电机结课设计.docx

工程技术学院课程设计任务书 课程名称：电机与拖动 题 目：直流电机起动与调速设计 专业班级： 2012级机电班 学生姓名： 许包青 学 号： 201217102039 指导老师： 王 巍 成 绩： 任务下达日期2014年11月24日 一、设计内容：1 在查阅有关资料的基础上，熟悉直流电机的工作原理及机械特性。2 确定直流电机起动及调速方案。3 完成起动及调速的分析计算。4 绘出直流电机起动及调速机械特性曲线。5 完成说明书（A4，打印或手写，计算机打印需提供纸质计算原稿）二、课程设计的基本要求 1要求每位同学独立完成计算过程及图形绘制。2要求计算准确，绘出图形正确、整洁。3要求学生在设计过程中能正确查阅有关资料、图表及公式。三、题 目：直流电机起动与调速设计具体参数如下：1、电机型号Z4 2、额定功率 3、额定频率 4、额定电压 5、额定电流 6、额定转速 7、电枢回路电阻 8、起动要求：起动电流最大值不超过29、拖动通风机负载运行时，进行调速，要求调速后转速目录一直流电机工作原理及机械特性11.1直流电动机的工作原理11.2直流电动机的机械特性2二.直流电机起动方案32.1降低电枢电压起动32.2增加电枢电压起动3三.直流电动机的调速方案33.1电枢电路串电阻调速33.2改变电枢电压调速43.3改变励磁电流调速4四直流电机起动机调速分析计算54.1起动计算54.2调速计算6五心得体会7六参考文献7一直流电机工作原理及机械特性1.1直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理如下：如上图所示为最简单的直流电动机的原理图。其换向器是由二片互相绝缘的半圆铜环（换向片）构成的，每一换向片都与相应的电枢绕组连接，与电枢绕组同轴旋转，并与电刷A、B相接触。若电刷A是正电位，B是负电位，那么在N极范围内的转子绕组ab中的电流从a流向b，在S极范围内的转子绕组cd中的电流从c流向d。转子载流导体在磁埸中要受到电磁力的作用，根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，如图中ab边受力方向是向左，而cd则向右。由于磁场是对称的，导体中流过的又是相同的电流，所以ab边和cd边所受的电磁力的大小相等。这样转子线圈上受到的电磁力 f的作用而按逆时针方向旋转。当线圈转到磁极的中性面时，线圈中的电流为零。因此，电磁力也等于零。但由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半圈之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab转到S极范围内，cd转到N极范围内，但是由于电刷和换向片的作用，转到N极下的cd边中的电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流，则从b流向a。因此，电磁力f的方向仍然不变，转子线圈仍按逆时针方向转动。可见，分别在N，S极范围内的导体中的电流方向总是不变的。因此，线圈二边受力方向也不变。这样，线圈就可以按受力方向不停地旋转。这就是直流电动机的工作原理。1.2直流电动机的机械特性1.2.1固有特性公式1-1为他励电动机的机械特性公式。图1-3为他励电动机的固有特性曲线。由于电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。图中，N对应于电动机的额定状态，说明了电动机的长期运行能力。M点对应电动机的临界状态，说明了电动机的短时过载能力。1.2.2人1.2.2人为特性1 增加电枢电路电阻时的人为特性 在电枢电路中串入一外接电阻，由公式1-1可知理想空载转速 n。不变,增加,减小,机械特性如图1-52. 改变电枢电压时的人为特性 Ua降低时，n。减小，不变，不变，人为特性如图1-6，机械特性平行下移。3. 减小励磁电流时的人为特性 减小励磁电流I f,则磁通减小,n。增加，增加，人为特性如图1-7二.直流电机起动方案2.1降低电枢电压起动这种方法需要有一个可改变电压的直流电源专供电枢电路使用。起动时，加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，电枢电压Ua从零逐渐升高至额定值。2.2增加电枢电压起动2.2.1无级启动额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的无级起动方法起动。 起动前先把起动变阻器调到最大值，加上励磁电压fU，保持励磁电流为额定值不变。再接通电枢电源，电动机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除。2.2.2有级启动额定功率较大的电动机一般采用有级起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。三.直流电动机的调速方案3.1电枢电路串电阻调速2-1他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图2-1所示，图中的负载为恒转矩负载。从图2-1可以看到，当电枢回路串入电阻R时，电动机的机械特性的斜率将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。 如图2-1中串入的电阻值交点A2的转速n2低于交点A1的转速n1，它们都比原来没有外串电阻的交点A的转速n低。 采用电枢回路串接电阻调速，调速方向是往下的；调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式；调速的稳定性差，因为Ra增加后，机械特性硬度降低，静差率增大；调速的经济性差，虽然初期投资不大，但损耗增加，运行效率低；调速范围不大，因受低速时静差率的限制调速；允许的负载为恒转矩负载。3.2改变电枢电压调速2-2他励直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。励磁绕组由另一电源供电，一般保持励磁磁通为额定值。电枢电源电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，如图2-2所示，图中的负载为恒转矩负载。 从图2-2中可以看出，当 电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；电压降到U1后，交点为A1，转速为n1；电压为U2，交点为A2，转速为n2；电压为U3，交点为A3，转速为n3；电枢电源电压越低，转速也越低。同样，改变电枢电源电压调速方法的调速范围也只能在额定转速与零转速之间调节。改变电枢电源电压调速时，电动机机械特性的“硬度”不变，因此，即使电动机在低速运行时，转速随负载变动而变化的幅度较小，即转速稳定性好。当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，所以这种调速称为无级调速。 采用改变电枢电源电压调速，调速的方向往下；调速平滑性好，只要均匀的调节电枢电压就可实现无级调速； 调速的为稳定性好，但随着电压的减小，转速降低，稳定性会变差；调速的经济方面初期投资大，但运行费用不大；调速范围大。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2-3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，其带恒转矩负载时弱磁调速，如图2-3所示。 从图2-3中可以看出，当励磁磁通为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为A，转速为n；励磁磁通减少时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为A1，转速为n1；励磁磁通减少为时，交点为A2，转速为n2 。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节，至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制，一般约为1.2 nN左右，特殊设计的调速电动机，可达3 nN或更高。单独使用弱磁调速方法，调速的范围不会很大。 采用改变励磁电流调速，调速方向为往上调，因为励磁电流不能超过额定值；调速的平滑性好，只要均匀调节励磁电流的大小就可以实现无级调速；调速的稳定性好，励磁电流减小时，机械特性硬度下降，理想空载转速增加，静差率不变；调速的经济性好，运行费用低，但初投资大；调速范围不大。四直流电机起动机调速分析计算4.1起动计算（1）电阻计算选择I1和I2 I1 =（1.5-2.0）IaN=（1.5-2.0）*497A=（745.5-994）A I2 =（1.1-1.2）IaN=（1.1-1.2）*497A=（546.7-596.4）A选择I1=855A，I2=570A 求出起切电流比 =I1I2=855570=1.5 求出起动级数m Ram=UaNI1=440855=0.515 m=lgRamRalg=lg0.5150.076lg1.5=4.72 取m=5 重新计算，校验I2 =mRamRa=50.5240.076=1.45 I2=I1 =8401.45=589.6AI2 在规定的范围内 求出各级的起动电阻 RST1=（-1）Ra=（1.45-1）*0.076=0.0342 RST2=（2-）Ra=（1.452-1.45）*0.076=0.04959 RST3=（3-2）Ra=（1.453-1.452）*0.076=0.0719 RST4=（4-3）Ra=（1.454-1.453）*0.076=0.1042 RST5=（5-4）Ra=（1.455-1.454）*0.076=0.15114.2调速计算现采用改变电枢电阻调速。如果要使转速降至1200rmin需在电枢电路中串联多大的调速电阻Rr。解：在额定状态下运行时E=UaN-RaIaN=440-0.076497V=402V CE=EnN=4021500=0.268CT=602CE=6023.140.268=2.56TN=602PNnN=6023.143000001500=191 Nm由于通风机负载的转矩与转速的平方成正比，故n=1200rmin时的转矩为：T=(nnN)2TN=(12001500)2191 Nm=122.24 Nm n0=UaNCE=4400.268 rmin=1641.8 rminn=n0-n=1642-1500=142 rmin由于 n=Ra+RrCECT2T由此得出 Rr=nTCECT2-Ra =（142122。240.2682.56-0.076） =0.72 五心得体会通过这次课程实践之后，我对直流电动机的应用更加了解了，在这次实践中，我也发现了自身在学习中的一些问题，例如，在课堂上已经理解的东西在下了课之后就抛在一边，不去复习，在下一节课的獸侯 也就