電機拖動綜合性實驗設計淺析

王偉++杜瑞文

摘 要：本文重點闡述了電機拖動綜合性實驗的設計，實驗臺由實驗臺控制面板、三相變壓器、直流電源控制屏、直流表、交流表以及燈箱負載六大部分組成。在結構上采用人體工程學原理進行設計，降低了實驗臺的整體高度，實驗臺操作面板呈小角度傾斜放置，更方便使用者操作。

關鍵詞：電機拖動；實驗設計；人體工程學

電力拖動裝置由電動機及其自動控制裝置組成，自動控制裝置通過對電動機起動、制動的控制，對電動機轉速調節的控制，對電動機轉矩的控制以及對某些物理參量按一定規律變化的控制等，可實現對機械設備的自動化控制。采用電力拖動不但可以把人們從繁重的體力勞動中解放出來，還可以把人們從繁雜的信息處理事務中解脫出來，并能改善機械設備的控制性能，提高產品質量和勞動生產率。

一、電力拖動分類

按電動機供電電流制式的不同，有直流電力拖動和交流電力拖動兩種。早期的生產機械如通用機床、風機、泵等不要求調速或調速要求不高，以電磁式電器組成的簡單交、直流電力拖動即可以滿足。隨著工業技術的發展，對電力拖動的靜態與動態控制性能都有了較高的要求，具有反饋控制的直流電力拖動以其優越的性能曾一度占據了可調速與可逆電力拖動的絕大部分應用場合。自20年代以來，可調速直流電力拖動較多采用的是直流發電機–電動機系統，并以電機擴大機、磁放大器作為其控制元件。電力電子器件發明后，以電子元件控制、由可控整流器供電的直流電力拖動系統逐漸取代了直流發電機-電動機系統，并發展到采用數字電路控制的電力拖動系統。這種電力拖動系統具有精密調速和動態響應快等性能。這種以弱電控制強電的技術是現代電力拖動的重要特征和趨勢。交流電動機沒有機械式整流子，結構簡單、使用可靠，有良好的節能效果，在功率和轉速極限方面都比直流電動機高；但由于交流電力拖動控制性能沒有直流電力拖動好，所以70年代以前未能在高性能電力拖動中獲得廣泛應用。隨著電力電子器件的發展，自動控制技術的進步，出現了如晶閘管的串級調速、電力電子開關器件組成的變頻調速等交流電力拖動系統，使交流電力拖動已能在控制性能方面與直流電力拖動相抗衡和媲美，并已在較大的應用范圍內取代了直流電力拖動。

二、電機調速實驗設計

（一）實驗硬件設計

調速控制方法調速采用PWM脈寬調制，通過產生矩形波，改變輸出電壓占空比，改變直流并勵電動機的電樞電壓，達到了調速的目的。增加一個+5V和+15V電源，220V電源經過橋式整流和電容慮波后，經過7805和7815的穩壓后，穩定輸出+5V和+15V電源。計霍爾開關集成電路中的信號放大器將霍爾元件產生的幅值隨磁場強度變化的霍爾電壓UH放大后再經信號變換器、驅動器進行整形、放大后輸出幅值相等、頻率變化的方波信號。通過對H橋電機驅動電路產生的驅動信號進行功率放大，并把此信號加到并勵電機的電柏繞組上，驅動并勵電機運行，通過勵磁繞組的改變達到調速目的。除此之外，通過霍爾傳感器測速電路代替傳統的測速電機，節約了實驗成本。相比較原來的直流并勵電動機調速實驗，這個實驗線路可以完成各種調速方式.通過單片機編程可以很方便地控制電機的開關，同時能方便地控制PWM波的占空比，在一定的范圍內任意的調速，相比較傳統的調速方法，調速范圍得到大大提升，調速的值可以實現預置。

（二）實驗軟件設計

先對系統進行初始化，然后通過對按鍵的查詢，找到相應的模式進行相應的處理，最后完成對并勵電動機的調速。選擇銘牌數據如下的直流并勵電機進行調速實驗：額定電壓220V，額定電流1.1A，額定功率185W，額定轉速1600r/min，額定勵磁電流小于0.16A，對并勵電機的兩種調速方法進行了測試。通過改變占空比從而改變電樞端電壓調速方法可以連續平滑的無級調速，機械特性硬，對于輕載與重載具有明顯的調速效果。但轉速只能從額定轉速往下調，初投資大，維護要求高，而改變勵磁電流調速在恒轉矩負載時，因磁通減小，導致電樞電流I0增大，電機效率降低，而且長時間運行會導致電機發熱，故弱磁調速適合恒功率場合，弱磁調速可以連續平滑調速，改變勵磁電流控制方便，但轉速只能從額定轉速往上調，最高轉速受機械強度與換向能力的限制。

三、實驗結果分析

根據實驗數據，計算出各項的變比，然后取其平均值作為變壓器的變比。

根據空載實驗數據作空載特性曲線并計算激磁參數，繪出空載特性曲線U0=f（I0），P0=f（U0），cosφ0=f（U0）。

式中

從空載特性曲線查出對應于U0=UN時的I0和P0值，并由下式求取激磁參數。

繪出短路特性曲線UK=f（IK），PK=f（IK），cosK=f（IK）。

式中

綜上所述，直流電動機在使用時一定要保證勵磁回路連接可靠，絕不能斷開。一旦勵磁電流If =0，則電機主磁通將迅速下降至剩磁磁通，若此時電動機負載較輕，電動機的轉速將迅速上升，造成“飛車”；若電動機的負載為重載，則電動機的電磁轉矩將小于負載轉矩， 使電機轉速減小，但電樞電流將飛速增大，超過電動機允許的最大電流值，引起電樞繞組因大電流過熱而燒毀。

參考文獻：

[1]楊靖.用單片機控制的直流電機調速系統[J].機床電器，2014.

[2]謝家興.單片機直流電機調速系統的設計[J].軟件導刊，2014.