直流電機的調速性能研究

郁文梁

1.蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇 蘇州 215021

2.蘇州建設交通高等職業技術學校，江蘇 蘇州 215021

1 直流電機工作原理

直流電機在使用過程中做好不同的調速控制，其主要指對內部機械結構裝置的控制。從機械行業角度看，直流轉速控制系統實際上就是兩個機械結構之間的調整，以滿足實際設計控制的需要。單片機運用于直流電機控制后，需要根據實際操控情況加以處理更新。一個簡單的直流電動機它的兩個磁極（N極和S極）在空間固定不動，兩磁極之間有一鐵質的圓柱體（稱為電樞鐵芯）。電樞鐵芯與磁極之間的間隙稱為氣隙，兩根導體ab和cd連成一個線圈，并嵌置在電樞鐵芯表面上，通常稱為電樞繞組。線圈的首、末端分別連接到兩個圓弧形的銅片（稱為換向片）上，換向片固定在轉軸上，換向片之間以及換向片與轉軸之間都是互相絕緣的。電機轉動部分稱為電樞，為了把電樞繞組和外電路接通，裝置了兩個在空間固定不動的電刷A和B，當電樞轉動時，電刷A只能與轉到上面的一片換向片接觸，而電刷B只能與轉到下面的一片換向片接觸。在電刷A、B兩端接上直流電流電源U，電刷A接至電源的負極，電刷B接至電源的正極，則線圈中有電流流過。我們知道，位于磁場中的載流導體必將受到電磁力的作用，至于電磁力的方向可用左手定則確定，這一電磁力形成了作用于電樞鐵芯的電磁轉矩，由圖可見，轉矩的方向是逆時針的，電動機的電樞在此轉矩的作用下，將逆時針方向旋轉，從而拖動與電機軸相聯的負載機械運轉，成為一臺直流電動機。

2 直流電機的結構

由于產品結構形式及使用性能的不同，直流電機根據用途不同和功率不同，其結構形式也各有不同，因此，在生產、生活現實中使用著各種結構形式的直流電機，但不管其結構形式如何，從原理上講它都是由一些基本部分組成，圖1和圖2分別為直流電機的結構示意圖和剖面圖。

圖1 直流電機結構示意圖

圖2 直流電機的結構剖面圖

總體上說，直流電機由定子（固定部分）和轉子（轉動部分）兩大部分所組成，定子的作用是用來產生磁場和作電機本身的機械支撐，它包括主磁極、換向極、機座、端蓋、軸承等，靜止的電刷裝置也固定在定子上，轉子上用來感應電勢和通過電流從而實現能量轉換的部分稱為電樞，它包括電樞鐵芯和電樞繞組，電樞鐵芯固定在轉軸上，轉軸兩端分別裝有換向器和風扇等，由于習慣，人們常將直流電機的轉子稱為電樞。

3 直流電機的調速特性

直流電機主要是把直流電能轉換為機械能的一種裝置，其本質上是一種能量的轉換控制。直流電機在運行過程中可以對內部速度進行嚴格操控，保持轉速系統的速度、功率等均處于一個標準的控制范圍。這一方面可以保證直流電機的有效運行，另一方面也能加強各個轉速控制系統更好地受單片機系統操作，滿足了現代電機運行的實際需要。目前，從工業企業的實際運用狀況看，我國的直流電機在使用過程中發揮出現的作用集中體現在了“轉速控制”上，對內部的機械結構實施有效的調控處理。直流電機的調速方法具體包括：

1）改變電樞電路外串接電阻，電阻是影響電路連接的重要裝置，在操控過程中通過改變電阻值的大小能對電機的轉速控制系統嚴格調控。有的機電產品在轉速調節上功能較多，往往難以發揮理想的控制作用。而直流電機使用后對于速度方面的控制作用變得更加顯著。但就這一方面來說，由于直流電機對電阻的改變存在許多缺陷，一般工業上很少用這種功能；

2）改變電動機電樞供電電壓U。電壓是保證機電系統正常運行的重要基礎，在使用系統運行階段可以通過調整控制系統電壓大小實現控制設計。本次設計中嘗試了采用其它裝置進行電壓調試，但發現裝置在使用過程中會出現不同的失穩狀態，電壓供給不均衡而影響到整體操控上的效果；

3）改變直流電機的速度。這種特點表現在多個方面，主要包括了：可以平滑無極調速，但只能弱磁調速，即在額定轉速以上調節；調速特性軟，且受電動機換向條件等的限制；當電源電壓連續變化時，轉速可以平滑無極調節，一般只能再額定轉速以下調節；調速特性與固有特性互相平行，機械特性硬度不變，調速的穩定性高，調速范圍較大；調速時，電動機轉矩不變，屬于恒轉矩調速，適合于對恒轉矩型負載進行調速；可以靠調節電樞電壓來啟動電機，而不用其它設備；

4）改變勵磁磁通運行狀態。這種控制方式同樣可以達到不同的標準要求，具體顯現在：可以平滑無極調速，但只能弱磁調速，即在額定轉速以上調節；調速特性軟，且受電動機換向條件等的限制；調速時維持電樞電壓和電樞電流不變，即功率不變，屬于恒功率調速。

經過綜合分析之后，對于此次直流電機轉速控制系統的設計決定選擇改變電動機電樞供電電壓U的方法來控制電機的轉速，這不僅能維持電壓的穩定運輸，且可以確保各項裝置在使用時能發揮較好的控制作用。

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