辽宁工程技术大学《电机与拖动》课程设计设计题目：他励直流电动机调速系统设计院（系、部）：电气与控制工程学院专业班级：电气12-4姓名：高明学号：1205040404指导教师：刘春喜荣德生王继强李国华日期：2014-6-26电气工程系课程设计标准评分模板摘要直流电动机是人类最早发明的和应用的一种电机，是生产和使用直流电能的机电能量转换机械，直流电动机具有调速性能好、启动和制动转矩大、过载能力强等优点，因此广泛应用于启动和调速要求的机械上。
直流发电机可以作为各种直流电源。
随着电子技术的发展，可控硅整流电源在生产上的应用越来越广泛，大有取代直流发电机的趋势。
反过来，由于利用了可控硅整流电源，使直流电源机的应用增加了一个有利因素，而配合直流电动机组成的调速系统也正在迅速发展。
本文主要介绍他励直流电动机调速的有关方法及其参数设计。
关键字：直流电机调速串电阻参数设计目录1 引言 (1)2 直流电动机的基本结构和工作原理 (2)2.1 直流电动机的基本结构 (2)2.1.1 定子（磁极） (2)2.1.2 转子（电枢） (2)2.2直流电机的励磁方式 (2)2.3 直流电动机的工作原理 (3)3 直流电动机的机械特性 (3)3.1 固有机械特性 (3)3.2 人为机械特性 (4)4 他励直流电动机的调速 (4)4.1 他励直流电动机电枢串电阻调速 (4)4.2 他励直流电动机改变电枢电压调速 (5)4.3 他励直流电动机改变励磁电流调速 (6)5 直流电动机调速设计内容 (7)6 结论 (9)参考文献 (10)1 引言直流电机是生产和使用直流电能的机电能量转换机械。
将机械能转换成直流电能的，成为直流发电机；将点呢过转换为机械能，称为直流电动机。
直流电动机具有调速性能好、启动和制动转矩大、过载能力强等优点，因此广泛应用于启动和调速要求高的机械上。
例如轧钢机、机床、电车、电气轨道牵引、挖掘机械、纺织机械等。
直流发电机可以作为各种直流电源。
例如直流电动机的直流电源、同步电机的励磁电源以及化学工业方面用于电解电镀的低压大电流直流电源等。
与交流电机相比，直流电机的主要缺点是换向问题，他限制了直流电机的极限容量，又使直流电机的结构复杂，消耗较多有色金属，维护比较麻烦，致使直流电机的应用受到一定限制。
直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。
直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。
这种方法简单易行、设定制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。
该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场所。
30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。
这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。
但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。
近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。
特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了跟大的提高。
电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。
电动机所驱动的负载，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的调速。
调速的原理是在电动机转子上增加或减小力矩，具体有三种方法，改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。
2 直流电动机的基本结构和工作原理2.1 直流电动机的基本结构直流电动机主要由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。
2.1.1 定子（磁极）磁极是电机中产生磁场的装置，如图1-1所示。
它分成主磁极（极心）和换向磁极（极掌）两部分。
极心又分成励磁绕组和主磁极铁心两部分，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。
极掌的作用是改善换向，即当线圈转到水平位置时，正好切割极掌的磁通而产生附加电动势以抵消换向电动势，使换向得到改善。
机座是用来固定主磁极、换向极和端盖等部件，磁极都用螺栓固定在机座的内壁上，因此机座也是主磁路的一部分；机座一般用导磁性能较好的铸钢和厚钢片焊接而成。
2.1.2 转子（电枢）电枢是电机中产生感应电动势的部分，主要由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇等组成。
直流电机的电枢铁芯是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。
电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流，实现机电能量转换，换向器是直流电机的一种特殊装置，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。
主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。
在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。
换向器是直流电机的结构特征，易于识别。
2.2直流电机的励磁方式直流电机励磁方式分为四种：他励、并励、串励、复励。
（1）他励直流电机：励磁电流由其他直流电源单独供给，与电枢绕组无任何关系。
（2）并励直流电机：励磁绕组与电枢绕组并联。
（3）串励直流电机：励磁绕组和电枢绕组回路串联，流过励磁绕组的电流即是电枢电流。
（4）复励直流电机：主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组回路并联，；一个与电枢绕组串联。
图1 励磁方式分类2.3 直流电动机的工作原理直流电动机电刷两端接直流电源电流从电源正极流入电刷A ，经导体ab 到cd ，从电刷B 流回到电源负极。
由电磁定律可知，导体ab ，cd 受力大小为：F=BLIB 为磁场强度，单位T ；L 为导体长度，单位m ；I 为导体中流过电流，单位A 。
由左手定则可知图中瞬间导体ab 、cd 受力方向相反，力F 乘以转子半径等于电磁转矩。
若果电磁转矩能够克服阻转矩，电枢就会如图示沿逆时针方向旋转。
当电枢转过180°时，cd 转到N 极下，ab 转到S 极下，电流仍从电刷A 流入，电刷B 流出，方向为d→c→b→a 。
同样依据左手定则有导体ab ，cd 上所受力仍相反，电磁转矩方向不变，因此电枢仍沿逆时针方向转动。
通过分析可知，导体中的电流是交变电流，然而电磁转矩方向不变，其原因在于通过电刷和换向器的作用使得通过N ，S 极下的导体中电流方向始终不变，从而由力矩定义可知，电磁转矩方向始终不变，电枢能够沿同一个方向继续旋转，将直流电能转化为机械能。
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。
他励直流电动机的基本方程 U=E a +I a R a E a =C E Φn T em =C E ΦI a T em =T 2+T 0=T LI f =f fR U其中U 是电枢两端电压，I a 是电枢电流，E a 是电枢感应电势，T em 是电磁转矩，T 2是转轴输出转矩，T 0是空载转矩。
3 直流电动机的机械特性3.1 固有机械特性直流电动机的机械特性是电动机机械性能的主要表现，是指电动机的电枢加上一定的端电压U 和一定的励磁电流If 时，转速n 和电磁转矩T 的关系，即n=f （T ）。
在本设计中我们只讨论他励直流电动机。
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，如图3-1所示。
在励磁电压Uf 的作用下,励磁绕组中通过励磁电流If ，从而产生主磁极磁通Φ。
在电枢电压U 的作用下，电枢电流为I 。
电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T ，从而拖动产生机械以某一转速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方向相反。
图2 他励直流电动机固有机械特性他励电动机固有特性如图3-2所示，由于电枢电路电阻R很小，所以机械特性的斜率γ很小，硬度α很大，固有特性为硬性。
固有特性上的no点为理想空载转速，N点为电动机的额定状态，这时电动机的电压、电流、功率和转速都为额定值。
M点为电动机的临界状态，这时的电枢电流Ia等于换向所允许的最大电枢电流Iamax=（1.5~2.0）IaN。
3.2 人为机械特性直流电动机的机械特性一般表达式：n=U/(C EΦ)-（R+Ra）T/(C T C EΦ2)人为地改变他励直流电动机串联的电阻R的大小、电枢端电压U以及励磁磁通Φ，都可以使其机械特性发生改变，这些有人为原因改变的机械特性称为人为机械特性。
主要有三种情况：(1)电枢回路串电阻的人为机械特性。
即改变R的值。
(2)改变电枢电压时的人为机械特性。
即改变U的值。
(3)改变气隙每极磁通时的人为机械特性。
即改变的值Φ。
4 他励直流电动机的调速4.1 他励直流电动机电枢串电阻调速他励直流电动机串电阻调速原理图如图4-1，即在电枢电路内串联一个调速变阻器。
保持电源电压及励磁电流为额定值不变，调节变阻器，电动机将运行于不同的转速，机械特性如图4-2，图中的负载为恒转矩负载。
图3 原理图图4 机械特性从图4-2可以看到，调速前，系统工作a点，电阻改变R的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点有a平移到人为特性上的b点。
由于此时T<TL,n下降，工作点沿人为特性由b点移至c点为止。
系统在比原来低的转速下重新稳定运行。
调速方法的调速性能如下：1) 调速时，由公式(Ra + R)增大则n就下降，(Ra + R)与n成反比，故调速方向是往下调。
2) 调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。
如能均匀的调节变阻器的电阻值，可实现无级调速。
不过，一般调速电阻多为分级调节。
故为有级调速。
3) 调速的稳定性差，因为R增加后，机械特性硬度降低，静差率δ增大。
4) 调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗Ia2（Ra+R）增加，运行效率低。
5) 调速范围不大，因受低速时静差率的限制。
6) 调速时的允许负载为恒转矩负载。
因为调速时的Φ基本不变，满载电流即额定电流IaN一定，又T=CTΦIa，因此，各种转速下也许输出的转矩相同，属于恒转矩调速。
总之，这种调速方法缺点甚多，调速的经济性很差、调速方法简单，控制设备不复杂、一般用于调速性能要求不高的中、小电动机上，大容量电动机不采用。
4.2 他励直流电动机改变电枢电压调速他励直流电动机的电枢回路不串联电阻，用一可调的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。
励磁绕组由另一电源供电，保持励磁磁通为额定值。
电枢电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，机械特性如图3-3可以看出，当电枢电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；电压降到U1后，交点为A1，转速为n1；电压为U2，交点为A2，转速为n2。
电枢电压越低，转速也越低。
