電機與拖動課程設計最終版,重慶郵電大學移通學院

1、指導教師評定成績： 審定成績： 重 慶 郵 電 大 學 移 通 學 院課程設計報告 設計題目： 他勵直流電動機起動 學 校： 重慶郵電大學移通學院 學 生 姓 名： 專 業(yè)： 電氣工程與自動化 班 級： 05131201 學 號： 指 導 教 師： 設計時間： 2014 年 12 月重慶郵電大學移通學院摘要直流電機是利用電磁感應原理實現(xiàn)直流電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的電磁裝置，將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機稱為直流電動機，反之則稱為直流發(fā)電機。直流電動機具有調(diào)速范圍廣且平滑，起、制動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，易于控制的優(yōu)點，常用于對調(diào)速要求較高的場合在工業(yè)領域。因此有必要了解直流電動的運行特性。電動機有他勵

2、、串勵和復勵三種直流電動機，在四種直流電動機中，他勵電動機應用最為廣泛。本課程研究的他勵直流電動機串電阻的啟動，通過在電樞上串聯(lián)多級電阻，可以減小他勵直流電動機的啟動電流和轉(zhuǎn)矩。那么以一個實際他勵電動機為例，設計了一個串九級電阻啟動的系統(tǒng)，計算分級啟動的電阻，以及畫機械特性圖，再通過Matlab對直流電動機的直接啟動和串電阻啟動進行了建模和仿真，仿真結果驗證了理論分析的正確性?！娟P鍵詞】 ：機械特性 仿真 電樞串電阻 目錄一、設計題目3二、直流電動機原理描述41.1.直流電動機基本原理41.2.直流電動機的基本結構5電動機的勵磁方式6三、設計過程73.1.他勵直流電動機73.2.人為的機械特性

3、83.3.直流電動機一般起動的條件93.4.他勵直流電動機分級啟動93.5.參數(shù)計算103.6.固有械特性圖123.7串聯(lián)電阻分九級起動機械特性圖13四、能量傳遞分析154.1直流電動機的功率圖154.2能量分析15五、 Simulink仿真165.1.直流電機的直接起動仿真165.2直流電動機串電阻仿真17六、設計總結196.1.課程總結196.2.體會19參考文獻20 一、設計題目一臺4級直流電動機，已知數(shù)據(jù)為：額定功率PN = 1.2kW， Un = 240 V，nN = 1500r/min，=90%，Ra =0.6，La=0.012H，匝數(shù)為398，勵磁電壓：Uf =240La= 12

4、0H，最大電流為額定電流電流的2倍。忽略鐵耗。試求：1.若維持轉(zhuǎn)軸上的負載為額定轉(zhuǎn)矩，使電機串電阻啟動，計算電阻和其它參數(shù)，做出機械特性圖，2.分析能量的傳遞。用Matlab中的SIMULINK設計調(diào)速仿真模型(其余仿真參數(shù)可自行設定)，并仿真串勵、并勵的不同區(qū)別。3.對比直接啟動和串電阻啟動的區(qū)別參數(shù)：（psi=0.0103;Cpsi=0.0013;）要求：他勵直流電動機串電阻啟動二、直流電動機原理描述1.1.直流電動機基本原理勵磁線圈通入直流電流，產(chǎn)生直軸（d軸）方向的主極磁通F，稱為主磁場。交軸（q軸）方向上的一對電刷將電樞線圈分為上下兩部分，電樞線圈按照一定的聯(lián)接方式組成電樞繞組。當直

5、流電源通過電刷向電樞繞組供電時，電樞表面的左半部分導體（即N極下）可以流過相同方向的電流，根據(jù)左手定則導體將受到逆時針方法的力矩作用；電樞表面的右半部分導體（即S極下）也流過相同方向的電流，同樣根據(jù)左手定則導體也將受到逆時針方法的力矩作用。這樣，整個電樞繞組即轉(zhuǎn)子將按逆時針旋轉(zhuǎn)，輸入的直流電能就轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)子軸上輸出的機械能。直流電機簡化模型： a)直流電機結構 b)直流電機模型 圖1-1 直流電動機的結構及模型1.2.直流電動機的基本結構直流電動機和直流發(fā)電機在主要結構上基本相同，常用的中小型直流電動機結構如圖3-2所示。直流電動機主要由定子、轉(zhuǎn)子，電刷裝置、端蓋、軸承、通風冷卻系統(tǒng)等部件組成。

6、 直流電機基本結構：圖1-2 直流電動機的結構1.定子 定子由機座、主磁極、換向極、電刷裝置等組成，它的主要作用是產(chǎn)生主磁場和作電機的機械支架。 圖1-3 直流電機定子剖面圖 2. 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子（又稱電樞）由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風扇等組成，它的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩或感應電動勢，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。 圖1-4 直流電機的電樞1.3.電動機的勵磁方式在直流電機中，由定子勵磁線圈通電所產(chǎn)生的主磁場稱為勵磁磁場。不同的勵磁方式，直流電機的運行特性有很大差異。按勵磁繞組的供電方式不同，可把直流電機分成下列四種：a)他勵式 b)并勵式 c)串勵式 d)復勵式圖1-5 直流電動機勵磁方式三、設計過

7、程3.1.他勵直流電動機1.機械特性表達式： (1) Te =0時n=n0是理想空載轉(zhuǎn)速，這時Ia=0，UN = Ea 。(2) 電動機起動時n=0，感應電動Ea=0，這時電樞電流為起動電流 Ia=Ist=UN/Ra；電磁轉(zhuǎn)矩為起動轉(zhuǎn)矩 Te=Tst=CTIst ；又因為電樞電阻Ra 很小，在額定電壓的作用下，起動電流將非常大，遠遠超過電動機所允許的最大電流，會燒壞換向器，因此直流電機一般不允許全電壓直接起動。所以人為的需要進行改變參數(shù)來限制啟動 圖3-1他例電動機 的電流大小。從而保護電路。 即：改變參數(shù)有三個： ；3.2.人為的機械特性 (1)改變電樞電壓（） 電動機勵磁電流為額定值，使每

8、極的磁通為N并保持不變，電樞回路不外接電阻，改變電動機的電樞電壓Ua ，可得到一條與固有機械特性平行的人為機械特性。不斷改變Ua ，可得到一組平行曲線，特性曲線的硬度均相同，僅理想空載轉(zhuǎn)速大小不同，其人為機械特性如圖所示 圖3-2 改變電壓機械特性圖(2)電樞回路串電阻（Rx）當保持電樞回路電壓Ua，勵磁電流If 不變，改變電樞回路的串接電阻R，電動機的理想空載轉(zhuǎn)速n0 不變，但機械特性的斜率增大，特性曲線傾斜度增加，且串入電阻越大，曲線越傾斜，其人為機械特性如圖 圖3-3 串入電阻機械特性圖(3)減小每極氣隙磁通（） 當降低勵磁電壓或在勵磁回路串接電阻Rc ，使勵磁電流I f 減小，由于磁通

9、與勵磁電流在額定磁通以下時基本成正比，所以主極磁通減小了。當磁通減小后，理想空載轉(zhuǎn)速n0升高，而斜率增大，使特性曲線傾斜度增加，電動機的轉(zhuǎn)速較原來有所提高，其人為機械特性如圖 圖3-4 減小磁通機械特性圖3.3.直流電動機一般起動的條件(1) 起動電流限制在一定范圍內(nèi)，即Ist IN，為電機的過載倍數(shù)； (2) 足夠大的起動轉(zhuǎn)矩，Tst （1.11.2）TN ； (3) 起動設備簡單、可靠3.4.他勵直流電動機分級啟動在額定的電源電壓下，電樞回路串入分級起動電阻Rst，在起動過程中將起動電阻逐步切除。例如三級起動其原理圖如下：圖3-5 三級串電阻起動起動分析：(1)串電阻起動起動開關KMI、K

10、M2、KM3斷開，使得電樞回路中串入加上電樞電路本身的電阻Ra,電樞電路的總電阻為：；加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變，然后加上電樞電壓Ua，這時電動機的機械特性如圖3-5中的過D點的機械特性曲線。由于起動轉(zhuǎn)矩Tst大于負載轉(zhuǎn)矩 TL，電動機拖動生產(chǎn)機械開始起動，沿著機械特性曲線到達D點。(2)切除起動電阻Rst3當工作點達到D點，即到電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩Tst時，合上KM3，切除起動電阻Rst3,電樞電路總電阻變?yōu)?；這時電動機的機械特性人為特性為過C點的機械特性，切除RST3的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及改變，工作點由原特性上的D點平移到特性上的D'點，使這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍等于T

11、st，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性曲線向C點移動。(3)切除起動電阻Rst2以及Rst3原理通上面第二個步驟，依次切除電阻。3.5.參數(shù)計算等效電路圖： 圖3-6 他勵直流電動機等效電路圖參數(shù)的求?。阂阎?；計算：額定電流：最大啟動電流：串電阻分級起動電阻的計算：(1)啟動電流：切換電流：選擇啟動電流：；切換電流：(2)求切換電流比：；(3)求出起動電樞電路的總電阻：(4)起動級數(shù)： 取整數(shù)(5)重新計算，校驗是否在范圍之內(nèi) 可知在范圍之內(nèi)(6)求各級電阻：(7)求各級起動電阻：3.6.固有械特性圖下面用matlab畫出其機械特性圖程序如下：>> % 下面輸入電機基本數(shù)據(jù)：>

12、;> U=240;Ra=0.6;p=2;N=398;a=1;psi=0.0103;Cpsi=0.0013;>> % 下面輸入電磁轉(zhuǎn)矩的變化范圍：>> Te=0:.01:5;>> % 計算他勵電動機機械特性：>> Ce=p*N/60/a;>> Cm=p*N/2/pi/a;>> n=U/Ce/psi-Ra*Te/Ce/Cm/psi2;>> plot(Te,n,'k')>> hold on>> xlabel('Te')>> ylabel(

13、9;n') 圖3-7 固有機械特性3.7.串聯(lián)電阻分九級起動機械特性圖 圖3-8 串電阻九級起動機械特性圖其中R為逐級去掉后的電樞中串入的總電阻。四、能量傳遞分析4.1.直流電動機的功率圖圖4-1 他勵直流電動機功率圖4.2.能量分析輸入功率：輸出功率：銅耗：電樞電動勢：電磁功率：空載損耗：電動機總損耗：五、 Simulink仿真5.1.直流電機的直接起動仿真使用Simulink對直流電動機的直接啟動建立仿真模型，通過仿真獲得直流電動機的直接啟動電流和電磁轉(zhuǎn)矩的變化過程。圖5-1 他勵直流電動機直接起動仿真原理圖圖5-2 他電動機參數(shù)設置、 Va_仿真結果圖5-3 直接起動返回參數(shù)5.

14、2.直流電動機串電阻仿真建立他勵直流電動機電樞串聯(lián)九級電阻的仿真模型，仿真分析其串聯(lián)電阻過程，獲得起動過程的電樞電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。和直接起動仿真模型相比，主要增加了電阻控制子模塊。圖5-3 直流電動機串九級電阻起動仿真原理圖圖5-4 封裝模塊圖5-5 Scope2示波器由圖可知，電樞電流都控制在范圍之內(nèi)，從而保護了電路。并且轉(zhuǎn)速上升平緩。 圖5-3 Scope1示波器通過仿真結果可知道，當切除一個電阻時，轉(zhuǎn)速不不能突變，轉(zhuǎn)矩從原機械特性跳變到另一個機械特性上，即逐級跳躍九次。從仿真結果的波形中可以看出通過設定合適的串聯(lián)起動電阻的投入時間，起動電流可以控制在一定的范圍內(nèi)，同時電磁轉(zhuǎn)

15、矩的也能夠得到有效降低。轉(zhuǎn)速需要在較長的時間內(nèi)才能達到穩(wěn)定。六、設計總結6.1.課程總結對于他勵直流電動機的串電阻起動進行了分析和仿真，可知道他勵直流電動機直接起動時存在起動電流大、起動轉(zhuǎn)矩大的特點，通過在電樞回路中串聯(lián)多級起動電阻、可有效的減小起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。如果起動級數(shù)、起動電阻大小、切換時刻設計合適時，可以把直流電動機起動電流限制在一定范圍內(nèi)，使電動機既能快速啟動，。又能限制起動電流和起動轉(zhuǎn)矩。通過串電阻分九級起動仿真時能夠看出電流被限制在，從而保護電路。6.2.體會經(jīng)過為期兩周的電機與拖動課程設計，使我更進一步了解了直流電動機的工作原理及其起動過程，也鞏固了書本上的知識。學會了用仿真