电机与拖动课程设计他励直流电动机调速系统设计.docx
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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
引言………………………………………………………………………………1
1设计的目的和意义………………………………………………………………2
2总体设计方案……………………………………………………………………3
2.1他励直流电动机的起动………………………………………………………3
2.1.1起动特性……………………………………………………………………3
2.1.2电枢回路串电阻起动………………………………………………………3
2.1.3减压起动……………………………………………………………………3
2.2调节电枢电压调速……………………………………………………………3
2.2.1调速特性……………………………………………………………………3
2.2.2调节串入回路电阻调速……………………………………………………3
2.2.3调节励磁电流调速…………………………………………………………4
3调速性能指标……………………………………………………………………5
3.1调节范围与静差率……………………………………………………………5
3.2调速的平滑性…………………………………………………………………5
3.3调速的经济性…………………………………………………………………5
4设计过程………………………………………………………………………6
4.1实验设备………………………………………………………………………6
4.2设备屏上排列顺序……………………………………………………………6
4.3设计原理图……………………………………………………………………6
4.4调速步骤………………………………………………………………………7
4.4.1选择仪器……………………………………………………………………7
4.4.2他励直流电动机的起动准备………………………………………………7
4.4.3他励直流电动机起动步骤…………………………………………………7
5结论……………………………………………………………………………9
6设计心得………………………………………………………………………10
参考文献…………………………………………………………………………11
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。
1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。
2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
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
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
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。
3调速的性能指标
3.1调速范围与静差率
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
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
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。
4设计过程
4.1实验设备
序号
型号
名称
数量
1
DD03
导轨、测速发电机及转速表
1台
2
DJ23
校正直流测功机
1台
3
DJ15
直流并励电动机
1台
4
D31
直流数字电压、毫安、安培表
2件
5
D42
三相可调电阻器
1件
6
D44
可调电阻器、电容器
1件
7
D51
波形测试及开关板
1件
8
D41
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、D44
4.3设计原理图
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
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及MG的励磁电流值，调节Rf2使If2（电流表A2）于校正值（100mA）并保持不变，再接通控制屏右下方的电枢电源开关，调节控制屏上电枢电源‘电压调节’旋钮，使电动机M起动。
M起动后观察转速表指针偏转方向，应为正值。
（若不正确，先关断电枢电源开关，再关断励磁电源开关，用励磁电源极性对调来纠正转向，重复步骤
（1）
（2），使电动机M起动。
）电动机M起动后，调节控制屏上电枢电源电压为220伏。
减小起动电阻R1阻值，直至短接。
合上校正直流测功机MG的负载开关S，调节R2阻值，记录电枢电流I（电流表A3）不同值时，使MG的负载电流IF（电流表A4）改变值，即直流电动机M的输出转矩T2改变值（按不同的IF值，查对应于If2=100mA时的校正曲线T2=f（IF），可得到M不同的输出转矩T2值）。
调节他励电动机的转速分别改变电动机M电枢回路的电阻R1和励磁回路的电阻Rf1，观察转速变化情况。
保持励磁回路的电阻Rf1不变，改变电枢回路的电阻R1，使其增大，测转速n。
将测得数保持电阻R1=0不变，改变励磁回路的调节电阻Rf1时，测转速n。
改变电动机的转向将电枢串联起动变阻器R1的阻值调回到最大值，先切断控制屏上的电枢电源开关，然后切断控制屏上的励磁电源开关，使他励电动机停机。
在断电情况下，将电枢（或励磁绕组）的两端接线对调后，再按他励电动机的起动步骤起动电动机，并观察电动机的转向及转速表指针偏转的方向。
5结论
经过以上关于他励直流电动机的调速内容的课程设计，我们可以知道实现调速的三种不同的方法即：
串电枢电阻调速，改变电枢电压调速，改变励磁电流的调速。
在实际应用中根据不同的情况选用不同的方法，例如调速的方向哪个比较方便，平滑性，稳定性，经济性等。
三种调速的方法各有优缺点，改变电枢电阻调速的缺点比较多，所以只适用于调速范围小，调速时间不长的小容量电机中，而改变电枢电压调速是一种性能优越的调速方法，被广泛的应用。
改变励磁电流的调速方法通常与改变电枢电压同时应用于对调速要求很高的电力系统中，来扩大调速范围和实现双向调速。
6设计心得
通过这段时间的课程设计，从无知到认知，到深入了解，渐渐了我喜欢上了这个全新的专业，让我深刻的体会到学习过程是最美的。
在整个课程设计过程中，我每天都有很多新的体会。
经过一周的奋战，课程设计完成了，在没有做课程设计之前觉得课程设计只是对这个学科所学知识的总结，但通过这次课程设计发现自己的看法片面。
课程设计不仅是对所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的提高。
通过课程设计，让我更加明白学习是一个长期的积累过程，经后的工作、生活中应该不段的学习，努力提高知识和综合能力。
设计过程中，我查阅了大量的有关资料，并与同学交流，学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获还是很多的。
在设计中培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。
让我充分体会到在创造过程中探索的艰辛和成功的喜悦。
我的独立思考能力得到了相应的提高，在设计过程中，我不仅学到了知识，也让我感到了生活的充实和学习的快乐，以及获得知识的满足。
真正接触了实践，使我消除了从学校走向社会的恐惧心理，使我对未来充满了信心，以良好的心态去面对社会。
同时我也体验到了工作的艰辛，促使自己努力学习更多的知识，为自己今后的工作奠定良好的基础。
参考文献
[1]唐介.电机与拖动.北京:
高等教育出版社.2003.7
[2]钱希森.小型UPS原理及应用.科学出版社，2000.9
[3]李发海.电机学.北京:
科学出版社.1991
[4]汤蕴.电机学.西安:
西安交通大学出版社.1993
[5]吴浩烈.电机及电力拖动基础.重庆大学出版社.2001.2
[6]杨长能.电机学.重庆大学出版社.1994
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