他励直流电动机地调速

摘要

随着工业的不断发展，电动机的需求会越来越大，电动机的应用越来越广泛，电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业、家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台，而且能提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大幅度的提高，摆脱了人力劳作的模式。而电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中电动机调速方法的应用过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向，为工业生产提供理论依据和实践指导。

关键词：他励直流电动机；调速；机械特性

目录

1 引言 (1)

2 直流电动机 (1)

2.1 直流电动机的介绍 (1)

2.2 直流电动机的分类 (1)

3 他励直流电动机 (2)

3.1 他励直流电动机的基本工作原理 (2)

3.2 他励直流电动机的机械特性 (3)

4 他励直流电动机的调速 (5)

4.1 调速的基本概念 (5)

4.2 调速的指标 (5)

4.3 调速的方式 (7)

4.3.1 电枢串电阻调速 (7)

4.3.2 改变电枢电源电压调速 (7)

4.3.3改变励磁电流调速 (8)

5实例分析 (9)

6结论 (11)

参考文献 (12)

致谢 (13)

1 引言

现代工业中，有大量的生产机械，要求能改变工作速度。例如金属切削机床，由于加工工件的材料和精度要求不同，速度也就不同。又如轧钢机，当轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须采用不同的最佳速度。所谓调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。所以直流电动机的调速在生产工作中起着至关重要的作用。

2 直流电动机

2.1 直流电动机的介绍

直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电动机以其结构复杂、价格较贵、体积较大、维护较难而使得其应用受到了影响。随着交流电动机变频调速系统的发展，在不少应用领域中已为交流电动所取代。但是直流电动机又以起动转矩大、转速性能好、自动控制方便而著称，因此，在工业等应用领域中仍占有一席之地。在四种直流电动机中，他励直流电动机应用最广泛。

2.2 直流电动机的分类

根据直流电动机的励磁方式，可以将其分为以下几种类型。

1、他励直流电动机

励磁绕组与电枢绕组采用两个电源供电，各有了各的电源开关，没有直接的电源联系，如图2-1（a）所示，电枢电流Ia由电枢端电压U决定，而励磁电流I f由励磁绕组端电压U1决定。

2、并励直流电动机

励磁绕组和电枢绕组并联，采用同一个电源U供电，由一个开关控制，如图2-1（b）所示。其特点是励磁绕组的电压即为电枢电压，电源电流为电枢电流Ia与励磁电流I f之和。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为电枢电流的5%；为保证足够的磁通，励磁绕组一般导线较细，匝数多，电阻大。

3、串励直流电动机

励磁绕组与电枢绕组串联之后，外接一个直流电源，由一个开关控制，如图2-1（c）所示。其特点是励磁电流I f与电枢电流Ia相同，这个电流一般较大，所以串励直流电动机的励磁绕组导线较粗，匝数少，电阻小。

4、复励直流电动机

这种电动机中既有串励又有并励，一部分励磁绕组与电枢绕组串联，另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，如图2-1（d）所示。其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共

同产生。

(a) 他励直流电动机；(b ) 并励直流电动机； (c ) 串励直流电动机；(d ) 复励直流电动机

图2-1 直流电动机的励磁方式图

3 他励直流电动机

3.1 他励直流电动机的基本工作原理

直流电动机与交流电动机原理大致相似，也是基于电磁感应的原理，使得转轴受到一个力的作用旋转起来。

如图3-1所示，N 、 S 为一对主磁极，通过直流电源励磁产生恒定磁场，励磁绕组未画出。 电枢绕组只画了一个线圈，1、 2为两个换向片，与电枢绕组相连，A 、B 两个电刷与外电路相连。

图3-1 (a) 初始位置； (b) 转过180°后的位置

直流电动机接通直流电源之后，电刷两端加了一个直流电压，A 刷为正，B 刷为负，换向片1与A 刷相接触，直流电流Ia 从A 刷流入，经换向片1、 线圈abcd 、换向片2和电刷B 流出，形成一个回路。利用左手定则，可以判断电枢绕组的ab 边和cd 边都受到电磁力的作用，如图3-1所示，ab 边受到的力向左 cd 边受到的力向右，这一对力对电枢产生电磁力矩，使得电枢沿逆时针方向转动起来。

＋

－

＋－U

U 1

(a)

＋

－

U (b)

I ＝I ＋

－

U

(c)

＋－

U

(d)

U (a)(b)

3.2 他励直流电动机的机械特性

定义：在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值条件下，电机的转速与电磁转矩之间的关系

3-1

由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：

em

T E E T n T C C R C U n β-=Φ-Φ=0em

2

3-2

图3-2 固有机械特性曲线

1、固有机械特性 3-3

2、人为机械特性

当改变电压或电阻或励磁电流时得到的机械特性称为人为机械特性。 a 、电枢串电阻时的人为特性

保持电压和励磁电流不变，只在电枢回路中串入电阻的人为特性： 3-4

特点：（1）n 0不变，β变大；（2）R S 越大，特性越软。

)(em T f n =em

T N

T 0

'n 0n N

n n em N

T e a

N e N T C C R C U n 2

Φ-Φ=em

N

T e S

a N e N T C C R R C U n 2Φ+-Φ=

图3-3电枢串电阻的人为特性

保持电阻和励磁电流不变，只改变电枢电压的人为特性：

3-5

特点：（1）n 0随 U 变化；（2）U 不同，曲线是一组平行线。

图3-4降低电枢电压的人为特性

c 、减弱励磁磁通时的人为特性

保持电阻和电压不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性： 3-6

特点：（1）弱磁，n 0 增大；（2）弱磁，β增大

n 0

n 01

n T em

em N

T e a

N e T C C R C U n 2Φ-Φ=em T e a

e N T C C R C U n 2Φ

-Φ=

图3-5减弱励磁磁通时的人为特性

4 他励直流电动机的调速

4.1 调速的基本概念

生产机械在运行过程中， 经常要求在负载不变的情况下改变运行速度以配合不同的生产需求， 比如金属切削机床就经常要改变刀具的运行速度以进行不同的加工工序。 这就要求对生产机械的传动机构进行调速，电力拖动系统中采用的调速方法通常有三种：机械调速、电气调速、电气-机械调速。在这里我主要研究他励直流电动机，其调速方法也有三种：改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。

4.2 调速的指标

电动机的速度调节性能的好坏，常用下列指标来衡量。 1、调速范围

电动机在满载（电流为额定值）的情况下所能得到的最高转速与最低转速之比称为调速范围，用D 表示，即

min max :n n D =

不同生产机械要求的调速范围各不相同。 2、调速方向

调速方向指调速后的转速比原来的额定转速（基本转速）高还是低。若比基本转速高称为往上调，比基本转速低，称为往下调。

3、调速的平滑性

调速的平滑性由一定调速范围内能得到的转速级数来说明。级数越多，相邻两转速的

K 0

n 02n n

差值越小，平滑性越好。如果转速只能跳跃式的调节，两者中间的转速无法得到，这种调速称为有级调速。如果在一定的调速范围内的任何转速都能得到，称为无级调速。无级调速的平滑性当然比级调速好。

平滑和程度可用相邻两转速之比来衡量，称为平滑系数，即

1:-=i i n n k

k 越接近于1，平滑性越好。无级调速时k=1，平滑性最好。 4、调速的稳定性

调速的稳定性是用来说明电动机在新的转速下运行时，负载变化南昌引起转速变化的程度，通常用静差率来表示。其定义为：在某一机械特性上运行时，电动机由理想空载到满载时的转速差与理想空载转速之比，即r= n 0-n/ n 0×100%，r 越小，稳定性越好。

图 4-1不同机械特性的静差率

生产机械在调速时，为保持一定的稳定性会对静差率提出一定的要求。静差率还会对调速范围起到制约作用，因为如果调速时所得到的最低转速下的r 太大，则该转速和稳定性太差，便难以满足生产机械的要求。

5、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投资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由负载需要所决定的，而不同的负载，其所需要的功率和转矩随转速变化的规律也是不同的，因此在选择调速方法时，既要满足负载要求，又要尽可能使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，而弱磁调速适用于恒功率负载的调速。

6、调速时的允许负载

电动机在各种不同转速下满载运行时，如果允许输出的功率相同，则这种调速方法称

为恒功率调速；如果允许输出的转矩相同，则这种调速方法称为恒转矩调速。不同的机械对此的要求往往不同。

4.3 调速的方式

4.3.1 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值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图3.1所示，图中的负载为恒转矩负载。

从图4-2可知，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。

图4-2电枢串电阻调速机械特性

如图4-2中串入的电阻值交点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。

电枢回路串接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。

4.3.2 改变电枢电源电压调速

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。电枢电源电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，如图4-3图中的负载为恒转矩负载。

图4-3 改变电枢电源电压调速

从图4-3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，改变电枢电源电压调速方法的调速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，即使电动机在低速运行时，转速随负载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，缺点是所需的可调压电源设备投资较高。这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。

4.3.3改变励磁电流调速

保持他励直流电动机电枢电源电压不变，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，可使电动机转速升高。他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图3.3所示。

从图4-4可以看出，当励磁磁通为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；励磁磁通减少时，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；励磁磁通减少为时，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1.2 n左右，特殊设计的调速电动机，可达3 n或更高。单独使用弱磁

调速方法，调速的范围不会很大。

图4-4弱磁调速机械特性

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的任何转速上运行，而且调速时损耗较小，运行效率较高，能很好地满足各种生产机械对调速的要求。

5实例分析

一台他励直流电动机参数如下：P

N =6.0kw，U

aN

=220V，I

aN

=48A，n

N

=1485r/min，R

L

=0.082

Ω。

1、用其拖动通风机负载运行，若采用电枢串电阻调速时，要使转速降至1250r/min，试设计电枢电路中的调速电阻。

2、用其拖动恒转矩负载运行，负载转矩等于电动机的额定转矩，采用改变电枢电压调速时，要使转速降到1100r/min，试设计电枢电压值。

3、用其拖动恒功率负载运行，采用改变励磁电流调速，要使转速增至1700r/min，试设计C

E

值。

内容分析：

1、采用电枢串电阻调速

电动机的电枢电阻

R a =(U-P

N

/I

aN

)/I

aN

=1.98Ω

在额定状态下运行时

E=U

aN -R

a

I

aN

=124.96V

C E Φ=E/n N =0.0841 C T Φ=9.55C E Φ=0.803 T N =9.55P N /n N =38.59N.m

由于通风机负载的转矩与转速的平方成正比，故n=1250r/min 时的转矩为：

T=（n/n N ）2 T N =27.34N.m n 0=U aN /C E Φ =2616r/min △n=n 0-n=1366r/min

由于

△n=(R a +R r )×T/C E C T Φ2

由此求得：

R r =△nC E C T Φ2/T-R a =1.394Ω

2、采用改变电枢电压调速 由上步1已经求得：

Ra=1.98Ω C E =0.0841 C T =0.803 T N =38.59 N.m 电枢电压减小后：

△n=RaT/CECT Φ2=1131.43r/min

n0=n+△n=2231.43r/min

由此求得：

Ua=C E Φn0=187.66V

3、采用改变励磁电流调速 由上步1 求得：

Ra=1.98Ω T N =38.59N.m

由于恒功率负载的转矩与转速成反比关系，故忽略空载转矩时，调速成后的 电磁转矩为：

T=nNTN /n=33.71N.m

将数据代入

n=U a /C E Φ–R a T/C E C T Φ2中，

整理得：

C E Φ=0.0733或0.0561

6结论

直流电动机调速的目的在于提高生产效率和产品质量。它的具体方法有：改变电枢电阻调速；改变电枢电压调速和改变励磁电流调速。改变电枢电阻调速时，调速方向是往下的。调速的稳定性差，经济性差，调速范围不大，受低速时静差率的限制。调速时的允许负载为恒转矩负载。只适用于调速范围不大，调速时间不长的小容量电动机。改变电枢电压调速时，只能在额定转速以下进行调节。还需要供给电动机电枢电路专门的直流调压电源。这种调速方向也是往下调的，稳定性、平滑性好，调速范围大，调速时的允许负载为恒转矩负载。广泛应用于对调速性能要求很高的电力拖动中。改变励磁电流调速时，可用小容量调节电阻，增多调节级数，平滑性较好。另外控制设备体积小，投资少，能量损耗小，调速的经济性好。这种调速的方向是往上调，调速的平滑性、稳定性、经济性好。调速范围不大。调速时的允许负载为恒功率负载。若要使直流电动机得到充分利用又不使电动机过载，电枢回路串电阻和降低电枢电压调速时可保持输出转矩大，属于恒转矩调速；弱磁调速属于恒功率调速。

参考文献

[1] 唐介．电机与拖动[M]．北京：高等教育出版社，2007．

[2] 李晓竹．电机与拖动[M]．徐州：中国矿业大学出版社，2009．

[3]李明.电机与电力拖动[M].北京：电子工业出版社，2003.

[4]范正翘.电力传动与自动化控制系统[M].北京：北京航空航天出版社，2003.

[5]曹承志.电机拖动与控制[M].北京：机械工业出版社 1997.

致谢

在这次的课程设计中，我首先要感谢教导我的电拖老师。没有他的教导，没有他一丝不苟的传授我们专业理论知识，我们根本没有能力和基础去做这次的设计。也感谢指导教师的帮助，感谢所有老师对我的教育和培养，向老师们致以诚挚的谢意和崇高的敬意。

感谢图书馆老师给我提供的帮助，他们为我提供了很多的书籍，让我更快的找到所需要的、丰富的和详尽的资料。

还要感谢同学们对我的帮助，他们为我提供了有关设计的信息和资料，帮助我解决了很多设计中存在的问题，谢谢关心、帮助我的同学们。

在此也要感谢学校给我们提供这样的锻炼机会，让我们在做课程设计过程中受益匪浅。