電機(jī)拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)---直流電動(dòng)機(jī)

1、<p><b>　　0 引言</b></p><p>　　電動(dòng)機(jī)有直流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)，直流電動(dòng)機(jī)雖不及交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、維護(hù)方便、運(yùn)行可靠。但長期以來交流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速問題未能得到滿意的解決。在此之前，電動(dòng)機(jī)具有交流電動(dòng)機(jī)所不能比擬的良好的起動(dòng)性能和調(diào)速性能。隨著交流電動(dòng)機(jī)交頻調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展，在不少應(yīng)用領(lǐng)域已為交流電動(dòng)機(jī)所取代。但是直流電動(dòng)機(jī)又以起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、轉(zhuǎn)速性能好、

2、自動(dòng)控制方便而著稱，因此，在工業(yè)等應(yīng)用領(lǐng)域中仍占有一席之地。而在四種直流電動(dòng)機(jī)中，他勵(lì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用最廣泛。</p><p>　　隨著工業(yè)化的進(jìn)程，電動(dòng)機(jī)及電力拖動(dòng)技術(shù)不斷地發(fā)展，逐步形成了電力拖動(dòng)領(lǐng)域的傳統(tǒng)技術(shù)。如：電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展。電動(dòng)機(jī)及拖動(dòng)技術(shù)又不斷地在技術(shù)上取得重大突破，形成一系列高新技術(shù)。</p><p><b>　　1直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造</b&

3、gt;</p><p>　　直流電機(jī)主要由磁極、電樞和換向器（整流子）三部分組成。</p><p>　　圖1-1 直流電機(jī)的組成部分                      

4、60;                           </p><p><b>　　1.1磁極</b></p>&

5、lt;p>　　結(jié)構(gòu)見圖用硅鋼片疊成，固定在機(jī)座上。極心上放置勵(lì)磁繞組在電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng)，極掌的作用是使電機(jī)的空氣隙中的磁感應(yīng)強(qiáng)度的分布最為合適，并且擋住勵(lì)磁繞組不至于掉下來。</p><p>　　磁極和機(jī)座都是磁路的一部分。</p><p><b>　　1.2電樞</b></p><p>　　電樞鐵心是由硅鋼片疊成的圓柱體，表面沿軸線沖有槽

6、；槽中放電樞繞組，用來感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。直流電機(jī)的電樞是旋轉(zhuǎn)的。見圖</p><p>　　直流電機(jī)的電樞鐵心片 直流電機(jī)的電樞結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　圖1-3 </b></p><p>　　1.3換向器（整流子）         

7、;                                    

8、60;                    </p><p>　　它是直流電機(jī)特有的裝置。 換向器裝在轉(zhuǎn)軸上。電樞繞組的導(dǎo)線按一定規(guī)則焊接在環(huán)向片的凸出部分。在換向器的表面用彈簧壓作固定的電刷，是轉(zhuǎn)動(dòng)的電樞繞組。</p

9、><p>　　2 直流電機(jī)的基本工作原理</p><p>　　圖2-1      直流電動(dòng)機(jī)的工作原理簡(jiǎn)圖 </p><p>　　電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，電樞線圈的兩根有效邊便切割磁力線，感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)。線圈隨電樞鐵心在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每一有效邊中的電動(dòng)勢(shì)是交變的，即在N極下是一個(gè)方向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到S極下是另一個(gè)方向。但由

10、于電刷A總是同與N極下的一邊相連的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的一邊相連的換向片接觸，因此在電刷上就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢(shì)或電壓。</p><p>　　在電刷AB之間加上直流電壓U，電樞線圈中的電流流向?yàn)椋篘極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向。這樣兩個(gè)有效邊中受到的電磁力的方向一致，電樞開始轉(zhuǎn)動(dòng)。通過換向器可以實(shí)現(xiàn)線圈的有效邊從一個(gè)磁極如N極轉(zhuǎn)到另一個(gè)磁極下如S極時(shí)，

11、電流的方向同時(shí)發(fā)生改變，從而電磁力或電磁轉(zhuǎn)矩的方向不發(fā)生改變。電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其大小也為：。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。即。另外當(dāng)電樞繞組在磁場(chǎng)中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，線圈中也要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E，這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流或外加電壓的方向相反，稱之為反電動(dòng)勢(shì)。其大小為：方向與相反。</p><p>　　3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的電磁

12、轉(zhuǎn)矩和電壓平衡方程</p><p>　　圖3-1 直流電動(dòng)機(jī)電樞等效電路</p><p>　　4 直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與控制</p><p>　　4.1直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流很大，達(dá)到額定電流的10～20倍，因此必須限制起動(dòng)電流。限制起動(dòng)電流的方法就是起動(dòng)時(shí)在電樞電路中串接起動(dòng)電阻。起動(dòng)電阻的值：

13、 </p><p>　　一般規(guī)定起動(dòng)電流不應(yīng)超過額定電流的1.5～2.5倍。起動(dòng)時(shí)將起動(dòng)電阻調(diào)至最大，待起動(dòng)后，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的上升將起動(dòng)電阻逐漸減小。</p><p>　　4.2直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速</p><p>　　根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有3種：改變磁通Φ調(diào)速、改變電樞電壓U調(diào)速和電樞串聯(lián)電阻調(diào)速。&l

14、t;/p><p>　　改變磁通調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速平滑，可做到無級(jí)調(diào)速；調(diào)速經(jīng)濟(jì)，控制方便；機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性較好。但由于電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)運(yùn)行時(shí)磁路已接近飽和，所以通常只是減小磁通將轉(zhuǎn)速往上調(diào)，調(diào)速范圍較小。</p><p>　　改變電樞電壓調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是不改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的硬度，穩(wěn)定性好；控制靈活、方便，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速；調(diào)速范圍較寬，可達(dá)到6～10。但電樞繞組需要一個(gè)單獨(dú)的可調(diào)直流電源，設(shè)備較

15、復(fù)雜。</p><p>　　電樞串聯(lián)電阻調(diào)速方法簡(jiǎn)單、方便，但調(diào)速范圍有限，機(jī)械特性變軟，且電動(dòng)機(jī)的損耗增大太多，因此只適用于調(diào)速范圍要求不大的中、小容量直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速場(chǎng)合。</p><p>　　4.3直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)</p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)也有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和發(fā)電反饋制動(dòng)3種。</p><p>　　能耗制動(dòng)是在停機(jī)時(shí)將電

16、樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個(gè)制動(dòng)電阻短接，由于慣性，短接后電動(dòng)機(jī)仍保持原方向旋轉(zhuǎn)，電樞繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)仍存在并保持原方向，但因?yàn)闆]有外加電壓，電樞繞組中的電流和電磁轉(zhuǎn)矩的方向改變了，即電磁轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)方向相反，起到了制動(dòng)作用。</p><p>　　反接制動(dòng)是在停機(jī)時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個(gè)相反極性的電源相接，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩立即變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速至停轉(zhuǎn)。</p

17、><p>　　發(fā)電反饋制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將高于外加電壓，使電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過分升高。</p><p>　　5 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)</p><p>　　他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)可分為降低電樞電壓?jiǎn)?dòng)、增加電樞電阻啟動(dòng)。</p><p>　　1）降低電樞

18、電壓?jiǎn)?dòng)方法需要一個(gè)可變電壓的直流電源專供電樞電路之用。啟動(dòng)時(shí)，加上勵(lì)磁電壓Uf，保持勵(lì)磁電流If為額定不變，電樞電壓Ua從零逐漸升高到額定值。</p><p>　　2）增加電樞電阻啟動(dòng)</p><p>　　額定功率較小的電動(dòng)機(jī)可采用在電樞電路內(nèi)串聯(lián)啟動(dòng)變阻器的方法啟動(dòng)。</p><p>　　額定功率較大的電動(dòng)機(jī)一般采用分級(jí)啟動(dòng)的方法以保證啟動(dòng)過程中既有比較大的啟動(dòng)

19、轉(zhuǎn)矩，又使啟動(dòng)電流不會(huì)超過允許值?，F(xiàn)以兩級(jí)啟動(dòng)為例來說明啟動(dòng)步驟和啟動(dòng)過程。機(jī)械特性圖如下： </p><p>　　圖5-1 接線圖及機(jī)械特性</p><p><b>　?。?）啟動(dòng)過程</b></p><p><b>　　啟動(dòng)步驟如下：</b></p><p>　?、俅?lián)啟動(dòng)電阻Rst1和Rst2

20、啟動(dòng)</p><p>　　起動(dòng)前開關(guān)S1和S2斷開，使得電樞電路中串入電阻Rst1和Rst2，加上電樞電路自身的電阻Ra,電樞電路的總電阻為加上勵(lì)磁電壓Uf，保持勵(lì)磁電流If為額定值不變，然后加上電樞電壓Ua，由于啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩TST大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL,,電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械開始啟動(dòng)，工作點(diǎn)沿人為特性a由a1點(diǎn)向a2點(diǎn)移動(dòng)。</p><p>　?、谇谐龁?dòng)電阻Rst2</p><

21、p>　　當(dāng)工作點(diǎn)達(dá)到a2點(diǎn)即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T2時(shí)，合上開關(guān)S2，切除啟動(dòng)電阻Rst2，電樞電路的總電阻為R1= Ra+ Rst1這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)槿藶樘匦詁切除Rst2轉(zhuǎn)速來不及改變 ，工作點(diǎn)由特性 a上的a2點(diǎn)平移到特性b上的b1點(diǎn)，使這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩T仍等于T1,電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)特性b由b1點(diǎn)向b2點(diǎn)移動(dòng)。</p><p>　?、矍谐龁?dòng)電阻Rst1</p>&

22、lt;p>　　當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)b2點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T又等于切換轉(zhuǎn)矩T2，合上開關(guān)S1， 除啟動(dòng)電阻Rst1，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　機(jī)械特性變?yōu)楣逃刑匦詂。工作點(diǎn)由b2點(diǎn)平移至c1點(diǎn)，使得這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩T仍正好等于T1，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿人為特性c由c1點(diǎn)經(jīng)c2點(diǎn)，最后穩(wěn)定運(yùn)行在p點(diǎn)。整個(gè)起動(dòng)過程結(jié)束。</p><p>　?。?）起動(dòng)級(jí)數(shù)未定時(shí)起動(dòng)電阻的計(jì)算<

23、/p><p>　?、龠x擇起動(dòng)電流I1和切換電流I2 ,</p><p>　　為保證與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流I1不會(huì)超過允許的最大電樞電流Iamax, 選擇對(duì)應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩</p><p>　　為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩,減少起動(dòng)時(shí)間,一般選擇切換轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　若TL未知,可用TN代替.對(duì)應(yīng)的切換電流I2為</p><

24、p>　　IL是與TL對(duì)應(yīng)的穩(wěn)定電樞電流.若未知,可用IaN代替.</p><p>　?、谇蟪銎饎?dòng)電流比 </p><p>　?、矍蟪鲭妱?dòng)機(jī)的電樞電路電阻Ra</p><p>　　Ra可以通過實(shí)測(cè)或通過銘牌上提供的額定值進(jìn)行計(jì)算,由于在忽略T0的情況下,P2=Pe=EIA,因此,在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí),</p><p>　?、芮?/p>

25、出起動(dòng)時(shí)的電樞總電阻Rm</p><p>　　m級(jí)起動(dòng)時(shí)電樞起動(dòng)總電阻為</p><p><b>　?、萸蟪鰡?dòng)級(jí)數(shù)m</b></p><p><b>　　m 的計(jì)算公式為</b></p><p>　　該公式的推導(dǎo)過程如下：由于nb2=nc1，故Eb2=Ec1，即</p><p&

26、gt;　　由于na2=nb1，故Ea2=Eb1，即</p><p>　　可見，若為m級(jí)啟動(dòng)，則啟動(dòng)時(shí)的電樞總電阻Rm為</p><p><b>　　兩邊取對(duì)數(shù)便可得到</b></p><p>　?、拗匦掠?jì)算，校驗(yàn)I2是否在規(guī)定范圍之內(nèi)</p><p>　　若m是取相近整數(shù)，則需要重新計(jì)算。</p><

27、p><b>　　由</b></p><p><b>　　可得計(jì)算的公式為</b></p><p>　　根據(jù)重新求得的，由重新求出I2，并校驗(yàn)I2是否在式所規(guī)定的范圍之內(nèi)。若不在規(guī)定范圍之內(nèi)，需加大啟動(dòng)級(jí)數(shù)m，重新計(jì)算和I2，直到滿足要求為止。</p><p><b>　?、咔蟪龈骷?jí)總電阻</b>

28、</p><p><b>　　由前面的分析知道</b></p><p><b>　?、嗲蟪龈骷?jí)啟動(dòng)電阻</b></p><p>　　Rst1=R1-R0=R1-Ra</p><p>　　Rst2=R2-R1</p><p><b>　　……</b><

29、;/p><p>　　Rstm=Rm-Rm-1</p><p><b>　　6 具體設(shè)計(jì)如下：</b></p><p>　　某廠一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，參數(shù)如下：</p><p><b>　　PN=100KW</b></p><p><b>　　UaN=440V</b&

30、gt;</p><p><b>　　IaN=497A</b></p><p>　　nN=1500r/min</p><p><b>　　Ra=0.076Ω</b></p><p>　　欲采用電樞串電阻啟動(dòng)，試設(shè)計(jì)其啟動(dòng)級(jí)數(shù)和各級(jí)啟動(dòng)電阻。</p><p>　　（1）選擇I1和

31、I2</p><p>　　I1=（1.5～2.0）IaN=(1.5～2.0)497A=(745.5~994）A</p><p>　　I2=（1.1～1.2）IaN=(1.1～1.2)497A=(546.7~596.4）A</p><p>　　選擇I1=850A，I2=550A</p><p>　　(2)求出起切電流比</p>&

32、lt;p>　?。?）求出啟動(dòng)時(shí)的電樞電路電阻Rm</p><p>　　(4)求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)m</p><p><b>　　取m=5。</b></p><p>　　(5)重新計(jì)算，校驗(yàn)I2</p><p>　　I2在規(guī)定的范圍之內(nèi)。</p><p>　　(6)求出各級(jí)啟動(dòng)電阻</p>

33、<p><b>　　7 結(jié)論</b></p><p>　　額定功率較小的電動(dòng)機(jī)可采用在電樞電路內(nèi)串聯(lián)啟動(dòng)變阻器的方法啟動(dòng)，在啟動(dòng)過程中需要將啟動(dòng)電阻和分級(jí)刪除。額定功率較大的電動(dòng)機(jī)一般采用分級(jí)啟動(dòng)的方法以保證啟動(dòng)過程中既有比較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又使啟動(dòng)電流不會(huì)超過允許值。</p><p>　　對(duì)容量較大的直流電動(dòng)機(jī)，通常采用降電壓起動(dòng)。即由單獨(dú)的可調(diào)壓直流電

34、源對(duì)電機(jī)電樞供電，控制電源電壓既可使電機(jī)平滑起動(dòng)，又能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。此種方法電源設(shè)備比較復(fù)雜。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用增加電樞電阻啟動(dòng)非常簡(jiǎn)單，設(shè)備輕便，廣泛應(yīng)用于各種中小型直流電動(dòng)機(jī)中。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 徐本釗. 電動(dòng)機(jī)及其控制電路[M]. 北京：人民郵電出版社，1996. <

35、;/p><p>　　[2] 孫旭東.實(shí)用電動(dòng)機(jī)控制[M].北京：人民郵電出版社，1998.</p><p>　　[3] 唐介. 電機(jī)與拖動(dòng)[M]. 北京：高等教育出版社，2003.</p><p>　　[4] 范正翹. 電力傳動(dòng)與自動(dòng)化控制系統(tǒng)[M]. 北京：北京航空航天出版社，2003.</p><p>　　[5] 曹承志. 電機(jī)拖動(dòng)與控制[M