直流电动机调速设计

目录
1．直流电动机简介 (1)
2．直流电动机的相关内容 (1)
3．直流电动机调速简介 (4)
4．他厉直流电动机的调速方法 (6)
5．设计内容 (10)
6．结论 (12)
7．参考文献 (13)
8．致谢 (14)
9．设计感想 (15)
直流电动机调速设计
一. 直流电动机
直流电动机是人类最早发明和应用的电机。

与交流电机相比，直流电机因结构复杂，维护困难，价格较贵等缺点制约了它的发展，但是由于直流电动机具有优良的起动，调速和制动性能，因此在工业领域中占有一席之地。

它是实现了电能转换成机械能的电机。

二.有关内容：
〈一〉直流电动机的分类
1、他励直流电动机
2、并励直流电动机
3、串励直流电动机
4、复励直流电动机
〈二〉直流电动机用途
直流电动机具有优良的调速性能，调速范围宽，精度高，平滑性好，且调节方便，还具有较高的过载能力和优良的起动、制动性能，因此直流电动机特别适合于要求宽度调速范围的电气传动和有特殊性能要求的自动控制系统，例如：轧钢机、电力机、城市电车等。

直流电机与交流电机相比，其主要的缺点是换向问题。

它限制了直流电机的最大容量，增加了运行维护工作量，也导致其制造成本较高。

但目前仍有不少场合使用直流电动机。

〈三〉直流电动机的结构
图1 直流电机装配结构图
1—换向器 2—电刷装置 3—机座 4—主磁极 5—换向极 6—端盖 7—风扇 8—电枢绕组 9—电枢铁心
直流电动机主要由磁极，电枢，换向器三部分组成。

（1）磁极是电动机中产生磁场的装置，它分为极心和极掌两部分。

极心上放置励磁绕组，极掌的作用是使电动机空隙中磁感应强度得分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座上；机座也是磁路的一部分。

机座常用铸钢制成。

（2）电枢。

电枢是电动机中产生感应电动势的部分。

直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心成圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。

（3）换向器。

换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要有许多换向片组成，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，使转动的电枢绕组可以同外电路连接。

换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。

三.直流电动机调速
一、什么是调速
在现代工业中，为了提高生产率和满足生产工艺的要求，生产机械需要在不同速度下运行。

例如：车床切削工件时，粗加工用低速，精加工用高速；轧钢机在轧制不同钢种和不同规格的钢材时，需用不同的轧制速度。

这些事例说明，生产机械的工作速度需要根据工艺要求而可以调节。

所谓调速，就是根据生产机械工艺要求人为的改变电力拖动系统的速度。

二、调速的方法
1、机械调速：电动机的速度不改变，仅改变传动机械的传动比来改变工 作机构的速度。

2、电气调速：人为的改变电动机的参数，使同一个机械负载得到不同的 转速。

3、电气—机械调速：电气调速与机械调速相结合。

三、调速的技术指标
1、调速范围
指电动机在额定负载下调节转速时，它所能达到的最高转速与最低转速之比，即
D=n max /n min
不同的生产机械对电机的调速范围有不同的要求。

要扩大调速范围，必须尽可能的提高电动机的最高转速和降低电动机的最低转速。

最高转速受电动机换向条件及机械强度的限制；最低转速受生产机械对转速的相对稳定要求限制。

2、静差率（调速得相对稳定性）
转速的相对稳定性是指负载变化时，转速变化的程度。

转速变化小，其相对稳定性好。

转速的相对稳定性用静差率S 表示
S=o
o n n n
如图1所示
不同的生产机械，其允许的静差率是不同的。

若对静差率这一指标要求过高，即S 值越小，则调速范围D 就越小。

反之，若要求调速范围D 越大，则静差率S 也越大，转速的相对稳定性越差。

3、调速的平滑性
在一定的调速范围内，调速的级数越多，则认为调速越平滑。

平滑性用平滑系数衡量，它是相邻两级之比
k=n i / n i-1
k 越接近1，则系统调速的平滑性越好。

当k=1时，称无级调速，即转速可以连续调节。

4、调速的经济性
调速的经济性指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程中的损耗，一般可以用来说明。

P P P ∆-=2
2η
四 调速的方法分类
（1）、电枢回路串电阻调速
（2）、降低电枢电压调速
（3）、减弱励磁磁通调速
四 他励直流电动机的调速方法
〈一〉、改变电枢电阻调速
（1）、电枢回路串电阻
保持电源电压及励磁电流额定值不变，只在电枢回路中串入电阻时的人 为特性为：
T C C R R C U n N
T e s a N e N 2ψ+-ψ= 与固有特性相比，电枢串电阻时理想空载转速n 0不变，但斜率β随串联电阻s R 的增大而增大，所以特性变软。

在电枢回路中串入不同的电阻时，电动机将运行于不同的转速，如图2所示：（图中的负载为恒转矩负载）
从图中可以看出，当电枢回路串入电阻时，电动机的机械
特性将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。

（2）、优点
实现简单，操作方便。

（3）、缺点
1） 低俗时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差。

2） 只能在基速以下调节速，因而调速范围较小，一般D ≤2。

3） 由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差。

4） 由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转速越低，能耗越
大。

〈二〉、改变电枢电源电压调速
由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化。

保持电枢电阻和励磁磁通不变，只改变电枢电压U 时的人为特性为
T C C R C U n N T e a N e 2'ψψ-=
与固有特性相比，降低电压时的人为特性的斜率β不变，但理想空载转速o n 随电压的降低而正比减小。

因此降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线，如图3所示：（拖动的负载为恒转矩负载）
从图中可以看出，当电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A ，转速为n ;电压降低到
U 1后，交点为n 1;电压为U 2,交点为A 2,转速为n 2;电压为U 3,交点为A 3,转速为n 3;电枢电源电压越低，转速也越低。

同样，改变电枢电源电压调速方法的调速范围也只能在额定转速和零转速之间调节。

（2）、优点
1） 电源电压能够平滑调节，可以实现无级调速。

2） 调速前后机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时，速度稳定性好。

3） 无论轻载还是重载，调速范围相同，一般可达D=2.5~12。

4） 电能损耗较小，专素下调时可再生制动，调速经济性较好。

（3）、缺点
需要一套电压可连续调节的直流电源。

〈三〉、弱磁调速
改变励磁回路调节电阻，就可以改变励磁电流，从而改变励磁磁通。

由于电动机额定运行时，磁路已经开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许再大幅度的增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。

保持电枢电源电压、电枢电组a R R =不变，只减弱磁通ψ时的人为特性为 T C C R C U n T e a e N 2ψ
-ψ= 电动机拖动的负载转矩不很大时，减小直流电动机的励磁磁通时，可使电动机的转速升高。

如图四所示
图4
从图中可以看出，当励磁磁通为额定值N Φ时，电动机和负载的机械特性的交点为A,转速为n;励磁磁通为2Φ时，理想空载转速增大，同时机械特性的斜率也变大，交点为A 2,转速为
n 2;励磁磁通减少为1Φ时，交点为A 1转速为n 1。

弱磁调速的范围是在额定转速与电动机所允许最高转速之间调节，单独使用弱磁调速的方法，调速的范围不会
很大。

2）、优点
1）控制方便，能量损耗小。

2）可连续调节励磁电流，以实现无级调速。

3）设备简单，调速平滑性好。

4）由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，经济性比较好。

（3）、缺点
1）机械特性的斜率变大，特性边软。

2）转速的升高受到电机换向的能力和机械强度的限制，在额定转速以上采用弱磁调速。

3）调速范围一般不大D2。

〈五〉、调速方式与负载类型的配合
为了是使电动机得到充分利用，根据不同的负载，应选用相应的调速方式。

通常，恒转矩负载应采用恒转矩调速方式，恒功率负载应采用恒功率调速方式，这样可是调速方式与负载类型相匹配，电动机可以被充分利用。

恒转矩调速方式指，在整个调速过程中保持电动机电磁转矩T不变。

恒功率调速方式指，在整个调速过程中保持电动机电磁功率P不变。

电枢电路串接电阻调速和降压调速属于恒转矩方式，而弱磁调速属于恒功率调速方式。

对于风机负载，三种调速方法都不十分合适，但采用电枢电路串接电阻调速和降压调速要比弱磁调速合适一些。

四、设计内容：
一台他励直流电动机，其铭牌数据为：
22=N P KW
220=N U V
110=N I A
1500=N n r/min 已知电枢电阻1.0=a R Ω，电动机拖动额定恒转矩负载运行
⑴若采用电枢串电阻的方法将转速降至1000 r/min ，应串多大的电阻？ ⑵若采用降低电源电压的方法进行调速，将转速调至1000 r/min ，电源电压应为多少伏？
⑶采用改变励磁电流调速，若要将转矩增加至1800 r/min ，ΦE C 等于多少？
内容解析：
1、电枢串接电阻调速
根据他励直流电动机的电动平衡方程式，可得到额定运行时的电枢电动势为
=-=a N N aN R I U E 220－110⨯0.1=209
根据n C E E a Φ=，由于串电阻调速前后的磁通Φ不变，因此调速前后的电动势与转速成正比，故转速为1000 r/min 时的电动势为 1500
1000==aN N a E n n E ×209=139.3 V 根据a T I C T Φ=，由于调速前后的磁通Φ不变，L T T =未变，因此调速前后的电枢电流N a I I =不变，故串电阻调速至1000 r/min 时的电动势平衡方程式为
)(pa a N a N R R I E U ++=
所串电阻为 ≈--=--=
1.01103.139220a N a N pa R I E U R 0.634Ω
2、改变电压调速
由上步1的计算可知，采用降低电压的方法把转速降至1000 r/min 时，
电动势139=a E .V ，L T T =未变，电枢电流N a I I =，故转速降到1000 r/min 时电压为
=+=a N a R I E U 139 + 110⨯0.1＝150 V
3. 采用改变励磁电流调速:
=⨯==
1500
22000
260260ππN N N n P T 140.1 N •m 由于恒功率负载的转矩与转速成反比关系，故忽略空载转矩时，调速后的电磁转矩为
N N T n n T ==1.1401800
1500⨯=116.75 N •m
由于转速n=
T C C R C U T E a
E a 2
Φ
-Φ，将数据代入，得 75.1161
.022018002
⨯Φ-Φ=T E E C C C 整理后得
1800022.1220)(2=+Φ-ΦE E C C
1164.01800
222
.1180042202202=⨯⨯⨯-±=ΦE C 或 0.0058
五、结论
1、直流电动机调速的目的是为了提高生产效率或满足生产工艺的要求，电力拖
动系统的调速可以采用机械调速、电气调速、电气—机械调速。

2、他励直流电动机的调速方法有三种：电枢电路串接电阻调速、改变电压调速、
改变励磁磁通调速。

3、他励直流电动机的三种方法比较，如表1所示：
三种调速方法各有优点，改变电枢电阻调速的缺点很多，所以只用于调速范围不大，调速时间不长的小容量电动机中；改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法，被广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中；改变励磁电流调速通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力拖动系统中，来扩大调速范围和实现双向调速。

参考文献
1.唐介.电机与拖动.北京：高等教育出版社.2003.7
2.唐介.控制微电机.北京：高等教育出版社.1987.4
3.刘启新.电机与拖动基础.北京：中国电力出版社.2005
4.杨长能.电机学.重庆：重庆大学出版社.1994
5.李发海.电机学.北京：科学出版社.1991
致谢
敬爱的老师们，你们的默默奉献促进了我们的健康成长。

在课堂上，你们用思想的魅力和智慧的光辉开启我们愚钝的心智；你们用博大的胸怀和高尚的品德感染我们生活的点滴；你们用深厚的学术造诣和敏锐的学术思想引导我们学业的进步；你们对我们的恩情让我们变得独立、厚重、欢乐、富有……“师者，所以传道授业解惑也”。

我们不仅从您身上学到知识，而且学到了做人做事的道理。

你们的谆谆教诲我们会永远铭记于心，你们的言行风范永远是我们最好的榜样。

忘不了老师的谆谆教导，忘不了老师不留情面的责备，忘不了老师风霜渐冻的鬓发，忘不了老师饱含期待的眼神。

老师似春蚕，将缕缕银丝奉献；老师是蜡烛，将滴滴蜡油燃尽。

感谢您们的指导和教诲，使我了解了设计实践的乐趣，在此奉上我深深地谢意，谢谢。

设计感想
《电机与拖动》这个课程学习的只是课本，以前不太了解它有什么用处。

通过这次的课程设计，使我收获不少，让我了解了直流电动机是怎样工作的，并且重点知道了调速的各种原理及改变方法，可以应用到实际当中，学会了许多在课堂上不会的知识。

而且通过查阅资料以前只是记忆下来、没有了解的东西现在也弄懂了，不再是只是懂的一些浅显的东西。

了解了电动机的励磁方式有哪些，调速方法等等。

《电机与拖动》这门课程使我了解电能的应用已经遍及各行各业乃至人类的日常生活。

在当今社会，没有电能是不可想象的。

作为电能的生产、输送、转换和应用的基本装置的电机在国民经济和社会生活中具有举足轻重的地位，为我以后学习其它的专业课程奠定基础。

课程设计名称：《电机与拖动》课程设计
题目：直流电动机调速设计
专业：电气工程及其自动化
班级：电气07-2
姓名：张国华
学号：0705040228
辽宁工程技术大学课程设计成绩审核评定表
课程设计任务书
一、设计题目 直流电动机调速设计
二、设计任务
一台他励电动机，参数如下：
22=N P KW
220=N U V 110=N I A 1500=N n r/min
已知电枢电阻1.0=a R Ω，电动机拖动额定恒转矩负载运行
⑴若采用电枢串电阻的方法将转速降至1000 r/min ，应串多大的电阻？ ⑵若采用降低电源电压的方法进行调速，将转速调至1000 r/min ，电源电压应为多少伏？
⑶采用改变励磁电流调速，若要将转矩增加至1800 r/min ，ΦE C 等于多少？
三、设计计划
电机与拖动课程设计共计一周内完成。

第1-2天查资料,熟悉题目；第3-5天设计方案分析，具体按步骤设计及整理设计说明书；第6天准备答辩；第7天答辩。

四、设计要求
1、设计工作量为按要求完成设计说明书一份
2、设计必须根据进度计划按期完成
3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩
指导教师：仲伟堂 教研室主任：仲伟堂
时 间：2009年7月3日。