a他励直流电动机调速过程及其特点的分析.docx
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a他励直流电动机调速过程及其特点的分析
《电机学》研究性报告
他励直流电动机调速过程及其特点的分析
学院：
电气工程学院
姓名：
李静怡
学号：
11291240
班级：
电气1108班
指导老师：
郭芳
目录
一、训练载体研究内容３
二、生产机械负载类型的种类和特点３
（一）恒转矩负载特性３
（二）恒功率负载特性４
（三）通风机类负载特性４
三、基于他励直流电动机的三种调速方法５
（一）电枢回路串电阻调速５
（二）降低电源电压调速６
（三）弱磁调速７
四、他励直流电动机调速过程对电磁转矩和电磁功率的限制８
（一）电枢回路串电阻调速８
1、改变
对电磁转矩的影响８
2、改变
对电磁功率的影响９
（二）降低电源电压调速１０
1、改变
对电磁转矩的影响１０
2、改变
对电磁功率的影响１２
（三）弱磁调速１３
1、改变励磁电流
对电磁转矩的影响１３
2、改变励磁电流
对电磁功率的影响１４
五、调速方法与负载类型的配合１５
六、对本次研究性训练的总结分析１６
一、训练载体研究内容
1查阅资料，了解生产机械负载类型的种类和特点。
2针对他励直流电动机的三种调速方法，分别研究和分析其调速过程中，电机的电磁转矩或电磁功率的限制或变化特点，可利用MATLAB软件，以一台实际他励直流电机为例，分别对三种调速过程的电磁转矩和电磁功率等进行编程计算，并绘制出变化曲线。
最后总结出相关结论。
3根据不同类型负载的特点，分析与之匹配的调速方法。
4对所有的分析结果进行总结。
谈谈本次研究性训练的收获。
二、生产机械负载类型的种类和特点
（一）恒转矩负载特性
恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩
与转速n无关的特性。
分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。
1.反抗性恒转矩负载
反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩的大小不变,但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反,总是阻碍电动机的运转。
反抗性恒转矩负载特性应画在一三象限内，这类负载有金属的压延机构，机床的平移机构等。
2.位能性恒转矩负载
位能性恒转矩负载的特点是负载转矩的极性不随转速方向的改变而改变。
因此，恒转矩负载根据负载转矩的方向与旋转方向有关。
位能性恒转矩负载特性应画在一四象限，起重类型负载中的重物多属这类负载。
（二）恒功率负载特性
恒功率负载特点是：
负载的转矩
与转速n的乘积为一常数，即
与n成反比。
特性曲线为一条双曲线，这里只画了转速为正时的特性，当转速为负时，恒功率负载特性曲线应在第三象限，并与第一象限内的特性曲线对称。
（三）通风机类负载特性
负载的转矩
基本上与转速n的平方成正比。
负载特性为一条抛物线。
图中只画了转速为正时的特性，当转速n反向时，特性应在第三象限，且与第一象限的特性曲线对称。
属于通风机的生产机械有通风机、水泵。
油泵等。
实际生产机械通风机除了主要负载特性以外，轴承上还承受一定的摩擦转矩，负载特性为
，其中
为恒摩擦转矩。
三、基于他励直流电动机的三种调速方法
电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。
通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。
我们主要分析他励直流电动机的电气调速方法及其特点。
由他励直流电动机的转速公式
（3-1）
可知，改变电动机转速有三种方法：
1、电枢电路串电阻调速
2、降低电枢电压调速
3、弱磁调速
各种调速方法的特点：
（一）电枢回路串电阻调速
他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串人不同的电阻时，电动机运行于不同的转速。
电枢回路串电阻，所串电阻上会产生很大的损耗，转速越低，损耗越大；
串入的电阻越大，机械特性越软，在低速运行时，转速稳定性较差；
由于电枢电流较大，调速电阻的容量也较大，较笨重，不易做到电阻值的连续调节，因而电动机转速也不能连续调节，一般最多分为六级；
由于调速简单，设备投资较少。
（二）降低电源电压调速
保持他励直流电动机磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压为不同大小时，电动机拖动者负载运行于不同的转速上。
降低电源电压，电动机机械特性的硬度不变，可以使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，转速稳定性相对较好；
无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5~12；
调速的经济性较好，因为降低电源电压调速时输入功率同时减小，低速时损耗还小；
当电源电压连续变化时，转速的变化也是连续的，这种调速称为无级调速，与串电阻调速（有级调速）相比，这种速度调节要下滑得多，并且还可以得到任意多级的转速。
因此降低电源电压从基速向下调速的调速方法，在直流电力拖动系统中被广泛采用。
（三）弱磁调速
保持他励直流电动机电源电压不变，电枢回路也不串电阻，在电动机拖动的负载转矩不过分大时．降低他励直流电动机的磁通，可以使电动机转速升高。
弱磁调速，一般直流电动机，为避免磁路过饱和只能弱磁不能强磁。
增加励磁回路电阻Rf，励磁电流和磁通减小，电动机转速随即升高，机械特性变软；
他励直流电动机，正常运行情况下，励磁电流比电枢电流要小很多，因此励磁回路中所串的调速电阻消耗的功率要比电枢回路串调速电阻时电阻消耗的功率小得多；
减弱磁通升高转速的转速调节，电动机转速最大值受换向能力与转子机械强度的限制，一般D=1~2；
由于电阻的容量很小，控制很方便，可以连续调节电阻值，实现转速连续调节的无级调速。
为避免电动机转子绕组受离心力过大而撤开损坏，弱磁调速时应注意电动机转速不超过允许限度。
四、他励直流电动机调速过程对电磁转矩和电磁功率的限制
由转速公式（3-1）可知
（4-1）
（4-2）
以一台实际他励直流电机为例，观察实验室直流电动机铭牌后，根据实际设参数为：
；
；
；
；
；
。
式（4-1）表示改变参数对电磁转矩的影响，式（4-2）表示改变参数对电磁功率的影响。
对三种调速方法做基于MATLAB软件仿真的编程，得出变化曲线：
（一）电枢回路串电阻调速
1、改变
对电磁转矩的影响
MATLAB编程：
T=0:
0.1:
500;
n1=815-1.44*0.5*T;
n2=815-1.44*（0.5+1）*T;
n3=815-1.44*（0.5+2）*T;
n4=815-1.44*（0.5+3）*T;
n5=815-1.44*（0.5+4）*T;
plot（T,n1,T,n2,T,n3,T,n4,T,n5）
xlabel（'电磁转矩Te'）,ylabel（'转速n'）;
title（'电枢串电阻调速对电磁转矩影响曲线'）;
text（400,500,'R0=0'）;
text（400,-100,'R0=1'）;
text（400,-700,'R0=2'）;
text（400,-1300,'R0=3'）;
text（400,-1950,'R0=4'）
得出的变化曲线如下：
分析：
串联电阻后，曲线下降趋势越明显，呈直线下降。
电枢回路电阻越小，电磁转矩
越小。
串联电阻越大，变化范围越广泛。
2、改变
对电磁功率的影响
MATLAB编程：
P=0:
0.1:
2600;
n1=（220-（48400-4*0.5*P）.^（1/2））/0.54;
n2=（220-（48400-4*（0.5+1）*P）.^（1/2））/0.54;
n3=（220-（48400-4*（0.5+2）*P）.^（1/2））/0.54;
n4=（220-（48400-4*（0.5+3）*P）.^（1/2））/0.54;
n5=（220-（48400-4*（0.5+4）*P）.^（1/2））/0.54;
plot（P,n1,P,n2,P,n3,P,n4,P,n5）
xlabel（'电磁功率Pe'）,ylabel（'转速n'）;
title（'电枢串电阻调速对电磁功率影响曲线'）;
text（2600,25,'R0=0'）;
text（2600,75,'R0=1'）;
text（2600,130,'R0=2'）;
text（2600,200,'R0=3'）;
text（2600,330,'R0=4'）
得出的变化曲线如下：
分析：
由图看出，图中非直线但趋于平滑直线，回路电阻越大，使曲线向上弯曲越明显。
可看出电阻增大，电磁功率越小。
串联电阻越小，线性特性越好。
（二）降低电源电压调速
1、改变
对电磁转矩的影响
MATLAB编程：
T=0:
0.1:
2000;
n1=3.7*200-0.7*T;
n2=3.7*400-0.7*T;
n3=3.7*600-0.7*T;
n4=3.7*800-0.7*T;
plot（T,n1,T,n2,T,n3,T,n4）
xlabel（'电磁转矩Te'）,ylabel（'转速n'）;
title（'降低电枢电压调速对电磁转矩影响曲线'）;
text（600,450,'Uo=200V'）;
text（600,1200,'Uo=400V'）;
text（600,1900,'Uo=600V'）;
text（600,2600,'Uo=800V'）
得出的变化曲线如下：
分析：
此图中可看出，横轴不变时，纵轴保持一定的距离，斜率相同。
转速变化较小，稳定性较好。
U越大，可选择的转速范围越宽，电磁转矩随电压增大而增大。
2、改变
对电磁功率的影响
MATLAB编程：
P=0:
0.1:
3000;
n1=（200-（200^2-2*P）.^（1/2））/0.54;
n2=（400-（400^2-2*P）.^（1/2））/0.54;
n3=（600-（600^2-2*P）.^（1/2））/0.54;
n4=（800-（800^2-2*P）.^（1/2））/0.54;
n5=（1000-（1000^2-2*P）.^（1/2））/0.54;
plot（P,n1,P,n2,P,n3,P,n4,P,n5）
xlabel（'电磁功率Pe'）,ylabel（'转速n'）;
title（'降低电枢电压调速对电磁功率影响曲线'）;
text（2500,23.5,'Uo=200V'）;
text（2500,12,'Uo=400V'）;
text（2500,7.5,'Uo=600V'）;
text（2500,5.7,'Uo=800V'）;
text（2500,4.5,'Uo=1000V'）
得出的变化曲线如下：
分析：
如图，呈直线上升趋势，转速随电磁功率增大而增大。
降低电压使得电磁功率减小。
当所加电压U变大时，转速变化的能力就越弱。
（三）弱磁调速
1、改变励磁电流
对电磁转矩的影响
MATLAB编程：
T=0:
0.1:
1000;
n1=88/0.1-0.008/0.1^2*T;
n2=88/0.2-0.008/0.2^2*T;
n3=88/0.3-0.008/0.3^2*T;
n4=88/0.4-0.008/0.4^2*T;
n5=88/0.5-0.008/0.5^2*T;
plot（T,n1,T,n2,T,n3,T,n4,T,n5）
xlabel（'电磁转矩Te'）,ylabel（'转速n'）;
title（'弱磁调速对电磁转矩影响曲线'）;
text（200,720,'{\Phi}=0.1Wb'）;
text（200,405,'{\Phi}=0.2Wb'）;
text（200,300,'{\Phi}=0.3Wb'）;
text（200,220,'{\Phi}=0.4Wb'）;
text（200,180,'{\Phi}=0.5Wb'）
得出的变化曲线如下：
分析：
由图发现，磁通量越大曲线变化趋势越小，甚至可接近于不变，弱磁时，电磁转矩随励磁电流增大而减小。
2、改变励磁电流
对电磁功率的影响
MATLAB编程：
P=0:
0.1:
3000;
n1=（220-（48400-2*P）.^（1/2））/（5*0.1）;
n2=（220-（48400-2*P）.^（1/2））/（5*.2）;
n3=（220-（48400-2*P）.^（1/2））/（5*0.3）;
n4=（220-（48400-2*P）.^（1/2））/（5*0.4）;
n5=（220-（48400-2*P）.^（1/2））/（5*0.5）;
plot（P,n1,P,n2,P,n3,P,n4,P,n5）
xlabel（'电磁功率Pe'）,ylabel（'转速n'）;
title（'弱磁调速对电磁功率影响曲线'）;
text（2500,23,'{\Phi}=0.1Wb'）;
text（2500,12,'{\Phi}=0.2Wb'）;
text（2500,8,'{\Phi}=0.3Wb'）;
text（2500,6,'{\Phi}=0.4Wb'）;
text（2500,4,'{\Phi}=0.5Wb'）
得出的变化曲线如下：
分析：
比较图与降低电枢电压对电磁功率的影响曲线发现趋势基本相同，减弱磁通电磁功率随之减小，磁通越小，转速增大趋势越明显。
五、调速方法与负载类型的配合
当电动机调速时，在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。
以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。
电枢串电阻调速和降压调速时，磁通
保持不变，若在不同转速下保持电流
不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为：
电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值——恒转矩调速。
减弱磁通调速时，磁通
是变化的，在不同转速下若保持电流
不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为
电动机的容许输出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值——恒功率调速。
由此可见，为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。
拖动恒功率负载时，应采用恒功率调速方式。
对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。
六、对本次研究性训练的总结分析
通过此次研究性训练，我对他励直流电动机的调速特性有了更深一层的理解，在生产机械工作中调节转速对电动机十分重要，本次只介绍和研究了电气调速方法，但我却对直流电动机的运行和调速大致了解一遍，发现在课上本章虽没有深入讲解，直流电机的内容博大精深，我们只是了解了它的原理和特性，对其参数对电机的影响仅知皮毛。
直流电动机广泛应用于各种场合,由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高效率，优异的动态特性，现在仍是大多数调速控制电动机的最优选择，为使机械设备以合理速度进行工作则需要对直流电机进行调速。
调速是电动机应用的重要方面。
通过对他励直流电动机的三种调速方法的理解，为了使电动机在调速过程中得到充分利用，需要我们开动脑筋，利用各种软件和实践结果来总结三种调速方法对电磁转矩和电磁功率的影响及与不同类型负载如何配合。
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