>R1,交点A2的转速n2低于交点A1的转速n1，它们都比原来没有外串电阻的交点A的转速n低。

电枢回路串电阻调速方法的优点是设备简单，调节方便，缺点是调速范围小，电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，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

n0An01n02n03A3A1n1U1A2n2U2n3U3nUN0图3.4

TLTem

他励直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。励磁绕组由另一电源供电，一般保持励磁磁通为额定值。

电枢电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上。从图3.4中可以看出，当电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；电压降到U1后，交点为A1,转速为n1`；电压为U2，交点为A2，转速为n2；电压为U3，交点为

A3，转速为n3；电枢电源电压越低，转速也越低。同样，改变点数电源电压调速方法的范围也只能在额定转速与零转速之间调节。

改变电枢电源电压调速时，电动机机械特性的“硬度”不变，因此，集市电动机在低速运行时，转速随附在变动而变化的幅度较小，即转速稳定性好。当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，所以这种调速称为无级调速。

改变电枢电源电压调速方法的优点是调速的平滑性好，即可实现无级调速，调速效率高，转速稳定性好，缺点是所需的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，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机的转速提高。他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图3—5所示。

nno2no1noФ2<Ф1<ФNA2A1An2Ф2n1nФ1ФNOTLTem

图3.5 弱磁调速机械特性

从图3.5中可以看出，当励磁磁通为额定值ΦN时，电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n:励磁磁通减少为Φ2时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为A1,转速为n1;励磁电流减少为Φ1，交点为A2，转速为n2。弱磁调速的范围是在额定转速与电动机的所允许最高转速之间进行调节，至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制，一般约为1.2m左右，特殊设计的调速电动机，可达3 nN 或更高。 弱磁调速的优点是设备简单，调节方便，运行效率也较高，适用于恒功率负载，缺点是励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。

在实际的电力拖动系统中可以将几种调速方法结合起来，这样，可以得到较宽的调速范围，电动机可以在调速范围之内任何转速上运行，而且调速时的损耗较小，运行效率较高，能很好的满足各种生产机械对调速的要求。

第四章 课程设计内容

一台他励直流电动机，参数如下： PN=29KW UN=440V IN=76A nN=1000r/min Ra=0.376Ω

采用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时的最低转速及此时的静差率； 求调速范围； 解：因为T=TN

电动势Ea?Ce?n，有：

Ce?N?UN?INRa440?76?0.376??0.411 nN1000空载转速n0?低速时采用降压调速：

UN440 ??1070.6rminCe?N0.411?nN?n0?nN?1070.6?1000?70.6r静差率?max?最低转速nminmin

?nNn0?min70.6?0.28250

?n0min??nN?250?70.6?179.4

高速时采用弱磁调速，U=UN不变，允许最高转速时Ia=IN：

因为

Ce?n0 ?Ce?Nn0max

所以Ce??1070.6?0.411?0.2935 1500转矩T?CT?Ia?9.55?Ce?Ia?9.55?0.2935?76?213(N.m)

最高转速nmax?9550?PN29 ?9550??1300rminT213nnmaxmin调速范围D??1300?7.25 179.4

总结

通过以上所讨论的关于他励直流电动机的调速的内容，我们可知实现调速可以有三种不同的方法：改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。具体采用哪种方法要根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，改变电枢电阻调速的缺点较多，所以只适用于调速范围不大，调速时间不长的小容量电动机中；改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法，被广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中；改变励磁电流调速通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力拖动系统中，来扩大调速范围和实现双向调速。

通过这个设计我跟深入的了解了他励直流电动机的调速方法，使我对电动机的运行原理及过程有了新的认识，让我知道了做学问需要严紧的思维，和认真的态度，所以，这次做课程设计的收获是从来没有体验过的，也是我应该好好珍惜的。

心得体会

这次课程设计花了将近一周的时间，在这一周里，我对直流电机调速的理解更深了一步，通过查阅书本，上网找资料，来丰富这次设计。这次课程设计，是以后更深远的学习的一个很好的前奏，我学到了很多，这个课程设计是一个规范的、严格要求的课程设计，也是我们学习必须经历的阶段。这次设计不但对所学知识进行了巩固和加深，还从知识的海洋里发觉了许多以前不曾学懂的内容，对本课知识进行了补充和扩展，而且还增强了我的学习技巧性和把握重点的能力。

这次课程设计也许会又很多不足的地方，希望老师多多批评，我也会在以后的日子里不断学习提高自己的学习能力，使以后的设计会更好，也使自己得到更全面的提高！

参考文献

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[6]刘启新. 电机与拖动基础. 北京：中国电力出版社. 2005 [7]汤蕴. 电机学. 西安：西安交通大学出版社. 1993

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