电机控制课程设计.doc

一、直流电动机的概述1、直流电动机的结构直流电机所有部件可分为固定和转动两大部分，其中固定不动部分叫定子，转动部分叫转子通常也叫做电枢。1、定子部分主磁极： 主要用于产生气隙磁场，由铁心和励磁绕组两部分组成，铁心由极身与极靴组成，绕组套于极身上，然后用螺钉固定主磁极在机座上。 换向极：两相邻主磁极之间的小磁极叫换向极，也叫附加极或者间极，换向极主要用于改善换向，减小电机运行时电刷与换向器之间可能产生的火花。同样由绕组与铁心组成，绕组与电枢绕组串联，故绕组导线较粗，一般换向极数目与主磁极相等。机座：通常用铸铁，铸钢，或者钢板焊接而成，作用有三，其一作为磁轭传导磁通，是电机磁路的一部分，其二 用来固定主磁极，换向磁极和端盖等部件，其三是借用机座的底脚把电机固定在基础上。电刷装置：主要由电刷，刷握，刷杆，刷杆座，刷辨及压紧弹簧等零件构成，其作用主要是使转动的电枢绕组电路与静止的外部电路相接，实现交流直流电能的转换。端盖：一般由铸铁制成，固定于机座两端，主要作用是装有轴承支撑电枢转动，保护电机避免外界杂物落进，维护人身安全，防止接触电机内部器件。2、电枢部分电枢铁心：主要作用是其一作为电机主磁路的一部分，传导磁通；其二是作为嵌放电枢绕组的骨架。为降低电机运行产生涡流损耗和磁滞损耗，电枢铁心常采用0.5mm两面涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，之后固定在转轴或者转子支架上。电枢绕组：由许多线圈按一定规律连接而成，用高强度漆包线或玻璃纸包扁铜线绕成。主要作用是发电运行时产生感应电势，作为电动机运行时产生电磁转矩。换向器：由许多楔形铜片组装而成，形成一个圆柱体，片与片之间用厚0.4|1.2mm的云母片隔开，每个换向片按一定规律与电枢线圈连接。主要作用是与电刷配合实现交流与直流能量的转换。转轴：电枢旋转的支撑作用，一般由圆钢加工而成。2、直流电机的特点优 点： 直流电机是旋转电机的主要类型之一，直流发电机供电质量好，常用作直流电源；直流电动机具有良好的启动和调速性能，不需要价格昂贵的调速设备，用于调速要求高的场合。缺 点：直流电机结构复杂，造价较高，运行维护和可靠性较差。3、直流电机的主要用途直流电动机主要用于电力机车，无轨电车，轧钢机，矿井卷扬机，大型机床，起重机等的动力设备，小容量的直流电动机广泛用于自动控制系统中。直流发电机则作为各种直流电源，用于化学工业中的电解、电镀的电源。发电厂中的同步发电机的励磁电源，即励磁机。二、直流电动机起动器需具备的功能分析1、起动转矩的要求要求电机启动时的转矩要比较大，从而能够顺利的启动电动机 ，而不对电动机其他性能影响太大，如绕组和换向器。2、起动电流的要求通常直流电机启动时会产生1020IN的起动电流那样可能损坏电机绕组和电动机换向恶化，因此电动机在启动时电枢的电流须限制在一定的范围内。3、需具备失磁保护功能在励磁回路断开或者励磁很弱，则电机的主电路不应被接通，或者在电动机运行时突然失磁或急速的磁通降，则电动机主电路需立即被断开，来保护电机和人身的安全。三、主电路拓扑结构的选用依据和原则1、主电路选用依据启动转矩的要求：使起动的电动机起动转矩足够大，电机才能顺利起动，一般要求Tst=（1.11.2）TN。根据直流电动机电磁转矩方程式： T = CTIa 式中： T 电枢绕组的电磁转矩。NmCT = 每一磁极的总磁通量。Wb。由上式可知电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比由式T = T0 + TL其中T0 由机械损耗，铁心损耗和杂散损耗等引起的空载制动转矩。TL 电机轴上输出的转矩，即负载制动转矩。由上述公式知道，提高电机的启动转矩，即提高负载制动转矩TL 的值，亦即需提高电机的电磁转矩T。启动电流的要求由于直流电动机的启动时，启动冲击电流很大，可达额定电流的1020倍，如此大的电流可能导致电机换向器和电枢绕组的损坏，为减小启动电流，采用在电枢回路中串入启动电阻的办法，来限制启动电流。 欠磁保护的要求由式： Ea = Cen （1） （2）知他励与并励直流电动机在弱磁或者零磁时，电枢反电势将随之减少，电枢电流急剧增加，如果此时负载为轻载时，根据（2）式，电机的转矩急剧增大，转速急剧飞升，电动机就会产生“飞车”现象，如果负载为重载，电磁转矩克服不了负载转矩，电机则可能停转，造成电枢电流很大，而烧坏绕组，这都是不允许的。所以当励磁电路突然断路，或励磁突然急剧下降时，应能及时切断主电路，起到欠磁保护作用。2、主电路拓扑选用的原则由于直流电机启动过程较简单，故不应用过于复杂的启动电路进行启动，同时起动器须成本低廉，操作方便，起动电机的时间短，运行可靠等。四、直流电动机电枢串电阻起动性能的分析1、电动机的机械特性分析当电枢回路中串入电阻时，电动机的机械特性将变软，转速降变大，因为机械特性曲线的斜率 由式： 其中n0为理想空载转速即。可绘出他励或并励直流电动机电枢串电阻启动的特性曲线如下： 曲线1为电枢绕组串入Rst1+Rst2+Rst3 时的机械特性，曲线2为电枢绕组串入Rst1+Rst2时电机的机械特性曲线3为电枢绕组串入Rst1时电机的机械特性曲线4为串入的启动电阻全部切除时的机械特性即电机的自然机械特性2、启动电阻的计算令 R1= Rst1+Ra R2 = Rst1+Rst2+Ra R3 = Rst1+Rst2+Rst3+Ra设串入电阻后对应转速为n1，n2，n3时的反电势分别为Ea1，Ea2，Ea3，则有b点 R3*I2 = UN Ea1c点 R2*I1 = UN Ea1d点 R2*I2 = UN Ea2e点 R1*I1 = UN Ea2f点 R1*I2 = UN Ea3g点 Ra*I1 = UN Ea3比较以上各式得 又已知电枢电阻 Ra = 0.82 现选用三级启动，则启动电流比= = = 1.886计算转矩：T2 = =(1.11.2)TL各级启动电阻：R1 =Ra = 1.886*0.82 = 1.547R2 =R1 = 1.547*1.886 = 2.918 R3 =R2 = 2.918*1.866 = 5.503分段电阻的计算：Rst1 = Ra = （1.886-1）*0.82 = 0.727Rst2 = Ra = （1.886-1）*0.82*1.886 = 1.371Rst3 = Rst2 *= 1.371*1.886 = 2.586五、主电路的设计1、 电路子图图（一）图（二）2、启动器电路的功能分析此电路采用电枢回路串三级电阻并按时间顺序启动的控制器电路图，其中KA1为过电流继电器，KA2为欠电流继电器，KM为启动接触器，Rst1，Rst2，Rst3为串入电阻，首先和上控制开关QS1和电源开关SQ2,励磁回路中KA2通电，其常开触点闭合，为启动做好准备。当按下启动按钮SB1，KM通电并自锁，主触头闭合，接通电动机电枢回路，电枢串入三级启动电阻Rst1+Rst2+Rst3启动，对应转矩为Tst1。同时KT1线圈通电，为KM1，KM2，KM3通电短接电枢回路电阻作准备。当KT1延时时间到，KT1常开触点闭合，KM3线圈通电，其常开主触点闭合短接电阻Rst3电动机加速运行，同时使KT2通电。当KT2延时时间到，KT2的常开触点闭合，使线圈KM2通电，其常开触点闭合，短接Rst2，同时接通KT3.当KT3延时时间到，则线圈KM1通电，其常开触点闭合，短接Rst1，同时KM4闭合短接所有串联电阻，此时三级电阻全部被切除，电动机进入全压运行。电动机运行的状况将按上述电动机的机械特性曲线上的轨迹运行，即从a点开始启动然后依次经abcdefgh而达到额定转速,最后在h点稳定运行，启动过程结束当电动机发生短路或者过载时，主电路过流继电器KA1的常闭触点动作，时KM,KM1,KM2,KM3,KM4线圈全部断电，电动机脱离电源。 当励磁线圈断路时，欠电流继电器KA2动作，切断KM线圈自锁通路，从而切断了电动机的电枢回路，起到失磁保护的作用。六、启动器总体电路设计七、总结与体会本次的课程设计很快就结束了，这段时间又紧张也有体会。电机控制，是我们的重要专业课之一，本次电机控制的课程设计也是我们大学阶段的一个比较重要的课程的设计，它不仅是对上一学期的所学知识的总结和综合，也是对将理论知识运用到实际中能力的一种检测。本次电机控制的课程设计的课题是设计一个并励直流电机的启动器。在这一次课程设计当中，我查阅了许多资料和课本，首先让自己先有一个大体的思维框架，然后不断地与同学交流和沟通，借此来加深印象并学习他人之所长。 学习中每个人的方法不尽相同，但我觉得有一点是共通的，即需花费足够的时间去理解和设计，这次课程设计时间比较紧张，提高工作、学习效率是唯一的办法。学习就是这样的，要做好每一件事，都有很多的因素影响制约着我们，我们必须快速准确的适应这样的环境，通过改变自己来更快的融入社会。有了这份经历，我觉得自己少了一分浮躁，多了一份沉稳。我深深地感到要有科学的思维方法和学习方法是极其重要的。每一次新的认识，总是疑问重重，不断的分析解决问题、解决问题，等到最后回想起来都是如此的简单。通过本次设计，我学得不少，首先对直流电机的结构和特点有了真正意义上的了解，对它的工作原理和工作特性有更深刻的理解。能学习能提高不容易，更重要的是我学会了如何解决问题，这次课程设计让我增加了自信，明白了很多知识，也为我在以后的学习和即将面临的就业打好了良好的基础。非常感谢学校和老师给我们这样的机会。八、参考文献1、电机学胡虔生 第二版 中国电力出版社，20092、电机控制 许大中 贺益康 浙江大学出版社3、维基百科/wiki/Main_Page/wiki/Main_Page4、电机与控制 钱卫钧 化学工业出版社5、电机驱动技术 王淑芳 科学出版社6、电机与拖动基础 陈勇 陈亚爱 电子工业出版社十、电气与信息工程系课程设计评分表项 目评 价设计方案的合理性与创造性硬件制作或软件编程完成情况*硬件制作测试或软件调试结果*设计说明书质量设计图纸质量答辩汇报的条理性和独特见解答辩中对所提问题的回答情况完成任务情况独立工作能力组织纪律性 (出勤率)综合评分指导教师签名： 日 期： 注： 表中标*号项目是硬件制作或软件编程类课题必填内容；此表装订在课程设计说明书的最后一页。课程设计说明书装订顺序：封面、任务书、目录、正文、评分表、附件（非16K大小的图纸及程序清单）。目 录一、直流电动机的概述11、直流电