他励直流电动机的调速设计.doc

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1.直流电动机的基本理论

1.1直流电动机的工作原理

1-1直流电动机的结构原理图

图1-1是直流电动机的结构原理图。

N和S是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。

在两磁极间装设一个可以绕轴而旋转的绕组，在它上面装有矩形的线圈abcd，这个部分通常叫做电枢。

线圈的两端分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环上。

换向片之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上，可随电枢一起转动。

A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。

来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里的。

当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，经电刷B流回电源负极。

这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。

电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向用左手定则来判断。

电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针方向旋转。

当电枢绕组的ab边转到了S极下，cd边转到了N极下时，由于连接在线圈两端的铜片和电刷的作用，电枢绕组中的电流方向变成d-c-b-a的方向，使电机继续按逆时针旋转。

1.2直流电动机的基本结构

1.定子

直流电动机的定子由以下几部分组成：

（1）主磁极：

即原理图中的N和S极。

它由励磁绕组和主磁极铁心两部分组成，如图1-2（a）所示。

主磁极铁心通常用1～1.5mm厚的钢板叠压而成。

（2）换向磁极：

简称换向极。

它是位于主磁极之间的比较小的磁极，也由铁心和绕组两部分组成，如图1-2（b）所示。

铁心一般用整块钢或钢板加工而成。

换向极绕组和电枢绕组串联。

换向磁极的作用是用来改善换向。

因为由图2.1可以看到当线圈转动到水平位置时，原来与电刷A接触的换向片要改为与电刷B接触。

原来与电刷B接触的换向片要改为与电刷A接触。

这是电流换向，电流的变化会在电枢绕组中产生感应电动势，从而在电刷和换向器之间产生火花。

当火花超过一定程度时，会烧蚀换向器和电刷，是电机不能正常工作。

装上换向极后，线圈转到水平位置时，正好切割换向极的磁通而产生附加电动势以抵消上述的换向电动势，使换向得到改善。

由于换向极是位于主磁极之间的小磁极，不会影响电机的正常工作。

（a）主磁极（b）机座

图1-2直流电动的定子

（3）机座：

用铸钢或厚钢板制成，外形如图1-2（b）所示。

主磁极和换向极都用螺栓固定在基座的内壁上。

机座是构成直流电动机磁路的一部分。

（4）端盖等：

基座的两边各有一个端盖。

端盖的中心处装有轴承，用来支撑转子的转轴。

电刷插在电刷架的刷握中，顶上有一个弹簧压板，使电刷在换向器上保持一定的接触压力。

电刷架固定在端盖上。

2.转子

直流电机的转子主题如图1-3（a）所示，它包括以下几部分：

电枢铁心有图1-3（b）所示的硅钢片叠成，表面有许多均匀分布的槽。

（a）转子主体（b）电枢钢片

图1-3直流电机的转子

（1）电枢绕组：

实际的电枢绕组并不像原理图那样只有一个线圈，而是由许多线圈按一定规则连接起来的。

电枢绕组的作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量交换的关键部件。

他由许多线圈按一定规律连接而成，不同线圈的线圈边分上下两层嵌放在电枢槽中，线圈和铁心之间和上、下两层线圈边之间都必须妥善绝缘，为防止离心力将线圈边甩出槽外，槽口用槽楔固定。

（2）换向器：

由许多换向片组成，外呈圆柱形，片于片之间用云母绝缘。

在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变。

（3）风扇等。

2.他励直流电动机

2.1他励直流电动机的运行分析

他励电动机的电路如图2-1所示，励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立电源供电。

在励磁电压Uf的作用下，励磁绕组中通过励磁电流If，产生主磁极Ф。

在电枢电压Ua的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia。

电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T，拖动生产机械以某一转速n运转。

电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E。

电动势的方向与电枢电流的方向相反。

1.电流

在励磁电路中，励磁电流

在电枢电路中，根据基尔霍夫电压定律U=E+RaIa

由此求得电枢电流为

+

Ua

－

+

Uf

－

M

If

Ia

图2-1他励电动机

2.转速

他励电动机的转速为：

3.转向

直流电动机的转子旋转方向由电磁转矩的方向决定，改变电磁转矩的方向即可改变电动机的转向。

电磁转矩的方向由磁场的方向和电枢电流的方向决定，两者之中任意改变一个都可以改变电磁转矩的方向，从而也就改变了电动机的旋转方向。

2.2他励直流电动机的机械特性

他励电动机的转速与转矩之间有如下关系

机械特性斜率为

机械特性硬度为

2.2.1固有机械特性

由方程

得到他励电动机的固有特性，如图2-2所示，由于电枢电阻很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。

固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。

固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。

这时的电枢电流等于换向所允许的最大电枢电流。

对应转矩是电动机所允许的最大转矩。

临界状态说明了电动机的短时过载能力。

图2-2他励电动机的固有特性

2.2.2人为特性

（1）增加电枢串接电阻的人为特性

在他励直流电动机的电枢电路中串入外接电阻，由，这时相当于电路电枢电阻Ra增加，理想空载转速n0不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图2-3所示，串入电阻越大，人为特性斜率越大，硬度越小。

（2）增加电枢电路电阻时的人为特性

降低时，n0减小，不变，不变，人为特性如图2-4所示，机械特性平行下移。

图2-3增加电枢电阻的人为特性图2-4降低电枢电压的人为特性

（3）减弱励磁电流时的人为机械特性

减小励磁电流，则磁通减小，增加，增加，减小，人为特性如图2-5所示。

图2-5降低电枢电压的人为特性

3.他励直流电动机的调速

调速是指在负载转矩不变的条件下通过人为的方法改变电动机的有关参数，从而调节电动机和整个拖动系统的转速。

调速与因负载变化而引起的转速变化是不同的，从他励电动机的机械特性方程式的一般形式：

n==-=n-

可以看出他励直流电动机的调速方法有三种：

（1）改变电枢回路总电阻Ra；

（2）改变电枢供电电压Ua；

（3）改变励磁磁通。

3.1改变电枢电阻调速

原理电路图3-1（a）所示，即在电枢电路内串联一个调速变阻器。

n=-

以电动机拖动通风机负载为例，他们的机械特性和负载特性如图3-1（b）所示。

调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。

R改变的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点由a平移到人为特性上的b。

由于此时T

系统在比原来低的转速下重新稳定运行。

显然，电枢电路内串入的电阻越大，n越低。

If

＋

Ua

－

Ia

＋

Uf

－

M

（a）

O

T

n

Ra

Ra＋Rr

TL

b

c

n0

a

（b）

图3-1改变电枢电路的电阻调速

这种调速方法的调速性能如下：

（1）调速方向是往下调。

（2）调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。

（3）调速的稳定性差。

因为电阻增大后，机械特性硬度降低，静差率增大。

（4）调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。

（5）调速范围不大，因为低速时静差率的限制。

（6）调速时的允许负载为恒转矩负载。

总之这种调速方法缺点甚多，所以只适用于调速范围不大，调速时间不长的小容量电动机。

3.2改变电枢电压调速

降低电枢电压是电动机的机械特性如图3-2所示。

现以电动机拖动恒转矩为例。

调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。

U降低的瞬间，工作点由a平移到人为特性上的b点，最后稳定运行在c点。

显然，U越小，n越低。

O

T

n

Ua'

Ua"

TL

b

c

n0'

n0"

a

图3-2改变电枢电压调速

这种调速方法的调速性能如下：

（1）调速的方向是往下调。

（2）调速的平滑性好，只要均匀地调节电枢电压就可以实现平滑的无级调速。

（3）调速的平稳性要比第一种好，但是随着电压的减小，转速的降低，稳定性会逐渐变差。

这是因为电枢电压减小时，机械特性的硬度虽然不变，但是理想空载转速降低，静差率逐渐增大

（4）调速的经济性方面初期投资大，需专用的可调压直流电源。

（5）调速范围大，远比第一种大得多。

（6）调速时允许负载为恒转矩负载。

总之，这是一种性能优越的调速方法，广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中。

3.3改变励磁电流调速

改变励磁电流的大小便可改变磁通的大小，从而达到调速的目的。