畢業(yè)設(shè)計(jì)---直流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速

摘 要 I 摘 要 本設(shè)計(jì)主要是運(yùn)用調(diào)速系統(tǒng)對(duì)直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，使其實(shí)現(xiàn)無級(jí)的效果。此調(diào)速系統(tǒng)由主電路和控制電路兩部分組成：主電路是采用晶閘管可控整流裝置進(jìn)行調(diào)速 ;控制電路是采用雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)方法進(jìn)行反饋。系統(tǒng)采用調(diào)壓調(diào)速的調(diào)速方法可以獲得與電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性相互平行的人為機(jī)械特性，調(diào)速方向是基速以下，只要輸出的電壓是連續(xù)可調(diào)的，即可實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的無級(jí)調(diào)速。雙閉環(huán)速度電流調(diào)節(jié)這種方法雖然初次頭次成本相對(duì)而言較高，但它保證了系統(tǒng)的性能，保證了對(duì)生產(chǎn)工藝要求的滿足，它既兼顧了啟動(dòng)時(shí)的電流的動(dòng)態(tài)過程，又保證穩(wěn)態(tài)后速度的穩(wěn) 定性，在起動(dòng)過程的主要階段，只有電流負(fù)反饋，沒有轉(zhuǎn)速負(fù)反饋。達(dá)到穩(wěn)態(tài)后，只要轉(zhuǎn)速負(fù)反饋，不讓電流負(fù)反饋發(fā)揮主要作用很好地滿足了生產(chǎn)需要。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)也就是對(duì) ASR 和 ACR 的設(shè)計(jì)。 關(guān)鍵詞 ：無級(jí)調(diào)速；雙閉環(huán)； ASR； ACR；晶閘管 摘 要 II Abstract This design is the use of speed control system for DC motor speed control to achieve the effect of class. This speed control system from the main circuit and control circuit composed of two parts: the main circuit is controlled rectifier thyristor speed control device; control circuit in a dual method of closed-loop speed feedback current regulator.System speed regulator with the motor speed control methods available to parallel the inherent mechanical properties of artificial mechanical properties, speed is below the base speed, as long as the output voltage is continuously adjustable, and can achieve the level of non-motor transfer speed. Two-speed closed-loop current regulation this way the first time although the initial cost is relatively high, but it ensures that the performance of the system to ensure that the production process to meet requirements, take into account not only the start of the current dynamic process, while ensuring that the stability of steady-state velocity in the main phase of starting the process, only the current negative feedback, no negative feedback speed. After reaching steady state, as long as the speed of negative feedback, negative feedback from the current good to play a major role to meet the production needs. The focus of this design is also the design of ASR and ACR. Key words: stepless speed regulation； double-loop； ASR； ACR； SCR目 錄 i 目錄 第 1 章 緒 論 . 1 1.1 問題提出的意義 . 1 1.2 國產(chǎn)直流電機(jī)簡介 . 1 1.3 直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 . 2 第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 . 4 2.1 直流電動(dòng)機(jī)的基本知識(shí) . 4 2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) . 4 2.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 . 5 2.1.3 直流電動(dòng)機(jī)的組成及分類 . 6 2.2 直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理 . 8 2.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式 . 8 2.2.2 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程 . 9 2.2.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 . 10 第 3 章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 . 14 3.1 設(shè)計(jì)任務(wù) . 14 3.2 設(shè)計(jì)要求與性能指標(biāo) . 14 第 4 章 方案比較論證與選擇 . 16 4.1 調(diào)速指標(biāo)簡介 . 16 4.2 總體方案論證 . 18 4.3 單元電路方案論證 . 22 4.3.1 主電路方案論證 . 22 4.3.2 控制電路方案論證 . 25 第 5 章 電路設(shè)計(jì) . 28 5.1 主電路設(shè)計(jì) . 28 5.1.1 電機(jī)參數(shù)計(jì)算和晶閘管容量參數(shù)計(jì)算 . 28 5.1.2 整流電路的選擇 . 30 5.1.3 整流器件的選擇 . 31 5.1.4 觸發(fā)電路的選擇 . 31 目 錄 2 5.1.5 穩(wěn)壓電源的選擇 . 33 5.1.6 主電路保護(hù)器件選擇 . 34 5.2 控制電路設(shè)計(jì) . 34 5.2.2 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成 . 36 5.2.3 雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的啟動(dòng)過程分析 . 38 5.2.4 轉(zhuǎn)速和電流兩個(gè)調(diào)節(jié)器的作用 . 40 5.2.5ACR 與 ASR 的設(shè)計(jì) . 41 5.3 調(diào)速系統(tǒng)主、控電路圖 . 45 5.4 調(diào)試過程 . 45 總結(jié) . 47 參考文獻(xiàn) . 48 致 謝 . 49 附錄 . 1 外文資料原文 . 2 外文資料譯文 . 第 1 章 緒 論 1 第 1章 緒 論 1.1 問題提出的意義 隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電氣設(shè)備發(fā)展日新月異。尤其以計(jì)算機(jī)、信息技術(shù)為代表的高新技術(shù)的發(fā)展，使制造技術(shù)的內(nèi)涵和外延發(fā)生了革命性的變化，傳統(tǒng)的電氣設(shè)備設(shè)計(jì)、制造技術(shù)不斷吸收信息控制、材料、能量及管理等領(lǐng)域的現(xiàn)代成果，綜合應(yīng)用于產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造、檢測、生產(chǎn)管理和售后服務(wù)。在生產(chǎn)技術(shù)和生產(chǎn)模式等方面，許多新的思想和概念不斷涌現(xiàn)，而且，不同科學(xué)之間相互滲透、交叉融合，迅速改變著傳統(tǒng)電氣設(shè)備制造業(yè)的面貌，從而使得產(chǎn)品頻繁的更新?lián)Q代， 這就使得電機(jī)成為社會(huì)生產(chǎn)和生活中必不可少的工具。 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)生活產(chǎn)品的需求要不斷趨向多樣化，這就要求生產(chǎn)設(shè)備必須具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在不同的時(shí)候進(jìn)行不同的操作，完成不同的任務(wù)。為了使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產(chǎn)行業(yè)，為達(dá)到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調(diào)速范圍等要求，又由于交流調(diào)速在當(dāng)時(shí)尚未解決好調(diào)速控制問題，調(diào)速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標(biāo)不滿足生產(chǎn)工藝的要求，所以當(dāng)時(shí)大量使用的是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，尤其是直流 無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，它具有調(diào)速性能好，范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別是設(shè)計(jì)簡單方便，雖然隨著控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)的的發(fā)展，制造工藝技術(shù)的提高，大量出現(xiàn)交流調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，但直流傳動(dòng)所具有的優(yōu)點(diǎn)特征，至今仍大量廣泛地使用直流調(diào)速。因此實(shí)現(xiàn)直流無級(jí)調(diào)速對(duì)我們社會(huì)生產(chǎn)和生活有著重大的意義。 1.2 國產(chǎn)直流電機(jī)簡介 為了滿足各行業(yè)按不同運(yùn)行條件對(duì)電動(dòng)機(jī)提出的要求，將直流電機(jī)制造 第 1 章 緒 論 2 成不同型號(hào)的系列。所謂系列就是指結(jié)構(gòu)形狀基本相似，而容量按一定比例遞增的一系列電機(jī)。它們的電壓、轉(zhuǎn)速、機(jī)座型號(hào)和鐵心長度都是一定的等級(jí)。現(xiàn)將 我國目前生產(chǎn)的幾個(gè)主要系列直流電機(jī)簡要的介紹如下。 Z2 系列為普通用途的中、小型電機(jī)。它的容量從 400W 到 200KW，電動(dòng)機(jī)的額定電壓有 200V 和 110V 兩種，額定轉(zhuǎn)速有 3000、 1500、 1000、 750 及600r/min 五個(gè)等級(jí)。 Z2 系列普通用途的中型直流電動(dòng)機(jī)，容量從 40KW 到370KW。 ZJD 系列為大型直流電動(dòng)機(jī)，容量從 150KW 到 6500KW，主要用于驅(qū)動(dòng)大型軋鋼機(jī)及卷揚(yáng)機(jī)。 1.3 直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 隨著電力半導(dǎo)體交流技術(shù)的日益發(fā)展成熟，直流電機(jī)在許多領(lǐng)域已被整流裝置代替，但直流電動(dòng) 機(jī)具有良好的啟動(dòng)、調(diào)速和正反轉(zhuǎn)特性，能滿足生產(chǎn)過程中的各種特殊要求，因而在需要寬廣調(diào)速的場合及特殊要求的自動(dòng)化控制系統(tǒng)中占有一定得應(yīng)用地位。 目前，我國電機(jī)有一定生產(chǎn)規(guī)模的企業(yè)有 500 多家，生產(chǎn)的電機(jī)產(chǎn)品有500 多個(gè)系列，近 1500 個(gè)品種。 1997 年我國電機(jī)產(chǎn)量約為 55288MW， 1998年約為 72505MW， 1999 年約為 62000MW。電動(dòng)機(jī)出口量約為 12000MW?？梢钥闯?1998 年較 1997 年電機(jī)產(chǎn)量有較大的提高，到 1999 年電機(jī)產(chǎn)量略有下降，企業(yè)負(fù)債持續(xù)攀升，效益不斷下滑，行業(yè)整體形勢有所下降。 745918 但隨著改革開放的深入，國家宏觀政策的調(diào)整以及市場需求的推動(dòng)，我國電機(jī)產(chǎn)品由勞動(dòng)密集型、資源密集型向高附加值和高技術(shù)含量的產(chǎn)品轉(zhuǎn)移，出口產(chǎn)品結(jié)構(gòu)也逐步趨向于市場化和合理化。我國 500 多個(gè)電機(jī)企業(yè)大多集中在沿海地區(qū)，西部地區(qū)的企業(yè)寥寥無幾，在國家開發(fā)西部的大好機(jī)遇里，對(duì)電機(jī)行業(yè)的發(fā)展提供了一個(gè)發(fā)展的機(jī)會(huì)。另外，我國加入 WTO 后，可將國內(nèi)一部分富裕的電機(jī)生產(chǎn)能力轉(zhuǎn)移到國外去，也是發(fā)展的一條出路。 在國際市場上，電機(jī)是機(jī)電產(chǎn)品的重要組成部分之一，每年的 貿(mào)易 額約第 1 章 緒 論 3 35 億美元。電機(jī)行業(yè)單機(jī)出口產(chǎn)品主要 為交流電動(dòng)機(jī)、交流發(fā)電機(jī)及直流電動(dòng)機(jī)。 由上述可以看到電機(jī)的發(fā)展還是有很大發(fā)展空間的。為了發(fā)展電機(jī)產(chǎn)品，滿足客戶需求，擴(kuò)大國內(nèi)、國際市場，電機(jī)產(chǎn)品必須向多用途、多品種方向發(fā)展，向高效、節(jié)能方向發(fā)展。要開拓市場、擴(kuò)大出口，今后電機(jī)行業(yè)的發(fā)展必須向以下幾方面努力： 1 電機(jī)的多用途、多品種 隨著電機(jī)行業(yè)的不斷發(fā)展，電機(jī)產(chǎn)品的外延和內(nèi)涵也不斷拓展，電機(jī)產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用于能源、交通、石油、化工、建筑等各個(gè)領(lǐng)域，并且電機(jī)的通用性逐漸向?qū)Ｓ眯苑较虬l(fā)展，打破了過去同一類電機(jī)分別用于不同性質(zhì)、場合的局面。電機(jī)正向?qū)Ｓ眯浴?特殊性、個(gè)性化方向發(fā)展，充分發(fā)揮電機(jī)的效率，這也是國外電機(jī)發(fā)展的最新觀點(diǎn)。 2 可靠性高、壽命長、噪聲低、重量輕、外形美觀 改革的不斷深入，市場的全面開放，市場競爭的日漸激烈，用戶對(duì)產(chǎn)品高性能的要求，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)者為了適應(yīng)市場及用戶的需求，不斷地改進(jìn)工藝，提高技術(shù)水平，采用新材料，設(shè)計(jì)出符合市場需求的電機(jī)產(chǎn)品。 3 高效、節(jié)能 為了提高電機(jī)效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目的，我們采用了許多辦法，如采用降低起動(dòng)轉(zhuǎn)矩、電容補(bǔ)償、阻尼槽等，但這都是在頻率不變的條件下實(shí)現(xiàn)的。自從有了逆變器之后，電源的變頻變壓變得更加容 易，從而可以調(diào)節(jié)異步電機(jī)在最佳工作點(diǎn)上運(yùn)行，保證出力不變的情況下，可用最大效率和高功率因數(shù)代替額定效率和額定功率因數(shù)，減小了電機(jī)尺寸，減輕其重量和降低成本。 4 機(jī)電一體化、智能化 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，高新技術(shù)對(duì)電機(jī)產(chǎn)品注入了新的活力，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的運(yùn)用、國家政策的鼓勵(lì)、各企業(yè)對(duì)科技的重視使新產(chǎn)品開發(fā)的周期逐漸縮短，機(jī)電一體化、智能化電機(jī)，應(yīng)運(yùn)而生，并且不斷推陳出新，在高新技術(shù)產(chǎn)品上我國電機(jī)的技術(shù)水平與發(fā)達(dá)國家相比，已水平相當(dāng)。但我國的電機(jī)產(chǎn)品要擴(kuò)大國內(nèi)、國際市場份額除了要滿足以上的要求外，我們還要強(qiáng)化市場競爭意識(shí)、市場服務(wù)意識(shí)，在未來的電機(jī)行業(yè)大發(fā)展中獨(dú)占鰲。第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 4 第 2章 直流電動(dòng)機(jī)的概述2.1 直流電動(dòng)機(jī)的基本知識(shí) 2.1.1 直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)是多種多樣的，但任何直流電機(jī)都包括定子部分和轉(zhuǎn)子部分，這兩部分間存在著一定大小的氣隙，使電機(jī)中電路和磁場發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)。直流電機(jī)定子部分主要由主磁極、電刷裝置和換向極等組成，轉(zhuǎn)子部分主要由電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。結(jié)構(gòu)圖如圖 2-1。 圖 2-1 直流電機(jī)結(jié)構(gòu)圖 1-電刷； 2-磁軛； 3-永久磁鋼； 4-極靴； 5-電 樞繞組； 6-內(nèi)磁軛 1 定子部分 （ 1）主磁極 : 其作用是產(chǎn)生磁場。通常用厚 1-1.5mm 的低碳鋼片疊裝而成。在磁極鐵心上繞有勵(lì)磁繞組，整個(gè)磁極利用螺桿固定在磁軛上。 （ 2）換向極 : 其作用是改善換向，使電機(jī)運(yùn)行時(shí)電刷下不產(chǎn)生有害的火花。換向極也是由鐵心及繞組組成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。 （ 3）機(jī)座 : 機(jī)座分磁軛和底腳兩部分。磁軛的作用是固定主磁極和換向極，是磁路的一部分。底腳起支撐和固定整臺(tái)電機(jī)的作用。機(jī)座一般式用鑄鋼鐵第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 5 制造或鋼板焊接而成。 2 轉(zhuǎn)子部分 （ 1）電樞鐵心 :電樞鐵心是磁路的一部分，表面開 槽以嵌放電樞繞組，為減少鐵耗，采用 0.35-0.5mm 厚的涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，固定在轉(zhuǎn)子支架或轉(zhuǎn)軸上。 （ 2）電樞繞組 :電樞繞組由許多按一定規(guī)則連接起來的線圈組成，是通過電流和產(chǎn)生電動(dòng)勢的關(guān)鍵性部件。線圈用帶絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成。嵌放在電樞鐵心表面的槽內(nèi)直流電機(jī)采用雙層繞組，每槽內(nèi)的線圈邊分上、下兩層，上下層之間及線圈于鐵心之間都是要可靠絕緣。槽口用槽契壓緊，再用鋼絲或玻璃絲帶扎緊，大型電機(jī)中，繞組伸出槽外的端接部分應(yīng)扎緊在支架上。 2.1.2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 電動(dòng)機(jī)是一種把電能轉(zhuǎn)變?yōu)?機(jī)械能的機(jī)械。它的基本原理是利用帶電導(dǎo)體和磁場間的相互作用而把電能變?yōu)闄C(jī)械能。電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：轉(zhuǎn)子和定子。轉(zhuǎn)子為電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)部分，由轉(zhuǎn)軸座組成，導(dǎo)體繞組的排列方式?jīng)Q定電動(dòng)機(jī)的類型及其特性。 絕大多數(shù)的電動(dòng)機(jī)都須作連續(xù)的轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，才能構(gòu)成電動(dòng)機(jī)。兩磁極間裝著一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個(gè)線圈。當(dāng)線圈中通入直流電流時(shí)，線圈邊上受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對(duì)電磁力形成了作用于電樞的一個(gè)電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時(shí)針方向。若電樞轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈兩邊的位 置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向卻變?yōu)轫槙r(shí)針方向了，因此電樞受到一種方向交變的電磁轉(zhuǎn)矩。這種交變的電磁轉(zhuǎn)矩只能使電樞來回?fù)u擺，而不能使電樞連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。顯然，要使電樞受到一個(gè)方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于，當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時(shí)地加以變換，即進(jìn)行所謂 “換向 ”。為此必須增添一個(gè)叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉(zhuǎn)。換向器又與兩個(gè)固定不動(dòng)的由石墨制成的電刷 A、 B 相接第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 6 觸。裝了這種換向器以后，若將直流電 壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動(dòng)，由于換向器配合電刷對(duì)電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊 ab 和 cd 流入，使線圈邊只要處于 N 極下，其中通過電流的方向總是由電刷 A 流入的方向，而在 S 極下時(shí)，總是從電刷 B 流出的方向。這就保證了每個(gè)極下線圈邊中的電流始終是一個(gè)方向。這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動(dòng)機(jī)能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電機(jī)的工作原理。 2.1.3 直流電動(dòng)機(jī)的組成及分類 直流電動(dòng)機(jī)的種類有很多，但一般將其分為電磁式直流電動(dòng)機(jī)、永磁式直流電動(dòng)機(jī)、無 刷式直流電動(dòng)機(jī)，三種。 1 電磁式直流電動(dòng)機(jī)： 電磁式 直流電動(dòng)機(jī)由定子磁極、轉(zhuǎn)子 (電樞 )、換向器 (俗稱整流子 )、電刷、機(jī)殼、軸承等構(gòu)成。 電磁式 直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極 (主磁極 )由鐵心和勵(lì)磁繞組構(gòu)成。根據(jù)其勵(lì)磁 (舊標(biāo)準(zhǔn)稱為激磁 )方式的不同又可分為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。因勵(lì)磁方式不同，定子磁極磁通 (由定子磁極的勵(lì)磁線圈通電后產(chǎn)生 )的變化規(guī)律也不同。 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵(lì)磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵(lì)磁電流的增大而增大 ，轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降。其起動(dòng)轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的 5 倍以上，短時(shí)間過載轉(zhuǎn)矩可達(dá)額定轉(zhuǎn)矩的 4 倍以上，轉(zhuǎn)速變化率較大，空載轉(zhuǎn)速甚高 (一般不允許其在空載下運(yùn)行 )?？赏ㄟ^用外用電阻器與串勵(lì)繞組串聯(lián) (或并聯(lián) )、或?qū)⒋畡?lì)繞組并聯(lián)換接來實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組相并聯(lián)，其勵(lì)磁電流較恒定，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，起動(dòng)電流約為額定電流的 2.5 倍左右。轉(zhuǎn)速則隨電流及轉(zhuǎn)矩的增大而略有下降，短時(shí)過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 1.5 倍。轉(zhuǎn)速變化率較小，為 5 -15?？赏ㄟ^削弱磁 場的恒功率來調(diào)速。 第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 7 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組接到獨(dú)立的勵(lì)磁電源供電，其勵(lì)磁電流也較恒定，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。轉(zhuǎn)速變化也為 5 -15?？梢酝ㄟ^削弱磁場恒功率來提高轉(zhuǎn)速或通過降低轉(zhuǎn)子繞組的電壓來使轉(zhuǎn)速降低。 復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的定子磁極上除有并勵(lì)繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵(lì)繞組 (其匝數(shù)較少 )。串聯(lián)繞組產(chǎn)生磁通的方向與主繞組的磁通方向相同，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩約為額定轉(zhuǎn)矩的 4 倍左右，短時(shí)間過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 3.5 倍左右。轉(zhuǎn)速變化率為 25 30 (與串聯(lián)繞組有關(guān) )。轉(zhuǎn)速可通過削弱磁場強(qiáng)度宋調(diào)整。 換向器的換向片使 用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強(qiáng)度塑料模壓成。 電刷與換向器滑動(dòng)接觸，為轉(zhuǎn)子繞組提供電樞電流。電磁式直流電動(dòng)機(jī)的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。 轉(zhuǎn)子的鐵心采用硅鋼片疊壓而成，一般為 12 槽，內(nèi)嵌 12 組電樞繞組，各繞組間串聯(lián)連接后，再分別與 12 片換向片連接。 2 永磁式直流電動(dòng)機(jī)： 永磁式直流電動(dòng)機(jī)也由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成。 定子磁極采用永磁體 (永久磁鋼 )，有鐵氧體、鋁鎳鉆、釹鐵硼等材料。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。錄放機(jī)中使用的電動(dòng)機(jī)多數(shù)為圓筒型磁體，而 電動(dòng)工具及汽車用電器中使用的電動(dòng)機(jī)多數(shù)采用瓦塊型磁體。 轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的槽數(shù)少。錄放機(jī)中使用的小功率電動(dòng)機(jī)多數(shù)為 3 槽，較高檔的為 5 槽或 7 槽。漆色線在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間 (三槽即有三個(gè)繞組 )，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。 電刷是連接電源與轉(zhuǎn)子繞組的導(dǎo)電部件，具備導(dǎo)電與耐磨兩種性能。永磁電動(dòng)機(jī)的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。 錄放機(jī)中使用的永磁式直流電動(dòng)機(jī)，采用電子穩(wěn)速電路或離心式穩(wěn)速裝置。 3 無刷直流電動(dòng)機(jī)： 無刷直流電動(dòng)機(jī)是采用 半導(dǎo)體永磁體轉(zhuǎn)子 多極繞組定子 位置傳感器定子開關(guān)器件來實(shí)現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。它具有可靠性高、無換向火花、機(jī)械噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高檔錄音座、錄像機(jī)、電子儀器及自動(dòng)化辦公設(shè)備中。 第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 8 無刷直流電動(dòng)機(jī)由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。位置傳感按轉(zhuǎn)子位置的變化，沿著一定次序?qū)Χㄗ永@組的電流進(jìn)行換流 (即檢測轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)定子繞組的位置，并在確定的位置處產(chǎn)生位置傳感信號(hào)，經(jīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換電路處理后去控制功率開關(guān)電路，按一定的邏輯關(guān)系進(jìn)行繞組電流切換 )。定子繞組 的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。 位置傳感器有磁敏式、光電式和電磁式三種類型。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，其磁敏傳感器件 (例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?)裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的磁場變化。采用光電式位置傳感器的無刷直流電動(dòng)機(jī)，在定子組件上按一定位置配置了光電傳感器件，轉(zhuǎn)子上裝有遮光板，光源為發(fā)光二極管或小燈泡。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會(huì)按一定頻率間歇產(chǎn)生脈沖信號(hào)。采用電磁式位置傳感器的無刷直流電動(dòng) 機(jī)，是在定子組件上安裝有電磁傳感器部件 (例如耦合變壓器、接近開關(guān)、 LC 諧振電路等 )，當(dāng)永磁體轉(zhuǎn)子位置發(fā)生變化時(shí)，電磁效應(yīng)將使電磁傳感器產(chǎn)生高頻調(diào)制信號(hào) (其幅值隨轉(zhuǎn)子位置而變化 )。 2.2 直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理 2.2.1 直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式 直流電動(dòng)機(jī)的主極磁場由勵(lì)磁繞組通以直流勵(lì)磁電流產(chǎn)生。勵(lì)磁電流的獲得方式稱為勵(lì)磁方式。主勵(lì)磁場的極性由勵(lì)磁電流方向決定，場強(qiáng)由勵(lì)磁電流大小決定。一般直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流均可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。勵(lì)磁方式一般有，他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)，四種。下面就簡單介紹一下這四種方式的電動(dòng)機(jī)。 1 他勵(lì)電動(dòng)機(jī) 此類電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組 F 和 電樞繞組 S 由兩個(gè)不同的直流電源供電 ， 勵(lì)磁回路與電樞回路相對(duì)獨(dú)立，采用永久磁鐵作為主極的永磁直流電動(dòng)機(jī)亦屬于此類。 2 并勵(lì)電動(dòng)機(jī) 第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 9 勵(lì)磁繞組 F 和電樞繞組 S 并聯(lián)，有同一個(gè)直流電源供電，勵(lì)磁電流通常只有額定電流的 1%-5%，這是直流電動(dòng)機(jī)最為常見的勵(lì)磁方式。 3 串勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁繞組 C 和電樞繞組 S 串聯(lián)，其勵(lì)磁電流與電樞電流相等與負(fù)載大小有關(guān)。 4 復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī) 勵(lì)磁繞組由并勵(lì)繞組 F 與串勵(lì)繞組 C 兩部分組成，并套在同一個(gè)主極鐵心上，通常復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)以并勵(lì)為 主，并勵(lì)磁動(dòng)勢占磁極總勵(lì)磁磁動(dòng)勢的 70%以上。若串勵(lì)磁場對(duì)并勵(lì)磁場助磁，稱之為積復(fù)勵(lì)；串磁磁場對(duì)并勵(lì)磁場去磁時(shí)，則稱之為差復(fù)勵(lì)。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性介并勵(lì)于串勵(lì)之間。 勵(lì)磁繞組存在電阻，電動(dòng)機(jī)在工作時(shí)勵(lì)磁回路要消耗一定的功率，稱之為勵(lì)磁損耗，這就使得直流電動(dòng)機(jī)的效率相對(duì)其他電動(dòng)機(jī)要低。勵(lì)磁損耗一般不超過額定功率的 1%-3%。 2.2.2 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程 1 電動(dòng)勢平衡方程式： 根據(jù)基爾霍夫第二定律，對(duì)任一有源的閉合回路，所有電動(dòng)勢之和等于所有壓降和，有： （ 2-1） （ 2-2） 2 轉(zhuǎn)矩平衡方程式： 直流發(fā)電機(jī)在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 n,作用在電樞上的轉(zhuǎn)矩共有三個(gè)：一個(gè)是原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩 1T ；一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩 T；還有一個(gè)是電機(jī)的機(jī)械摩擦、風(fēng)阻以及鐵損耗引起的轉(zhuǎn)矩，叫空載轉(zhuǎn)矩，用0T表示 ,空載轉(zhuǎn)矩是一個(gè)制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩 ,永遠(yuǎn)與轉(zhuǎn)速 n 的方向相反。 （ 2-3） ffffaaaRIrrIURIUE )(01 TTT 第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 10 2.2.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 1 機(jī)械特性的表達(dá)式： 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： emTfn 。 由電機(jī)的電路原理圖可得機(jī)械特性的表達(dá)式： （ 2-4） 通常稱 大的機(jī)械特性為軟特性， 小的機(jī)械特性為硬特性。 2 固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性： 電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性可分為固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性 (1)固有機(jī)械特性： 固有機(jī)械特性是指當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電樞工作電壓和勵(lì)磁磁通均為額定值、電樞回路中沒有串入附加電阻時(shí)的機(jī)械特性，其方程式為： （ 2-5） 固有機(jī)械特性曲線如圖所示，由于aR較小，則 n 也較小，所以直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是比較 “硬 ”的。 圖 2-2 固有機(jī)械特性曲線 nnTnTCC RC Un emTee 002 emNTe aNe N TCCRCUn2第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 11 人為機(jī)械特性是指人為地改變電動(dòng)機(jī)電路中的某個(gè)參數(shù)或電動(dòng)機(jī)的電樞電壓值，而得到的機(jī)械特性，即改變式中的機(jī)械特性方程中的某些參數(shù)所獲得的機(jī)械特性： (2-6) 我們來研究只改變電樞電壓、磁通或附加電阻的一個(gè)參數(shù)，求出直流電動(dòng)機(jī)有下列三種人為機(jī)械特性： 1）電樞串電阻時(shí)的人為特性： 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的paaNN RRRUU ,時(shí)，其人為機(jī)械特性的方程式為： (2-7) 圖 2-3 電樞串電阻時(shí)特性曲線 與固有特性相比， a.理想空載轉(zhuǎn)速NENCUn 0不變， b. 增大，轉(zhuǎn)速降 n增大，附加電阻paR越大， n 也越大，特性越 “軟 ”，如圖 2-3 中曲線 1、 2 所示。這類人為機(jī)械特性是一組通 過0n,而不同斜率的直線?？梢?，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩enNTepaaNeN TCC RRC Un 2emTRUn2Tee CCC 第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 12 不變時(shí)，只改變電阻paR的大小，可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，電樞回路串電阻的方法，可用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 2）降低電樞電壓時(shí)的人為特性： 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的 0, paN R時(shí)，改變電樞電壓的人為機(jī)械特性的方程式為： (2-8) 圖 2-4 降低電樞電壓時(shí)特性曲線 與固有特性相比較， a. 機(jī)械特性曲線的斜率 不變， b.理想的空載轉(zhuǎn)速0n隨電壓減小成正比減小，改變電壓時(shí)的人為特性是一組與固有機(jī)械特性平行的直線，如圖所示。由于受到絕緣強(qiáng)度的限制，電動(dòng)機(jī)的額定電壓是工作電壓的上限，因此改變電壓時(shí)，只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)變化。可見，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，改變電壓的大小，可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速， 因此，改變電樞電壓的方法，也可用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。 3）減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性： 可以在勵(lì)磁回路中串接上電阻pfR，或降低勵(lì)磁電壓fU來減弱磁通，保持 0, paN RUU時(shí)，減弱磁通的人為特性方程式為： (2-9) emNTe aNe TCCRCUn2emTeaeN TCC RCUn 2第 2 章 直流電動(dòng)機(jī)的概述 13 圖 2-5 減弱勵(lì)磁磁通時(shí)特性曲線 由于磁通 的減少，使得理想空載轉(zhuǎn)速0n和機(jī)械特性斜率 都增大，其特性曲線如圖所示。電機(jī)的磁通設(shè)計(jì)在磁化曲線的膝點(diǎn)，接近飽和點(diǎn)，因此一般采用減弱磁通方法，可見，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，減弱磁通方法也可用于直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速。第 3 章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 14 第 3章 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 3.1 設(shè)計(jì)任務(wù) 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們 對(duì)生活產(chǎn)品的需求要不斷趨向多樣化，這就要求生產(chǎn)設(shè)備必須具有良好的動(dòng)態(tài)性能，在不同的進(jìn)行不同的操作，完成不同的任務(wù)。為了使系統(tǒng)具有良好的動(dòng)態(tài)性能必須對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產(chǎn)行業(yè)，為達(dá)到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調(diào)速范圍等要求，又由于交流調(diào)速在當(dāng)時(shí)尚未解決好調(diào)速控制問題，調(diào)速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標(biāo)不滿足生產(chǎn)工藝的要求，所以當(dāng)時(shí)大量使用的是直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，尤其是直流無級(jí)調(diào)速系統(tǒng)，它具有調(diào)速性能好，范圍寬，動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，特別是設(shè)計(jì)簡單方便，雖然隨著控制技術(shù)以及電力 電子技術(shù)的的發(fā)展，制造工藝技術(shù)的提高，大量出現(xiàn)交流調(diào)速的傳動(dòng)系統(tǒng)，但直流傳動(dòng)所具有的優(yōu)點(diǎn)特征，至今仍大量廣泛地使用直流調(diào)速。我們本次的設(shè)計(jì)任務(wù)就是直流電動(dòng)機(jī)無級(jí)調(diào)速的設(shè)計(jì)，使其能更好的為我們的生產(chǎn)和生活服務(wù)。 3.2 設(shè)計(jì)要求與性能指標(biāo) 要求設(shè)計(jì)要使得電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速可以由零平滑調(diào)至額定轉(zhuǎn)速，能實(shí)現(xiàn)高速起動(dòng)，具有較高的調(diào)速精度。 1 穩(wěn)態(tài)指標(biāo)：無靜差 2 動(dòng)態(tài)指標(biāo)：電流超調(diào)量 i Idm, asked bicyclol speed control system ASR and ACR how-conditioning, the result? A: When the load changes, Idl Idm, speed decreased rapidly, the current Id soon to Idm, and of limited amplitude, rapid rate of ASR saturation, ACR has been limiting conditions, to form a blocking phenomenon, long-running will damage the system. 2. System Speed regulator and current regulator in the Double Loop DC Motor Control System can be summarized as follows: (1). The role of speed regulator Speed regulator is a speed control system of the dominant regulator, which allows speed n will soon change with a given voltage Un * changes in steady-state speed error can be reduced, if the PI regulator can achieve the non-static error. 1) The effect of load changes in the role of anti-disturbance. 2) The output amplitude of the decision limit the maximum allowable motor current. (2) The role of current regulator 1) As a regulator of the inner ring, outer ring at the speed of the adjustment process, it makes the current closely followed the given voltage Ui * (that is, the outer ring modulator output) changes. 2) Fluctuations in voltage from the role of disturbance rejection in time. 3) The speed of the dynamic process of ensuring that the maximum allowable motor current, thereby speeding up the dynamic process. 4) When the motor overload or stall when the armature current limit of the maximum, automatic protection from the role of acceleration. Once the fault 外文原文 52 disappears, the system automatically return to normal. Yesterday, the role of the reliable operation is very important. double-loop speed control system common faults analysis 1.Introduction of a system (1). Double-loop speed control system components in Figure 1. Current loop: from the current regulator LT, trigger CF (input transformation for the CSR), silicon-controlled rectifier bridge, motor armature and current loop transform LB component. the speed of outer ring: the speed regulator from ST, current loop, such as link inertia, motor and load moment of inertia and the speed of transformation components SB. in the double-loop speed control system, the speed of the decision loop of the running characteristics of the whole system and stability, and play a leading role, and to change the current ring plays the role of the internal structure of the system is dependent, but since it is as a whole to participate in the closed-loop speed to the speed of a direct impact on the work of the closed-loop, it must first good debugging current loop, and then testing the speed of outer ring, so that the whole system has good dynamic performance. (2). Double-loop speed contr