直流電動機調速課程設計

1、<p><b>　　直</b></p><p><b>　　流</b></p><p><b>　　電</b></p><p><b>　　機</b></p><p><b>　　調</b></p><p

2、><b>　　速</b></p><p><b>　　設</b></p><p><b>　　計</b></p><p>　　專 業(yè)： 電氣自動化 </p><p>　　學生姓名： </p><

3、p>　　班 級： </p><p>　　指導老師： </p><p><b>　　前言</b></p><p>　　在電機的發(fā)展史上，直流電動機有著光輝的歷史和經(jīng)歷，皮克西、西門子、格拉姆、愛迪生、戈登等世界上著名的科學家都為直流電機的發(fā)展和生存作出了極其巨大的貢獻，這些

4、直流電機的鼻祖中尤其是以發(fā)明擅長的發(fā)明大王愛迪生卻只對直流電機感興趣，現(xiàn)而今直流電機仍然成為人類生存和發(fā)展極其重要的一部分，因而有必要說明對直流電機的研究很有必要?！　≡缙谥绷麟妱訖C的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以及少量的數(shù)字電路組成，控制系統(tǒng)的硬件部分非常復雜，功能單一，而且系統(tǒng)非常不靈活、調試困難，阻礙了直流電動機控制技術的發(fā)展和應用范圍的推廣。隨著單片機技術的日新月異，使得許多控制功能及算法可以采用軟件

5、技術來完成，為直流電動機的控制提供了更大的靈活性，并使系統(tǒng)能達到更高的性能。采用單片機構成控制系統(tǒng)，可以節(jié)約人力資源和降低系統(tǒng)成本，從而有效的提高工作效率?！　≈绷麟妱訖C具有良好的起動、制動性能，宜于在大范圍內平滑調速，在許多需要調速或快速正反向的電力拖動領域中得到了廣泛的應用。從控制的角度來看，直流調速還是交流拖動系統(tǒng)的基礎。早期直流電動機的控制均以模擬電路為基礎，采用運算放大器、非線性集成電路以</p><p&

6、gt;<b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　第一章 直流電動機4</p><p>　　第二章 直流電動機的結構與工作原理5</p><p>　　2.1 直流電動機的結構5</p><p>　　2.2 直流電動機的工作

7、原理6</p><p>　　第三章 他勵直流電動機的調速8</p><p><b>　　3.1調速指標8</b></p><p>　　3.2 電樞串電阻調速10</p><p>　　3.3改變電樞電源電壓調速11</p><p>　　3.4弱磁調速12</p><p

8、>　　第四章 課程設計內容13</p><p>　　4.1 采用電樞串電阻調速：13</p><p>　　4.2 采用電樞電壓調速：14</p><p>　　4.3 采用改變勵磁電流調速14</p><p>　　第五章 故障分析15</p><p><b>　　總 結16</b>

9、;</p><p><b>　　致 謝17</b></p><p><b>　　參考文獻17</b></p><p><b>　　第一章 直流電動機</b></p><p>　　直流電動機是將直流電能轉換為機械能的旋轉機械。它與交流電動機（如三相異步電動機）相比，雖然因結構

10、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應用普遍，但由于它具有優(yōu)良的調速性能和較大的啟動轉矩，得到廣泛應用。本節(jié)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。</p><p>　　下圖為直流電動機的結構原理圖，圖中的N和S是一對固定不動的磁極，用以產(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

11、。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(chǎn)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?；ハ嘟^緣的換向片組合的總

12、體稱為換向器。【3】</p><p>　　abcd線框 A.B. 電刷 E.F.換向器 </p><p>　　第二章 直流電動機的結構與工作原理</p><p>　　2.1 直流電動機的結構</p><p>　　直流電動機主要由磁極、電樞、換向器三部分組成。</p><p><b>　?。?）磁極。 &

13、lt;/b></p><p>　　磁極是電動機中產(chǎn)生磁場的裝置，如圖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1直流電動機的磁極及磁路</p><p>　　1

14、-極心 2-極掌 3-勵磁繞組 4-機座</p><p>　?。?）電樞。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的，電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片組成，表面沖有槽，槽中放有電樞繞組。</p><p>　?。?）換向器（整流子）。換向器是直流電動機的一種特殊裝置，其外形如圖2所示，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

15、 </p><p>　　固定的電刷，使轉動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)結。換向器是直流電動機的結構特征，易于識別。 【2】</p><p>　　圖2換向器 1—換向片 2—連接部分 </p><p><b>　　圖3 鉤型換向器</b></p><p>

16、;<b>　　圖4 槽型換向器</b></p><p><b>　　。</b></p><p>　　圖4 直流電機縱向剖視圖 </p><p>　　1—換向器 2—電刷裝置 3—機座 4—主磁極 5—換向極6—端蓋 7—風扇 8—電樞繞組 9—電樞鐵心 </p><p&g

17、t;　　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，ab邊和cd邊所受的電磁力為：</p><p&g

18、t;<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。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

19、都不變。</p><p>　　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(chǎn)機械旋轉，即由電動機向機械負載輸出機械功率。</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

20、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，它們的特性也不用。</p><p>　　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?！?】</p><p>　　圖2-3 他勵電動機</p><p>　　

21、第三章 他勵直流電動機的調速</p><p>　　為了提高勞動生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質量，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速。</p><p>　　可以用機械的方法或電氣的方法實現(xiàn)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(shù)，有意識地使電動機工作點由

22、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(chǎn)需要而對電動機轉速進行的一種控制，它與電機在負載或電壓隨機波動時而引起的轉速擾動變化是兩個不同的概念。</p><p>　　根據(jù)直流電動機調速公式n=</p><p>　　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，都能引起轉速的變化。因此，他勵直流電動機可以有三種調速方法

23、。</p><p>　　為了評價各種調速方法的優(yōu)缺點，對對調速方法提出了一定的技術經(jīng)濟指標，通常稱為調速指標。下面下面對調速指標做一簡要說明?！?】</p><p><b>　　3.1調速指標</b></p><p><b>　　（1）調速范圍</b></p><p>　　調速范圍是只指電動機在額定

24、負載下調素時，其最高轉速與最低轉速之比，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>　　電動機最高轉速nmax受電動機的換向及機械強度限制，最低轉速相對穩(wěn)定（即靜差率）要求的限制。&l

25、t;/p><p>　?。?）靜差率（調速的相對穩(wěn)定性）</p><p>　　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</p><p><b>　　σ==</b></p><p>　　式中，n為額定負載轉矩Tem=TL時的轉速</p>&

26、lt;p>　　從上式可以看出，在△n相同時，機械特性越“硬”，額定負載時轉速降越小，靜差率σ越小，轉速的相對穩(wěn)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，但其靜差率卻不同。為了保證轉速的相對穩(wěn)定性，常要求靜差率應不大于某一允許值（允許值）。 </p><

27、;p>　　調速范圍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(chǎn)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?shù)恼{速方法。</p><p><

28、;b>　　（3）調速的平滑性</b></p><p>　　調速的平滑性是指相鄰兩級轉速的接近程度，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，說明調速的平滑性越好。如果轉速連續(xù)可調，其級數(shù)趨于無窮多，稱為無級調速，Ψ=1，其平滑性最好；調速不連續(xù)，級數(shù)有限，稱為有級調

29、速。</p><p><b>　?。?）調速的經(jīng)濟性</b></p><p>　　經(jīng)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(guī)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

30、的變化的規(guī)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(jīng)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?！?】</p><p>　　3.2 電樞串電阻調速</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

31、的轉速，如圖3—3所示，圖中的負載為恒轉矩負載。</p><p>　　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(wěn)定運行轉速降低。</p><p>　　圖3—3 電樞串電阻調速機械特性</p><p>　　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

32、點A的轉速n低。</p><p>　　電樞回路串電阻調速方法的優(yōu)點是設備簡單，調節(jié)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(chǎn)生較大的轉速變化，即轉速穩(wěn)定性差，而且調速效率較低</p><p>　　3.3改變電樞電源電壓調速</p><p>　　他勵直流電動機的電樞回路不串接電阻，由一可調節(jié)的直流電源向電樞供電，最高電壓不

33、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</p><p>　　不同時，電動機拖動負載將運行于不同的轉速上如圖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(shù)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(jié)。<

34、/p><p>　　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(wěn)定性好。當電樞電源電壓連續(xù)調節(jié)時，轉速變化也是連續(xù)的，所以這種調速稱為無級調速。</p><p>　　改變電樞電源電壓調速方法的有電視調速的平滑性好，即可實現(xiàn)無級調速，調速效率高，轉速穩(wěn)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

35、系統(tǒng)中被廣泛使用?！?】</p><p>　　圖3-5 弱礠調速機械特性</p><p><b>　　3.4弱磁調速</b></p><p>　　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3—5所示。&

36、lt;/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,轉速為n:勵磁磁通減少為Φ2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Φ1，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(jié)，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

37、 或更高。</p><p>　　弱磁調速的優(yōu)點是設備簡單，調節(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，轉速穩(wěn)定性差，拖動恒轉矩負載時，可能會使電樞電流過大。</p><p>　　在實際的電力拖動系統(tǒng)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(chǎn)機

38、械對調速的要求。</p><p>　　第四章 課程設計內容</p><p>　　他勵直流電動機，參數(shù)如下：</p><p><b>　　PN=2KW</b></p><p><b>　　UaN=220V</b></p><p><b>　　IaN=8A</b&

39、gt;</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速時，要使轉速降至200r/min，試設計電樞電路中的調速電阻。</p><p>　　2. 用其拖動恒轉矩負載運行，負載轉矩等于電動機的額定轉矩

40、，采用改變電樞電壓調速時，要使轉速降至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速，要使轉速增至1800r/min，試設計CeΦ的值。 </p><p>　　4.1 采用電樞串電阻調速：</p><p><b>　　電動機的電樞電阻</b></p><p>

41、;　　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 IaN =(170-1.56×34.4)V=116.34V</p><p>　　CeΦ=E/ nN =116.34/1450=0.

42、0802</p><p>　　CTΦ=60CeΦ/2=60/(2×3.14)×0.0802=0.766</p><p>　　TN=60 PN /2nN =60/(2×3.14)×4000/1450N.m=26.36N. m</p><p>　　由于通風機負載的轉矩與轉速的平方成反比，故n=1200r/min時的轉矩為</

43、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><p>　　n= n0-n=（1995-1450）r/min =545r/min</p><p><b>　　由于

44、</b></p><p>　　n=( Ra +Rr)T/ CT CeΦ2</p><p><b>　　由此求得</b></p><p>　　Rr=n CT CeΦ2/T- Ra =(545×0.0802×0.766/18.05-1.56)Ω=0.295Ω</p><p>　　4.2 采用電

45、樞電壓調速：</p><p><b>　　由上題求得：</b></p><p><b>　　Ra=1.56Ω</b></p><p>　　CeΦ=0.0802</p><p><b>　　CTΦ=0.766</b></p><p>　　TN =26.36

46、N.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=669.37r/min</p><p>　　n0=n+n=(1000+669.37)r/min=1669.37r/min</p>&l

47、t;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速</p><p><b>　　由上求得 </b></p><p><b>　　Ra=1.56Ω<

48、/b></p><p>　　TN =26.36N.m</p><p>　　由于恒功率負載的轉矩與轉速成正比關系，故忽略空載轉矩時，調速后的電磁轉矩為</p><p>　　T= nN TN /n=1450×26.36/1800N.m=21.23N.m</p><p>　　1800=160/ CeΦ-1.27×21.23

49、/ CT CeΦ2</p><p><b>　　得</b></p><p>　　CeΦ=0.0647或0.0242</p><p><b>　　第五章 故障分析</b></p><p>　　故障分析： 通電后電動機不能轉動，但無異響，也無異味和冒煙。故障原因：①電源未通（至少兩相未通）；②熔絲熔斷（

50、至少兩相熔斷）；③過流繼電器調得過??；④控制設備接線錯誤；等等。 </p><p>　　故障排除：①檢查電源回路開關，熔絲、接線盒處是否有斷點，修復；②檢查熔絲型號、熔斷原因，換新熔絲；③調節(jié)繼電器整定值與電動機配合；④改正接線。通電后電動機不轉，然后熔絲燒斷。 </p><p>　　故障原因一 ①缺一相電源，或定子線圈一相反接；②定子繞組相間短路；③定子繞組接地；④定子繞組接線錯誤；⑤熔

51、絲截面過小；等等。 </p><p>　　故障排除：①檢查刀閘是否有一相未合好，或電源回路有一相斷線；消除反接故障；②查出短路點，予以修復；③消除接地；④查出誤接，予以更正；⑤更換熔絲； 通電后電動機不轉有嗡嗡聲 </p><p>　　故障原因二 ①定、轉子繞組有斷路（一相斷線）或電源一相失電；②繞組引出線始末端接錯或繞組內部接反；③電源回路接點松動，接觸電阻大；④電動機負載過大或轉子卡住

52、；⑤電源電壓過低；⑥小型電動機裝配太緊或軸承內油脂過硬；⑦軸承卡??；等等。 </p><p><b>　　總 結</b></p><p>　　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(xiàn)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(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。&

53、lt;/p><p>　　三種調速方法各有優(yōu)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(yōu)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(tǒng)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要求很高的電力拖動系統(tǒng)中，來擴大調速范圍和實現(xiàn)雙向調速。</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

54、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，這次做課程設計的收獲是從來沒有體驗過的，也是我應該好好珍惜的。</p><p><b>　　參考文獻：</b></p><p>　?、佟峨娏﹄娮蛹夹g》；</p><p>　?、凇毒чl管變流技術應用圖集》 王文郁等編。</p>&