直流電動機調(diào)速課程設計

1、<p>　　電機與拖動課程設計報告</p><p>　　（2014—2015學年 第二學期）</p><p>　　題 目 直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設計</p><p>　　系 別 信息與控制系 </p><p>　　專 業(yè) 電氣工程及其自動化 </p>&l

2、t;p><b>　　目 錄</b></p><p>　　第一章 直流電動機- 1 -</p><p>　　第二章 直流電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理- 2 -</p><p>　　2.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)- 2 -</p><p>　　2.2 直流電動機的工作原理- 3 -</p><p>

3、;　　第三章 他勵直流電動機的調(diào)速- 4 -</p><p>　　3.1電機調(diào)速指標- 4 -</p><p>　　3.2 電樞串電阻調(diào)速- 6 -</p><p>　　3.3改變電樞電源電壓調(diào)速- 7 -</p><p>　　3.4弱磁調(diào)速- 8 -</p><p>　　第四章 課程設計內(nèi)容- 9 -&l

4、t;/p><p>　　4.1 采用電樞串電阻調(diào)速- 9 -</p><p>　　4.2 采用電樞電壓調(diào)速- 10 -</p><p>　　4.3 采用改變勵磁電流調(diào)速- 10 -</p><p><b>　　結(jié)論- 11 -</b></p><p>　　設計體會- 12 -</p>

5、;<p>　　參考文獻- 13 - </p><p><b>　　第一章 直流電動機</b></p><p>　　直流電動機（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能（直流電動機）或?qū)C械能轉(zhuǎn)換成直流電能（直流發(fā)電機）的旋轉(zhuǎn)電機

6、（圖1-1）。直流電機的結(jié)構(gòu)應由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分組成。直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場，由機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉(zhuǎn)動的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、電樞繞組、換向器和風扇等組成。它與交流電動機（如三相異步電動機）相比，雖然因結(jié)構(gòu)比較復雜、生產(chǎn)成本較高、故障較多等，目前已不如交流電動機

7、應用普遍，但由于它具有優(yōu)良的調(diào)速性能和較大的啟動轉(zhuǎn)矩，得到廣泛應用。本節(jié)僅就直流電動機的結(jié)構(gòu)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(diào)速做一簡單介紹。</p><p>　　1-1直流電動機 圖1-2 abcd線框 A.B. 電刷 E.F.換向器 </p><p>　　圖1-2為直流電動機的結(jié)構(gòu)原

8、理圖，圖中的N和S是一對固定不動的磁極，用以產(chǎn)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(chǎn)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(zhuǎn)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(nèi)，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(zhuǎn)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(chǎn)生方向始終

9、如一的電磁轉(zhuǎn)矩，外部電路中的直流電流必須改變成電機內(nèi)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器。</p><p>　　第二章 直流電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p>　　2.1 直流電動機的結(jié)構(gòu)</p><p>　　直流電動機主要由磁極、電樞、換向器三部分組成。</p><p><

10、;b>　?。?）磁極</b></p><p>　　磁極是電動機中產(chǎn)生磁場的裝置，如圖2-1所示。它分成極心1和極掌2兩部分。極心上放置勵磁繞組3，極掌的作用是使電動機空氣隙中磁感應強度的分布最為合適，并用來擋住勵磁繞組；磁極是用鋼片疊成的，固定在機座4（即電機外殼）上，機座也是磁路的一部分。機座常用鑄鋼制成。</p><p>　　圖2-1 直流電動機的磁極及磁路</

11、p><p>　　1-極心 2-極掌 3-勵磁繞組 4-機座</p><p><b>　?。?）電樞</b></p><p>　　電樞是電動機中產(chǎn)生感應電動勢的部分。直流電動機的電樞是旋轉(zhuǎn)的，電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片組成，一般電樞鐵心采用由0.5mm厚的硅鋼片沖制而成的沖片疊壓而成，以降低電機運行時電樞鐵心中產(chǎn)生的渦流損耗和磁滯損耗。疊成

12、的鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。鐵心的外圓開有電樞槽，槽內(nèi)嵌放電樞繞組，電樞繞組的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，是直流電機進行能量變換的關(guān)鍵部件，所以叫電樞。</p><p>　?。?）換向器（整流子）</p><p>　　換向器是直流電動機的一種特殊裝置，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(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)結(jié)。換向器是直

13、流電動機的結(jié)構(gòu)特征，易于識別。 </p><p>　　2.2 直流電動機的工作原理</p><p>　　圖2-2 直流電動機原理圖 </p><p>　　圖2-2是直流電動機的示意圖。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5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a→b，c→d。由安培定律可知

14、，ab邊和cd邊所受的電磁力為：</p><p><b>　　F=BIL</b></p><p>　　式中，I為導線中的電流，單位為安（A）。根據(jù)左手定則知，兩個F的方向相反，如圖5所示，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使線圈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當線圈轉(zhuǎn)過180°時，cd邊處于N極下，ab邊處于S極上。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?yōu)閐→c、b→a，這就

15、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(zhuǎn)矩方向都不變。</p><p>　　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。他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，如圖2-3所示。他勵電動機由于采用單獨的勵

16、磁電源，設備較復雜。但這種電動機調(diào)速范圍很寬，多用于主機拖動中。</p><p>　　圖2-3 他勵電動機</p><p>　　第三章 他勵直流電動機的調(diào)速</p><p>　　為了提高勞動生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求生產(chǎn)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(chǎn)的需要，這種人為改變速度的方法稱為調(diào)速

17、。</p><p>　　可以用機械的方法或電氣的方法實現(xiàn)調(diào)速。這里只分析電氣調(diào)速方法及其性能特點。電氣調(diào)速是人為的改變電氣參數(shù)，有意識地使電動機工作點由一條機械特性曲線轉(zhuǎn)換到另一條機械特性曲線上，為了生產(chǎn)需要而對電動機轉(zhuǎn)速進行的一種控制，它與電機在負載或電壓隨機波動時而引起的轉(zhuǎn)速擾動變化是兩個不同的概念。</p><p>　　根據(jù)直流電動機調(diào)速公式n=</p><p&g

18、t;　　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ф三個參數(shù)中，任意改變一個，都能引起轉(zhuǎn)速的變化。因此，他勵直流電動機可以有三種調(diào)速方法。</p><p><b>　　3.1電機調(diào)速指標</b></p><p><b>　?。?）調(diào)速范圍</b></p><p>　　調(diào)速范圍是只指電

19、動機在額定負載下調(diào)素時，其最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，用D表示，即</p><p><b>　　D=</b></p><p>　　不同的生產(chǎn)機械對對調(diào)速范圍的要求不同，如車床D=20~100，龍門刨床D=10~40，扎鋼機D=1.20~3等。</p><p>　　電動機最高轉(zhuǎn)速nmax受電動機的換向及機械強度限制，最低轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定（即靜差率）要求的

20、限制。</p><p>　　（2）靜差率（調(diào)速的相對穩(wěn)定性）</p><p>　　靜差率或轉(zhuǎn)速變化率是指電動機在一條機械特性上額定負載時的轉(zhuǎn)速降落△n與該機械特性的理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，用*表示，即</p><p><b>　　σ==</b></p><p>　　式中，n為額定負載轉(zhuǎn)矩Tem=TL時的轉(zhuǎn)速</p&g

21、t;<p>　　從上式可以看出，在△n相同時，機械特性越“硬”，額定負載時轉(zhuǎn)速降越小，靜差率σ越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好，負載波動時，轉(zhuǎn)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(guān)外，還與理想空載轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速將相同，但其靜差率卻不同。為了保證轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性，常要求靜差率應不大于某一允許值（允許值）。 </p>

22、<p>　　調(diào)速范圍D與靜差率σ兩項性能指標是相互制約的，當采用同一種方法調(diào)速時，靜差率要求較低時，則可以得到較低的調(diào)速范圍；反之，靜差率要求較高時，則調(diào)速范圍小。如果靜差率要求一定時，采用不同的調(diào)速方法，其調(diào)速范圍不同，如果改變電樞電壓調(diào)速比電樞串電阻調(diào)速的調(diào)速范圍大。調(diào)速范圍與靜差率是相互制約的，因此需要調(diào)速生產(chǎn)機械，必須同時給出靜差率與調(diào)速范圍這兩項指標，以便選擇適當?shù)恼{(diào)速方法。</p><p&g

23、t;<b>　?。?）調(diào)速的平滑性</b></p><p>　　調(diào)速的平滑性是指相鄰兩級轉(zhuǎn)速的接近程度，用平滑系數(shù)ψ表示，即</p><p><b>　　Ψ=</b></p><p>　　平滑系數(shù)Ψ越接近1，說明調(diào)速的平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，其級數(shù)趨于無窮多，稱為無級調(diào)速，Ψ=1，其平滑性最好；調(diào)速不連續(xù)，級數(shù)有限，

24、稱為有級調(diào)速。</p><p><b>　　（4）調(diào)速的經(jīng)濟性</b></p><p>　　經(jīng)濟性包含兩方面的內(nèi)容，一是指調(diào)速所需的設備和調(diào)速過程中的能量損耗，另一方面是指電動機調(diào)速時能否得到充分的利用。一臺電動機當采用不同的調(diào)速方法時，電動機容許輸出的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律是不同的，但電動機實際輸出的功率和轉(zhuǎn)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

25、轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化的規(guī)律也是不同的，因此在選擇調(diào)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</p><p>　　3.2 電樞串電阻調(diào)速</p><p>　　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(zhuǎn)速，如圖3-3所示，圖中的負載為恒轉(zhuǎn)矩負載。</p><p>　　從圖3-3可

26、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(wěn)定運行轉(zhuǎn)速降低。</p><p>　　圖3-3 電樞串電阻調(diào)速機械特性</p><p>　　如圖3-3中傳入的電阻>,交點的轉(zhuǎn)速低于交點的轉(zhuǎn)速，它們都比原來沒有外串電阻的交點A的轉(zhuǎn)速n低。</p><p>　　電樞回路串電阻調(diào)速方法的優(yōu)點是設備簡單，調(diào)節(jié)

27、方便，缺點是調(diào)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(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速變化，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，而且調(diào)速效率較低</p><p>　　3.3改變電樞電源電壓調(diào)速</p><p>　　他勵直流電動機的電樞回路不串接電阻，由一可調(diào)節(jié)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，一般包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

28、不同的轉(zhuǎn)速上如圖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(zhuǎn)速為n；電壓降到后，交點為,轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點為，轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點為，轉(zhuǎn)速為；電樞電源電壓越低，轉(zhuǎn)速也越低。同樣，改變點數(shù)電源電壓調(diào)速方法的范圍也只能在額定轉(zhuǎn)速與零轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。</p><p><b>　　圖3-4</b></p><p>　　改變電樞電源電壓調(diào)速時

29、，電動機機械特性的“硬度”不變，因此，集市電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)速隨附在變動而變化的幅度較小，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。當電樞電源電壓連續(xù)調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速變化也是連續(xù)的，所以這種調(diào)速稱為無級調(diào)速。</p><p>　　圖3-5 弱礠調(diào)速機械特性</p><p><b>　　3.4弱磁調(diào)速</b></p><p>　　勵直流電機電樞電流電壓不變，電樞回路也不串

30、接電阻，在電動機拖動負載轉(zhuǎn)矩不很大（小于額定轉(zhuǎn)矩）時，減少直流電動機的勵磁磁通，可使電動機的轉(zhuǎn)速提高。他勵直流電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載時弱磁調(diào)速，如圖3-5所示。</p><p>　　從圖3-5中可以看出，當勵磁磁通為額定值ΦN時，電動機和負載的機械特性的交點為A,轉(zhuǎn)速為n:勵磁磁通減少為Φ2時，理想空載轉(zhuǎn)速增大，同時機械特性斜率也變大，交點為A1,轉(zhuǎn)速為n1;勵磁電流減少為Φ1，交點為A2，轉(zhuǎn)速為n2。弱磁調(diào)速的范圍

31、是在額定轉(zhuǎn)速與電動機的所允許最高轉(zhuǎn)速之間進行調(diào)節(jié)，至于電動機所允許最高轉(zhuǎn)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(diào)速電動機，可達3 nN 或更高。</p><p>　　弱磁調(diào)速的優(yōu)點是設備簡單，調(diào)節(jié)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(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，可能會使電樞電流過大。</p><p>　　在實際的電力拖動系統(tǒng)

32、中可以將幾種調(diào)速方法結(jié)合起來，這樣，可以得到較寬的調(diào)速范圍，電動機可以在調(diào)速范圍之內(nèi)任何轉(zhuǎn)速上運行，而且調(diào)速時的損耗較小，運行效率較高，能很好的滿足各種生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求。</p><p>　　第四章 課程設計內(nèi)容</p><p>　　他勵直流電動機，參數(shù)如下：</p><p><b>　　PN=4KW</b></p><

33、p><b>　　UaN=170V</b></p><p><b>　　IaN=34.4A</b></p><p>　　nN=1450r/min</p><p><b>　　RL=0.076Ω</b></p><p>　　1. 用其拖動通風機負載運行，若采用電樞串電阻調(diào)速時

34、，要使轉(zhuǎn)速降至200r/min，試設計電樞電路中的調(diào)速電阻。</p><p>　　2. 用其拖動恒轉(zhuǎn)矩負載運行，負載轉(zhuǎn)矩等于電動機的額定轉(zhuǎn)矩，采用改變電樞電壓調(diào)速時，要使轉(zhuǎn)速降至1000r/min，試設計電樞電壓值。</p><p>　　3. 用其拖動恒功率負載運行，采用改變勵磁電流調(diào)速，要使轉(zhuǎn)速增至1800r/min，試設計CeΦ的值。 </p><p>　　4.

35、1 采用電樞串電阻調(diào)速</p><p><b>　　電動機的電樞電阻</b></p><p>　　Ra=（UaN - PN IaN）/ IaN =（170-4000/34.4）/34.4Ω=1.56Ω</p><p><b>　　在額定狀態(tài)運行時</b></p><p>　　E= UaN -Ra I

36、aN =(170-1.56×34.4)V=116.34V</p><p>　　CeΦ=E/ nN =116.34/1450=0.0802</p><p>　　CTΦ=60CeΦ/2=60/(2×3.14)×0.0802=0.766</p><p>　　TN=60 PN /2nN =60/(2×3.14)×4000/1

37、450N.m=26.36N. m</p><p>　　由于通風機負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成反比，故n=1200r/min時的轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　T=(n/ nN)2TN=(1200/1450) 2×26.36N.m=18.05N.m</p><p>　　n0= UaN / CeΦ=160/0.0802r/min=1995r/min</p>

38、<p>　　n= n0-n=（1995-1450）r/min =545r/min</p><p><b>　　由于</b></p><p>　　n=( Ra +Rr)T/ CT CeΦ2</p><p><b>　　由此求得</b></p><p>　　Rr=n CT CeΦ2/T-

39、Ra =(545×0.0802×0.766/18.05-1.56)Ω=0.295Ω</p><p>　　4.2 采用電樞電壓調(diào)速</p><p><b>　　由上題求得：</b></p><p><b>　　Ra=1.56Ω</b></p><p>　　CeΦ=0.0802<

40、;/p><p><b>　　CTΦ=0.766</b></p><p>　　TN =26.36N.m</p><p><b>　　電樞電壓減小后</b></p><p>　　n=Ra TN / CT CeΦ2=1.56×26.36/(0.0802×0.766)r/min=669.37

41、r/min</p><p>　　n0=n+n=(1000+669.37)r/min=1669.37r/min</p><p><b>　　由此求得</b></p><p>　　Ua= CeΦn0=0.0802×1669.37V=133.9V</p><p>　　4.3 采用改變勵磁電流調(diào)速</p>

42、<p><b>　　由上求得 </b></p><p><b>　　Ra=1.56Ω</b></p><p>　　TN =26.36N.m</p><p>　　由于恒功率負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，故忽略空載轉(zhuǎn)矩時，調(diào)速后的電磁轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　T= nN TN /n=1450

43、×26.36/1800N.m=21.23N.m</p><p>　　1800=160/ CeΦ-1.27×21.23/ CT CeΦ2</p><p><b>　　得</b></p><p>　　CeΦ=0.0647或0.0242</p><p><b>　　結(jié)論</b><

44、/p><p>　　通過以上的課程設計，我了解了關(guān)于他勵直流電動機的調(diào)速的內(nèi)容，我們可知實現(xiàn)調(diào)速可以有三種不同的方法：改變電樞電阻調(diào)速、改變電樞電壓調(diào)速、改變勵磁電流調(diào)速。具體采用哪種方法要根據(jù)具體需要和各方面實際條件來決定，比如平滑性、穩(wěn)定性。經(jīng)濟性等。</p><p>　　三種調(diào)速方法各有優(yōu)缺點，改變電樞電阻調(diào)速的缺點較多，所以只適用于調(diào)速范圍不大，調(diào)速時間不長的小容量電動機中；改變電樞電壓

45、調(diào)速是一種性能優(yōu)越的調(diào)速方法，被廣泛應用于對調(diào)速性能要求較高的電力拖動系統(tǒng)中；改變勵磁電流調(diào)速通常與改變電樞電壓同時應用于對調(diào)速要求很高的電力拖動系統(tǒng)中，來擴大調(diào)速范圍和實現(xiàn)雙向調(diào)速。</p><p>　　通過這個設計我跟深入的了解了他勵直流電動機的調(diào)速方法，使我對電動機的運行原理及過程有了新的認識，讓我知道了做學問需要嚴緊的思維，和認真的態(tài)度，所以，這次做課程設計的整體過程讓我感受頗深，希望自已在以后的生活中能

46、夠?qū)W習的知識與社會實踐想結(jié)合，達到最大的利用程度。</p><p><b>　　設計體會</b></p><p>　　這次課程設計需要感謝顧波老師的悉心指導，通過每章的展示，讓我們能更快更好的了解直流電動機，通過上課，在計算機教室的的上課過程中，我們有在課程設計中不明白的，老師會非常耐心的的指導，而且在過程中老師通過簡易平實的語言讓我能夠完全能夠理解老師的意思，從課

47、程設計的開始到最后，老師很負責任，非常感謝老師。</p><p>　　在課程設計過程中，我還要感謝我們同組的同學，他們也為我的課程設計提供了很大的幫助，特別是資料和解決設計問題，共同閱讀相關(guān)資料，有小問題大家共同討論解決，通過大家的積極努力很快的完成了本此課程設計，在這個過程中我們有過小分歧，在這里謝謝大家的諒解，感謝大家的幫助！</p><p><b>　　參考文獻</b

48、></p><p>　　1.唐介. 電機與拖動. 北京：高等教育出版社. 2003.7</p><p>　　2.唐介. 控制微電機. 北京：高等教育出版社. 1987.4</p><p>　　3.王毓東. 電機學. 杭州浙江大學出版社. 1990</p><p>　　4.楊長能. 電機學. 重慶：重慶大學出版社. 1994</p&