电机拖动课程设计

1、目 录 一 直流电动机的综述1.1 直流电动机的概述直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。 直流电动机是将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场， 直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展， 但是它具有良好的起动、 调速和制动性能， 因此在速度调节要求较要、正反转和起动频繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。 在工业领域直流电动机仍占有一席之地。 因此有必要了解直流电动的运行特性。在四种直流电动机中，他

2、励电动机应用最为广泛。1.2 直流电动机运行原理TeSNnTe图 5-2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理如下： 如上图所示为直流电动机的原理图。根据电机的可逆原理，在直流电机模型中，励磁绕组仍通入直流，产生主极磁通 。如果用直流电源通过电刷向电枢绕组供电， 在电枢表面的左半部分导体 （即 N极下）可以流过相同方向的电流 （符号“?”表示电流从里向外流动） ，根据左手定则，导体将受到顺时针方向的力矩作用；同时，在电枢表面的右半部分导体（即极下）也流过相同方向的电流（符号“×”表示电流从外向里流动），同样根据左手定则，导体也将受到顺时针方向的力矩作用。这样，整个电枢绕组即转子将

3、S按顺时针方向旋转， 输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。 这就是直流电动机的运行工作原理。1.3 直流电动机的励磁方式在直流电动机中， 定子励磁绕组通电后产生产生的主磁场也称为励磁。磁绕组的供电方式不同，可把直流电动机分为下列4 种类型：按励1他励直流电动机他励直流电动机是一种励磁绕组与电枢绕组无连接关系， 有专用直流电源对励磁绕组供电的直流电机，如图（ a）所示。2并励直流电动机并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组相并联，励磁绕组的供电电压与电枢电路端电压相同，如图（b）所示。3串励直流电动机串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联， 励磁绕组的电流与电枢电路端电流一致，如图（ c）所

4、示。4复励直流电动机复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个绕组与电枢电路并联， 称为并励绕组，再和另一个励磁绕组串联，成为串联绕组，如图（d）所示。+U-+U-+U-+U-I aII aI aI fII f2I aI aMMMMI fU ffI fI f1U+-c)d)a)b)图 5-15直流电机的励磁方式a) 他励式b)并励式b)串励式b)复励式二 他励直流电动机2.1 他励直流电动机的机械特性2.1.1机械特性的一般形式他励直流电动机的接线如图所示，电动机电磁转矩与转速之间的关系曲线便是电动机的机械特性，即。nf (Te ) 有转矩特性和转速可推导出机械特性的一般表达式AUaIa (

5、RaR)UaRaR TenVCeCeCeCTRUaRaRMCeT2 Ten0TeR aCeCUa式中n0 直流电机的理想空载转速， n0；+AI fCe直流电机机械特性的斜率，RaR2 ；U fR fCeCT_R c图 6-1他励电动机接线图2.1.2固有机械特性直流电动机在电枢电压、励磁电压均为额定值，电枢n外传电阻为零时所得的机械特性称为固有机械特性。特性n0曲线如图所示，特性满足公式nNAU NRan2 TeCeNCeCTN通过对他励直流电动机机械特性方程的分析，可以看出其固有特性的主要特点：N 是理想空载转速，同时OTNTe 0 时，nn0UNCe（ 1）+_U aQI aTstTe图

6、6-2 他励电动机固有机械特性（ 2）机械特性呈下倾的直线， 转速随转矩增大而减小。 因为下倾的斜率较小，表示转速变化较小，所以他励直流电动机的固有机械特性比较硬。（ 3）电动机启动时 n0，感应电动势 Ea Ce Nn0 ，这时电枢电流为启动电流，即 Ia U N RaIst；电磁转矩为启动转矩 TeCIa Tst CT NIst ；又TN因为电枢电阻 Ra 很小，在额定电压的作用下，起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流， 会烧坏换向器， 因此直流电机一般不允许全电压直接起动。（ 4）若转矩 Te Tst, n 0 ，特性曲线在第四象限；若 Te 0, n 0 ，则特性曲线在第二

7、象限，电磁转矩与转速方向相反，形成制动转矩，电机处于发电状态。2.2 他励直流电动机的启动条件所谓启动就是指电动机接通电源后，由静止状态加速到某一稳态转速的过程。他励直流电动机启动时， 必须先加额定励磁电流建立磁场，然后再加电枢电压。Ia 为： IaUNEa当忽略电枢电感时，他励直流电动机的电枢电流Ra在启动瞬间， 电动机的转速 n0，反电动势 Ea0 ，电枢回路只有电枢绕组电阻 Ra ，此时电枢电流为启动电流Ist ，对应的电磁转矩为启动转矩 Tst ，并有U NIstRa ， Tst CT NIst倍的IN ），由于电枢绕组电阻Ra 很小，因此启动电流 Ist IN（约为10 20这么大的

8、启动电流是电动机换向困难，在换向片表面产生强烈的火花， 甚至形成环火；同时电枢绕组也会因过热而损坏；另外，由于大电流产生的转矩过大，将损坏拖动系统的传动机构， 这都是不允许的。因此除了微型直流电动机由于 Ra较大、惯量较小可以直接启动外， 一般直流电动机都不允许直接启动。 一般直流电动机拖动负载顺利启动的条件是：（ 1）启动电流限制在一定范围内，即 I stI N ， 为直流电动机的过载倍数；（ 2）有足够大的启动转矩， Tst 1.1 1.2TN ；（ 3）启动设备简单、可靠。2.3 他励直流电动机的启动方法由可知，限制启动电流的措施有两个： 一是增加电枢电阻； 二是降低电源电压，即有电枢串

9、电阻和降压两种方法。电枢回路串电阻启动在额定电源电压下，电枢回路串入分级启动电阻 Rst ，在启动过程中将启动电阻逐步切除。 以三级电阻串电阻起动时的他励直流电动机为例， 其电气原理图如下：T 2,T直流电机串电阻启动的控制原理是：启动时，应串入全部电阻，即接触器S1、S2、 S3触点处于断开状态。此时启动电流为U N Ist式中 Rst Rst RstRst ，其值应使RaRst2Ist不超过电机允许的过载能力。然后随13着转速的升高逐步减少串入的启动电阻。启动过程的机械特性如图上所示， 其中TL 为电动机所带的恒转矩负载。由启动电流产生启动转矩Tst ，由于TstTL ，电动机沿特性 ab

10、 加速，随着转速的上升，电磁转矩逐步下降，加速度变小。为了得到较大的加速度，到了 D点时使 S3 触电闭合，将Rst3 切除，b 点对应的电流 I 2 称为切换电流，对应的电磁转矩为切换转矩21.1 1.2 TL ，在切除电阻的瞬间，由于机械惯性电动机转速来不及变化， 电枢电流突然增大， 电磁转矩突然增大，运行点从 b 点过渡到 c 点，电动机沿特性 cd 加速到 d 点，再使 S2闭合将 Rst2 切除。这样逐级切除电阻，直至加速到稳态运行点 h，电磁转矩与负载转矩相平衡Te TL ，电动机以转速稳定运行 nh，整个启动过程结束。减压启动当直流电源电压可调时， 可以采用降压方法启动。 在启动

11、瞬间， 电动机的转速n 0 ，反电动势 Ea 0，降低电源电压 Ud，将启动电流限制在允许的范围内。IstUdRa此时启动电流为。随着电动机转速的上升， 反电动势逐渐增大， 再逐渐升高电源电压， 直至升到额定电源电压 UN ，电动机在 A 点以转速 nA 稳定运行。注意每次电压的提高必须使电枢电流不超过允许值。 减压启动的特性如下图所示， 其中 TL 为恒转矩负载，启动电流对应的电磁转矩 Tst ，电压切换点的电磁转矩 T 2 1.1 1.2 TL 。他励直流电动机减压启动三直流电动机电枢串电阻起动设计方案1）选择启动电流 I1 和切换电流 I2I1 =(1.52.0) I N =(1.5 2

12、.0)×116.3=(174.45232.6)AI2 =(1.11.2) I N =(1.1 1.2)×116.3=(127.93139.56)选择 I1 =195 ， I2 =130 。2）求出起切电流比I 1= =1.5I 23）求出启动时电枢电路的总电阻RmUNRm=1.13I 1（4）求出启动级数mlgRmram=4.98lg取 m=55）重新计算，校验 I2= m Rm =1.498 r aI 1I2 =130.173I2 在规定范围之内。6）求出各级总电阻R5 =5 ra=7.5430.15=1.131R4 =4 ra =5.0350.15=0.755R3 =3

13、 ra=3.3610.15=0.504R2 =2 ra=2.2440.15=0.337R1 =ra=1.4980.15=0.225R0 =Ra=0.157）求出各级启动电阻Rst1=R1 - R0 =(0.225-0.15)=0.075Rst2=R2 - R1 =(0.337-0.225)=0.112Rst3=R3 - R2 =(0.504-0.337)=0.176Rst4=R4 - R3 =(0.755-0.504)=0.251Rst5=R5 - R4 =(1.313-0.755)=0.5888）控制线路原理图四 结论他励直流电动机串电阻起动计算方法：1 选择起动电流 I1 和切换电流 I2

14、起动电流为I 1 =（1.52.0 ） I N切换电流为I 2 =（1.1.2 ）I N对应的起动转矩T1 =（1.52.0 ） T N对应的切换转矩T2 =(1.5-2.0)TN2 求出起切电流（转矩）比I1I 23 求出电动机的电枢电路电阻RaUN (PN )RaI NI N4 求出起动时的电枢总电阻RmU NRmI N5 求出起动级数 mlg Rmm Ralg6 重新计算，校验I2 是否在规定范围内若 m是取相近整数，则需重新计算I2再根据得出的重新求出 I2 ，并校验 I2 是否在规定范围内。若不在规定范围内，需加大起动级数 m重新计算和 I2 ，直到符合要求为止。7 求出各级总电阻R

15、a1Ra 2mr aRa 2Ra 3m-1r a8 求出各级起动电阻电枢回路串电阻起动方法比较简单， 经济和可靠， 同时可做到平滑快速起动。 缺点就是起动条件非常严格。 降压起动平稳， 起动过程能量损耗小，容易实现自动化。降压起动的缺点就是初期投资大，起动设备复杂，要求有单独的可调压直流电源。四 心得体会在老师的悉心指导和同学们的共同努力下，电机及拖动基础课程设计圆满结束了。在这次课程设计中， 我深刻地体会到科学工作的辛苦和趣味。科学工作的严谨， 让我明白了做人也应当如此。在课程设计中，我们用科学严谨的态度，积极配合老师同学完成设计。不仅培养了独立思考、 动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。 要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰