电拖课程设计正文.doc

辽宁工程技术大学课程设计引言随着计算机进入控制领域以及高开关频率、全控型电力半导体器件的发展，脉宽调制（PWM）的直流调速系统在调速控制中得到越来越多普遍的使用。PWM（脉冲宽度调制）功率放大器具有功耗低，效率高，体积小，价格低。工作可靠等优点，并且大大降低了电路的复杂度，提高了系统的可靠性。因此，直流电动机采用PWM调速已经得到了广泛的应用，在传统的调速系统中一般采用硬件作为脉冲发生器的方式，应用的元件较多，同样会增加电路的复杂程度。为此，本文介绍一种可靠软件发出脉冲信号来实现直流电动机调速控制的方法，本系统具有功率器件体积小，功率大，损耗低，控制灵活简单，效率高的特性。1 直流电动机的结构直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于其具有调速性能好,调速范围广,易于平滑调节；起动、制动转矩大,易于快速起动、停车， 易于控制的优点。因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动，常应用在轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。1.1 直流电动机的基本结构直流电动机主要由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。图1-1 直流电动机的磁极及磁路 1极心 2极掌 3励磁绕组 4机座1.1.1 定子（磁极）磁极是电动机中产生磁场的装置，如图1-1所示。它分成极心（主磁极）和极掌（换向磁极）两部分。极心又分成励磁绕组和主磁极铁心两部分，极掌的作用是改善换向，即当线圈转到水平位置时，正好切割极掌的磁通而产生附加电动势以抵消换向电动势，使换向得到改善；磁极都用螺栓固定在机座的内壁上，因此机座也是磁路的一部分。1.1.2 转子（电枢）电枢是电动机中产生感应电动势的部分，主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇等组成。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组。换向器是直流电动机的一种特殊装置，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。 1.2 直流电动机的励磁方式按照励磁方式的不同，直流电动机可分为他励、并励、串励和复励电动机四种。（1）他励电动机：励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。（2）并励电动机：励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。（3）串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。( 4）复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。 2 直流电动机的工作原理及机械特性2.1 直流电动机的工作原理badc图21 直流电动机原理图若在A、B之间外加一个直流电压，A接电源负极，B接正极，则线圈中有电流流过。当线圈处于如图2-1a所示位置时，由安培定律可知，ab边和cd边所受的电磁力为： FBLI式中，I为导线中的电流，单位为安（A）。根据左手定则知，两个F的方向相反，如图2-1b所示，形成电磁转矩，驱使线圈顺时针方向旋转,线圈转过180。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为dc、ba，这就使得两极面下的有效边中电流的方面保持不变，因而其受力方向，电磁转矩方向都不变。 由此可见，正是由于直流电动机采用了换向器结构，使电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转，即由电动机向机械负载输出机械功率。 2.2 直流电动机的机械特性直流电动机在正常运行时，虽然电源电压U和励磁电阻保持不变，但随着励磁方式不同，电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。在本设计中我们只讨论他励直流电动机。他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，如图22所示。在励磁电压Uf的作用下,励磁绕组中通过励磁电流If，从而产生主磁极磁通。在电枢电压U的作用下，电枢电流为I。电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T，从而拖动产生机械以某一转速n运转。电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E。电动势的方向与电枢电流方向相反。图22他励电动机在电枢电路中，根据基尔霍夫电压定律：U=E+RI 电动势：E=CEn 电磁转矩：T=CTI由以上三个式子可以得出转速n=U/(CE)-RT/(CTCE2)图2-3 他励电动机固有特性他励电动机固有特性如图2-3所示，由于电枢电路电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬性。固有特性上的N点为电动机的额定状态，这时电动机的电压、电流、功率和转速都为额定值。M点为电动机的临界状态，这时的电枢电流Ia等于换向所允许的最大电枢电流Iamax=（1.52.0）IaN。3 他励直流发电机的调速3.1 电枢串电阻调速他励直流电动机串电阻调速原理图如图3-1，即在电枢电路内串联一个调速变阻器。保持电源电压及励磁电流为额定值不变，调节变阻器，电动机将运行于不同的转速，机械特性如图3-2，图中的负载为恒转矩负载。ME+-+-图3-1 电路图从图3-2可以看到，调速前，系统工作a点，电阻改变Ra的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点有a平移到人为特性上的b点。由于此时TAn0图3-3 改变电枢电压调速机械特性改变电枢电压调速平滑性好，如果能均匀的调节变阻器的电阻值即可实现无级调速，调速效率高，调速范围大；转速稳定性较串电阻调速好；所需的可调压电源设备投资较高，但运行费用少。总之，这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。3.3 改变励磁电流调速改变励磁电流的多少便可改变磁通的多少，从而达到调速的目的。保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高。他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图3-5所示。图3-4 改变励磁电流调速从图中可以看出，当励磁磁通为额定值N时，电动机和负载的机械特性的交点a，转速为n；励磁磁通减少为1时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为c，转速为n1。弱磁调速的范围是在额定转速与电动机所允许最高转速之间进行调速，至于电动机所允许最高转速值时受换向也机械强度所限制，一般约1.2nN左右，特殊设计的调速电动机，可达到3nN或更高。弱磁调速的优点时设备简单，调节方便，运行斜率也较高，适用于恒功率负载。缺点时励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差，拖动恒转矩负载时，可能会使电枢电流过大。在实际电力拖动系统中，可以将几种调速方法结合，这样可以得到较宽的调速范围，电动机可以在调速范围之内的任何转速上运行，而且调速时损耗较小，运行效率较高，能很好地满足各种生产机械对调速的要求。应用:不经常逆转的重型机床。 4 课程设计内容一台他励直流电动机，参数如下：PN=8KW；UaN=180V；IaN=36A；nN=1450r/min；RL=0.08 1. 用其拖动通风机负载运行，若采用电枢串电阻调速时，要使转速降至1100r/min,试设计电枢电路中的调速电阻。2. 用其拖动恒转矩负载运行，负载转矩等于电动机的额定转矩，采用改变电枢电压调速时，要使转速降至1000r/min，试设计电枢电压值。3. 用其拖动恒功率负载运行，采用改变励磁电流调速，要使转速增至1800r/min,试设计出的值。内容解析:采用电枢串电阻调速：Ra=1.3在额定状态下运行时E= UaNRa IaN =(1801.336)V=133.2VCE=E/ nN=133.2/1450=0.092CT=60 CE/2=600.092/(23.14)=0.878TN=60 PN /(2nN)=608000/(23.141450)Nm=52.72Nm由于通风机负载的转矩与转速的平方成正比，故n=1100r/min时的转矩为T=(n/nN) TN =(1200/1450)52.72 Nm=43.63 Nmn 0= UaN/ CE=180/0.092 r/min=1956 r/minn= n 0-n=1956-1200=765 r/min由于 =（+）T/由此求得=/T-=7650.0920.878/63.63-1.3=025.04采用电枢电压调速由上题可知：=1.3=0.092=0.878=52.72Nm 电枢电压减小后=（+）T/=1.325.04/(0.07620.728)= 20.04 Nm =n+=(1000+780.9)r/min=1956 r/min由此求得 =0.08791956 =180.00V3.采用改变励磁电流调速 由上可知：=1.3=52.72N.m 由于恒功率负载的转矩与转速成正比关系，故忽略空载转矩时，调速后的电磁转矩为T=/n=145018.05/1800=14.54 N.m1800=160/-1.2718.05/得 =0.0548或0.02845 结论由以上所述的关于他励直流电动机的调速的内容，我们可知实现调速可以有三种不同的调速方法：改变电枢电阻调速，改变电枢电压调速，改变励磁电流调速。具体采用哪种方法要根据具体需要和各方面实际条件决定，比平滑性、稳定性、经济性等。三种调速方法各有优缺点，改变电枢电阻调速的缺点较多，所以只适用于调速范围不大，调速时间不长的小容量电动机中；改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法，被广泛应用于对调速性能要求较高的电力拖动系统中；改变励磁电流调速常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力拖动系统中，来扩大调速范围和实现双向调速。通过这个设计我更深入的了解了他励直流电动机的调速方法，也使我对电动机的运行原理及过程有了新的认识。6 设计体会这次电机控制课程设计历时一个星期，在整整一个星期的日子里，可以说 得是苦多于甜，但是可以学到很多很多的的东西，同时不仅可以巩固了以前所学 过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。学习是没有止境的。在做这个课程设计之前，我一直以为自己的理论知 识学的很好了。但是在完成这个设计的时候，我总是被一些小的，细的问题挡住 前进的步伐，让我总是为了解决一个小问题而花费很长的时间。最后还要查阅其 他的书籍才能找出解决的办法。并且我在做设计的过程中发现有很多东西，我都 还不知道。其实在计算设计的时候，基础是一个不可缺少的知识，但是往往一些 核心的高层次的东西更是不可缺少。多和同学讨论。我们在做课程设计的工程中要不停的讨论问题，这样， 我们可以尽可能的统一思想，这样就不会使自己在做的过程中没有方向，并且这 样也是为了方便最后程序和在一起。讨论不仅是一些思想的问题，他还可以深入 的讨论一些技术上的问题，这样可以使自己的人处理问题要快一些。 多改变自己设计的方法。在设计的过程中最好要不停的改善自己解决问 题的方法，这样可以方便自己解决问题。 最后感谢在这次课程设计中对我做过精心指导的老师和同学，谢谢！参考文献1唐介.电机与拖动北京：高等教育出版社.2003.72陈伯时主编