電機拖動課程設(shè)計直流電動機的調(diào)速計算與仿真

1、設(shè)計名稱：直流電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計遼寧工程技術(shù)大學 電機與拖動 課程設(shè)計 設(shè) 計 題 目 直流電動機的調(diào)速計算與仿真 指 導(dǎo) 教 師 院（系、部） 電控學院 專 業(yè) 班 級 自動化12-2班 學 號 姓 名 日 期 2014/7/7 - 2 -遼寧工程技術(shù)大學課程設(shè)計成績評定表學 期20132014學年第二學期姓 名韓喜武專 業(yè)自動化班 級自動化12-2課程名稱直流電動機的調(diào)速計算與仿真論文題目小型單項變壓器的設(shè)計評定標準評定指標分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時 間年 月 日備 注- 3 -課程設(shè)

2、計任務(wù)書1、 設(shè)計題目 直流電動機的調(diào)速計算及仿真二、設(shè)計任務(wù)第一部分通過摘要闡述了直流電機的調(diào)速的意義。第二部分具體闡述了現(xiàn)在直流電機的發(fā)展概況。第三部分是本文的重點部分：分析了調(diào)速的原理和優(yōu)缺點以及調(diào)速方法的繞組排列。第四部分是本文的結(jié)尾部分，總結(jié)了此次設(shè)計的目的及實習心得。三、設(shè)計計劃電子技術(shù)課程設(shè)計共1周。第1天：選題，查資料；第2天：方案分析比較，確定設(shè)計方案；第34天：電路原理設(shè)計與電路仿真；第5天：編寫整理設(shè)計說明書。四、設(shè)計要求1、按要求完成設(shè)計計劃書一份；2、設(shè)計進度必須要按照計劃進度按期完成；3、設(shè)計說明書必須經(jīng)指導(dǎo)教師簽字； 指導(dǎo)教師： 榮德生 時間：2014年7月7日

3、- 4 -摘要 隨著工業(yè)的不斷發(fā)展，三相異步電動機的續(xù)期會越來越大，三相異步電動機的應(yīng)用就會越來越廣泛，三相異步電動機的操作系統(tǒng)是一個非常龐大的系統(tǒng)，它不僅為現(xiàn)代化工業(yè)、家庭生活和辦公室自動化等一系列應(yīng)用提供基本操作平臺，而且能夠提供多種應(yīng)用服務(wù)，使人們的生活質(zhì)量有了大幅度的提高，擺脫了人力勞作的模式。而三相異步電動機主要應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的自動化操作中時三相異步電動機的主要應(yīng)用之一。 因此本課程設(shè)計課題進一步鞏固和加深“電機與拖動”課程的基本知識，了解異步電動機調(diào)速設(shè)計知識在工程實際中的應(yīng)用。 綜合運用“電機與拖動”課程和等候課程的理論及生產(chǎn)實際知識去分析和解決實際工業(yè)問題，調(diào)速方法的應(yīng)用過程可

4、能用到的各種技術(shù)及實施方案為設(shè)計方向，為工業(yè)生產(chǎn)提供理論依據(jù)和實踐指導(dǎo)。 通過計算和繪圖，學會運用標準、規(guī)范的手冊、圖冊和查閱有關(guān)資料等，培養(yǎng)電機設(shè)計的基本技能。 理解此方法進行調(diào)速的優(yōu)點與缺點； 培養(yǎng)獨立的思維和動手能力。- 5 - 目錄第一章 直流電動機1.1 直流電機基礎(chǔ)認識 1第二章 直流電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1直流電動機的基本結(jié)構(gòu)22.2 直流電動機的工作原理3第三章 他勵直流電動機的調(diào)速及其分類3.1.調(diào)速指標93.2直流電機的調(diào)速的分類93.2.1電樞串電阻調(diào)速93.2.2改變電樞電源電壓調(diào)速103.2.3弱磁調(diào)速11第四章課程設(shè)計內(nèi)容4.課程設(shè)計的例題解析12結(jié)論14心得體

5、會15參考文獻16一、直流電動機1直流電機是生產(chǎn)和使用直流電能的機電能量轉(zhuǎn)換機械。直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換為機械能的旋轉(zhuǎn)機械。它與交流電動機（如三相異步電動機）相比，雖然因結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高、故障較多等，目前已不如交流電動機應(yīng)用普遍，但由于它具有優(yōu)良的調(diào)速性能和較大的啟動轉(zhuǎn)矩，得到廣泛應(yīng)用。本節(jié)僅就直流電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理、直流電動機的分類及在印刷設(shè)備中的應(yīng)用、直流電動機的啟動與調(diào)速做一簡單介紹。下圖為直流電動機的結(jié)構(gòu)原理圖，圖中的n和s是一對固定不動的磁極，用以產(chǎn)生所需要的磁場。容量較大一些的電機，磁場都是由直流勵磁電流通過繞在磁極鐵心上的勵磁繞組產(chǎn)生。為了清晰，圖中只畫出了磁極

6、的鐵心，沒有畫出勵磁繞組。在n極和s極之間有一個可以繞軸旋轉(zhuǎn)的繞組。直流電機這部分稱為電樞，而實際電機的電樞繞組嵌在鐵心槽內(nèi)，電樞繞組的電流稱為電樞電流。 線圈兩端分別與兩個彼此絕緣而且與線圈同軸旋轉(zhuǎn)的銅片連接，銅片上有各壓著一個固定不動的電刷。 在直流電動機中，為了產(chǎn)生方向始終如一的電磁轉(zhuǎn)矩，外部電路中的直流電流必須改變成電機內(nèi)部的交流電流，這一過程稱為電流的換向。換向的銅片稱為換向片?；ハ嘟^緣的換向片組合的總體稱為換向器。圖1：直流電動機原理圖二、直流電動機的結(jié)構(gòu)與工作原理2.1直流電動機的結(jié)構(gòu)直流電動機主要由磁極、電樞、換向器三部分組成。 （1）磁極。 磁極是電動機中產(chǎn)生磁場的裝置，如圖

7、2所示。它分成極心1和極掌2兩部分。極心上放置勵磁繞組3，極掌的作用是使電動機空氣隙中磁感應(yīng)強度的分布最為合適，并用來擋住勵磁繞組；磁極是用鋼片疊成的，固定在機座4（即電機外殼）上，機座也是磁路的一部分。機座常用鑄鋼制成。圖2直流電動機的磁極及磁路 1-極心 2-極掌 3-勵磁繞組 4-機座 （2）電樞。電樞是電動機中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的部分。直流電動機的電樞是旋轉(zhuǎn)的，電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片組成，表面沖有槽，槽中放有電樞繞組。 （3）換向器（整流子）。換向器是直流電動機的一種特殊裝置，其外形如圖3所示，主要由許多換向片組成，每兩個相鄰的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使

8、轉(zhuǎn)動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)結(jié)。換向器是直流電動機的結(jié)構(gòu)特征，易于識別。圖3：換向器 1換向片 2連接部分圖4 直流電機裝配結(jié)構(gòu)圖圖5 直流電機縱向剖視圖1換向器 2電刷裝置 3機座 4主磁極 5換向極6端蓋 7風扇 8電樞繞組 9電樞鐵心2.2 直流電動機的工作原理圖6 直流電動機原理圖圖6是直流電動機的示意圖。若在a、b之間外加一個直流電壓，a接電源正極，b接負極，則線圈中有電流流過。當線圈處于圖5所示位置時，有效邊ab在n極下，cd在s極上，兩邊中的電流方向為ab，cd。由安培定律可知，ab邊和cd邊所受的電磁力為：f=bil式中，i為導(dǎo)線中的電流，單位為安（a）。根據(jù)左手定則知，兩個f

9、的方向相反，如圖6所示，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使線圈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當線圈轉(zhuǎn)過180°時，cd邊處于n極下，ab邊處于s極上。由于換向器的作用，使兩有效邊中電流的方向與原來相反，變?yōu)閐c、ba，這就使得兩極面下的有效邊中電流的方向保持不變，因而其受力方向、電磁轉(zhuǎn)矩方向都不變。由此可見，正是由于直流電動機采用了換向器結(jié)構(gòu)，使電樞線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下使電樞按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這時電動機可作為原動機帶動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn)，即由電動機向機械負載輸出機械功率。在直流電動機中，除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場。電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電

10、源單獨供電，也可以由一個公共電源供電。按勵磁方式的不同，直流電動機可以分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵等形式。由于勵磁方式不同，它們的特性也不用。他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電，如圖7所示。他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源，設(shè)備較復(fù)雜。但這種電動機調(diào)速范圍很寬，多用于主機拖動中。圖7 他勵電動機三、他勵直流電動機的調(diào)速與交流電動機相比，直流電動機具有較好的調(diào)速性能，它能在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟的調(diào)速，因此多用于調(diào)速要求較高的場合。根據(jù)直流電動機調(diào)速公式n=可見，當電樞電流不變時（即負載不變），只要在電樞電壓u、電樞電路附加電阻和每極磁通三個參數(shù)中，任意改變一個，都能引起轉(zhuǎn)速的變化。

11、因此，他勵直流電動機可以有三種調(diào)速方法。為了評價各種調(diào)速方法的優(yōu)缺點，對對調(diào)速方法提出了一定的技術(shù)經(jīng)濟指標，通常稱為調(diào)速指標。下面下面對調(diào)速指標做一簡要說明。3.1調(diào)速指標（1）調(diào)速范圍調(diào)速范圍是只指電動機在額定負載下調(diào)素時，其最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，用d表示，即d=不同的生產(chǎn)機械對對調(diào)速范圍的要求不同，如車床d=20100，龍門刨床d=1040，扎鋼機d=1.203等。電動機最高轉(zhuǎn)速nmax受電動機的換向及機械強度限制，最低轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定（即靜差率）要求的限制。（2）靜差率（調(diào)速的相對穩(wěn)定性）靜差率或轉(zhuǎn)速變化率是指電動機在一條機械特性上額定負載時的轉(zhuǎn)速降落n與該機械特性的理想空載轉(zhuǎn)速n0之比，

12、用*表示，即=式中，n為額定負載轉(zhuǎn)矩tem=tl時的轉(zhuǎn)速圖8從上式可以看出，在n相同時，機械特性越“硬”，額定負載時轉(zhuǎn)速降越小，靜差率越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好，負載波動時，轉(zhuǎn)速變化也越小。圖3-1中機械特性1比機械特性2“硬”。靜差率除了與機械特性硬度有關(guān)外，還與理想空載轉(zhuǎn)速n0成反比。對于同樣“硬度”的特性，如圖3-2中特性1和特性3，雖然轉(zhuǎn)速將相同，但其靜差率卻不同。為了保證轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性，常要求靜差率應(yīng)不大于某一允許值（允許值）。 圖9調(diào)速范圍d與靜差率兩項性能指標是相互制約的，當采用同一種方法調(diào)速時，靜差率要求較低時，則可以得到較低的調(diào)速范圍；反之，靜差率要求較高時，則調(diào)速范圍小。

13、如果靜差率要求一定時，采用不同的調(diào)速方法，其調(diào)速范圍不同，如果改變電樞電壓調(diào)速比電樞串電阻調(diào)速的調(diào)速范圍大。調(diào)速范圍與靜差率是相互制約的，因此需要調(diào)速生產(chǎn)機械，必須同時給出靜差率與調(diào)速范圍這兩項指標，以便選擇適當?shù)恼{(diào)速方法。（3）調(diào)速的平滑性調(diào)速的平滑性是指相鄰兩級轉(zhuǎn)速的接近程度，用平滑系數(shù)表示，即 =平滑系數(shù)越接近1，說明調(diào)速的平滑性越好。如果轉(zhuǎn)速連續(xù)可調(diào)，其級數(shù)趨于無窮多，稱為無級調(diào)速，=1，其平滑性最好；調(diào)速不連續(xù)，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。（4）調(diào)速的經(jīng)濟性經(jīng)濟性包含兩方面的內(nèi)容，一是指調(diào)速所需的設(shè)備和調(diào)速過程中的能量損耗，另一方面是指電動機調(diào)速時能否得到充分的利用。一臺電動機當采用不同

14、的調(diào)速方法時，電動機容許輸出的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速變化的規(guī)律是不同的，但電動機實際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩是有負載需要所決定的，而不同的負載，其所需要的功率和轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的變化的規(guī)律也是不同的，因此在選擇調(diào)速方法時，既要滿足伏在要求，又要盡可能是電動機得到充分利用。經(jīng)分析可知，電樞回路串電阻調(diào)速以及降低電樞電壓調(diào)速適用于恒轉(zhuǎn)矩負載的調(diào)速，而若此調(diào)速適用于恒功率負載的調(diào)速。3.2直流電機的調(diào)速的分類 分為電樞串電阻調(diào)速、 改變電樞電源電壓調(diào)速、弱磁調(diào)速三種。3.2.1電樞串電阻調(diào)速他勵直流電動機拖動負載運行時，保持電源電壓及勵磁電流為額定值不變，在電樞回路中串入不同阻值的電阻，電動機將運行于不同的轉(zhuǎn)速，如圖3

15、3所示，圖中的負載為恒轉(zhuǎn)矩負載。從圖10可以看到，當電樞回路串入電阻r時，電動機的機械特性的斜率將增大，電動機和負載的機械特性的交點將下移，即電動機穩(wěn)定運行轉(zhuǎn)速降低。圖10電樞串電阻調(diào)速機械特性如圖10中傳入的電阻>,交點的轉(zhuǎn)速低于交點的轉(zhuǎn)速，它們都比原來沒有外串電阻的交點a的轉(zhuǎn)速n低。電樞回路串電阻調(diào)速方法的優(yōu)點是設(shè)備簡單，調(diào)節(jié)方便，缺點是調(diào)速范圍小，電樞回路串入電阻后電動機的機械特性變“軟”，使負載變動時電動機產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速變化，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，而且調(diào)速效率較低3.2.2改變電樞電源電壓調(diào)速他勵直流電動機的電樞回路不串接電阻，由一可調(diào)節(jié)的直流電源向電樞供電，最高電壓不應(yīng)超過額定電壓。

16、勵磁繞組由另一電源供電，一般包保持勵磁磁通為額定值。電樞電壓不同時，電動機拖動負載將運行于不同的轉(zhuǎn)速上從圖11中可以看出，當電樞電源電壓為額定值時，電動機和負載的機械特性的交點為a，轉(zhuǎn)速為n；電壓降到后，交點為,轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點為，轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點為，轉(zhuǎn)速為；電樞電源電壓越低，轉(zhuǎn)速也越低。同樣，改變點數(shù)電源電壓調(diào)速方法的范圍也只能在額定轉(zhuǎn)速與零轉(zhuǎn)速之間調(diào)節(jié)。改變電樞電源電壓調(diào)速時，電動機機械特性的“硬度”不變，因此，集市電動機在低速運行時，轉(zhuǎn)速隨附在變動而變化的幅度較小，即轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。當電樞電源電壓連續(xù)調(diào)節(jié)時，轉(zhuǎn)速變化也是連續(xù)的，所以這種調(diào)速稱為無級調(diào)速。圖11改變電樞電源電壓調(diào)速方

17、法的有電視調(diào)速的平滑性好，即可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速效率高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，缺點是所需的可調(diào)電源設(shè)備投資較高。這種調(diào)速方法在直流電力拖動系統(tǒng)中被廣泛使用。3.2.3弱磁調(diào)速勵直流電機電樞電流電壓不變，電樞回路也不串接電阻，在電動機拖動負載轉(zhuǎn)矩不很大（小于額定轉(zhuǎn)矩）時，減少直流電動機的勵磁磁通，可使電動機的轉(zhuǎn)速提高。他勵直流電動機帶恒轉(zhuǎn)矩負載時弱磁調(diào)速，如圖12所示。 從圖12中可以看出，當勵磁磁通為額定值n時，電動機和負載的機械特性的交點為a,轉(zhuǎn)速為n:勵磁磁通減少為2時，理想空載轉(zhuǎn)速增大，同時機械特性斜率也變大，交點為a1,轉(zhuǎn)速為n1;勵磁電流減少為1，交點為a2，轉(zhuǎn)速為n2。弱磁調(diào)速的范圍是在額

18、定轉(zhuǎn)速與電動機的所允許最高轉(zhuǎn)速之間進行調(diào)節(jié)，至于電動機所允許最高轉(zhuǎn)速值是受換向與機械強度所限制，一般約為1.2m左右，特殊設(shè)計的調(diào)速電動機，可達3 nn 或更高。 弱磁調(diào)速的優(yōu)點是設(shè)備簡單，調(diào)節(jié)方便，運行效率也較高，適用于恒功率負載，缺點是勵磁過弱時，機械特性的斜率大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，可能會使電樞電流過大。在實際的電力拖動系統(tǒng)中可以將幾種調(diào)速方法結(jié)合起來，這樣，可以得到較寬的調(diào)速范圍，電動機可以在調(diào)速范圍之內(nèi)任何轉(zhuǎn)速上運行，而且調(diào)速時的損耗較小，運行效率較高，能很好的滿足各種生產(chǎn)機械對調(diào)速的要求。 圖12弱磁調(diào)速機械特性第四章 課程設(shè)計內(nèi)容例題解析：一臺他勵直流電動機，參數(shù)如下

19、：pn=6kwuan=200vian=42ann=1500r/minrl=0.0501. 用其拖動通風機負載運行，若采用電樞串電阻調(diào)速時，要使轉(zhuǎn)速降至200r/min，試設(shè)計電樞電路中的調(diào)速電阻。2. 用其拖動恒轉(zhuǎn)矩負載運行，負載轉(zhuǎn)矩等于電動機的額定轉(zhuǎn)矩，采用改變電樞電壓調(diào)速時，要使轉(zhuǎn)速降至1000r/min，試設(shè)計電樞電壓值。3. 用其拖動恒功率負載運行，采用改變勵磁電流調(diào)速，要使轉(zhuǎn)速增至1800r/min，試設(shè)計ce的值。 內(nèi)容解析：1.采用電樞串電阻調(diào)速：電動機的電樞電阻 ra=（uan - pn ian）/ ian =（200-6000/42）/42=1.36在額定狀態(tài)運行時 e= u

20、an -ra ian =(200-1.36×42)v=142.88v ce=e/ nn =142.88/1500=0.0952 ct=60ce/2=60/(2×3.14)×0.0952=0.868 tn=60 pn /2nn =60/(2×3.14)×6000/1500n.m=38.22n. m由于通風機負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成反比，故n=1200r/min時的轉(zhuǎn)矩為 t=(n/ nn)2tn=(1200/1500) 2×38.22n.m=61.15n.m n0= uan / ce=200/0.0952r/min=2100r/min

21、n= n0-n=（2100-1500）r/min =600r/min由于 n=( ra +rr)t/ ct ce2由此求得 rr=n ct ce2/t- ra =(600×0.0952×0.868/61.15-1.36)=0.8292.采用電樞電壓調(diào)速： 由上題求得： ra=1.36 ce=0.0952 ct=0.868 tn =38.22n.m電樞電壓減小后 n=ra tn / ct ce2=1.36×38.22/(0.0952×0.868)r/min=629.03r/min n0=n+n=(1000+629.03)r/min=1629.03r/min

22、由此求得 ua= cen0=0.0952×1629.03v=155.08v3.采用改變勵磁電流調(diào)速 由上求得 ra=1.36 tn =38.22n.m由于恒功率負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成正比關(guān)系，故忽略空載轉(zhuǎn)矩時，調(diào)速后的電磁轉(zhuǎn)矩為 t= nn tn /n=1500×38.22/1800n.m=31.85n.m 1800=200/ ce-1.27×31.85/ ct ce2得 ce=0.0729或0.0351結(jié)論三種調(diào)速方法各有優(yōu)缺點，改變電樞電阻調(diào)速的缺點較多，所以只適用于調(diào)速范圍不大，調(diào)速時間不長的小容量電動機中；改變電樞電壓調(diào)速是一種性能優(yōu)越的調(diào)速方法，被廣泛應(yīng)用于對調(diào)速性能要求較高的電力