直流电动机调速设计
直流电动机调速设计
一、要点：
加深对《电机与拖动》这门学科的理解，拓展知识面，并了解直流电动机调速在实际生产中的应用。

要在设计的过程中充分利用已经掌握的《电机与拖动》的知识来解决问题，要做到理论联系实践。

通过计算和绘图，学会运用标准、规范、手册、图册和查阅有关技术指标资料等，培养电机设计的基本技能。

掌握对直流电动机的三中调速方法；
掌握各种方法对直流电机调速的原理和步骤；
理解各种方法电机调速的优缺点；
培养独立思考问题和独立解决问题的能力。

二、原理：
(一)、直流电动机的物理模型：
直流电动机的物理模型图
这是分析直流电机的物理模型图。

其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。

转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。

(其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的)
上图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。

（二）、直流电动机的工作原理
（三）、直流电动机的励磁方式：
（1）定义：直流电机产生磁场的励磁绕组的接线方式称为励磁方式，实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何连接，就决定了它是什么励磁方式。

（2）分类：他励式和自励式
他励式：若励磁绕组不和电枢绕组连接，励磁绕组单独有其他电源供电的直流电机称为他励式直流电机。

自励式：分为串联式、并励式、复励式三种。

（四）、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。

（五）、调速的含义：
在实际的生产过程中，很多方面都要求能改变电机的工作速度。

例如金属切削机床，由于加工工件的精度要求不同，对电机工作时的速度的要求也就不同。

所谓调速就是根据电力拖动系统的负载特系的特点，通过改变电动机的电源电压、电枢回路电阻或减弱磁通而改变来改变电动机的特性来人为的达到给系统调速的目的，以满足实际的工作需要的一种方法。

（六）、调速的方法有三种：
1、改变电枢电阻调速；
2、改变电枢电压调速；
3、改变励磁电流调速。

（七）、三种调速方法的具体分析：
A、改变电枢电阻调速：
以直流电动机拖动通风负载为例，其机械特性如图5-2：
这种调速方法的调速性能如下：
⑴、调速方向是往下调。

⑵、调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式。

如果能均匀的调节变阻器的电阻值，可以实现无级调速。

不过，一般调速电阻多为分级调节，故为有级调速。

⑶、调速的稳定性差，因为R a增加后，机械特性硬度降低，静差率增大。

⑷、调速的经济性差，因为初期投资虽然不大，但损耗增加，运行效率低。

⑸、调速范围不大，因受低速是静差率的限制。

⑹，调速时允许的负载为恒转矩负载。

因为调速时的Φ基本不变，满载电流既额定电流I an一定，因此，各种转速下允许输出的转矩不同，为恒转矩调速。

改变电枢电阻调速时缺点甚多，所以只适用于调速范围不大，调速时间不长的小容量电动机中。

改变电枢电阻调速
B、改变电枢电压调速：
以直流电动机拖动通风负载为例，其特性如图5-3：
这种调速方法的调速性能如下：
⑴、调速方向是往下调。

⑵、调速的平滑性好，只要均匀的调节电枢电压就可以实现平滑的无级调速。

⑶、调速的稳定性比改变电枢电阻调速要好的多，但是随着电压的减小，转速的降低，稳定性会逐渐的变差。

这是因为电枢电压减小时，机械特性的硬度虽然不变，但是理想空载转速降低，静差率逐渐增大。

⑷、调速的经济性方面初期投资较大，需要专用的可调压直流电源。

⑸、调速范围大，比改变电枢电阻调速的范围大的多。

改变电枢电压调速时这是一种性能优越的调速方法，广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中调速时的允许负载为恒转矩负载。

C、改变励磁电流调速：
以电动机拖动恒功率负载负载为例，其特性如图：
这种调速方法的调速性能如下：
⑴、调速方向是往上调，因为励磁电流不能超过起额定值，因此只能减小历次电流，从而是磁通减小，转速上升。

⑵、调速的平滑性好，只要均匀的调节励磁电流的大小就可以实现无级调速。

⑶、调速的稳定性好，虽然励磁电流减小时，机械特性硬度下降，但理想空载转速增加，静差率不变。

⑷、调速的经济性好，因为它是在功率较小的励磁电路内控制励磁电流的，功率损耗小，运行费用低。

⑸、调速范围因受机械强度、电枢反映的去磁作用和换向能力的限制，最高转速一般只能达到额定转速的1.2-2倍，所以调速范围不大。

但若选用专供这种调速方法用的特制直流电动机，其额定转速较低，最高转速可达额定转速的3-4倍。

⑹、调速时的允许负载为恒功率负载。

因为电动机的额定电流一定，Φ减小时，允许
输出的转矩减小，但因转速增加了，允许输出的功率基本上没有变化，故为恒功率调速。

弱磁调速在对调速要求很高的电力拖动系统中通常都是同时采用改变电枢电压和改变励磁电流两种调速方法，从而可扩大调速范围，实现双向调速。

三、课程设计内容
一台他励直流电动机，参数如下：
P N＝4 KW
U aN=160 V
I aN=34.4 A
n N=1450 r/min
R L=0.076Ω
1、用其拖动通风机负载运行，若采用电枢串电阻调速时，要使转速降至1200r/min，
试设计电枢电路中的调速电阻。

2、用其拖动恒转矩负载运行，负载转矩等于电动机的额定转矩，采用改变电枢电压
调速时，要使转速降至1000r/min,试设计电枢电压值。

3、用其拖动恒功率负载运行，采用改变励磁电流调速，要使转速增至1800r/min,
试设计CeΦ值。

内容解析：
1. 采用电枢串电阻调速:
电动机的电枢电阻
R a=(U-P N/I aN)/I an=(160-4000/34.4)/34.4=1.27Ω
在额定状态下运行时
E=U aN-RaIaN=(160-1.27×34.4)V=116.31V
Φ=E/n N=116.31/1450=0.0802
C T Φ=60C T Φ/2π=(60×0.0802)/(2×3.14)=0.766
T N=60P N/2πn N=(60×4000)/(2×3.14×1450)N.m=26.36.N.m
由于通风机负载的转矩与转速的平方成正比,故n=1200r/min时的转矩为:
T=(n/n N)2 T N=(1200/1450)×26.36N.m=18.05N.m
n0=Ua N/C EΦ=160/0.0802r/min=1995r/min
△n=n0-n=1995-1450=545r/min
由于
△n=(Ra+Rr)×T/C N C TΦ2
Rr=△nCECTΦ2/T-Ra=(545×0.0802×0.766-1.27)Ω=0.585Ω2、采用改变电枢电压调速：
由上步1已经求得：
Ra＝1.27 Ω；
CeΦ=0.0802；
CTΦ=0.766；
TN=26.36 N·m；
电枢电压减小后：
△n= Ra·T/CeCTΦ2
=(1.27×26.36)/0.0802×0.766=544.94r/min
n0=n+ △n=(1000+544.94)r/min=1544.94r/min
由此求得：
Ua=CeΦn=0.0802×1544.94v=123.9v
采用改变励磁电流调速：
由上步1、已经求得：
Ra=1.27Ω
TN=26.36 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：
T= nN TN/ n=（1450×26.36）/1800 N ·m
将数据代入
n= Ua /Ce Φn- RaT/ CeCT Φ2中，得：
1800=160/Ce Φ-（1.27×21.23）/ CeCT Φ2
整理得：
CeT=（160±82.2180041602⨯⨯-　）/（2×1800）=0.0647或0.0242。