電機(jī)拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)

1、目 錄 一 直流電動(dòng)機(jī)的綜述1.1 直流電動(dòng)機(jī)的概述直流電動(dòng)機(jī)是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機(jī)。直流電機(jī)可作為電動(dòng)機(jī)用，也可作為發(fā)電機(jī)用。 直流電動(dòng)機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的轉(zhuǎn)動(dòng)裝置。電動(dòng)機(jī)定子提供磁場(chǎng)， 直流電源向轉(zhuǎn)子的繞組提供電流，換向器使轉(zhuǎn)子電流與磁場(chǎng)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩保持方向不變。與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等缺點(diǎn)制約了它的發(fā)展， 但是它具有良好的起動(dòng)、 調(diào)速和制動(dòng)性能， 因此在速度調(diào)節(jié)要求較要、正反轉(zhuǎn)和起動(dòng)頻繁或多個(gè)單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，仍廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。 在工業(yè)領(lǐng)域直流電動(dòng)機(jī)仍占有一席之地。 因此有必要了解直流電動(dòng)的運(yùn)行特性。在四種直流電動(dòng)機(jī)中，他

2、勵(lì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最為廣泛。1.2 直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行原理TeSNnTe圖 5-2 直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如下： 如上圖所示為直流電動(dòng)機(jī)的原理圖。根據(jù)電機(jī)的可逆原理，在直流電機(jī)模型中，勵(lì)磁繞組仍通入直流，產(chǎn)生主極磁通 。如果用直流電源通過(guò)電刷向電樞繞組供電， 在電樞表面的左半部分導(dǎo)體 （即 N極下）可以流過(guò)相同方向的電流 （符號(hào)“?”表示電流從里向外流動(dòng)） ，根據(jù)左手定則，導(dǎo)體將受到順時(shí)針?lè)较虻牧刈饔?；同時(shí)，在電樞表面的右半部分導(dǎo)體（即極下）也流過(guò)相同方向的電流（符號(hào)“×”表示電流從外向里流動(dòng)），同樣根據(jù)左手定則，導(dǎo)體也將受到順時(shí)針?lè)较虻牧刈饔谩＿@樣，整個(gè)電樞繞組即轉(zhuǎn)子將

3、S按順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)， 輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械能。 這就是直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行工作原理。1.3 直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式在直流電動(dòng)機(jī)中， 定子勵(lì)磁繞組通電后產(chǎn)生產(chǎn)生的主磁場(chǎng)也稱為勵(lì)磁。磁繞組的供電方式不同，可把直流電動(dòng)機(jī)分為下列4 種類型：按勵(lì)1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)是一種勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)連接關(guān)系， 有專用直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)，如圖（ a）所示。2并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相并聯(lián)，勵(lì)磁繞組的供電電壓與電樞電路端電壓相同，如圖（b）所示。3串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)， 勵(lì)磁繞組的電流與電樞電路端電流一致，如圖（ c）所

4、示。4復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)復(fù)勵(lì)直流電機(jī)的主磁極上裝有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)繞組與電樞電路并聯(lián)， 稱為并勵(lì)繞組，再和另一個(gè)勵(lì)磁繞組串聯(lián)，成為串聯(lián)繞組，如圖（d）所示。+U-+U-+U-+U-I aII aI aI fII f2I aI aMMMMI fU ffI fI f1U+-c)d)a)b)圖 5-15直流電機(jī)的勵(lì)磁方式a) 他勵(lì)式b)并勵(lì)式b)串勵(lì)式b)復(fù)勵(lì)式二 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2.1.1機(jī)械特性的一般形式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線如圖所示，電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系曲線便是電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，即。nf (Te ) 有轉(zhuǎn)矩特性和轉(zhuǎn)速可推導(dǎo)出機(jī)械特性的一般表達(dá)式AUaIa (

5、RaR)UaRaR TenVCeCeCeCTRUaRaRMCeT2 Ten0TeR aCeCUa式中n0 直流電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速， n0；+AI fCe直流電機(jī)機(jī)械特性的斜率，RaR2 ；U fR fCeCT_R c圖 6-1他勵(lì)電動(dòng)機(jī)接線圖2.1.2固有機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)在電樞電壓、勵(lì)磁電壓均為額定值，電樞n外傳電阻為零時(shí)所得的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性。特性n0曲線如圖所示，特性滿足公式nNAU NRan2 TeCeNCeCTN通過(guò)對(duì)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程的分析，可以看出其固有特性的主要特點(diǎn)：N 是理想空載轉(zhuǎn)速，同時(shí)OTNTe 0 時(shí)，nn0UNCe（ 1）+_U aQI aTstTe圖

6、6-2 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性（ 2）機(jī)械特性呈下傾的直線， 轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩增大而減小。 因?yàn)橄聝A的斜率較小，表示轉(zhuǎn)速變化較小，所以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性比較硬。（ 3）電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí) n0，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Ea Ce Nn0 ，這時(shí)電樞電流為啟動(dòng)電流，即 Ia U N RaIst；電磁轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 TeCIa Tst CT NIst ；又TN因?yàn)殡姌须娮?Ra 很小，在額定電壓的作用下，起動(dòng)電流將非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)電動(dòng)機(jī)所允許的最大電流， 會(huì)燒壞換向器， 因此直流電機(jī)一般不允許全電壓直接起動(dòng)。（ 4）若轉(zhuǎn)矩 Te Tst, n 0 ，特性曲線在第四象限；若 Te 0, n 0 ，則特性曲線在第二

7、象限，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速方向相反，形成制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。2.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)條件所謂啟動(dòng)就是指電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到某一穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過(guò)程。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)， 必須先加額定勵(lì)磁電流建立磁場(chǎng)，然后再加電樞電壓。Ia 為： IaUNEa當(dāng)忽略電樞電感時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞電流Ra在啟動(dòng)瞬間， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n0，反電動(dòng)勢(shì) Ea0 ，電樞回路只有電樞繞組電阻 Ra ，此時(shí)電樞電流為啟動(dòng)電流Ist ，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩 Tst ，并有U NIstRa ， Tst CT NIst倍的IN ），由于電樞繞組電阻Ra 很小，因此啟動(dòng)電流 Ist IN（約為10 20這么大的

8、啟動(dòng)電流是電動(dòng)機(jī)換向困難，在換向片表面產(chǎn)生強(qiáng)烈的火花， 甚至形成環(huán)火；同時(shí)電樞繞組也會(huì)因過(guò)熱而損壞；另外，由于大電流產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩過(guò)大，將損壞拖動(dòng)系統(tǒng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)， 這都是不允許的。因此除了微型直流電動(dòng)機(jī)由于 Ra較大、慣量較小可以直接啟動(dòng)外， 一般直流電動(dòng)機(jī)都不允許直接啟動(dòng)。 一般直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載順利啟動(dòng)的條件是：（ 1）啟動(dòng)電流限制在一定范圍內(nèi)，即 I stI N ， 為直流電動(dòng)機(jī)的過(guò)載倍數(shù)；（ 2）有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩， Tst 1.1 1.2TN ；（ 3）啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠。2.3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法由可知，限制啟動(dòng)電流的措施有兩個(gè)： 一是增加電樞電阻； 二是降低電源電壓，即有電樞串

9、電阻和降壓兩種方法。電樞回路串電阻啟動(dòng)在額定電源電壓下，電樞回路串入分級(jí)啟動(dòng)電阻 Rst ，在啟動(dòng)過(guò)程中將啟動(dòng)電阻逐步切除。 以三級(jí)電阻串電阻起動(dòng)時(shí)的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例， 其電氣原理圖如下：T 2,T直流電機(jī)串電阻啟動(dòng)的控制原理是：?jiǎn)?dòng)時(shí)，應(yīng)串入全部電阻，即接觸器S1、S2、 S3觸點(diǎn)處于斷開(kāi)狀態(tài)。此時(shí)啟動(dòng)電流為U N Ist式中 Rst Rst RstRst ，其值應(yīng)使RaRst2Ist不超過(guò)電機(jī)允許的過(guò)載能力。然后隨13著轉(zhuǎn)速的升高逐步減少串入的啟動(dòng)電阻。啟動(dòng)過(guò)程的機(jī)械特性如圖上所示， 其中TL 為電動(dòng)機(jī)所帶的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。由啟動(dòng)電流產(chǎn)生啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst ，由于TstTL ，電動(dòng)機(jī)沿特性 ab

10、 加速，隨著轉(zhuǎn)速的上升，電磁轉(zhuǎn)矩逐步下降，加速度變小。為了得到較大的加速度，到了 D點(diǎn)時(shí)使 S3 觸電閉合，將Rst3 切除，b 點(diǎn)對(duì)應(yīng)的電流 I 2 稱為切換電流，對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩為切換轉(zhuǎn)矩21.1 1.2 TL ，在切除電阻的瞬間，由于機(jī)械慣性電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)不及變化， 電樞電流突然增大， 電磁轉(zhuǎn)矩突然增大，運(yùn)行點(diǎn)從 b 點(diǎn)過(guò)渡到 c 點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)沿特性 cd 加速到 d 點(diǎn)，再使 S2閉合將 Rst2 切除。這樣逐級(jí)切除電阻，直至加速到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行點(diǎn) h，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相平衡Te TL ，電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)行 nh，整個(gè)啟動(dòng)過(guò)程結(jié)束。減壓?jiǎn)?dòng)當(dāng)直流電源電壓可調(diào)時(shí)， 可以采用降壓方法啟動(dòng)。 在啟動(dòng)

11、瞬間， 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n 0 ，反電動(dòng)勢(shì) Ea 0，降低電源電壓 Ud，將啟動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)。IstUdRa此時(shí)啟動(dòng)電流為。隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升， 反電動(dòng)勢(shì)逐漸增大， 再逐漸升高電源電壓， 直至升到額定電源電壓 UN ，電動(dòng)機(jī)在 A 點(diǎn)以轉(zhuǎn)速 nA 穩(wěn)定運(yùn)行。注意每次電壓的提高必須使電樞電流不超過(guò)允許值。 減壓?jiǎn)?dòng)的特性如下圖所示， 其中 TL 為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，啟動(dòng)電流對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩 Tst ，電壓切換點(diǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩 T 2 1.1 1.2 TL 。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)減壓?jiǎn)?dòng)三直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)方案1）選擇啟動(dòng)電流 I1 和切換電流 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)選擇 I1 =195 ， I2 =130 。2）求出起切電流比I 1= =1.5I 23）求出啟動(dòng)時(shí)電樞電路的總電阻RmUNRm=1.13I 1（4）求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)mlgRmram=4.98lg取 m=55）重新計(jì)算，校驗(yàn) I2= m Rm =1.498 r aI 1I2 =130.173I2 在規(guī)定范圍之內(nèi)。6）求出各級(jí)總電阻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）求出各級(jí)啟動(dòng)電阻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）控制線路原理圖四 結(jié)論他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)計(jì)算方法：1 選擇起動(dòng)電流 I1 和切換電流 I2

14、起動(dòng)電流為I 1 =（1.52.0 ） I N切換電流為I 2 =（1.1.2 ）I N對(duì)應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1 =（1.52.0 ） T N對(duì)應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2 =(1.5-2.0)TN2 求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比I1I 23 求出電動(dòng)機(jī)的電樞電路電阻RaUN (PN )RaI NI N4 求出起動(dòng)時(shí)的電樞總電阻RmU NRmI N5 求出起動(dòng)級(jí)數(shù) mlg Rmm Ralg6 重新計(jì)算，校驗(yàn)I2 是否在規(guī)定范圍內(nèi)若 m是取相近整數(shù)，則需重新計(jì)算I2再根據(jù)得出的重新求出 I2 ，并校驗(yàn) I2 是否在規(guī)定范圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大起動(dòng)級(jí)數(shù) m重新計(jì)算和 I2 ，直到符合要求為止。7 求出各級(jí)總電阻R

15、a1Ra 2mr aRa 2Ra 3m-1r a8 求出各級(jí)起動(dòng)電阻電樞回路串電阻起動(dòng)方法比較簡(jiǎn)單， 經(jīng)濟(jì)和可靠， 同時(shí)可做到平滑快速起動(dòng)。 缺點(diǎn)就是起動(dòng)條件非常嚴(yán)格。 降壓起動(dòng)平穩(wěn)， 起動(dòng)過(guò)程能量損耗小，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。降壓起動(dòng)的缺點(diǎn)就是初期投資大，起動(dòng)設(shè)備復(fù)雜，要求有單獨(dú)的可調(diào)壓直流電源。四 心得體會(huì)在老師的悉心指導(dǎo)和同學(xué)們的共同努力下，電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)圓滿結(jié)束了。在這次課程設(shè)計(jì)中， 我深刻地體會(huì)到科學(xué)工作的辛苦和趣味。科學(xué)工作的嚴(yán)謹(jǐn)， 讓我明白了做人也應(yīng)當(dāng)如此。在課程設(shè)計(jì)中，我們用科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膽B(tài)度，積極配合老師同學(xué)完成設(shè)計(jì)。不僅培養(yǎng)了獨(dú)立思考、 動(dòng)手操作的能力，在各種其它能力上也都有了提高。更重要的是，在實(shí)驗(yàn)課上，我們學(xué)會(huì)了很多學(xué)習(xí)的方法。而這是日后最實(shí)用的，真的是受益匪淺。 要面對(duì)社會(huì)的挑戰(zhàn)，只有不斷的學(xué)習(xí)、實(shí)踐，再學(xué)習(xí)、再實(shí)踐。這對(duì)于我們的將來(lái)也有很大的幫助。以后，不管有多苦，我想我們都能變苦為樂(lè)，找尋有趣的事情，發(fā)現(xiàn)其中珍貴的事情。就像中國(guó)提倡的艱