他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速

/摘要隨著工業(yè)的不斷發(fā)展.電動(dòng)機(jī)的需求會(huì)越來越大.電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛.電動(dòng)機(jī)的操作系統(tǒng)是一個(gè)非常龐大而復(fù)雜的系統(tǒng).它不僅為現(xiàn)代化工業(yè)、家庭生活和辦公自動(dòng)化等一系列應(yīng)用提供基本操作平臺(tái).而且能提供多種應(yīng)用服務(wù).使人們的生活質(zhì)量有了大幅度的提高.擺脫了人力勞作的模式。而電動(dòng)機(jī)主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化操作中是電動(dòng)機(jī)的主要應(yīng)用之一.因此本課程設(shè)計(jì)課題將主要以在工業(yè)中電動(dòng)機(jī)調(diào)速方法的應(yīng)用過程可能用到的各種技術(shù)及實(shí)施方案為設(shè)計(jì)方向.為工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實(shí)踐指導(dǎo)。關(guān)鍵詞：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；調(diào)速；機(jī)械特性目錄1引言12直流電動(dòng)機(jī)12.1直流電動(dòng)機(jī)的介紹12.2直流電動(dòng)機(jī)的分類13他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)23.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理23.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性34他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速54.1調(diào)速的基本概念54.2調(diào)速的指標(biāo)54.3調(diào)速的方式74.3.1電樞串電阻調(diào)速74.3.2改變電樞電源電壓調(diào)速7改變勵(lì)磁電流調(diào)速85實(shí)例分析96結(jié)論11參考文獻(xiàn)12致謝131引言現(xiàn)代工業(yè)中.有大量的生產(chǎn)機(jī)械.要求能改變工作速度。例如金屬切削機(jī)床.由于加工工件的材料和精度要求不同.速度也就不同。又如軋鋼機(jī).當(dāng)軋制不同品種和不同厚度的鋼材時(shí).也必須采用不同的最佳速度。所謂調(diào)速就是在一定的負(fù)載下.根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。這是生產(chǎn)機(jī)械經(jīng)常提出的要求。調(diào)速性能的好壞往往影響到生產(chǎn)機(jī)械的工作效率和產(chǎn)品質(zhì)量。所以直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速在生產(chǎn)工作中起著至關(guān)重要的作用。2直流電動(dòng)機(jī)2.1直流電動(dòng)機(jī)的介紹直流電動(dòng)機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。直流電動(dòng)機(jī)以其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格較貴、體積較大、維護(hù)較難而使得其應(yīng)用受到了影響。隨著交流電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展.在不少應(yīng)用領(lǐng)域中已為交流電動(dòng)所取代。但是直流電動(dòng)機(jī)又以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速性能好、自動(dòng)控制方便而著稱.因此.在工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域中仍占有一席之地。在四種直流電動(dòng)機(jī)中.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最廣泛。2.2直流電動(dòng)機(jī)的分類根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式.可以將其分為以下幾種類型。1、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組采用兩個(gè)電源供電.各有了各的電源開關(guān).沒有直接的電源聯(lián)系.如圖2-1〔a所示.電樞電流Ia由電樞端電壓U決定.而勵(lì)磁電流If由勵(lì)磁繞組端電壓U1決定。2、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián).采用同一個(gè)電源U供電.由一個(gè)開關(guān)控制.如圖2-1〔b所示。其特點(diǎn)是勵(lì)磁繞組的電壓即為電樞電壓.電源電流為電樞電流Ia與勵(lì)磁電流If之和。為了降低損耗.并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流一般較小.約為電樞電流的5%；為保證足夠的磁通.勵(lì)磁繞組一般導(dǎo)線較細(xì).匝數(shù)多.電阻大。3、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)之后.外接一個(gè)直流電源.由一個(gè)開關(guān)控制.如圖2-1〔c所示。其特點(diǎn)是勵(lì)磁電流If與電樞電流Ia相同.這個(gè)電流一般較大.所以串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組導(dǎo)線較粗.匝數(shù)少.電阻小。4、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)這種電動(dòng)機(jī)中既有串勵(lì)又有并勵(lì).一部分勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián).另一部分勵(lì)磁繞組再與電樞繞組并聯(lián).如圖2-1〔d所示。其特點(diǎn)是電動(dòng)機(jī)的主磁通由這兩個(gè)勵(lì)磁繞組共同產(chǎn)生。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；<b>并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；<c>串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；<d>復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)圖2-1直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式圖3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)3.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理直流電動(dòng)機(jī)與交流電動(dòng)機(jī)原理大致相似.也是基于電磁感應(yīng)的原理.使得轉(zhuǎn)軸受到一個(gè)力的作用旋轉(zhuǎn)起來。如圖3-1所示.N、S為一對(duì)主磁極.通過直流電源勵(lì)磁產(chǎn)生恒定磁場(chǎng).勵(lì)磁繞組未畫出。電樞繞組只畫了一個(gè)線圈.1、2為兩個(gè)換向片.與電樞繞組相連.A、B兩個(gè)電刷與外電路相連。圖3-1直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)原理圖<a>初始位置；<b>轉(zhuǎn)過180°后的位置直流電動(dòng)機(jī)接通直流電源之后.電刷兩端加了一個(gè)直流電壓.A刷為正.B刷為負(fù).換向片1與A刷相接觸.直流電流Ia從A刷流入.經(jīng)換向片1、線圈abcd、換向片2和電刷B流出.形成一個(gè)回路。利用左手定則.可以判斷電樞繞組的ab邊和cd邊都受到電磁力的作用.如圖3-1所示.ab邊受到的力向左cd邊受到的力向右.這一對(duì)力對(duì)電樞產(chǎn)生電磁力矩.使得電樞沿逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)起來。3.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性定義：在電動(dòng)機(jī)的電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻為恒值條件下.電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系3-1由電機(jī)的電路原理圖可得機(jī)械特性的表達(dá)式：3-2TTemTNT0圖3-2固有機(jī)械特性曲線1、固有機(jī)械特性3-32、人為機(jī)械特性當(dāng)改變電壓或電阻或勵(lì)磁電流時(shí)得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。a、電樞串電阻時(shí)的人為特性保持電壓和勵(lì)磁電流不變.只在電樞回路中串入電阻的人為特性：3-4特點(diǎn)：〔1n0不變.β變大；〔2RS越大.特性越軟。TTemRa+Rs圖3-3電樞串電阻的人為特性保持電阻和勵(lì)磁電流不變.只改變電樞電壓的人為特性：3-5特點(diǎn)：〔1n0隨U變化；〔2U不同.曲線是一組平行線。TTem圖3-4降低電樞電壓的人為特性c、減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性保持電阻和電壓不變.只改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻的人為特性：3-6特點(diǎn)：〔1弱磁.n0增大；〔2弱磁.β增大TTemTKTK2TK1圖3-5減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速4.1調(diào)速的基本概念生產(chǎn)機(jī)械在運(yùn)行過程中.經(jīng)常要求在負(fù)載不變的情況下改變運(yùn)行速度以配合不同的生產(chǎn)需求.比如金屬切削機(jī)床就經(jīng)常要改變刀具的運(yùn)行速度以進(jìn)行不同的加工工序。這就要求對(duì)生產(chǎn)機(jī)械的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行調(diào)速.電力拖動(dòng)系統(tǒng)中采用的調(diào)速方法通常有三種：機(jī)械調(diào)速、電氣調(diào)速、電氣-機(jī)械調(diào)速。在這里我主要研究他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī).其調(diào)速方法也有三種：改變電樞電阻調(diào)速、改變電樞電壓調(diào)速、改變勵(lì)磁電流調(diào)速。4.2調(diào)速的指標(biāo)電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)性能的好壞.常用下列指標(biāo)來衡量。1、調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)在滿載〔電流為額定值的情況下所能得到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速范圍.用D表示.即不同生產(chǎn)機(jī)械要求的調(diào)速范圍各不相同。2、調(diào)速方向調(diào)速方向指調(diào)速后的轉(zhuǎn)速比原來的額定轉(zhuǎn)速〔基本轉(zhuǎn)速高還是低。若比基本轉(zhuǎn)速高稱為往上調(diào).比基本轉(zhuǎn)速低.稱為往下調(diào)。3、調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性由一定調(diào)速范圍內(nèi)能得到的轉(zhuǎn)速級(jí)數(shù)來說明。級(jí)數(shù)越多.相鄰兩轉(zhuǎn)速的差值越小.平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速只能跳躍式的調(diào)節(jié).兩者中間的轉(zhuǎn)速無法得到.這種調(diào)速稱為有級(jí)調(diào)速。如果在一定的調(diào)速范圍內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速都能得到.稱為無級(jí)調(diào)速。無級(jí)調(diào)速的平滑性當(dāng)然比級(jí)調(diào)速好。平滑和程度可用相鄰兩轉(zhuǎn)速之比來衡量.稱為平滑系數(shù).即k越接近于1.平滑性越好。無級(jí)調(diào)速時(shí)k=1.平滑性最好。4、調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是用來說明電動(dòng)機(jī)在新的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí).負(fù)載變化XX引起轉(zhuǎn)速變化的程度.通常用靜差率來表示。其定義為：在某一機(jī)械特性上運(yùn)行時(shí).電動(dòng)機(jī)由理想空載到滿載時(shí)的轉(zhuǎn)速差與理想空載轉(zhuǎn)速之比.即r=n0-n/n0×100%.r越小.穩(wěn)定性越好。圖 4-1不同機(jī)械特性的靜差率生產(chǎn)機(jī)械在調(diào)速時(shí).為保持一定的穩(wěn)定性會(huì)對(duì)靜差率提出一定的要求。靜差率還會(huì)對(duì)調(diào)速范圍起到制約作用.因?yàn)槿绻{(diào)速時(shí)所得到的最低轉(zhuǎn)速下的r太大.則該轉(zhuǎn)速和穩(wěn)定性太差.便難以滿足生產(chǎn)機(jī)械的要求。5、調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性經(jīng)濟(jì)性包含兩方面的內(nèi)容.一是指調(diào)速所需的設(shè)備投資和調(diào)速過程中的能量損耗.另一方面是指電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)能否得到充分利用。一臺(tái)電動(dòng)機(jī)當(dāng)采用不同的調(diào)速方法時(shí).電動(dòng)機(jī)容許輸出的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律是不同的.但電動(dòng)機(jī)實(shí)際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩是由負(fù)載需要所決定的.而不同的負(fù)載.其所需要的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律也是不同的.因此在選擇調(diào)速方法時(shí).既要滿足負(fù)載要求.又要盡可能使電動(dòng)機(jī)得到充分利用。經(jīng)分析可知.電樞回路串電阻調(diào)速以及降低電樞電壓調(diào)速適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的調(diào)速.而弱磁調(diào)速適用于恒功率負(fù)載的調(diào)速。6、調(diào)速時(shí)的允許負(fù)載電動(dòng)機(jī)在各種不同轉(zhuǎn)速下滿載運(yùn)行時(shí).如果允許輸出的功率相同.則這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速；如果允許輸出的轉(zhuǎn)矩相同.則這種調(diào)速方法稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。不同的機(jī)械對(duì)此的要求往往不同。4.3調(diào)速的方式電樞串電阻調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載運(yùn)行時(shí).保持電源電壓及勵(lì)磁電流為額定值不變.在電樞回路中串入不同值的電阻.電動(dòng)機(jī)將運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速.如圖3.1所示.圖中的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。從圖4-2可知.當(dāng)電樞回路串入電阻R時(shí).電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性的斜率將增大.電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交點(diǎn)將下移.即電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速降低。圖4-2電樞串電阻調(diào)速機(jī)械特性如圖4-2中串入的電阻值交點(diǎn)A2的轉(zhuǎn)速n2低于交點(diǎn)A1的轉(zhuǎn)速n1.它們都比原來沒有外串電阻的交點(diǎn)A的轉(zhuǎn)速n低。電樞回路串接電阻調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單.調(diào)節(jié)方便.缺點(diǎn)是調(diào)速范圍小.電樞回路串入電阻后電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變"軟".使負(fù)載變動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速變化.即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差.而且調(diào)速效率較低。改變電樞電源電壓調(diào)速他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路不串接電阻.由一可調(diào)節(jié)的直流電源向電樞供電.最高電壓不應(yīng)超過額定電壓。勵(lì)磁繞組由另一電源供電.一般保持勵(lì)磁磁通為額定值。電樞電源電壓不同時(shí).電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載將運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速上.如圖4-3圖中的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。圖4-3改變電樞電源電壓調(diào)速從圖4-3中可以看出.當(dāng)電樞電源電壓為額定值時(shí).電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交點(diǎn)為A.轉(zhuǎn)速為n；電壓降到U1后.交點(diǎn)為A1.轉(zhuǎn)速為n1；電壓為U2.交點(diǎn)為A2.轉(zhuǎn)速為n2；電壓為U3.交點(diǎn)為A3.轉(zhuǎn)速為n3；電樞電源電壓越低.轉(zhuǎn)速也越低。同樣.改變電樞電源電壓調(diào)速方法的調(diào)速范圍也只能在額定轉(zhuǎn)速與零轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。改變電樞電源電壓調(diào)速時(shí).電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的"硬度"不變.因此.即使電動(dòng)機(jī)在低速運(yùn)行時(shí).轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變動(dòng)而變化的幅度較小.即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。當(dāng)電樞電源電壓連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí).轉(zhuǎn)速變化也是連續(xù)的.所以這種調(diào)速稱為無級(jí)調(diào)速。改變電樞電源電壓調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑性好.即可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速.調(diào)速效率高.轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好.缺點(diǎn)是所需的可調(diào)壓電源設(shè)備投資較高。這種調(diào)速方法在直流電力拖動(dòng)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。改變勵(lì)磁電流調(diào)速保持他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電源電壓不變.電樞回路也不串接電阻.在電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不很大〔小于額定轉(zhuǎn)矩時(shí).減少直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁磁通.可使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí)弱磁調(diào)速.如圖3.3所示。從圖4-4可以看出.當(dāng)勵(lì)磁磁通為額定值時(shí).電動(dòng)機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交點(diǎn)為A.轉(zhuǎn)速為n；勵(lì)磁磁通減少時(shí).理想空載轉(zhuǎn)速增大.同時(shí)機(jī)械特性斜率也變大.交點(diǎn)為A1.轉(zhuǎn)速為n1；勵(lì)磁磁通減少為時(shí).交點(diǎn)為A2.轉(zhuǎn)速為n2。弱磁調(diào)速的范圍是在額定轉(zhuǎn)速與電動(dòng)機(jī)所允許最高轉(zhuǎn)速之間進(jìn)行調(diào)節(jié).至于電動(dòng)機(jī)所允許最高轉(zhuǎn)速值是受換向與機(jī)械強(qiáng)度所限制.一般約為1.2n左右.特殊設(shè)計(jì)的調(diào)速電動(dòng)機(jī).可達(dá)3n或更高。單獨(dú)使用弱磁調(diào)速方法.調(diào)速的范圍不會(huì)很大。圖4-4弱磁調(diào)速機(jī)械特性弱磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡(jiǎn)單.調(diào)節(jié)方便.運(yùn)行效率也較高.適用于恒功率負(fù)載.缺點(diǎn)是勵(lì)磁過弱時(shí).機(jī)械特性的斜率大.轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差.拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時(shí).可能會(huì)使電樞電流過大。在實(shí)際電力拖動(dòng)系統(tǒng)中.可以將幾種調(diào)速方法結(jié)合起來.這樣.可以得到較寬的調(diào)速范圍.電動(dòng)機(jī)可以在調(diào)速范圍之內(nèi)的任何轉(zhuǎn)速上運(yùn)行.而且調(diào)速時(shí)損耗較小.運(yùn)行效率較高.能很好地滿足各種生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速的要求。5實(shí)例分析一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)如下：PN=6.0kw.UaN=220V.IaN=48A.nN=1485r/min.RL=0.082Ω。1、用其拖動(dòng)通風(fēng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行.若采用電樞串電阻調(diào)速時(shí).要使轉(zhuǎn)速降至1250r/min.試設(shè)計(jì)電樞電路中的調(diào)速電阻。2、用其拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行.負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩.采用改變電樞電壓調(diào)速時(shí).要使轉(zhuǎn)速降到1100r/min.試設(shè)計(jì)電樞電壓值。3、用其拖動(dòng)恒功率負(fù)載運(yùn)行.采用改變勵(lì)磁電流調(diào)速.要使轉(zhuǎn)速增至1700r/min.試設(shè)計(jì)CEF值。內(nèi)容分析：1、采用電樞串電阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)的電樞電阻Ra=<U-PN/IaN>/IaN=1.98Ω在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)E=UaN-RaIaN=124.96VCEF=E/nN=0.0841CTF=9.55CEF=0.803TN=9.55PN/nN由于通風(fēng)機(jī)負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比.故n=1250r/min時(shí)的轉(zhuǎn)矩為：T=〔n/nN2TNn0=UaN/CEF=2616r/min△n=n0-n=1366r/min由于△n=<Ra+Rr>×T/CECTF2由此求得：Rr=△nCECTF2/T-Ra=1.394Ω2、采用改變電樞電壓調(diào)速由上步1已經(jīng)求得：Ra=1.98ΩCE=0.0841CT=0.803TN=38.59N.m電樞電壓減小后：△n=RaT/CECTF2=1131.43r/minn0=n+△n=2231.43r/min由此求得：Ua=CEFn0=187.66V3、采用改變勵(lì)磁電流調(diào)速由上步1求得：Ra=1.98ΩTN由于恒功率負(fù)載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系.故忽略空載轉(zhuǎn)矩時(shí).調(diào)速成后的電磁轉(zhuǎn)矩為：T=nNTN將數(shù)據(jù)代入n=Ua/CEF–RaT/CECTF2中.整理得：CEF=0.0733或0.05616結(jié)論直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的目的在于提高生產(chǎn)效率和產(chǎn)品質(zhì)量。它的具體方法有：改變電樞電阻調(diào)速；改變電樞電壓調(diào)速和改變勵(lì)磁電流調(diào)速。改變電樞電阻調(diào)速時(shí).調(diào)速方向是往下的。調(diào)速的穩(wěn)定性差.經(jīng)濟(jì)性差.調(diào)速范圍不大.受低速時(shí)靜差率的限制。調(diào)速時(shí)的允許負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。只適用于調(diào)速范圍