直流电动机调速控制系统论文

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1、安徽三联学院 年度论文直流电动机调速系统的研究De motor speed control system research专业：电气工程及其自动化姓名： 学号:1002164指导老师：弓 2013年1月10日信息与通信技术系【摘要】直流电动机诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。直流调速系统具有优良的启动、 制动性能，宜于在宽广范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。电动机拖动生产机械运行时，系统的速度需要根据工作状态和工艺要求的不同进行调 节，使生产机械以最合理的速度工作，从而提高产品和生产效率，这就要求人为采取一定的方法来改变生

2、产机械的工作速度，以满足生产的需要。关键字：直流电动机 调速【abstract 】 De motor was born in the 19th century, more than 100 years of history, and has become the mai n drive power mach in ery. Dc speed con trol system has good start, brak ing performa nee, like in the wide range smooth ing speed and are in n eed of high performa

3、 nee con trolled electric drive field has bee n widely used in the field. Motor drive product ion mach ine operati on, the speed of the system n eed accordi ng to the work ing status and tech no logical requireme nts of differe nt carries on the adjustme nt, producti on machi nery with the most reas

4、 on able speed work, so as to improve the products and product ion efficie ncy, this requires people to take certa in method to cha nge the product ion mach inery work ing speed, in order to meet product ion n eed.目录一本课题研究的背景及意义 3二直流电动机的机构 3三直流电动机的工作原理 4四直流电动机的调速 6（一）调速的方法 61 降压调速 62 电枢回路串电阻调速 83弱磁调

5、速 9（二）调速性能指标 101 调速范围 102 静差率 113 调速的平滑性 124 调速的经济性 13五总结 13六参考文献 .14一本课题研究的背景及意义随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输 以及日常生活中起着越来越重要的作用， 因此，对电机调速的研究有着积极 的意义。长期以来，直流电动机被广泛应用于调速系统中， 而且一直在调速 领域占居主导地位，着主要是因为直流电机不仅调速方便， 而且在磁场一定 的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制，同时具有良好的启动 性能，能较平滑和经济地调节速度。因此采用直流电动机调速可以的到良好 的动态特性。由于直流电动机具

6、有优良的启、制动性能，宜于在广泛范围内 平滑调速。近年来交流调速系统发展很快，然而直流控制系统毕竟在理论上 和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流系统 的基础，长期以来，由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统。 因此， 直流调速系统一直在调速系统领域内占重要地位。二直流电动机的结构直流电动机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主 要特点是具有一个带换向器的电枢。 直流电动机的定子由机座、主磁极、换 向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场 的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。 直流电动机的 转子则由电枢、换向

7、器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢 铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布 着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向 片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。 换向器质量对运行可靠性有很大影响。总之，直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结 构而言.可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分 组成的“电动机系统”N电剧疑组垛圈主檢扱图2.1上图2.1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极 n和s，在旋转部分（转子）上

8、装 设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根 导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此 铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着- 对固定不动的电刷B1和B2,当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与 外电路接通。三直流电动机的工作原理图3.1如图3.1所示为一台直流电动机的模型示意图。 图中N、S是一对位置固 定的主磁极，两个主磁极之间有一个用导磁材料制成的圆柱体， 即电枢铁心， 在电枢铁心上放置了一个电枢线圈 abed，线圈的首端和末端分别接到两个

9、圆弧形的转换器上。转换器固定在转轴上，与电枢一起旋转。转换器之间以 及转换器与转轴之间都互相绝缘。在每个转换器上放置一个固定不动的电刷 A或B,它们与转换器之间保持滑动接触。电枢线圈通过换向器和电刷与外 面静止的电路相连接。把直流电动机的电刷A、B接在电压为U的直流电源上（如图所示）， 电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流 向b，在S极范围内的导体ed中的电流是从e流向d。根据电磁力定律， 载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和ed两导体都要受到电磁力F的作用。电磁力F=BLi式中 B导体所处位置的磁通密度，单位 T；L导体切割磁力线部分的长度，称为有效

10、长度，单位m;i 导体中流过的电流，单位 A。根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而ed边则是向右。由于磁场是均匀的，导体中流过的又 是相同的电流，所以，ab边和ed边所受电磁力的大小相等。这样，线圈上 就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续 转动。线圈转过半州之后，虽然 ab与ed的位置调换了，ab边转到S极范 围内，ed边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的ed边中电流方向也变了，是从d流向e，在S极下的ab边中的电流 则是从b流向

11、a。因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时 针方向转动。可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变 的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向 不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时(也就是导体经过中性面后)，导体中电流的方向也要同时改变。 换向器和电刷就是完成这个任务 的装置。在直流电动机中，用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交 流电。可见，换向器和电刷是直流电动机中不可缺少的关键性部件。当然，在实际的

12、直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈 牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就 带动整个转子旋转。这就是直流电动机的基本工作原理。四直流电动机的调速(一)调速方法：根据直流电动机的机械特性方程：U _ Ra+ Rc门二吓 CeCT2 T( 4-1)可知，要改变直流电动机的转速 n有三种方法：(1)改变电源电压U ; (2)改变电枢回路所串电阻 R; (3)改变励磁 磁通。由于提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，提高电源电压U的可能性不大。实际上改变电源电压 U的主要是降压，从额定转速向下调 速。再有，一般电动机的额定磁通已设计为使电动机铁芯接近饱和

13、，增加磁通的可能性也不大，一般只减弱磁通 ,从额定转速向上调速。1、降压调速保持励磁磁通为额定值 N不变，电枢回路不串入电阻，Rc =0，降低电 枢电源电压来实现调速的方法，称为降压调速。降压调速的机械特性方程式 为：URan=2 T(4-2)CeN CeCy N机械特性曲线如图4.1所示:UnU2U3emUi图4.1图4.1中所示负载为恒转矩负载，当电源电压为额定值 Un时，工作点位A 点，转速为n；电源电压为Ui，工作点变为Ai,转速为m ;电源电压降为U?，工 作点变为A2，转速变为 吐; 电源电压越低，转速也越低。当电源电压由高 降低时，相应的人为机械特性为向下平移的一簇平行线。通常把

14、电动机运行于固有机械特性上的转速称为基速，降压调速的调速方向只能是从基速向下调速。降低电源电压调速时，如果负载为恒转矩负载，当电动机运行在不同转速时， 由于I a= H /CtN，故电动机电枢电流I a保持不变；降低电源电压，电动机机 械特性的硬度不变。电动机在低速范围运行时，转速随负载变化而变化的幅度较 小，即调速的静态稳定性较好；当电源电压连续变化时，转速的变化也是连续的， 可实现无极调速，即调速的平滑性好。因此，降压调速被广泛应用于对启动、制动和调速性能要求较高的场合，如 龙门刨床、轧钢机等。2、电枢回路串电阻调速保持电源电压为额定电压Un不变，励磁磁通为额定值 n不变，电枢回路串入不同

15、大小的电阻Rc来实现调速的方法，称为电枢回路转电阻调速。电枢回路转电阻调速的机械特性方程式为：(4-3)n=2 TCeNCeCy N TUn机械特性曲线如图4.2所示:Ra+R2Tl图4.2图4.2中所示负载为恒转矩负载，在没有串入电阻时，工作点为A点，转速 为n；电枢回路串入电阻RC1，工作点变为A点，转速变为ni ;电枢回路串入电 阻Rc2 ( Rc2 Rci )，工作点变为 A点，转速变为n2;电枢回路串入电阻 越大，转速就越低。电枢回路串电阻调速的调速方向也是从基速向下调速。电枢回路串电阻调速时，如果负载为恒转矩负载，当电动机运行在不同转速 时，由于Ia= Tl /CtN，故电动机电枢

16、电流I a保持不变，电枢回路串电阻调速 时，所串的电阻上会产生较大的损耗l；Rc，电阻越大，损耗越大；电枢回路串 电阻调速的人为机械特性是一簇过理想空载点 no的直线，串入的调速电阻越大,机械特性越软。这样在低速运行时，负载在不大的范围内变化，就会引起转速较 大的变化，即调速的静态稳定性较差；电枢回路串电阻调速时，不易做到电阻值 的连续调节，只能实现有级调速。尽管电枢回路串电阻调速所需设备简单， 但由于功率损耗大、低速时转速稳 定性差、不能实现无级调速等缺点，只应用于调速性能要求不高的中、 小型电动 机上，大容量的电动机不采用。3、弱磁调速保持电源电压为额定值Un不变，电枢回路不串入电阻，即

17、Rc=O，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小来实现调速的方法，称为弱磁调速。弱磁调速的机械特性方程式为：n= C CeCT(4-4)机械特性曲线如图4.3所示:no2AUnRaTl图4.3图4.3中所示负载为恒转矩负载。显然，磁通降得越多，转速升高得越大。弱 磁调速是从基速向上调速是调速方法。通常，他励直流电动机的励磁电流比电枢电流要小的多，因此励磁回路中所串电阻消耗的功率比电枢回路所串电阻消耗的功率小的多，且由于励磁电路的电阻的容量很小，控制很方便，故可以连续调节电阻值，实现无级调速。由于弱磁调速是从基速向上调速，而电动机的最高转速受换向条件及机械强 度的限制不能过高，因此该方法的调速范

18、围不大，一般为额定转速的1.21.8倍。改变磁通调速时，如果电动机拖动的是恒功率负载，即电动机的电磁功率为：Pm =TQ =Un la l；Ra=TL Q =常数则有电动机电枢电流不变，即la=常数。当负载功率为电动机的额定功率Pn时，电枢电流la = l N。在电力拖动系统中，直流电动机的调速常采用降低电枢电源电压从基速向 下调速与减弱磁通从基速向上调速相结合的调速方法。这样可以得到很宽的调速 范围，可以在调速范围之内任何需要的转速上运行，而且调速时消耗较小，运行效率较高，因此能很好地满足各种生产机械对调速的要求。（二）调速性能指标调速性能指标是衡量调速效果的依据，也是决定选用何种调速方法的

19、参考。 主要性能指标有以下四种。1、调速范围调速范围是指电动机在额定负载转矩下调速时， 最高转速与最低转速之比， 用D表示为：D=nmax/nmin（ 4-5 ）式中，D为电动机的调速范围。如果电力拖动系统仅由电气方法调速，则 D也是生产机械的调速范围。如果电力拖动系统用机械电气方法配合进行调速， 则生产机械的调速范围应为机械调速范围与电气调速范围的乘积。从调速性能讲，调速范围D越大越好。从式（4-5）可知，要扩大调速范围， 必须设法尽可能地提高nmax和降低门皿山。而电动机的最高转速nmax受机械强度、 换向等因素的限制，一般在额定转速以上转速的提高范围不大，最低转速nmin受 低速运行时的

20、相对稳定性限制。所谓相对稳定性，是指负载转矩变化时转速变化 的程度，转速变化越小，相对稳定性越好。调速时，若nmax 一定，能得到的门皿山越 小，调速范围D就越大。2、静差率静差率是指电动机在一条机械特性上运行时， 由理想空载到额定负载时转速 的变化率，用S表示为： nn- nS = X 100%= X 100%(4-6)n0n0静差率越小，负载变化时转速变化越小，转速的稳定性就越好。从式(4-6)可知，静差率取决于理想空载和额定负载下的转速降落。当理想空载转速定时，机械特性越硬，额定转矩时的转速降落n越小，静差率S越小。从调速性能讲，静差率S越小越好。一般生产机械对机械特性相对稳定 性的程度

21、是有要求的。调速时，为保持一定的稳定程度，总是要求静差率S 小于某一允许值。不同的生产机械，其允许的静差率是不同的，例如普通车 床可允许SW 30%，有些设备上允许SW 50%，而精度高的造纸机械则要求0.1%。静差率和机械特性的硬度有关系，但又有不同之处，两条互相平行的机 械特性，硬度相同，但静差率不同。如图所示：图3-2图中特性1和特性3平行，虽然 nN1 = A nN3,但由于n0n。，故。这说明同样硬度的机械特性，no越低，静差率S越大。由此可知，当采用降压调 速时，若电压最低的一条人为机械特性上的静差率满足要求，则其他各条机械特性上的静差率就都满足要求。这条电源电压最低的人为机械特性

22、上T=Tn时的转速，就是降压调速时得到最低转速 门皿 而电动机固有机械特 性上的转速nN则为最高转速nmax。当no相同时，特性越软，额定转矩时的转速降落 n越大，静差率越大。如图3-2中特性1和2,理想空载转速no相同，但特性2较软，故$2。 由此可知，当采用电枢回路串电阻调速时，若所串电阻最大的人为机械特性 上的静差率满足要求，则其他各条机械特性上的静差率就都满足要求。这条串电阻最大的人为机械特性上 T=Tn时的转速，就是串电阻调速是的最低转速nmin，而电动机故偶机械特性上的转速nN则为最高转速nmax。调速范围D和静差率S是既相互联系又相互制约的调速性能指标。采用 同一种方法调速时，静

23、差率S大，即静差率要求较低时可以得到较大的调速 范围D；反之，静差率S小，最低转速nmin高，调速范围D小。由上图可知,当静差率S定时，采用不同的调速方法，调速范围D是不同的。根据图3-2中的特性1和3，可推出调速范围D与低速静差率S之间的关系为：D=nmaxmaxnmin = nN(1-S)(4-7)式中，s为低速特性的静差率。3、调速的平滑性冷ni-i在一定的条范围内，调速的基数越多则认为调速的平滑性越好，无级调速的 平滑性最好。调速的平滑性有平滑系数书表示，他是相邻两级转速的比，即：(4-8)式中，ni，ni-i为相邻高一级转速和低一级转速。书值越接近1，则平滑性越好。4、调速的经济性调

24、速的经济性取决于调速系统的设备初投资、调速时电能的损耗及运行时的 维护费用等。选择调速方法时，应在满足调速范围 D、静差率S及调速平滑性要求的基础 上，力求设备投资少，电能损耗小维护简单方便。五结论通过这次课程设计，我感觉到我的收获不仅仅是增加了电机与拖动方面的知 识，更重要的是提高了自我学习的能力，知道了要创新，要做学问，要有所收获, 就应该多思考，多查阅资料，体会并且理解了很多在课堂上学不到的知识和能力！这次课程设计，是以后更深远的学习的一个很好的前奏，我学到了很多，这 个课程设计是一个规范的、严格要求的课程设计，也是我们学习必须经历的阶段。 这次设计不但对所学知识进行了巩固和加深，还从知

25、识的海洋里发觉了许多以前 不曾学懂的内容，对本课知识进行了补充和扩展，而且还增强了我的学习技巧性 和把握重点的能力。经过对这些资料的整理、理解和消化，使我对直流电机的调速有了更深一层 的理解。这次课程设计也许会又很多不足的地方， 希望老师多多批评，我也会在 以后的日子里不断学习提高自己动手的能力， 使以后的设计会更好，也使自己得 到更全面的提高！六参考文献【1】吴玉香主编电机及拖动【2】黄立培主编电动机控制【3】杨长能主编电机学【4】李发海主编电机学【5】刘启新主编电机与拖动基础化学工业出版社2007北京：清华大学出版社2003重庆：重庆大学出版社1994北京：科学出版社 1991北京：中国电力出版社2005【6】国家机械工业委员会.电机原理M.北京：机械工业出版社，1988.9【7】 胡双,马志云.永磁无刷直流电机系统建模研究J.电工技术杂志2003.8:17 21【8】西巴依洛夫，洛奥斯，刘锐乡.电机的数学摸拟M.北京：机械工业出版社，1985