电机拖动课程设计直流电动机

0 引言电动机有直流电动机交流电动机，直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠。但长期以来交流电动机的调速问题未能得到满意的解决。在此之前，电动机具有交流电动机所不能比拟的良好的起动性能和调速性能。随着交流电动机交频调速系统的发展，在不少应用领域已为交流电动机所取代。但是直流电动机又以起动转矩大、转速性能好、自动控制方便而著称，因此，在工业等应用领域中仍占有一席之地。而在四种直流电动机中，他励电动机应用最广泛。随着工业化的进程，电动机及电力拖动技术不断地发展，逐步形成了电力拖动领域的传统技术。如：电动机的起动。随着电力电子技术的发展。电动机及拖动技术又不断地在技术上取得重大突破，形成一系列高新技术。 1直流电动机的构造直流电机主要由磁极、电枢和换向器（整流子）三部分组成。 图1-1 直流电机的组成部分 1.1磁极结构见图用硅钢片叠成，固定在机座上。极心上放置励磁绕组在电机中产生磁场，极掌的作用是使电机的空气隙中的磁感应强度的分布最为合适，并且挡住励磁绕组不至于掉下来。磁极和机座都是磁路的一部分。1.2电枢电枢铁心是由硅钢片叠成的圆柱体，表面沿轴线冲有槽；槽中放电枢绕组，用来感应电动势。直流电机的电枢是旋转的。见图 直流电机的电枢铁心片 直流电机的电枢结构图 图1-3 1.3换向器（整流子） 它是直流电机特有的装置。 换向器装在转轴上。电枢绕组的导线按一定规则焊接在环向片的凸出部分。在换向器的表面用弹簧压作固定的电刷，是转动的电枢绕组。2 直流电机的基本工作原理图2-1 直流电动机的工作原理简图 电枢由原动机驱动在磁场中旋转，电枢线圈的两根有效边便切割磁力线，感应出电动势。线圈随电枢铁心在转动时，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下是另一个方向。但由于电刷A总是同与N极下的一边相连的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的一边相连的换向片接触，因此在电刷上就出现一个极性不变的电动势或电压。在电刷AB之间加上直流电压U，电枢线圈中的电流流向为：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样两个有效边中受到的电磁力的方向一致，电枢开始转动。通过换向器可以实现线圈的有效边从一个磁极如N极转到另一个磁极下如S极时，电流的方向同时发生改变，从而电磁力或电磁转矩的方向不发生改变。电磁转矩是驱动转矩，其大小也为：。电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡。即。另外当电枢绕组在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势E，这个电动势的方向与电流或外加电压的方向相反，称之为反电动势。其大小为：方向与相反。3 直流电动机的机械特性直流电动机的电磁转矩和电压平衡方程 图3-1 直流电动机电枢等效电路nTIN 0nNn0图3-2 机械特性曲线4 直流电动机的运行与控制4.1直流电动机的启动直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的1020倍，因此必须限制起动电流。限制起动电流的方法就是起动时在电枢电路中串接起动电阻。起动电阻的值： 一般规定起动电流不应超过额定电流的1.52.5倍。起动时将起动电阻调至最大，待起动后，随着电动机转速的上升将起动电阻逐渐减小。4.2直流电动机的调速根据直流电动机的转速公式可知直流电动机的调速方法有3种：改变磁通调速、改变电枢电压U调速和电枢串联电阻调速。改变磁通调速的优点是调速平滑，可做到无级调速；调速经济，控制方便；机械特性较硬，稳定性较好。但由于电动机在额定状态运行时磁路已接近饱和，所以通常只是减小磁通将转速往上调，调速范围较小。改变电枢电压调速的优点是不改变电动机机械特性的硬度，稳定性好；控制灵活、方便，可实现无级调速；调速范围较宽，可达到610。但电枢绕组需要一个单独的可调直流电源，设备较复杂。电枢串联电阻调速方法简单、方便，但调速范围有限，机械特性变软，且电动机的损耗增大太多，因此只适用于调速范围要求不大的中、小容量直流电动机的调速场合。4.3直流电动机的制动直流电动机的制动也有能耗制动、反接制动和发电反馈制动3种。能耗制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个制动电阻短接，由于惯性，短接后电动机仍保持原方向旋转，电枢绕组中的感应电动势仍存在并保持原方向，但因为没有外加电压，电枢绕组中的电流和电磁转矩的方向改变了，即电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，起到了制动作用。反接制动是在停机时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。5 他励直流电动机的启动他励直流电动机的启动可分为降低电枢电压启动、增加电枢电阻启动。 1）降低电枢电压启动方法需要一个可变电压的直流电源专供电枢电路之用。启动时，加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定不变，电枢电压Ua从零逐渐升高到额定值。 2）增加电枢电阻启动额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联启动变阻器的方法启动。额定功率较大的电动机一般采用分级启动的方法以保证启动过程中既有比较大的启动转矩，又使启动电流不会超过允许值。现以两级启动为例来说明启动步骤和启动过程。机械特性图如下： 图5-1 接线图及机械特性（1）启动过程启动步骤如下：串联启动电阻Rst1和Rst2启动起动前开关S1和S2断开，使得电枢电路中串入电阻Rst1和Rst2，加上电枢电路自身的电阻Ra,电枢电路的总电阻为加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，然后加上电枢电压Ua，由于启动转矩TST大于负载转矩TL,电动机拖动生产机械开始启动，工作点沿人为特性a由a1点向a2点移动。切除启动电阻Rst2当工作点达到a2点即电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关S2，切除启动电阻Rst2，电枢电路的总电阻为R1= Ra+ Rst1这时电动机的机械特性变为人为特性b切除Rst2转速来不及改变 ，工作点由特性a上的a2点平移到特性b上的b1点，使这时的电磁转矩T仍等于T1,电动机继续加速，工作点特性b由b1点向b2点移动。切除启动电阻Rst1当工作点到达b2点，即电磁转矩T又等于切换转矩T2，合上开关S1， 除启动电阻Rst1，电枢电路的总电阻变为机械特性变为固有特性c。工作点由b2点平移至c1点，使得这时的电磁转矩T仍正好等于T1，电动机继续加速，工作点沿人为特性c由c1点经c2点，最后稳定运行在p点。整个起动过程结束。（2）起动级数未定时起动电阻的计算选择起动电流I1和切换电流I2 ,为保证与起动转矩T1对应的起动电流I1不会超过允许的最大电枢电流Iamax, 选择对应的起动转矩为保证一定的加速转矩,减少起动时间,一般选择切换转矩为若TL未知,可用TN代替.对应的切换电流I2为IL是与TL对应的稳定电枢电流.若未知,可用IaN代替.求出起动电流比 求出电动机的电枢电路电阻RaRa可以通过实测或通过铭牌上提供的额定值进行计算,由于在忽略T0的情况下,P2=Pe=EIA,因此,在额定状态下运行时,求出起动时的电枢总电阻Rmm级起动时电枢起动总电阻为求出启动级数mm 的计算公式为 该公式的推导过程如下：由于nb2=nc1，故Eb2=Ec1，即由于na2=nb1，故Ea2=Eb1，即 可见，若为m级启动，则启动时的电枢总电阻Rm为两边取对数便可得到重新计算，校验I2是否在规定范围之内若m是取相近整数，则需要重新计算。由可得计算的公式为根据重新求得的，由重新求出I2，并校验I2是否在式所规定的范围之内。若不在规定范围之内，需加大启动级数m，重新计算和I2，直到满足要求为止。求出各级总电阻由前面的分析知道 求出各级启动电阻Rst1=R1-R0=R1-RaRst2=R2-R1Rstm=Rm-Rm-16 具体设计如下：某厂一台他励直流电动机，参数如下：PN=100KWUaN=440VIaN=497AnN=1500r/minRa=0.076欲采用电枢串电阻启动，试设计其启动级数和各级启动电阻。（1）选择I1和I2I1=（1.52.0）IaN=(1.52.0)497A=(745.5994）AI2=（1.11.2）IaN=(1.11.2)497A=(546.7596.4）A选择I1=850A，I2=550A(2)求出起切电流比（3）求出启动时的电枢电路电阻Rm(4)求出启动级数m取m=5。(5)重新计算，校验I2I2在规定的范围之内。(6)求出各级启动电阻7 结论额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联启动变阻器的方法启动，在启动过程中需要将启动电阻和分级删除。额定功率较大的电动机一般采用分级启动的方法以保证启动过程中既有比较大的启动转矩，又使启动电流不会超过允许值。对容量较大的直流电动机，通常采用降电压起动。即由单独的可调压直流电源对电机电枢供电，控制电源电压既可使电机平滑起动，又能实现调速。此种方法电源设备比较复杂。本设计采用增加电枢电阻启动非常简单，设备轻便