電機(jī)拖動課程設(shè)計(jì)報(bào)告直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、-. z.直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì) 直流電動機(jī)直流電機(jī)是生產(chǎn)和使用直流電能的機(jī)電能量轉(zhuǎn)換機(jī)械。直流電動機(jī)是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。它與交流電動機(jī)如三相異步電動機(jī)相比，雖然因構(gòu)造比擬復(fù)雜、生產(chǎn)本錢較高、故障較多等，目前已不如交流電動機(jī)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(jī)的構(gòu)造與工作原理、直流電動機(jī)的分類及在印刷設(shè)備中的應(yīng)用、直流電動機(jī)的啟動與調(diào)速做一簡單介紹。下列圖為直流電動機(jī)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(jī)，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(jī)這局部稱為電樞，而實(shí)際電機(jī)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(jī)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(jī)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。互相絕緣的換向片組合的總體稱為換向器。圖1：直流電動機(jī)原理圖直流電動機(jī)的構(gòu)造與工作原理2.1直流電動機(jī)的構(gòu)造直流電動機(jī)主要由磁極、電樞、換向器三局部組成。 1磁極。 磁極是電動機(jī)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(jī)空氣隙中磁感應(yīng)強(qiáng)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(jī)座4即電機(jī)外殼上，機(jī)座也是磁路的一局部。機(jī)座常用鑄鋼制成。圖2直流電動機(jī)的磁極及磁路 1-極心 2-極掌 3-勵磁繞組 4-機(jī)座 2電樞。電樞是電動機(jī)中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的局部。直流電動機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)裝配構(gòu)造圖圖5 直流電機(jī)縱向剖視圖1換向器 2電刷裝置 3機(jī)座 4主磁極 5換向極6端蓋 7風(fēng)扇 8電樞繞組 9電樞鐵心2.2 直流電動機(jī)的工作原理圖6 直流電動機(jī)原理圖圖6是直流電動機(jī)的示意圖。假設(shè)在A、B之間外加一個直流電壓，A接電源正極，B接負(fù)極，則線圈中有電流流過。當(dāng)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?yàn)閍b，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(dāng)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(jī)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(jī)可作為原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，即由電動機(jī)向機(jī)械負(fù)載輸出機(jī)械功率。在直流電動機(jī)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(dú)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(jī)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(jī)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(jī)由于采用單獨(dú)的勵磁電源，設(shè)備較復(fù)雜。但這種電動機(jī)調(diào)速*圍很寬，多用于主機(jī)拖動中。圖7 他勵電動機(jī)他勵直流電動機(jī)的調(diào)速與交流電動機(jī)相比，直流電動機(jī)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(jì)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(jī)調(diào)速公式n=可見，當(dāng)電樞電流不變時即負(fù)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(jī)可以有三種調(diào)速方法

7、。為了評價(jià)各種調(diào)速方法的優(yōu)缺點(diǎn)，對對調(diào)速方法提出了一定的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，通常稱為調(diào)速指標(biāo)。下面下面對調(diào)速指標(biāo)做一簡要說明。3.1調(diào)速指標(biāo)1調(diào)速*圍調(diào)速*圍是只指電動機(jī)在額定負(fù)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(jī)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(jī)D=1.203等。電動機(jī)最高轉(zhuǎn)速nma*受電動機(jī)的換向及機(jī)械強(qiáng)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(jī)在一條機(jī)械特性上額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降落n與該機(jī)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(fù)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(jī)械特性越“硬，額定負(fù)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(fù)載波動時，轉(zhuǎn)速變化也越小。圖3-1中機(jī)械特性1比機(jī)械特性2“硬。靜差率除了與機(jī)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(yīng)不大于*一允許值允許值。 圖9調(diào)速*圍D與靜差率兩項(xiàng)性能指標(biāo)是相互制約的，當(dāng)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(jī)械，必須同時給出靜差率與調(diào)速*圍這兩項(xiàng)指標(biāo)，以便選擇適當(dāng)?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(jì)性經(jīng)濟(jì)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(jī)調(diào)速時能否得到充分的利用。一臺電動機(jī)當(dāng)采用不同的調(diào)速方法時，電動機(jī)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(jī)

10、實(shí)際輸出的功率和轉(zhuǎn)矩是有負(fù)載需要所決定的，而不同的負(fù)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(jī)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(fù)載的調(diào)速，而假設(shè)此調(diào)速適用于恒功率負(fù)載的調(diào)速。3.2 電樞串電阻調(diào)速他勵直流電動機(jī)拖動負(fù)載運(yùn)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(jī)將運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速，如圖33所示，圖中的負(fù)載為恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。從圖10可以看到，當(dāng)電樞回路串入電阻R時，電動機(jī)的機(jī)械特性的斜率將增大，電動機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交點(diǎn)將下移，即電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速

11、降低。圖10電樞串電阻調(diào)速機(jī)械特性如圖10中傳入的電阻,交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速低于交點(diǎn)的轉(zhuǎn)速，它們都比原來沒有外串電阻的交點(diǎn)A的轉(zhuǎn)速n低。電樞回路串電阻調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，調(diào)節(jié)方便，缺點(diǎn)是調(diào)速*圍小，電樞回路串入電阻后電動機(jī)的機(jī)械特性變“軟，使負(fù)載變動時電動機(jī)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(jī)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。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(jī)拖動負(fù)載將運(yùn)行于不同的轉(zhuǎn)速上從圖11中可以看出，當(dāng)電樞電源電壓為額定值時，電動機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交

12、點(diǎn)為A，轉(zhuǎn)速為n；電壓降到后，交點(diǎn)為,轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點(diǎn)為，轉(zhuǎn)速為；電壓為，交點(diǎn)為，轉(zhuǎn)速為；電樞電源電壓越低，轉(zhuǎn)速也越低。同樣，改變點(diǎn)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(jī)機(jī)械特性的“硬度不變，因此，集市電動機(jī)在低速運(yùn)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(dāng)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(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速效率高，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好，缺點(diǎn)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。3.4弱磁調(diào)速勵直流電機(jī)電樞

13、電流電壓不變，電樞回路也不串接電阻，在電動機(jī)拖動負(fù)載轉(zhuǎn)矩不很大小于額定轉(zhuǎn)矩時，減少直流電動機(jī)的勵磁磁通，可使電動機(jī)的轉(zhuǎn)速提高。他勵直流電動機(jī)帶恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時弱磁調(diào)速，如圖12所示。 從圖12中可以看出，當(dāng)勵磁磁通為額定值N時，電動機(jī)和負(fù)載的機(jī)械特性的交點(diǎn)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(jī)械特性斜率也變大，交點(diǎn)為A1,轉(zhuǎn)速為n1;勵磁電流減少為1，交點(diǎn)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(jī)的所允許最高轉(zhuǎn)速之間進(jìn)展調(diào)節(jié)，至于電動機(jī)所允許最高轉(zhuǎn)速值是受換向與機(jī)械強(qiáng)度所限制，一般約為1.2m左右，特殊設(shè)計(jì)的調(diào)速電動機(jī)，可達(dá)3 nN 或更高。 弱磁調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備

14、簡單，調(diào)節(jié)方便，運(yùn)行效率也較高，適用于恒功率負(fù)載，缺點(diǎn)是勵磁過弱時，機(jī)械特性的斜率大，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性差，拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載時，可能會使電樞電流過大。在實(shí)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(jī)可以在調(diào)速*圍之內(nèi)任何轉(zhuǎn)速上運(yùn)行，而且調(diào)速時的損耗較小，運(yùn)行效率較高，能很好的滿足各種生產(chǎn)機(jī)械對調(diào)速的要求。圖12弱磁調(diào)速機(jī)械特性課程設(shè)計(jì)內(nèi)容第四章 課程設(shè)計(jì)內(nèi)容一臺他勵直流電動機(jī)，參數(shù)如下：PN=6KWUaN=200VIaN=42AnN=1500r/minRL=0.0501. 用其拖動通風(fēng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行，假設(shè)采用電樞串電阻調(diào)速時，要使轉(zhuǎn)速降至200r/min，試設(shè)計(jì)電樞電路

15、中的調(diào)速電阻。2. 用其拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于電動機(jī)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(jì)電樞電壓值。3. 用其拖動恒功率負(fù)載運(yùn)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(jì)Ce的值。內(nèi)容解析：1.采用電樞串電阻調(diào)速：電動機(jī)的電樞電阻Ra=UaN - PN IaN/ IaN =200-6000/42/42=1.36在額定狀態(tài)運(yùn)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(fēng)機(jī)負(fù)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(fù)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(diǎn)，改變電樞電阻調(diào)

18、速的缺點(diǎn)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(jī)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(yīng)用于對調(diào)速要求很高的電力拖動系統(tǒng)中，來擴(kuò)大調(diào)速*圍和實(shí)現(xiàn)雙向調(diào)速。對容量較大的直流電動機(jī)，通常采用降電壓起動。即由單獨(dú)的可調(diào)壓直流電源對電機(jī)電樞供電，控制電源電壓既可使電機(jī)平滑起動，又能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。此種方法電源設(shè)備比擬復(fù)雜。本設(shè)計(jì)采用增加電樞電阻啟動非常簡單，設(shè)備輕便，廣泛應(yīng)用于各種中小型直流電動機(jī)中。設(shè)計(jì)體會經(jīng)過一周的奮戰(zhàn)，課程設(shè)計(jì)完成了，在沒有做課程設(shè)計(jì)之前覺得課程設(shè)計(jì)只是對這個學(xué)科所學(xué)知識的總結(jié)，但通過這次課程設(shè)計(jì)發(fā)現(xiàn)自己的看法片面。課程設(shè)計(jì)不僅是對所學(xué)知識的一種檢驗(yàn)，而且也是對自己能力的提高。通過課程設(shè)計(jì)，讓我更加明白學(xué)習(xí)是一個長期的積累過程，經(jīng)后的工作、生活中應(yīng)該不段的學(xué)習(xí)，努力提高知識和綜合能力。設(shè)計(jì)過程中，我查閱了大量的有關(guān)資料，并與同學(xué)交流，學(xué)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(shè)計(jì)中培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對自己工作能力