他励直流电动机课程设计

1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 课程设计报告 设计题目： 他励直流电动机 学 校： 重庆邮电大学移通学院 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师： 一、设计题目一台4级直流电动机，已知数据为：额定功率PN = 10kW，IN =53.8A,Un = 220 V，nN = 1500r/min，Ra =0.29，La=0.012H，a=2,匝数为398，励磁电压：Uf =220 La= 120H，最大电流为启动电流的2倍。忽略铁耗。试求：1.若维持转轴上的负载为额定转矩，使电机串电阻启动，计算电阻和其它参数，做出机械特性图，2.分析能量的传递。用Matlab中的SIMULI

2、NK设计调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真串励、并励的不同区别。3.对比直接启动和串电阻启动的区别（psi=0.0103;Cpsi=0.0013;）目录一、设计题目2一、课程设计任务5二、设备的介绍61.设备的名称62.设备的基本结构63.交流电机定子结构74.转子结构85设备的工作原理96.电路原理图10图6 电路原理图10三、设备的工作特性101、转动率特性102、转矩特性113、电流特性114、效率特性115、功率因数特性11四、课程设计所用的基本知识121、串电阻启动122、直接启动143、铭牌17五、参数计算、电路设计171.他励直流电动机空载测试172.负载特性及能量传

3、递分析193、调速前后对比20六、心得体会24七、参考文献25他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的转速n随转矩T而变化的特性【n=f(T)】称为机械特性。它是选用电动机的一个重要依据。各类电动机都因有自己的机械特性而适用于不同的场合。调速从直流电动机的电枢回路看,电源电压U与电动机的反电动势Ed和电枢电流Id在电枢回路电阻Rd上的电压降必须平衡。即U=Ed+IdRd，反电动势又与电动机的转速n和磁通有关，电枢电流又与机械转矩M和磁通有关。即 z4系列直流电动机Ed=Cn，M=CId式中C为常数。由此可得式中n0为空载转速，k 为R/C2。以上是未考虑铁心饱和等因素时的理想关系，但对实际直流

4、电动机的分析也有指导意义。直流电动机有3种调速方法：调节励磁电流、调节电枢端电压和调节串入电枢回路的电阻。调节电枢回路串联电阻的办法比较简便，但能耗较大；且在轻负载时，由于负载电流小，串联电阻上电压降小，故转速调节很不灵敏。调节电枢端电压并适当调节励磁电流，可以使直流电动机在宽范围内平滑地调速。端电压加大使转速升高，励磁电流加大使转速降低，二者配合得当，可使电机在不同转速下运行。调速中应注意高速运行时，换向条件恶化，低速运行时冷却条件变坏，从而限制了电动机的功率。接近恒功率特性,低速时转矩大，故广泛用于电动车辆牵引，在电车中常用两台或两台以上既有串励又有并励的复励直流电动机共同驱动。利用串、并

5、联改接的方法使电机端电压成倍地变化（串联时电动机端电压只有并联时的一半），从而可经济地获得更大范围的调速和减少起动时的电能消耗。课程设计的意义现代社会中，电能是使用最广泛的一种能源，在电能的生产，输送和使用等方面，作为动力设备的电机是不可缺少的一部分。电机在国家经济建设，节约能源、环保和人民生活中起着十分重要的作用。由于他励直流电动机电动机具有体积小，重量轻，运行可靠，结构坚固耐用，外形美观等特点，具有较高的效率，有良好的节能效果，而且噪音低，寿命长，经久耐用。有很多规格，能满足国民经济各部门的不同需要。所以研究他励直流电动机电动机意义重大。当代大学生应该运用所学知识和技巧来解决实际问题，培养

6、学生的动手能力。一、课程设计任务一台4级直流电动机，已知数据为：额定功率PN = 10kW，IN =53.8A,Un = 220 V，nN = 1500r/min，Ra =0.29，La=0.012H，a=2,匝数为398，励磁电压：Uf =220 La= 120H，最大电流为启动电流的2倍。忽略铁耗。试求：1.若维持转轴上的负载为额定转矩，使电机串电阻启动，计算电阻和其它参数，做出机械特性图，2.分析能量的传递。用Matlab中的SIMULINK设计调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真串励、并励的不同区别。3.对比直接启动和串电阻启动的区别（psi=0.0103;Cpsi=0.00

7、13;）二、设备的介绍1.设备的名称他励直流电动机2.设备的基本结构图1 他励直流电动机结构图1轴承；2前端盖；3转轴；4接线盒；5吊环；6定子铁心；7转子；8定子绕组；9机座；10后端盖；11风罩；12风扇而其分解图如下图所示： 图2 他励直流电动机内部分截图3.交流电机定子结构定子铁芯:是电机磁路的一部分，定子铁芯内圆上均匀开有槽，安放定子绕组。图3 定子铁心机座:是用作固定与支撑定子铁芯。定子绕组:是电机电路部分，它由三个在空间相差120°电角度、结构相同的绕组连接而成，按一定规律嵌放在定子槽中。图4 定子绕组绕组分类：单层绕组和双层绕组。绕组应用：单层绕组一般用在10kW以下

8、的电机，双层短距绕组用在较大容量的电机中。4.转子结构转子铁芯：一般用0.5mm的硅钢片叠压而成，它是磁路的一部分。转子绕组：是用作产生感应电势、并产生电磁转矩它分鼠笼式和绕线式两种。气隙：中、小容量的电动机气隙一般在0.21.5mm范围。图5 转子结构图5设备的工作原理电动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。如右图4是他励直流电动机转动的原理图（途中只显示出两根导条），当电磁沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不对，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电

9、动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定，由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。异步电动机的工作原理用箭头式子可以简单的表示如下：定子绕组通入三相交流电流产生旋转磁场切割转子绕组转子绕组产生感应电势转子中产生感应电流转子电流与磁场作用产生电磁转矩运行。6.电路原理图图6 电路原理图三、设备的工作特性他励直流电动机的工作特性是指在额定电压及额定频率下，电动机的主要物理量转差率，转矩电流，效率，功率因数等随输出功率变化的关系曲线。1、转动率特性通常把同步转速n1和电动机转子转速n二者之差与同步转速n

10、1的比值叫做转差率，用s表示。关于转差率的定义如下：当电机的定子绕组接电源时，站在定子边看，如果气隙旋转磁通密度与转子的转向一致，则转差率s为：；如果两者转向相反，则：。式中的n1，n都理解为转速的绝对值s是一个没有单位的数，它的大小能反映电动机转子的转速。随着负载功率的增加，转子电流增大，故转差率随输出功率增大而增大。2、转矩特性他励直流电动机的输出转矩：转速的变换范围很小，从空载到满载，转速略有下降，转矩曲线为一个上翘的曲线（近似直线）。3、电流特性空载时电流很小，随着负载电流增大，电机的输入电流增大。4、效率特性其中铜耗随着负载的变化而变化（与负载电流的平方正比）；铁耗和机械损耗近异步电

11、动机似不变；效率曲线有最大值，可变损耗等于不变损耗是，电机大道最大效率。额定效率载64-94%之间；最大效率发生在（0.7-1.0）倍额定效率处。5、功率因数特性空载时，定子电流基本上用来产生主磁通，有功功率很小，功率因数也很低；随着负载电流增大，输入电流中的有功分量也增大，功率因数逐渐升高；在额定功率附近，功率因数达到最大值。如果附在继续增大，则导致转子漏电抗增大（漏电抗与频率正比），从而引起功率因数下降。四、课程设计所用的基本知识1、串电阻启动 为减少起动电流，可以在电动机起动时在定子回路中串入电阻器，起动结束后，再将电阻短接。串电阻启动方式的优点的设备简单、造价低；缺点是能量损耗较大。图

12、7 电动机定子串电阻电路原理图控制过程如下：1、合上电源刀闸QS，线路有电。2、按下启动按钮SB2，接触器KM1和时间继电器KT的线圈同时得电吸合，KM1的主触点闭合，电动机定子串电阻R降压起动。接触器KM1的辅助常开接点闭合电路实现自锁。时间继电器KT的线圈得电后，开始延时。3、时间继电器延时的时间到，时间继电器的延时闭合的常开接点闭合，接触器KM2线圈得电吸合，KM2的主触点闭合，将电阻器R短接，电动机在全压下运行，KM2的辅助常开接点闭合实现电路自锁，同时KM2的辅助常闭接点断开，切除接触器KM1和时间继电器KT线圈的电路，使KM1和KT失电复位。4、电动机过电流保护由热继电器FR完成。

13、图8电动机定子串电阻接线示意图2、直接启动 直接启动的优点是所需设备少，启动方式简单，成本低。电动机直接启动的电流是正常运行的5倍左右，理论上来说，只要向电动机提供电源的线路和变压器容量大于电动机容量的5倍以上的，都可以直接启动。这一要求对于小容量的电动机容易实现，所以小容量的电动机绝大部分都是直接启动的，不需要降压启动。对于大容量的电动机来说，一方面是提供电源的线路和变压器容量很难满足电动机直接启动的条件，另一方面强大的启动电流冲击电网和电动机，影响电动机的使用寿命，对电网不利，所以大容量的电动机和不能直接启动的电动机都要采用降压启动。 直接启动可以用胶木开关、铁壳开关、空气开关（断路器）等

14、实现电动机的近距离操作、点动控制，速度控制、正反转控制等，也可以用限位开关、交流接触器、时间继电器等实现电动机的远距离操作、点动控制、速度控制、正反转控制、自动控制等。由于刚启动的时候转差率为1，也就是转子处于堵转状态，这时候由于转差率太大， 也就是说转子导条和定子磁场的相对速度很高，这时候就会在转子导条的两端产生一个比较高的感应电压，由于转子导条处于短路状态，所以肯定会产生一个很大的启动电流，如果结合变压器来考虑的话，那么电动机转子就相当于变压器的负载侧，负载侧短路就相当于原边短路，所以转子的电流变化势必会表现在定子上面，这就会造成定子绕组输入电流达到额定电流的4到7倍，一旦转子转动起来以后

15、，转差率变小，感应到转子上面的电压也会降低，这样转子电流就会降低，转子电流的变化同样也会表现在定子绕组上，这样等电动机启动结束以后其实感应到转子上的电压是比较低的，由于感应到转子的电压比较低，这样转子上面的电流也不会太大，相应的定子上面的电流也就不会太大，一旦加载以后，转差率的改变就会改变转子以及定子的电流，使用自偶变压器降压启动:采用自耦变压器降压启动，电动机的启动电流及启动转矩与其端电压的平方成比例降低，相同的启动电流的情况下能获得较大的启动转。如启动电压降至额定电压的65，其启动电流为全压启动电流的42，启动转矩为全压启动转矩的42%。 自耦变压器降压启动的优点是可以直接人工操作控制，也

16、可以用交流接触器自动控制，经久耐用，维护成本低，适合所有的空载、轻载启动异步电动机使用，在生产实践中得到广泛应用。缺点是人工操作要配置比较贵的自偶变压器箱（自偶补偿器箱），自动控制要配置自偶变压器、交流接触器等启动设备和元件。 转子串电阻或频敏变阻器虽然启动性能好，可以重载启动，由于只适合于价格昂贵、结构复杂的绕线式三相异步电动机，所以只是在启动控制、速度控制要求高的各种升降机、输送机、行车等行业使用。软启动器启动: 软起动器是一种集电机软起动、软停车、轻载节能和多种保护功能于一体的新颖电机控制装置，国外称为Soft Starter。它的主要构成是串接于电源与被控电机之间的三相反并联闸管交流调

17、压器。运用不同的方法，改变晶闸管的触发角，就可调节晶闸管调压电路的输出电压。在整个起动过程中，软起动器的输出是一个平滑的升压过程，直到晶闸管全导通，电机在额定电压下工作 软启动器的优点是降低电压启动，启动电流小，适合所有的空载、轻载异步电动机使用。缺点是启动转矩小，不适用于重载启动的大型电机。变频器启动:通常，把电压和频率固定不变的交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。该设备首先要把三相或单相交流电变换为直流电（DC）。然后再把直流电（DC）变换为三相或单相交流电（AC）。变频器同时改变输出频率与电压，也就是改变了电机运行曲线上的n0，使电机运行曲线平行下移。因此变频器可以使

18、电机以较小的启动电流，获得较大的启动转矩，即变频器可以启动重载负荷。 变频器具有调压、调频、稳压、调速等基本功能，价格贵但性能良好，内部复杂但使用简单，所以不只是用于启动电动机，而是广泛的应用到各个领域，各种功率、各种用途等都有应用。变频器可以改变初始输出频率，比如从0Hz开始输出频率，逐渐提升至150Hz，从而使启动电流减小，但是变频电机无法重载启动.图8 他励直流电动机直接启动连接图3、铭牌额定功率PN = 10kW，IN =53.8A,Un = 220 V，nN = 1500r/min，Ra =0.29，La=0.012H，a=2,匝数为398，铭牌如下：五、参数计算、电路设计1.他励直

19、流电动机空载测试实物接线图如图所示：（2）若维持转轴上的负载为额定转矩，使电机串电阻启动,各个参数记录如下：序号（mA）（mA）（mA）1260249258255.7 104.7103.7103.1103.8 1.520.310.92250240250246.7 102.1101.6100.2101.3 1.119.510.33240232240237.3 97.6100.599.399.1 0.518.59.54230222230227.3 96.69998.798.1 0.317.99.15220220220220.0 97.49897.697.7 0.317.79.06210203210

20、207.7 94.79594.294.6 -1.3167.47200193200197.7 93.894.593.994.1 -1.915.56.88190183189187.3 92.893.893.393.3 -2.314.76.2注： ，。2.负载特性及能量传递分析：能耗制动是通过磁-电-磁的电磁感应来完成的,当电机的转子在惯性力作用下将自己感应的电流又转化为磁,在定子中产生一个相反的磁场,就像两块极性相反的磁铁,在同心圆内产生了反制动力,就起到了制动作用.保持=220V不变，再增加到2倍额定电流。逐渐减小负载直至空载，在这范围内读取异步电动机的定子电流、输入功率、转速、直流电机的负载电

21、流。测得8组数据如下：做工作特性曲线、计算公式为： 3、调速前后对比由负载实验数据计算工作特性,填入下表：序号电动机输入电动机输出计算值S（A）（W）（r/min）（W）（%）（%）10.175 59.40.35 111440.94 25.7%68.9%0.51 20.150 46.40.27 117433.28 21.7%71.7%0.47 30.123 39.60.22 127029.34 15.3%74.1%0.49 40.110 37.80.20 130827.47 12.8%72.7%0.52 50.103 36.80.19 133226.57 11.2%72.2%0.54 60.092 35.80.18 136525.80 9.0%72.1%0.59 70.083 35.60.18 139926.44 6.7%74.3%0.65 80.080 35.30.18 141026.65 6.0%75.5%0.67 由表中数据作工作特性曲线：分别如下：电机参数设置如下：仿真结果如下：六、心得体会通过一周的课程设计，