直流電動機調速控制系統論文

1、安徽三聯學院年度論文安徽三聯學院年度論文直流電動機調速系統的研究Dc motor speed control system research專業(yè)：電氣工程及其自動化姓名：薄 朋_學號: 1002164_指導老師：張金翰_2013年1月10日信息與通信技術系【摘要】直流電動機誕生與19世紀，距今已有100多年的歷史，并已成為動力機械的主要驅動裝置。直流調速系統具有優(yōu)良的啟動、制動性能，宜于在寬廣范圍內平滑調速，在需要高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。電動機拖動生產機械運行時，系統的速度需要根據工作狀態(tài)和工藝要求的不同進行調節(jié)，使生產機械以最合理的速度工作，從而提高產品和生產效率，這就要

2、求人為采取一定的方法來改變生產機械的工作速度，以滿足生產的需要。關鍵字：直流電動機 調速【 abstract 】 Dc motor was born in the 19th century, more than 100 years of history, and has become the main drive power machinery. Dc speed control system has good start, braking performance, like in the wide range smoothing speed and are in need of high p

3、erformance controlled electric drive field has been widely used in the field. Motor drive production machine operation, the speed of the system need according to the working status and technological requirements of different carries on the adjustment, production machinery with the most reasonable sp

4、eed work, so as to improve the products and production efficiency, this requires people to take certain method to change the production machinery working speed, in order to meet production need.Key words: Dc motor speed regulation目錄一 本課題研究的背景及意義3二 直流電動機的機構3三 直流電動機的工作原理4四 直流電動機的調速6 （一）調速的方法6 1 降壓調速6

5、2 電樞回路串電阻調速83 弱磁調速9（二）調速性能指標10 1 調速范圍10 2 靜差率11 3 調速的平滑性12 4 調速的經濟性13五 總結13六 參考文獻.14一 本課題研究的背景及意義 隨著時代的進步和科技的發(fā)展，電機調速系統在工農業(yè)生產、交通運輸以及日常生活中起著越來越重要的作用，因此，對電機調速的研究有著積極的意義。長期以來，直流電動機被廣泛應用于調速系統中，而且一直在調速領域占居主導地位，著主要是因為直流電機不僅調速方便，而且在磁場一定的條件下，轉速和電樞電壓成正比，轉矩容易被控制，同時具有良好的啟動性能，能較平滑和經濟地調節(jié)速度。因此采用直流電動機調速可以的到良好的動態(tài)特性。

6、由于直流電動機具有優(yōu)良的啟、制動性能，宜于在廣泛范圍內平滑調速。近年來交流調速系統發(fā)展很快，然而直流控制系統畢竟在理論上和在時間上都比較成熟，而且從反饋閉環(huán)控制的角度來看，它又是交流系統的基礎，長期以來，由于直流調速系統的性能指標優(yōu)于交流調速系統。因此，直流調速系統一直在調速系統領域內占重要地位。二 直流電動機的結構直流電動機由定子和轉子兩部分組成，其間有一定的氣隙。其構造的主要特點是具有一個帶換向器的電樞。直流電動機的定子由機座、主磁極、換向磁極、前后端蓋和刷架等部件組成。其中主磁極是產生直流電機氣隙磁場的主要部件，由永磁體或帶有直流勵磁繞組的疊片鐵心構成。直流電動機的轉子則由電樞、換向器（

7、又稱整流子）和轉軸等部件構成。其中電樞由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。電樞鐵心由硅鋼片疊成，在其外圓處均勻分布著齒槽，電樞繞組則嵌置于這些槽中。換向器是一種機械整流部件。由換向片疊成圓筒形后，以金屬夾件或塑料成型為一個整體。各換向片間互相絕緣。換向器質量對運行可靠性有很大影響?？傊?，直流電動機是一種自控變頻的永磁同步電動機，就其基本組成結構而言可以認為是由電動機本體、轉子位置傳感器和電子開關電路三部分組成的“電動機系統”。 圖2.1上圖2.1表示一臺最簡單的兩極直流電機模型，它的固定部分（定子）上，裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁極n和s，在旋轉部分（轉子）上裝設電樞鐵心。定子與轉子之間有一氣隙

8、。在電樞鐵心上放置了由A和X兩根導體連成的電樞線圈，線圈的首端和末端分別連到兩個圓弧形的銅片上，此銅片稱為換向片。換向片之間互相絕緣，由換向片構成的整體稱為換向器。換向器固定在轉軸上，換向片與轉軸之間亦互相絕緣。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1和B2，當電樞旋轉時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接通。三 直流電動機的工作原理圖3.1如圖3.1所示為一臺直流電動機的模型示意圖。圖中N、S是一對位置固定的主磁極，兩個主磁極之間有一個用導磁材料制成的圓柱體，即電樞鐵心，在電樞鐵心上放置了一個電樞線圈abcd，線圈的首端和末端分別接到兩個圓弧形的轉換器上。轉換器固定在轉軸上，與電樞一起旋轉。轉

9、換器之間以及轉換器與轉軸之間都互相絕緣。在每個轉換器上放置一個固定不動的電刷A或B，它們與轉換器之間保持滑動接觸。電樞線圈通過換向器和電刷與外面靜止的電路相連接。把直流電動機的電刷A、B接在電壓為U的直流電源上（如圖所示），電刷A是正電位，B是負電位，在N極范圍內的導體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內的導體cd中的電流是從c流向d。根據電磁力定律，載流導體在磁場中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導體都要受到電磁力F的作用。電磁力F=BLi 式中 B導體所處位置的磁通密度，單位T； L導體切割磁力線部分的長度，稱為有效長度，單位m； i 導體中流過的電流，單位A 。根據磁場方向和導體

10、中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由于磁場是均勻的，導體中流過的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針方向轉動了。當線圈轉到磁極的中性面上時，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉動。線圈轉過半州之后，雖然ab與cd的位置調換了，ab邊轉到S極范圍內，cd邊轉到N極范圍內，但是，由于換向片和電刷的作用，轉到N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉動。可見，分

11、別處在N、S極范圍內的導體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉了，通過齒輪或皮帶等機構的傳動，便可以帶動其它工作機械。 從以上的分析可以看到，要使線圈按照一定的方向旋轉，關鍵問題是當導體從一個磁極范圍內轉到另一個異性磁極范圍內時（也就是導體經過中性面后），導體中電流的方向也要同時改變。換向器和電刷就是完成這個任務的裝置。在直流電動機中，用換向器和電刷把輸入的直流電變?yōu)榫€圈中的交流電?？梢?，換向器和電刷是直流電動機中不可缺少的關鍵性部件。 當然，在實際的直流電動機中，也不只有一個線圈，而是有許多個線圈牢固地嵌在轉子鐵芯槽中，當導體中通過

12、電流、在磁場中因受力而轉動，就帶動整個轉子旋轉。這就是直流電動機的基本工作原理。四 直流電動機的調速 （一）調速方法： 根據直流電動機的機械特性方程： n=T （4-1） 可知，要改變直流電動機的轉速n有三種方法：（1） 改變電源電壓U； （2）改變電樞回路所串電阻R；（3）改變勵磁磁通。 由于提高電動機電樞端電壓受到繞組絕緣耐壓的限制，提高電源電壓U的可能性不大。實際上改變電源電壓U的主要是降壓，從額定轉速向下調速。再有，一般電動機的額定磁通已設計為使電動機鐵芯接近飽和，增加磁通的可能性也不大，一般只減弱磁通,從額定轉速向上調速。1、降壓調速 保持勵磁磁通為額定值不變，電樞回路不串入電阻，=

13、0，降低電樞電源電壓來實現調速的方法，稱為降壓調速。降壓調速的機械特性方程式為： n=T （4-2） 機械特性曲線如圖4.1所示：圖4.1圖4.1中所示負載為恒轉矩負載，當電源電壓為額定值時，工作點位A點，轉速為n；電源電壓為，工作點變?yōu)?轉速為；電源電壓降為，工作點變?yōu)?，轉速變?yōu)?；電源電壓越低，轉速也越低。當電源電壓由高降低時，相應的人為機械特性為向下平移的一簇平行線。通常把電動機運行于固有機械特性上的轉速稱為基速，降壓調速的調速方向只能是從基速向下調速。降低電源電壓調速時，如果負載為恒轉矩負載，當電動機運行在不同轉速時，由于= TL /，故電動機電樞電流保持不變；降低電源電壓，電動機機械特

14、性的硬度不變。電動機在低速范圍運行時，轉速隨負載變化而變化的幅度較小，即調速的靜態(tài)穩(wěn)定性較好；當電源電壓連續(xù)變化時，轉速的變化也是連續(xù)的，可實現無極調速，即調速的平滑性好。因此，降壓調速被廣泛應用于對啟動、制動和調速性能要求較高的場合，如龍門刨床、軋鋼機等。2、電樞回路串電阻調速 保持電源電壓為額定電壓不變，勵磁磁通為額定值不變，電樞回路串入不同大小的電阻來實現調速的方法，稱為電樞回路轉電阻調速。電樞回路轉電阻調速的機械特性方程式為： n=T （4-3）機械特性曲線如圖4.2所示：圖4.2圖4.2中所示負載為恒轉矩負載，在沒有串入電阻時，工作點為A點，轉速為n；電樞回路串入電阻，工作點變?yōu)辄c，

15、轉速變?yōu)?；電樞回路串入電阻（），工作點變?yōu)辄c，轉速變?yōu)椋浑姌谢芈反腚娮柙酱?，轉速就越低。電樞回路串電阻調速的調速方向也是從基速向下調速。電樞回路串電阻調速時，如果負載為恒轉矩負載，當電動機運行在不同轉速時，由于= TL /，故電動機電樞電流保持不變，電樞回路串電阻調速時，所串的電阻上會產生較大的損耗，電阻越大，損耗越大；電樞回路串電阻調速的人為機械特性是一簇過理想空載點的直線，串入的調速電阻越大，機械特性越軟。這樣在低速運行時，負載在不大的范圍內變化，就會引起轉速較大的變化，即調速的靜態(tài)穩(wěn)定性較差；電樞回路串電阻調速時，不易做到電阻值的連續(xù)調節(jié)，只能實現有級調速。盡管電樞回路串電阻調速所需設

16、備簡單，但由于功率損耗大、低速時轉速穩(wěn)定性差、不能實現無級調速等缺點，只應用于調速性能要求不高的中、小型電動機上，大容量的電動機不采用。3、弱磁調速保持電源電壓為額定值不變，電樞回路不串入電阻，即=0，僅減小電動機的勵磁電流使主磁通減小來實現調速的方法，稱為弱磁調速。弱磁調速的機械特性方程式為： n=T （4-4）機械特性曲線如圖4.3所示：圖4.3圖4.3中所示負載為恒轉矩負載。顯然，磁通降得越多，轉速升高得越大。弱磁調速是從基速向上調速是調速方法。通常，他勵直流電動機的勵磁電流比電樞電流要小的多，因此勵磁回路中所串電阻消耗的功率比電樞回路所串電阻消耗的功率小的多，且由于勵磁電路的電阻的容量

17、很小，控制很方便，故可以連續(xù)調節(jié)電阻值，實現無級調速。 由于弱磁調速是從基速向上調速，而電動機的最高轉速受換向條件及機械強度的限制不能過高，因此該方法的調速范圍不大，一般為額定轉速的1.21.8倍。 改變磁通調速時，如果電動機拖動的是恒功率負載，即電動機的電磁功率為： =T=常數 則有電動機電樞電流不變，即=常數。當負載功率為電動機的額定功率時，電樞電流=。 在電力拖動系統中，直流電動機的調速常采用降低電樞電源電壓從基速向下調速與減弱磁通從基速向上調速相結合的調速方法。這樣可以得到很寬的調速范圍，可以在調速范圍之內任何需要的轉速上運行，而且調速時消耗較小，運行效率較高，因此能很好地滿足各種生產

18、機械對調速的要求。 （二）調速性能指標 調速性能指標是衡量調速效果的依據，也是決定選用何種調速方法的參考。主要性能指標有以下四種。1、 調速范圍 調速范圍是指電動機在額定負載轉矩下調速時，最高轉速與最低轉速之比，用D表示為： D=/ （4-5） 式中，D為電動機的調速范圍。如果電力拖動系統僅由電氣方法調速，則D也是生產機械的調速范圍。如果電力拖動系統用機械電氣方法配合進行調速，則生產機械的調速范圍應為機械調速范圍與電氣調速范圍的乘積。從調速性能講，調速范圍D越大越好。從式（4-5）可知，要擴大調速范圍，必須設法盡可能地提高和降低。而電動機的最高轉速受機械強度、換向等因素的限制，一般在額定轉速以

19、上轉速的提高范圍不大，最低轉速受低速運行時的相對穩(wěn)定性限制。所謂相對穩(wěn)定性，是指負載轉矩變化時轉速變化的程度，轉速變化越小，相對穩(wěn)定性越好。調速時，若一定，能得到的越小，調速范圍D就越大。2、靜差率靜差率是指電動機在一條機械特性上運行時，由理想空載到額定負載時轉速的變化率，用表示為： =×100%=×100% （4-6）靜差率越小，負載變化時轉速變化越小，轉速的穩(wěn)定性就越好。從式（4-6）可知，靜差率取決于理想空載和額定負載下的轉速降落。當理想空載轉速一定時，機械特性越硬，額定轉矩時的轉速降落n越小，靜差率越小。從調速性能講，靜差率越小越好。一般生產機械對機械特性相對穩(wěn)定性

20、的程度是有要求的。調速時，為保持一定的穩(wěn)定程度，總是要求靜差率小于某一允許值。不同的生產機械，其允許的靜差率是不同的，例如普通車床可允許30%，有些設備上允許50%，而精度高的造紙機械則要求0.1%。靜差率和機械特性的硬度有關系，但又有不同之處，兩條互相平行的機械特性，硬度相同，但靜差率不同。如圖所示： 圖中特性1和特性3平行，雖然=，但由于<，故<。這說明同樣硬度的機械特性，越低， 靜差率越大。由此可知，當采用降壓調速時，若電壓最低的一條人為機械特性上的靜差率滿足要求，則其他各條機械特性上的靜差率就都滿足要求。這條電源電壓最低的人為機械特性上T=時的轉速，就是降壓調速時得到最低轉

21、速，而電動機固有機械特性上的轉速則為最高轉速。當相同時，特性越軟，額定轉矩時的轉速降落n越大，靜差率越大。如圖3-2中特性1和2，理想空載轉速相同，但特性2較軟，故<。由此可知，當采用電樞回路串電阻調速時，若所串電阻最大的人為機械特性上的靜差率滿足要求，則其他各條機械特性上的靜差率就都滿足要求。這條串電阻最大的人為機械特性上T=時的轉速，就是串電阻調速是的最低轉速，而電動機故偶機械特性上的轉速則為最高轉速。調速范圍D和靜差率是既相互聯系又相互制約的調速性能指標。采用同一種方法調速時，靜差率大，即靜差率要求較低時可以得到較大的調速范圍D；反之，靜差率小，最低轉速高，調速范圍D小。由上圖可知，當靜差率一定時，采用不同的調速方法，調速范圍D是不同的。根據圖3-2中的特性1和3，可推出調速范圍D與低速靜差率之間的關系為：D= （4-7）式中，為低速特性的靜差率。3、調速的平滑性 在一定的條范圍內，調速的基數越多則認為調速的平滑性越好，無級調速的平滑性最好。調速的平滑性有平滑系數表示，他是相鄰兩級轉速的比，即： = （4-8）式中，為相鄰高一級轉速和低一級轉速。值越接近1，則平滑性越好。4、調速的經濟性 調速的經濟性取決于調速系