电机与拖动课程设计――他励直流电动机调速系统设计

课程设计名称：电机与拖动课程设计题目：他励直流电动机调速系统设计专业：电气工程及其自动化班级：姓名：学号：课程设计任务书一、设计题目他励直流电动机调速系统设计二、设计任务实现直流他励电动机M（其额定功率PN=185W，额定电压UN=220V，额定电流IN=1.2A,额定转速nN=1600r/min,额定励磁电流IfN＜0.16A）的平稳调速三、设计计划电子技术课程设计共1周。第1天：选题，查资料；第2天：方案分析比较，确定设计方案；第3～4天：通过实验验证设计方案；第5天：编写整理设计说明书。四、设计要求设计工作量为按要求完成设计说明书一份；设计必须根据进度计划按期完成；设计说明书必须经指导教师审查签字。指导教师：教研室主任：时间：年月日XXXXXX大学课程设计成绩评定表学期姓名专业电气工程及其自动化班级课程名称电机与拖动论文题目他励直流电动机调速系统设计评定标准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师时间年月日备注摘要随着工业的不断发展，电动机的需求会越来越大，电动机的应用越来越广泛，电动机的操作系统是一个非常庞大而复杂的系统，它不仅为现代化工业、家庭生活和办公自动化等一系列应用提供基本操作平台，而且能提供多种应用服务，使人们的生活质量有了大幅度的提高，摆脱了人力劳作的模式。而电动机主要应用于工业生产的自动化操作中是电动机的主要应用之一，因此本课程设计课题将主要以在工业中电动机调速方法的应用过程可能用到的各种技术及实施方案为设计方向，为工业生产提供理论依据和实践指导。关键词：直流电动机；调速；设计目录引言………………………………………………………………………………11设计的目的和意义………………………………………………………………22总体设计方案……………………………………………………………………32.1他励直流电动机的起动………………………………………………………32.1.1起动特性……………………………………………………………………32.1.2电枢回路串电阻起动………………………………………………………32.1.3减压起动……………………………………………………………………32.2调节电枢电压调速……………………………………………………………32.2.1调速特性……………………………………………………………………32.2.2调节串入回路电阻调速……………………………………………………32.2.3调节励磁电流调速…………………………………………………………43调速性能指标……………………………………………………………………53.1调节范围与静差率……………………………………………………………53.2调速的平滑性…………………………………………………………………53.3调速的经济性…………………………………………………………………54设计过程………………………………………………………………………64.1实验设备………………………………………………………………………64.2设备屏上排列顺序……………………………………………………………64.3设计原理图……………………………………………………………………64.4调速步骤………………………………………………………………………74.4.1选择仪器……………………………………………………………………74.4.2他励直流电动机的起动准备………………………………………………74.4.3他励直流电动机起动步骤…………………………………………………75结论……………………………………………………………………………96设计心得………………………………………………………………………10参考文献…………………………………………………………………………11×××××××大学课程设计1引言直流电动机分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机调速系统最早采用恒定直流电压给直流电动机供电，通过改变电枢回路中的电阻来实现调速。这种方法简单易行、设备制造方便、价格低廉；但缺点是效率低、机械特性软，不能得到较宽和平滑的调速性能。该法只适用在一些小功率且调速范围要求不大的场合。30年代末期，发电机-电动机系统的出现才使调速性能优异的直流电动机得到广泛应用。这种控制方法可获得较宽的调速范围、较小的转速变化率和平滑的调速性能。但此方法的主要缺点是系统重量大、占地多、效率低及维修困难。近年来，随着电力电子技术的迅速发展，由晶闸管变流器供电的直流电动机调速系统已取代了发电机-电动机调速系统，它的调速性能也远远地超过了发电机-电动机调速系统。特别是大规模集成电路技术以及计算机技术的飞速发展，使直流电动机调速系统的精度、动态性能、可靠性有了更大的提高。电力电子技术中IGBT等大功率器件的发展正在取代晶闸管，出现了性能更好的直流调速系统。电动机所驱动的负载，有时候要求从高转速迅速降为低转速，甚至停转、反转，需要对电动机采取措施以保证负载的要求，这种措施称为电动机的调速。调速的原理是在电动机转子上增加或减小力矩，具体有三种方法，改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。×××××××大学课程设计21设计的目的和意义通过本次的课程设计更进一步的掌握和了解异步电动机的调速方法。这次课程设计可以使我们在学校学的理论知识用到实践中，使我们在学习中起到主导地位，是我们在实践中掌握相关知识，能够培养我们的职业技能，课程设计是以任务引领，以工作过程为导向，以活动为载体，给我们提供了一个真实的过程，通过设计和运行，反复调试、训练、便于我们掌握规范系统的电机方面的知识，同时也提高了我们的动手能力。×××××××大学课程设计32总体设计方案2.1他励直流电动机的起动2.1.1起动特性直流电动机接通电源以后，电动机的转速从零达到稳态转速的过程称为起动过程。对于电动机来讲，我们总希望它的起动转矩大，起动电流小，起动设备简单、经济、可靠。直流电动机开始起动时，转速n=0，此时直流电动机的反电动势(E=Keφn)还没有建立起来，由于电枢电阻Ra较小，Ia=U／Ra，所以此时电枢电流最大。另外，根据转矩公式T=KTφI可知，由于电枢电流非常大，此时的起动转矩也非常大。这样大的起动电流和起动转矩，分别将对供电电源和机械装置形成强大的冲击。通常采用保证足够的起动转矩下尽量减少起动电流的办法，使电动机起动。2.1.2电枢回路串电阻起动为了限制起动电流，起动时可在电枢回路串入起动电阻Rst,待电动机转速上升后逐步将起动电阻切除。接入起动电阻后的起动电流为staastRRUI2.1.3减压起动减压起动时，开始加在电动机电枢的端电压很低，随着转速的上升，逐步增大电枢电压，并使电枢电流限制在一定的范围内。为使励磁不受电枢电压的影响，电动机应采用他励方式。他励直流电动机的调速同交流异步电动机相比，他励直流电动机在调速方面有其独到的优点。从直流电动机的转速特性eKRIUnaa可知，他励直流电动机可通过三种方式对电动机的速度进行凋节。2.2调节电枢电压调速2.2.1调速特性当保持他励直流电动机磁通为额定值和电枢回路电阻不变时，降低电枢电压，可以调整电动机的转速：由此他励直流电动机的机械特性为nnTKKRKUn02T22.2.2调节串入电枢回路电阻调速在电枢回路串入电阻RΩ，从串入电阻后他励直流电动机的机械特性可知，机械特性的斜率将随之增大，即n0不变，改变的只是Δn所以它和负载特性的交点随着RΩ的变大而×××××××大学课程设计4逐步下移，如图2-1所示。图2-1电阻调速特性曲线这种调速方法的优点是简单易行，缺点是接人电阻后电动机的效率降低，机械特性变软，2.2.3调节励磁电流调速这种调速方法所用设备简单．调节也很方便，且效率较高。缺点是随着电动机转速的增高，电枢电流随之升高，电动机的温升升高，换向条件变坏，转速过高，还会出现不稳定的现象。×××××××大学课程设计53调速的性能指标3.1调速范围与静差率minmaxnnD调速范围是指电动机在额定负载转矩调速时，其最高转速与最低转速之比，用D表示为最高转速受电动机的换向及机械强度限制，最低转速受生产机械对转速相对稳定性要求的限制。静差率或转速变换率，是指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率000nnnnn静差率越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速的变换也越小。调速范围与静差率相互制约，采用同一种方法调速时，静差率数值越大，则可以得到较高的调速范围；如果静差率一定，采用不同的调速方法，其调速范围D不同3.2调速的平滑性无级调速的平滑性最好，有级调速的平滑性用平滑系数表示，其定义为：相邻两极转速中，高一级n与低一级转速n之比，即1iinn3.3调速的经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等。调速时电能的损耗除了要考虑电动机本身的损耗外，还要考虑供电电源的效率。调速设备初投资应该考虑电动机和供电电源两方面：专门设计的改变磁通调速的电动机成本较普通直流电机为高；降电枢电压调速的大功率可调压电源，成本也较高；调磁通调速一般也要专门配一可调压电源，但容量要小，成本也低些。这样综合起来考虑，电枢串电阻调速设备成本最低，而改变电源电压调速设备成本最高。×××××××大学课程设计64设计过程4.1实验设备序号型号名称数量1DD03导轨、测速发电机及转速表1台2DJ23校正直流测功机1台3DJ15直流并励电动机1台4D31直流数字电压、毫安、安培表2件5D42三相可调电阻器1件6D44可调电阻器、电容器1件7D51波形测试及开关板1件8D41三相可调电阻器1件4.2设备屏上挂件排列顺序D31、D42、D41、D51、D31、D444.3设计原理图×××××××大学课程设计7图4-1直流他励电动机接线图4.4调速步骤4.4.1选择仪器电压量程的选择如测量电动机两端为220V的直流电压，选用直流电压表为1000V量程档。电流量程的选择因为直流并励电动机的额定电流为1.2A，测量电枢电流的电表A3可选用直流电流表的5A量程档；额定励磁电流小于0.16A，电流表A1选用200mA量程档。变阻器的选择变阻器选用的原则是根据实验中所需的阻值和流过变阻器最大的电流来确定，电枢回路R1可选用D44挂件的90Ω与90Ω串联电阻,磁场回路Rf1可选用D44挂件的900Ω与900Ω串联电阻。4.4.2他励直流电动机的起动准备按原理图接线。图中直流他励电动机M用DJ15，其额定功率PN=185W，额定电压UN=220V，额定电流IN=1.2A,额定转速nN=1600r/min,额定励磁电流IfN＜0.16A。校正直流测功机MG作为测功机使用，TG为测速发电机。直流电流表选用D31。Rf1用可调电阻器D44中的900Ω与900Ω电阻串联，使Rf1的阻值等于1800Ω，作为他励直流电动机励磁回路串接的电阻。Rf2选用可调电阻器D42中的900Ω与900Ω电阻串联，使Rf2的阻值等于1800Ω，作为MG励磁回路串接的电阻。R1选用可调电阻器D44中的90Ω与90Ω电阻串联，使R1的阻值等于180Ω，作为他励直流他励电动机的起动电阻，R2选用可调电阻器D42中的900Ω与900Ω并联后再与可调电阻器D41中的6个90Ω电阻互串联，作为MG的负载电阻。接好线后，检查M、MG及TG之间是否用联轴器直接联接好。4.4.3他励直流电动机起动步骤×××××××大学课程设计8检查按原理图的接线是否正确，电表的极性、量程选择是否正确，电动机励磁回路接线是否牢靠。将电动机电枢串联起动电阻R1、测功机MG的负载电阻R2、及MG的磁场回路电阻Rf2调到阻值最大位置，M的磁场调节电阻Rf1调到最小位置，断开开关S，并断开控制屏下方右边的电枢电源开关，并将控制屏上电枢电源‘电压调节’旋钮调至最小，作好起动准备。开启控制屏上的电源总开关，按下其上方的“开”按钮，接通其下方左边的励磁电源开关，观察M