直流電機的調(diào)速性能研究

郁文梁

1.蘇州大學(xué)計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 蘇州 215021

2.蘇州建設(shè)交通高等職業(yè)技術(shù)學(xué)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(diào)速控制，其主要指對內(nèi)部機械結(jié)構(gòu)裝置的控制。從機械行業(yè)角度看，直流轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)實際上就是兩個機械結(jié)構(gòu)之間的調(diào)整，以滿足實際設(shè)計控制的需要。單片機運用于直流電機控制后，需要根據(jù)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(zhì)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(dǎo)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(zhuǎn)軸上，換向片之間以及換向片與轉(zhuǎn)軸之間都是互相絕緣的。電機轉(zhuǎn)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(dāng)電樞轉(zhuǎn)動時，電刷A只能與轉(zhuǎn)到上面的一片換向片接觸，而電刷B只能與轉(zhuǎn)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(dǎo)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(zhuǎn)矩，由圖可見，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針的，電動機的電樞在此轉(zhuǎn)矩的作用下，將逆時針方向旋轉(zhuǎn)，從而拖動與電機軸相聯(lián)的負載機械運轉(zhuǎn)，成為一臺直流電動機。

2 直流電機的結(jié)構(gòu)

由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式及使用性能的不同，直流電機根據(jù)用途不同和功率不同，其結(jié)構(gòu)形式也各有不同，因此，在生產(chǎn)、生活現(xiàn)實中使用著各種結(jié)構(gòu)形式的直流電機，但不管其結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖和剖面圖。

圖1 直流電機結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 直流電機的結(jié)構(gòu)剖面圖

總體上說，直流電機由定子（固定部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分）兩大部分所組成，定子的作用是用來產(chǎn)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(zhuǎn)子上用來感應(yīng)電勢和通過電流從而實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)軸上，轉(zhuǎn)軸兩端分別裝有換向器和風(fēng)扇等，由于習(xí)慣，人們常將直流電機的轉(zhuǎn)子稱為電樞。

3 直流電機的調(diào)速特性

直流電機主要是把直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的一種裝置，其本質(zhì)上是一種能量的轉(zhuǎn)換控制。直流電機在運行過程中可以對內(nèi)部速度進行嚴格操控，保持轉(zhuǎn)速系統(tǒng)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(zhuǎn)速控制系統(tǒng)更好地受單片機系統(tǒng)操作，滿足了現(xiàn)代電機運行的實際需要。目前，從工業(yè)企業(yè)的實際運用狀況看，我國的直流電機在使用過程中發(fā)揮出現(xiàn)的作用集中體現(xiàn)在了“轉(zhuǎn)速控制”上，對內(nèi)部的機械結(jié)構(gòu)實施有效的調(diào)控處理。直流電機的調(diào)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(zhuǎn)速控制系統(tǒng)嚴格調(diào)控。有的機電產(chǎn)品在轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)上功能較多，往往難以發(fā)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(yè)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(tǒng)正常運行的重要基礎(chǔ)，在使用系統(tǒng)運行階段可以通過調(diào)整控制系統(tǒng)電壓大小實現(xiàn)控制設(shè)計。本次設(shè)計中嘗試了采用其它裝置進行電壓調(diào)試，但發(fā)現(xiàn)裝置在使用過程中會出現(xiàn)不同的失穩(wěn)狀態(tài)，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(xiàn)在多個方面，主要包括了：可以平滑無極調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)；調(diào)速特性軟，且受電動機換向條件等的限制；當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時，轉(zhuǎn)速可以平滑無極調(diào)節(jié)，一般只能再額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；調(diào)速特性與固有特性互相平行，機械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定性高，調(diào)速范圍較大；調(diào)速時，電動機轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適合于對恒轉(zhuǎn)矩型負載進行調(diào)速；可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓來啟動電機，而不用其它設(shè)備；

4）改變勵磁磁通運行狀態(tài)。這種控制方式同樣可以達到不同的標準要求，具體顯現(xiàn)在：可以平滑無極調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)；調(diào)速特性軟，且受電動機換向條件等的限制；調(diào)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(diào)速。

經(jīng)過綜合分析之后，對于此次直流電機轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的設(shè)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(zhuǎn)速，這不僅能維持電壓的穩(wěn)定運輸，且可以確保各項裝置在使用時能發(fā)揮較好的控制作用。

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