電機拖動課程設計報告直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設計

1、-. z.直流電動機調(diào)速系統(tǒng)設計 直流電動機直流電機是生產(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，雖然因構(gòu)造比擬復雜、生產(chǎn)本錢較高、故障較多等，目前已不如交流電動機應用普遍，但由于它具有優(yōu)良的調(diào)速性能和較大的啟動轉(zhuǎn)矩，得到廣泛應用。本節(jié)僅就直流電動機的構(gòu)造與工作原理、直流電動機的分類及在印刷設備中的應用、直流電動機的啟動與調(diào)速做一簡單介紹。下列圖為直流電動機的構(gòu)造原理圖，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

2、出了磁極的鐵心，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。直流電機這局部稱為電樞，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：直流電動機原理圖直流電動機的構(gòu)造與工作原理2.1直流電動機的構(gòu)造直流電動機主要由磁極、電樞、換向器三局部組成。 1磁極。 磁極是電動機中產(chǎn)生磁場的裝置，如圖

3、2所示。它分成極心1和極掌2兩局部。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強度的分布最為適宜，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，機座也是磁路的一局部。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)生感應電動勢的局部。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，外表沖有槽，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。在換向器的外表用彈簧壓著固定的電刷，使轉(zhuǎn)動的電樞繞組得

4、以同外電路聯(lián)結(jié)。換向器是直流電動機的構(gòu)造特征，易于識別。圖3：換向器 1換向片 2連接局部圖4 直流電機裝配構(gòu)造圖圖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。假設在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為導線中的電流，單位為安A。根據(jù)左手定則知，兩個F的方向相反，如圖6

5、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構(gòu)造，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源單獨供電，也可以由一個公共電

6、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，設備較復雜。但這種電動機調(diào)速*圍很寬，多用于主機拖動中。圖7 他勵電動機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*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。因此，他勵直流電動機可以有三種調(diào)速方法

7、。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*圍調(diào)速*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*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nma*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，用*表示，即=式中，n為額定負載轉(zhuǎn)矩Tem=TL時的轉(zhuǎn)

8、速圖8從上式可以看出，在n一樣時，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)速將一樣，但其靜差率卻不同。為了保證轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性，常要求靜差率應不大于*一允許值允許值。 圖9調(diào)速*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*圍；反之，靜差率要求較高時，則調(diào)速*圍小。如果靜差率要求一定時，采用不同的調(diào)速方法，其調(diào)速*圍不同，如果改

9、變電樞電壓調(diào)速比電樞串電阻調(diào)速的調(diào)速*圍大。調(diào)速*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*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

10、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，而假設此調(diào)速適用于恒功率負載的調(diào)速。3.2 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33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

11、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)點是設備簡單，調(diào)節(jié)方便，缺點是調(diào)速*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3.3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，最高電壓不應超過額定電壓。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

12、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*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。3.4弱磁調(diào)速勵直流電機電樞

13、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*圍是在額定轉(zhuǎn)速與電動機的所允許最高轉(zhuǎn)速之間進展調(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)點是設備

14、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*圍，電動機可以在調(diào)速*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)速機械特性課程設計內(nèi)容第四章 課程設計內(nèi)容一臺他勵直流電動機，參數(shù)如下：PN=6KWUaN=200VIaN=42AnN=1500r/minRL=0.0501. 用其拖動通風機負載運行，假設采用電樞串電阻調(diào)速時，要使轉(zhuǎn)速降至200r/min，試設計電樞電路

15、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= UaN -Ra IaN =(200-1.3642)V=142.88V Ce=E/ nN =142.88/1500=0.0952 CT=60Ce/2=60/(23.14)0.0952=0.868 T

16、N=60 PN /2nN =60/(23.14)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 n0= UaN / Ce=200/0.0952r/min=2100r/minn= n0-n=2100-1500r/min =600r/min由于n=( Ra +Rr)T/ CT Ce2由此求得 Rr=n CT Ce2/T- Ra =(6000.09520.868/61.15-1.36)=0.8292.采用電樞電壓調(diào)速： 由上題求得： Ra=1.36 Ce=0.0952 CT=

17、0.868 TN 電樞電壓減小后n=Ra TN / CT Ce2=1.3638.22/(0.09520.868)r/min=629.03r/min n0=n+n=(1000+629.03)r/min=1629.03r/min由此求得 Ua= Cen0=0.09521629.03V=155.08V3.采用改變勵磁電流調(diào)速 由上求得 Ra=1.36 TN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 1800=200/ Ce-1.2731.85/ 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)

18、速的缺點較多，所以只適用于調(diào)速*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，被廣泛應用于對調(diào)速性能要求較高的電力拖動系統(tǒng)中；改變勵磁電流調(diào)速通常與改變電樞電壓同時應用于對調(diào)速要求很高的電力拖動系統(tǒng)中，來擴大調(diào)速*圍和實現(xiàn)雙向調(diào)速。對容量較大的直流電動機，通常采用降電壓起動。即由單獨的可調(diào)壓直流電源對電機電樞供電，控制電源電壓既可使電機平滑起動，又能實現(xiàn)調(diào)速。此種方法電源設備比擬復雜。本設計采用增加電樞電阻啟動非常簡單，設備輕便，廣泛應用于各種中小型直流電動機中。設計體會經(jīng)過一周的奮戰(zhàn)，課程設計完成了，在沒有做課程設計之前覺得課程設計只是對這個學科所學知識的總結(jié)，但通過這次課程設計發(fā)現(xiàn)自己的看法片面。課程設計不僅是對所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的提高。通過課程設計，讓我更加明白學習是一個長期的積累過程，經(jīng)后的工作、生活中應該不段的學習，努力提高知識和綜合能力。設計過程中，我查閱了大量的有關(guān)資料，并與同學交流，學到了不少知識，也經(jīng)歷了不少艱辛，但收獲還是很多的。在設計中培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力