他勵直流電動機調(diào)速設(shè)計

1、引言在國民經(jīng)濟生產(chǎn)中，電機工業(yè)是機械工業(yè)的一個重要組成部分，電機是機電一體化中機和電的結(jié)合部位，是機電一體化的重要基礎(chǔ)，電機可稱為電氣化的心臟。他對國民經(jīng)濟的發(fā)展起著舉足輕重的作用，并隨著國民經(jīng)濟和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而不斷發(fā)展。在現(xiàn)代工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸?shù)雀餍袠I(yè)中，為了實現(xiàn)生產(chǎn)工藝過程的各種要求，需要廣泛采用各種各樣的生產(chǎn)機械，大多數(shù)都采用電動機拖動。直流電機更是在各種電力拖動場合廣泛應(yīng)用。充分認識理論知識對應(yīng)用技術(shù)的指導(dǎo)性作用，進一步加強理論知識與應(yīng)用相結(jié)合的實踐和鍛煉。通過這次設(shè)計實踐能夠進一步加深對專業(yè)知識和理論知識學(xué)習(xí)的認識和理解，使自己的設(shè)計水平和對所學(xué)知識的應(yīng)用能力以及分析問題解決問題

2、的能力得到全面的提高。 與交流電動機相比，直流電動機具有較好的調(diào)速性能，它能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟的調(diào)速，因此多用于對調(diào)速要求較高的場合。由機械特性的一般表達式可知，他勵直流電動機改變每極磁通、改變電樞電壓、在電樞回路中串入電阻均能調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。1 直流電動機及調(diào)速1.1直流電動機的介紹直流電動機是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機。直流電動機以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價格較貴、體積較大、維護較難而使得其應(yīng)用受到了影響。隨著交流電動機變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，在不少應(yīng)用領(lǐng)域中已為交流電動所取代。但是直流電動機又以起動轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速性能好、自動控制方便而著稱，因此，在工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域中仍占有一席之地。在四種直流電動機

3、中，他勵電動機應(yīng)用最廣泛。1.2直流電動機的類型1、他勵直流電動機；2、并勵直流電動機；3、串勵直流電動機；4、復(fù)勵直流電動機。1.3什么是調(diào)速現(xiàn)代工業(yè)中，有大量的生產(chǎn)機械，要求能改變工作速度。例如金屬切削機床，由于加工工件的材料和精度要求不同，速度也就不同。又如軋鋼機，當(dāng)軋制不同品種和不同厚度的鋼材時，也必須采用不同的最佳速度。所謂調(diào)速就是在一定的負載下，根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機械經(jīng)常提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。電力拖動系統(tǒng)中采用的調(diào)速方法通常有三種：機械調(diào)速、電氣調(diào)速、電氣-機械調(diào)速。在這里我主要研究他勵直流電動機，其調(diào)速方法也

4、有三種：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。1.4調(diào)速的指標(biāo)電動機的速度調(diào)節(jié)性能的好壞，常用下列指標(biāo)來衡量。（1）調(diào)速范圍電動機在滿載（電流為額定值）的情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍，用D表示，即D=nmax:nmin 不同生產(chǎn)機械要求的調(diào)速范圍各不相同。（2）調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速（基本轉(zhuǎn)速）高還是低。若比基本轉(zhuǎn)速高稱為往上調(diào)，比基本轉(zhuǎn)速低，稱為往下調(diào)。（3）調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定調(diào)速范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級數(shù)來說明。級數(shù)越多，相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小，平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié)，兩者中間的轉(zhuǎn)速無法得到，這種調(diào)

5、速稱為有級調(diào)速。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都能得到，稱為無級調(diào)速。無級調(diào)速的平滑性當(dāng)然比級調(diào)速好。平滑和程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來衡量，稱為平滑系數(shù)，即k=ni:ni-1k越接近于1，平滑性越好。無級調(diào)速時k=1，平滑性最好。（4）調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動機在新的轉(zhuǎn)速下運行時，負載變化南昌引起轉(zhuǎn)速變化的程度，通常用靜差率來表示。其定義為：在某一機械特性上運行時，電動機由理想空載到滿載時的轉(zhuǎn)速差與理想空載轉(zhuǎn)速之比，即r=n0-n/n0×100%r越小，穩(wěn)定性越好。圖1.1圖1.2不同機械特性的靜差率生產(chǎn)機械在調(diào)速時，為保持一定的穩(wěn)定性會對靜差率提出一定的要求。靜差率還

6、會對調(diào)速范圍起到制約作用，因為如果調(diào)速時所得到的最低轉(zhuǎn)速下的r太大，則該轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性太差，便難以滿足生產(chǎn)機械的要求。 調(diào)速范圍與靜差率兩項性能指標(biāo)是互相制約的，當(dāng)采用同一種方法調(diào)速時，靜差率要求較低時，則可以得到較寬的調(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，如改變電樞電源電壓調(diào)速比電樞串電阻調(diào)速的調(diào)速范圍大。調(diào)速范圍與靜差率是互相制約著，因此需要調(diào)速的生產(chǎn)機械，必須同時給出靜差率與調(diào)速范圍這兩項指標(biāo)，以便選擇適當(dāng)?shù)恼{(diào)速方法。 （5）調(diào)速的經(jīng)濟性 經(jīng)濟性包含兩方面的內(nèi)容，一是指調(diào)速所需的設(shè)備投資和調(diào)速過程中的能量損耗，另一方面是指

7、電動機調(diào)速時能否得到充分利用。一臺電動機當(dāng)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)矩是由負載需要所決定的，而不同的負載，其所需要的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律也是不同的，因此在選擇調(diào)速方法時，既要滿足負載要求，又要盡可能使電動機得到充分利用。經(jīng)分析可知，電樞回路串電阻調(diào)速以及降低電樞電壓調(diào)速適用于恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速，而弱磁調(diào)速適用于恒功率負載的調(diào)速。（6）調(diào)速時的允許負載電動機在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運行時，如果允許輸出的功率相同，則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同，則這種調(diào)速方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。不同的機械對此的要求往往不同

8、。2 他勵直流電動機的機械特性：2.1 機械特性的表達式定義：在電動機的電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值條件下，電機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：機械特性的曲線：圖2.12.2 固有機械特性和人為機械特性1）、固有機械特性2）、人為機械特性當(dāng)改變電壓或電阻或勵磁電流時得到的機械特性稱為人為機械特性a、電樞串電阻時的人為特性 保持電壓和勵磁電流不變，只在電樞回路中串入電阻的人為特性：特點：（1）n0不變，變大；（2）RS越大，特性越軟。圖2.2b、降低電樞電壓時的人為特性 保持電阻和勵磁電流不變，只改變電樞電壓的人為特性：特點：（1）n0 隨 U 變化

9、；（2）U 不同，曲線是一組平行線。圖2-3 圖2-4c、減弱勵磁磁通時的人為特性 保持電阻和電壓不變，只改變勵磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：特點：（1）弱磁，n0 增大；（2）弱磁，增大3 他勵直流電動機的調(diào)速方法3.1 電樞串電阻調(diào)速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值的電阻，電動機將運行于不同的轉(zhuǎn)速，如圖3.1所示，圖中的負載為恒轉(zhuǎn)矩負載。 從圖3.1可以看到，當(dāng)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。 圖3-1電樞串電阻調(diào)速機械特性如圖3.1中串入的電阻值交點A2的

10、轉(zhuǎn)速n2低于交點A1的轉(zhuǎn)速n1，它們都比原來沒有外串電阻的交點A的轉(zhuǎn)速n低。電樞回路串接電阻調(diào)速方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，調(diào)節(jié)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。3.2 改變電樞電源電壓調(diào)速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(yīng)超過額定電壓。勵磁繞組由另一電源供電，一般保持勵磁磁通為額定值。電樞電源電壓不同時，電動機拖動負載將運行于不同的轉(zhuǎn)速上，如圖3.2所示，圖中的負載為恒轉(zhuǎn)矩負載。圖3-2改變電樞電壓調(diào)速機械特性從圖3.2中可以看出，當(dāng) 電樞電源電壓

11、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U1后，交點為A1，轉(zhuǎn)速為n1；電壓為U2，交點為A2，轉(zhuǎn)速為n2；電壓為U3，交點為A3，轉(zhuǎn)速為n3；電樞電源電壓越低，轉(zhuǎn)速也越低。同樣，改變電樞電源電壓調(diào)速方法的調(diào)速范圍也只能在額定轉(zhuǎn)速與零轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。 改變電樞電源電壓調(diào)速時，電動機機械特性的“硬度”不變，因此，即使電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)速隨負載變動而變化的幅度較小，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。當(dāng)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。 改變電樞電源電壓調(diào)速方法的優(yōu)點是調(diào)速平滑性好，即可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速效率高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，缺點是所需的可調(diào)壓電源設(shè)備投資

12、較高。這種調(diào)速方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。 3.3 改變勵磁電流調(diào)速保持他勵直流電動機電樞電源電壓不變，電樞回路也不串接電阻，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，可使電動機轉(zhuǎn)速升高。他勵直流電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載時弱磁調(diào)速，如圖3.3所示。 從圖3.3可以看出，當(dāng)勵磁磁通為額定值時，電動機和負載的機械特性的交點為A，轉(zhuǎn)速為n；勵磁磁通減少時，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；勵磁磁通減少為時，交點為A2，轉(zhuǎn)速為n2 。弱磁調(diào)速的范圍是在額定轉(zhuǎn)速與電動機所允許最高轉(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

13、所限制，一般約為1.2 nN左右，特殊設(shè)計的調(diào)速電動機，可達3 nN或更高。單獨使用弱磁調(diào)速方法，調(diào)速的范圍不會很大。 圖 圖3-3弱磁調(diào)速機械特性弱磁調(diào)速的優(yōu)點是設(shè)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。 在實際電力拖動系統(tǒng)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)的任何轉(zhuǎn)速上運行，而且調(diào)速時損耗較小，運行效率較高，能很好地滿足各種生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求。4 課程設(shè)計內(nèi)容一臺他勵直流電動機參數(shù)如下：PN=8.0kwUaN=220VIaN=50AnN=

14、1490r/minRL=0.0851、用其拖動通風(fēng)機負載運行，若采用電樞串電阻調(diào)速時，要使轉(zhuǎn)速降至1260r/min，試設(shè)計電樞電路中的調(diào)速電阻。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)速降到1150r/min，試設(shè)計電樞電壓值。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1720r/min，試設(shè)計CEF值。4.2內(nèi)容分析：1、采用電樞串電阻調(diào)速電動機的電樞電阻 Ra=(U-PN/IaN)/IaN=2.04 在額定狀態(tài)下運行時 E=UaN-RaIaN=123.89V CE F=E/nN=0.0821 CT F=9.55CE F=

15、0.803 TN=9.55PN/nN 由于通風(fēng)機負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比，故n=1260r/min時的轉(zhuǎn)矩為： T=（n/nN）2 TN n0=UaN/CEF =2635r/min n=n0-n=1366r/min 由于 n=(Ra+Rr)×T/CECTF2 由此求得： Rr=nCECTF2/T-Ra=1.3942、采用改變電樞電壓調(diào)速由上步1已經(jīng)求得：Ra=2.04 CE=0.0821 CT=0.803 TN=40.55 N.m 電樞電壓減小后：n=RaT/CECTF2=1129.83r/minn0=n+n=2261.31r/min由此求得：Ua=CEFn0=191.66V3、

16、采用改變勵磁電流調(diào)速由上步1 求得：Ra=2.04 TN=40.55N.m由于恒功率負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系，故忽略空載轉(zhuǎn)矩時，調(diào)速成后的電磁轉(zhuǎn)矩為：T=nNTN將數(shù)據(jù)代入n=Ua/CEFRaT/CECTF2中，整理得：CEF=0.0853或0.06615結(jié)論1、直流電動機調(diào)速的目的在于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。它的具體方法有：改變電樞電阻調(diào)速；改變電樞電壓調(diào)速和改變勵磁電流調(diào)速。2、改變電樞電阻調(diào)速時，調(diào)速方向是往下的。調(diào)速的穩(wěn)定性差，經(jīng)濟性差，調(diào)速范圍不大，受低速時靜差率的限制。調(diào)速時的允許負載為恒轉(zhuǎn)矩負載。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。3、改變電樞電壓調(diào)速時，只能在額

17、定轉(zhuǎn)速以下進行調(diào)節(jié)。還需要供給電動機電樞電路專門的直流調(diào)壓電源。這種調(diào)速方向也是往下調(diào)的，穩(wěn)定性、平滑性好，調(diào)速范圍大，調(diào)速時的允許負載為恒轉(zhuǎn)矩負載。廣泛應(yīng)用于對調(diào)速性能要求很高的電力拖動中。4、改變勵磁電流調(diào)速時，可用小容量調(diào)節(jié)電阻，增多調(diào)節(jié)級數(shù)，平滑性較好。另外控制設(shè)備體積小，投資少，能量損耗小，調(diào)速的經(jīng)濟性好。這種調(diào)速的方向是往上調(diào)，調(diào)速的平滑性、穩(wěn)定性、經(jīng)濟性好。調(diào)速范圍不大。調(diào)速時的允許負載為恒功率負載。5、若要使直流電動機得到充分利用又不使電動機過載，電樞回路串電阻和降低電樞電壓調(diào)速時可保持輸出轉(zhuǎn)矩大，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速；弱磁調(diào)速屬于恒功率調(diào)速。6設(shè)計體會這次課程設(shè)計是我的第一次課程設(shè)

18、計，做起來的確有很大的困難。因為有好多問題都不是很清楚。因此，對我的影響非常大。作為一名大二的電氣技術(shù)專業(yè)的學(xué)生，我認為做這樣的課程設(shè)計是非常必要的，課程設(shè)計是培養(yǎng)學(xué)生綜合運用所學(xué)知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學(xué)生實際工作能力的具體訓(xùn)練和考察過程。而且無論對我們的理論知識還是動手操作能力都是一個鍛煉，對我們今后的發(fā)展是很有幫助的。在這次設(shè)計過程中我收集了大量資料，為這次設(shè)計做出了充分的準(zhǔn)備。通過這次設(shè)計我學(xué)到了很多很多的的東西，同時不僅可以鞏固了以前所學(xué)過的知識，而且學(xué)到了很多在書本上所沒有學(xué)到過的知識，對本門課程進行了補充和擴展。與此同時，學(xué)會了很多計算機方面的技能。通過這次課程設(shè)計使我懂得了理論與實際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識是遠遠不夠的，只有把所學(xué)的理論知識與實踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論