电机学研究性课题-直流电机

Beijing Jiaotong University电机学研究性作业班级：姓名：学号：教师：合作者:研究题目：研究他励直流电动机分别进行降低电源电压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速过程中，电机功率和转矩变化的特点？ 摘要：为了提高生产效率和保证产品质量，要求生产机械在不同的情况下有不同的工作速度，如此就要对电动机的转速进行调节。

电力拖动系统的调速可以采用机械方法或电气方法或机械与电气相结合的方法。

电气调速是指人为地改变电气参数，有意识地使电动机的工作点由一条机械特性曲线转换到另一条机械特性曲线上，为了生产需要而对电动机转速进行的一种控制。

而不同的负载类型配以不同的调速方式会使得电机功率和电磁转矩的变化特点不同。

此文就电气的调速方法及在调速方式与负载类型的不同配合中电机功率和转矩变化的特点加以分析。

关键词：电气调速 方式 电机功率 电磁转矩 变化特点 引言：他励直流电动机的调速是电动机应用的重要方面，调速的性能指标包括调速范围、静差率、调速的平滑性、调速的经济性和调速时的容许输出。

根据他励直流电动机的转速公式Φ+-=e s a a C R R I U n )(可知，改变电动机的转速可以有以下三种方法：电枢回路串电阻调速，降低电源电压调速和弱磁调速。

为了使电动机在调速过程中得到充分利用，下面我们可以得到，属于恒转矩调速方式的调速方法应与恒转矩负载配合较好，属于恒功率调速方式的弱磁调速方法，应与恒功率负载配合较好。

以下就电动机的调速进行展开分析。

正文：1．调速指标为生产机械选择调速方式，必须兼顾各项指标，以提高电机的效率。

以下就各项指标加以简介。

（1）调速范围调速范围是指电动机可能运行的最高转速max n 与最低转速min n 之比，用D 表示，即minmax n n D =不同的生产机械对调速范围的要求不同，如车床D ＝20～100，龙门刨床D =10～40，轧钢机D ＝3～120等。

电动机最高转速 max n 受电动机的换向及机械强度限制，最低转速min n 受转速相对稳定性（即静差率）要求的限制。

（2）静差率(调速的相对稳定性)静差率或称转速变化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所出现的转速降N n ∆与理想空载转速0n 之比，用δ表示，即 %100%100000⨯-=⨯∆=n n n n n NN δ静差率与机械特性的硬度及理想空载转速有关，机械特性越“硬”，额定负载时转速降n ∆越小，静差率δ越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速变化也越小。

（如右图1所示）而对于同样“硬度”的特性，由于理想空载转速不同，虽然转速降相同31n n ∆=∆，但其静差率却不同31δδ<。

为了保证转速的相对稳定性，常要求静差率δ应不大于某一允许值（负载允许值）。

图1 不同机械特性下的静差率调速范围D 与静差率δ两项性能指标是互相制约的，两者关系为)1(max max min 0maxminmax δδδ-∆=∆-∆=∆-==N NNNn n n n n n n n n n D由上式可知δ越小，D 越小，相对稳定性越好；故在保证一定的δ指标的前提下，要扩大D ，须减少N n ∆，即提高机械特性的硬度。

（3）调速的平滑性调速的平滑性是指相邻两级转速的接近程度，用平滑系数ϕ表示，即1-=i i n n ϕ平滑系数ϕ越接近1，说明调速的平滑性越好。

如果转速连续可调，其级数趋于无穷多，称为无级调速，ϕ =1，其平滑性最好；调速不连续，级数有限，称为有级调速。

（4）调速的经济性经济性包含两方面的内容，一是指调速所需的设备投资和调速过程中的能量损耗，另一方面是指电动机调速时能否得到充分利用。

2. 他励直流电动机的调速（1）电枢回路串电阻调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图2（a）所示，图中的负载为恒转矩负载。

调速过程中转速n和电枢电流i随时间的变化曲a线如图2（b）所示。

电枢回路串接电阻调速方法的优点是设备简单，调节方便，缺点是调速范围小，电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且损耗大，效率低，不经济。

图2（a）电枢回路串电阻调速机械特性图2（b）电枢电流和转速随时间的变化（2）降低电源电压调速他励直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节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，保持励磁电流为额定值。

电源电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，即为降压调速，如图3所示，图中的负载为恒转矩负载。

调速过程中转速n和电枢电流i随时间的变化曲线同电枢回路串a电阻调速。

降压调速方法的优点是调速平滑性好，图3降低电源电压调速机械特性即可实现无级调速，调速效率高，转速稳定性好，缺点是所需的可调压电源设备投资较高。

这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。

（3）弱磁调速保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高。

他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速曲线如图4（a）所示，其调速过程中转速n和电枢电流i随时间的变化曲线如图4（b）所示。

a图4（a ）弱磁调速机械特性 图4（b ）电枢电流和转速随时间的变化弱磁调速的优点是设备简单，调节方便，运行效率也较高，适用于恒功率负载，缺点是励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。

3.调速方式首先介绍以下几个概念。

容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。

电动机在额定转速下容许输出的功率和转矩主要决定于电机的发热，而电机的发热主要取决于电枢电流的大小。

充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值。

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。

（1）恒转矩调速电枢串电阻调速和降压调速时，磁通N Φ=Φ保持不变，若在不同转速下保持电流N a I I =不变，即电机得到充分利用，此时容许输出转矩和功率分别为nC Tn P C I C T T N N T em 19550===Φ=≈由以上推导可以看出电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩保持不变，因此称其为恒转矩调速。

（2）恒功率调速弱磁调速时，磁通Φ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，则容许输出转矩和功率分别为955095509550222C nn C Tn P nC n C R I U C I C T T e aN N T N T em ====-=Φ=≈由以上推导可知弱磁调速时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，因此称为恒功率调速。

上述容许输出转矩和功率与转速的关系为右图5所示曲线，以N n 为界，分为两个区域：N n n <部分为恒转矩调速区；N n n >部分为恒功率调速区。

这里强调一点，电机的容许输出与实际输出并不相同，电机的实际输出要根据电机与负载的配合情况来决定。

图5容许输出转矩和容许输出功率4.调速方式与负载类型的配合 （1）恒转矩负载配恒转矩调速当恒转矩调速方式用于恒转矩负载时，L T 和T均为常数，L P 和P 均与转速n 成正比，为使电动机得到充分利用，应保持电动机的电枢电流为额定值，电磁转矩为额定转矩，即选择电动机的L T 与T 相等，故而在任何转速下均有N a LLI I T T P P === 图6电机与负载机械特性曲线此时电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。

电机的机械特性与负载的机械特性关系如右图6所示，此处注意这是一种理想的配合，转速是从额定转速向下 调，所以额定转速为系统的最高转速。

（2）恒功率负载配恒功率调速当恒功率调速方式用于恒功率负载时，L P 和P均为常数，L T 和T 均与n 成反比，为使电动机得到充分利用，应选择P 与L P 相等，同时保持电动机的电枢电流为额定值，这样在任何转速下均有图7电机与负载机械特性曲线Na LLI I T T P P ===同比于恒转矩负载配恒转矩调速的方式电机既满足了负载要求，又得到了充分利用。

电机的机械特性与负载的机械特性关系如右图7所示，同样这是一种理想的配合，转速是从额定转速向上调，所以额定转速为系统的最低转速。

（3）恒转矩负载配恒功率调速若恒功率调速方式用于恒转矩负载时，负载转矩C T L =，电动机容许输出转矩 nT 1∝，为保证电机安全运行，应选择min n n N =，则只有在最高转速时才有Na LLI I T T P P ===电机能够得到充分利用。

而在低于最高转速时 图8电机与负载机械特性曲线Na L L I I TT PP <<<电机未能被充分利用，如图8所示。

同时由以下等式可以证明，在最低转速时，电动机的实际输出功率（负载功率）只是电动机额定功率的D1（D 为调速范围）。

NL L L L L N P D P DP n T n n n T P P 195509550min minmin min max max max =====显然，这种配合将造成电动机容量的浪费。

（4）恒功率负载配恒转矩调速若恒转矩调速方式用于恒功率负载时，负载转矩 nT L 1∝，而电动机容许输出转矩CT =，则只有在最低转速时才有Na LLI I T T P P ===电机能够得到充分利用；而在高于最低转速时Na L L I I TT PP <<<电机未被充分利用。

图8电机与负载机械特性曲线同样可以证明，在这种配合方式下，电动机的实际输出功率（恒定的负载功率）只是电动机额定功率的D1（D 为调速范围）。

NL LL L N N N P DP DP n T n n n T n T P 1955095509550min max minmax maxmax =====显然，这种配合也将造成电动机容量的浪费。

结语：由以上四种情况分析可知，电枢串电阻调速和降压调速方式属于恒转矩调速，适用于恒转矩负载，弱磁调速属于恒功率调速方式，适用于恒功率负载 。

当然，在实际电力拖动系统中，根据实际情况可以将几种调速方法结合起来，这样，可以得到较宽的调速范围，电动机可以在调速范围之内的任何转速上运行，而且调速时损耗较小，运行效率较高，能很好地满足各种生产机械对调速的要求。