他励直流电动机的调速系统设计

-I-JIUJIANGUNIVERSITY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ThedesignofseparatelyexcitedDCmotorspeedcontrolsystem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A134105指导老师王萍二零一六年十月九江学院电子工程学院-II-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；-III-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..................................................................................52.1直流电机的基本结构..................................................................................................52.2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..............................................................................................73.1调速指标......................................................................................................................83.2电枢串电阻调速.......................................................................................................103.3改变电枢电源电压调速............................................................................................113.4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。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。2.2他励直流电动机的工作原理U+-ABNSIIFFCabd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。MIfUfU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=CeRpaRaIaU)(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=minmaxnn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σ=0nn=00nnn式中，n为额定负载转矩Tem=TL时的转速▲nNn01n0nTN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）。▲n1▲n2nNn0nineTN321n图3-2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。