直流电动机调速控制系统论文

安徽三联学院年度论文直流电动机调速系统的研究Dc motor speed control system research专业：电气工程及其自动化姓名：薄朋_____________学号: 1002164___________指导老师：张金翰________2013年1月10日信息与通信技术系【摘要】直流电动机诞生与19世纪，距今已有100多年的历史，并已成为动力机械的主要驱动装置。

直流调速系统具有优良的启动、制动性能，宜于在宽广范围内平滑调速，在需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

电动机拖动生产机械运行时，系统的速度需要根据工作状态和工艺要求的不同进行调节，使生产机械以最合理的速度工作，从而提高产品和生产效率，这就要求人为采取一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要。

关键字：直流电动机调速【abstract 】Dc motor was born in the 19th century, more than 100 years of history, and has become the main drive power machinery. Dc speed control system has good start, braking performance, like in the wide range smoothing speed and are in need of high performance controlled electric drive field has been widely used in the field. Motor drive production machine operation, the speed of the system need according to the working status and technological requirements of different carries on the adjustment, production machinery with the most reasonable speed work, so as to improve the products and production efficiency, this requires people to take certain method to change the production machinery working speed, in order to meet production need.Key words: Dc motor speed regulation目录一本课题研究的背景及意义 (3)二直流电动机的机构 (3)三直流电动机的工作原理 (4)四直流电动机的调速 (6)（一）调速的方法 (6)1 降压调速 (6)2 电枢回路串电阻调速 (8)3 弱磁调速 (9)（二）调速性能指标 (10)1 调速范围 (10)2 静差率 (11)3 调速的平滑性 (12)4 调速的经济性 (13)五总结 (13)六参考文献 (14)一本课题研究的背景及意义随着时代的进步和科技的发展，电机调速系统在工农业生产、交通运输以及日常生活中起着越来越重要的作用，因此，对电机调速的研究有着积极的意义。

长期以来，直流电动机被广泛应用于调速系统中，而且一直在调速领域占居主导地位，着主要是因为直流电机不仅调速方便，而且在磁场一定的条件下，转速和电枢电压成正比，转矩容易被控制，同时具有良好的启动性能，能较平滑和经济地调节速度。

因此采用直流电动机调速可以的到良好的动态特性。

由于直流电动机具有优良的启、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速。

近年来交流调速系统发展很快，然而直流控制系统毕竟在理论上和在时间上都比较成熟，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流系统的基础，长期以来，由于直流调速系统的性能指标优于交流调速系统。

因此，直流调速系统一直在调速系统领域内占重要地位。

二直流电动机的结构直流电动机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。

其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。

直流电动机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。

其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。

直流电动机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。

其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。

电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。

换向器是一种机械整流部件。

由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。

各换向片间互相绝缘。

换向器质量对运行可靠性有很大影响。

总之，直流电动机是一种自控变频的永磁同步电动机，就其基本组成结构而言．可以认为是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路三部分组成的“电动机系统”。

图2.1上图2.1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极n和s，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。

定子与转子之间有一气隙。

在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。

换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。

换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。

在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。

三直流电动机的工作原理图3.1如图3.1所示为一台直流电动机的模型示意图。

图中N、S是一对位置固定的主磁极，两个主磁极之间有一个用导磁材料制成的圆柱体，即电枢铁心，在电枢铁心上放置了一个电枢线圈abcd，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的转换器上。

转换器固定在转轴上，与电枢一起旋转。

转换器之间以及转换器与转轴之间都互相绝缘。

在每个转换器上放置一个固定不动的电刷A或B，它们与转换器之间保持滑动接触。

电枢线圈通过换向器和电刷与外面静止的电路相连接。

把直流电动机的电刷A、B接在电压为U的直流电源上（如图所示），电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。

根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力F的作用。

电磁力F=BLi式中B——导体所处位置的磁通密度，单位T；L——导体切割磁力线部分的长度，称为有效长度，单位m；i ——导体中流过的电流，单位A 。

根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。

由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。

这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。

当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。

线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。

因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。

可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。

从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。

换向器和电刷就是完成这个任务的装置。

在直流电动机中，用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。

可见，换向器和电刷是直流电动机中不可缺少的关键性部件。

当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。

这就是直流电动机的基本工作原理。

四 直流电动机的调速（一）调速方法：根据直流电动机的机械特性方程：n=2Φ＋－ΦT e c a C C R R C U e T （4-1） 可知，要改变直流电动机的转速n 有三种方法：（1） 改变电源电压U ； （2）改变电枢回路所串电阻R ；（3）改变励磁磁通@。

由于提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，提高电源电压U 的可能性不大。

实际上改变电源电压U 的主要是降压，从额定转速向下调速。

再有，一般电动机的额定磁通已设计为使电动机铁芯接近饱和，增加磁通@的可能性也不大，一般只减弱磁通@,从额定转速向上调速。

1、降压调速保持励磁磁通为额定值ΝΦ不变，电枢回路不串入电阻，C R =0，降低电枢电源电压来实现调速的方法，称为降压调速。

降压调速的机械特性方程式为：n=2ΝΝΦ－ΦT e a C C R C Ue T （4-2） 机械特性曲线如图4.1所示：n 0nn n 0U 1U 23U NT L T em图4.1图4.1中所示负载为恒转矩负载，当电源电压为额定值N U 时，工作点位A 点，转速为n ；电源电压为1U ，工作点变为1A ,转速为1n ；电源电压降为2U ，工作点变为2A ，转速变为2n ；……电源电压越低，转速也越低。

当电源电压由高降低时，相应的人为机械特性为向下平移的一簇平行线。

通常把电动机运行于固有机械特性上的转速称为基速，降压调速的调速方向只能是从基速向下调速。

降低电源电压调速时，如果负载为恒转矩负载，当电动机运行在不同转速时，由于a I = T L /ΝΦT C ，故电动机电枢电流a I 保持不变；降低电源电压，电动机机械特性的硬度不变。

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，即调速的静态稳定性较好；当电源电压连续变化时，转速的变化也是连续的，可实现无极调速，即调速的平滑性好。

因此，降压调速被广泛应用于对启动、制动和调速性能要求较高的场合，如龙门刨床、轧钢机等。

2、电枢回路串电阻调速保持电源电压为额定电压N U 不变，励磁磁通为额定值ΝΦ不变，电枢回路串入不同大小的电阻C R 来实现调速的方法，称为电枢回路转电阻调速。

电枢回路转电阻调速的机械特性方程式为：n=2ΝΝΦ＋－ΦT e c a N C C R R C U e T （4-3） 机械特性曲线如图4.2所示：nnT L T em a 1图4.2图4.2中所示负载为恒转矩负载，在没有串入电阻时，工作点为A 点，转速为n ；电枢回路串入电阻1C R ，工作点变为1A 点，转速变为1n ；电枢回路串入电阻2C R （2C R ＞1C R ），工作点变为2A 点，转速变为2n ；……电枢回路串入电阻越大，转速就越低。