電機拖動課程設計---直流電動機

1、<p><b>　　0 引言</b></p><p>　　電動機有直流電動機交流電動機，直流電動機雖不及交流電動機結構簡單、制造容易、維護方便、運行可靠。但長期以來交流電動機的調速問題未能得到滿意的解決。在此之前，電動機具有交流電動機所不能比擬的良好的起動性能和調速性能。隨著交流電動機交頻調速系統(tǒng)的發(fā)展，在不少應用領域已為交流電動機所取代。但是直流電動機又以起動轉矩大、轉速性能好、

2、自動控制方便而著稱，因此，在工業(yè)等應用領域中仍占有一席之地。而在四種直流電動機中，他勵電動機應用最廣泛。</p><p>　　隨著工業(yè)化的進程，電動機及電力拖動技術不斷地發(fā)展，逐步形成了電力拖動領域的傳統(tǒng)技術。如：電動機的起動。隨著電力電子技術的發(fā)展。電動機及拖動技術又不斷地在技術上取得重大突破，形成一系列高新技術。</p><p><b>　　1直流電動機的構造</b&

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

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

5、lt;p>　　結構見圖用硅鋼片疊成，固定在機座上。極心上放置勵磁繞組在電機中產生磁場，極掌的作用是使電機的空氣隙中的磁感應強度的分布最為合適，并且擋住勵磁繞組不至于掉下來。</p><p>　　磁極和機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，用來感應電動勢。直流電機的電樞是旋轉的。見圖</p><p>　　直流電機的電樞鐵心片 直流電機的電樞結構圖</p><p><b>　　圖1-3 </b></p><p>　　1.3換向器（整流子）         

7、;                                    

8、60;                    </p><p>　　它是直流電機特有的裝置。 換向器裝在轉軸上。電樞繞組的導線按一定規(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，是轉動的電樞繞組。</p

9、><p>　　2 直流電機的基本工作原理</p><p>　　圖2-1      直流電動機的工作原理簡圖 </p><p>　　電樞由原動機驅動在磁場中旋轉，電樞線圈的兩根有效邊便切割磁力線，感應出電動勢。線圈隨電樞鐵心在轉動時，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在N極下是一個方向，當它轉到S極下是另一個方向。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)一個極性不變的電動勢或電壓。</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為：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個方向。這樣兩個有效邊中受到的電磁力的方向一致，電樞開始轉動。通過換向器可以實現(xiàn)線圈的有效邊從一個磁極如N極轉到另一個磁極下如S極時，

11、電流的方向同時發(fā)生改變，從而電磁力或電磁轉矩的方向不發(fā)生改變。電磁轉矩是驅動轉矩，其大小也為：。電動機的電磁轉矩T必須與機械負載轉矩T2及空載損耗轉矩T0相平衡。即。另外當電樞繞組在磁場中轉動時，線圈中也要產生感應電動勢E，這個電動勢的方向與電流或外加電壓的方向相反，稱之為反電動勢。其大小為：方向與相反。</p><p>　　3 直流電動機的機械特性</p><p>　　直流電動機的電磁

12、轉矩和電壓平衡方程</p><p>　　圖3-1 直流電動機電樞等效電路</p><p>　　4 直流電動機的運行與控制</p><p>　　4.1直流電動機的啟動</p><p>　　直流電動機直接起動時的起動電流很大，達到額定電流的10～20倍，因此必須限制起動電流。限制起動電流的方法就是起動時在電樞電路中串接起動電阻。起動電阻的值：

13、 </p><p>　　一般規(guī)定起動電流不應超過額定電流的1.5～2.5倍。起動時將起動電阻調至最大，待起動后，隨著電動機轉速的上升將起動電阻逐漸減小。</p><p>　　4.2直流電動機的調速</p><p>　　根據(jù)直流電動機的轉速公式可知直流電動機的調速方法有3種：改變磁通Φ調速、改變電樞電壓U調速和電樞串聯(lián)電阻調速。&l

14、t;/p><p>　　改變磁通調速的優(yōu)點是調速平滑，可做到無級調速；調速經濟，控制方便；機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。但由于電動機在額定狀態(tài)運行時磁路已接近飽和，所以通常只是減小磁通將轉速往上調，調速范圍較小。</p><p>　　改變電樞電壓調速的優(yōu)點是不改變電動機機械特性的硬度，穩(wěn)定性好；控制靈活、方便，可實現(xiàn)無級調速；調速范圍較寬，可達到6～10。但電樞繞組需要一個單獨的可調直流電源，設備較

15、復雜。</p><p>　　電樞串聯(lián)電阻調速方法簡單、方便，但調速范圍有限，機械特性變軟，且電動機的損耗增大太多，因此只適用于調速范圍要求不大的中、小容量直流電動機的調速場合。</p><p>　　4.3直流電動機的制動</p><p>　　直流電動機的制動也有能耗制動、反接制動和發(fā)電反饋制動3種。</p><p>　　能耗制動是在停機時將電

16、樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個制動電阻短接，由于慣性，短接后電動機仍保持原方向旋轉，電樞繞組中的感應電動勢仍存在并保持原方向，但因為沒有外加電壓，電樞繞組中的電流和電磁轉矩的方向改變了，即電磁轉矩的方向與轉子的旋轉方向相反，起到了制動作用。</p><p>　　反接制動是在停機時將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個相反極性的電源相接，電動機的電磁轉矩立即變?yōu)橹苿愚D矩，使電動機迅速減速至停轉。</p

17、><p>　　發(fā)電反饋制動是在電動機轉速超過理想空載轉速時，電樞繞組內的感應電動勢將高于外加電壓，使電機變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運行，電樞電流改變方向，電磁轉矩成為制動轉矩，限制電機轉速過分升高。</p><p>　　5 他勵直流電動機的啟動</p><p>　　他勵直流電動機的啟動可分為降低電樞電壓啟動、增加電樞電阻啟動。</p><p>　　1）降低電樞

18、電壓啟動方法需要一個可變電壓的直流電源專供電樞電路之用。啟動時，加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流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</p><p>　　額定功率較小的電動機可采用在電樞電路內串聯(lián)啟動變阻器的方法啟動。</p><p>　　額定功率較大的電動機一般采用分級啟動的方法以保證啟動過程中既有比較大的啟動

19、轉矩，又使啟動電流不會超過允許值?，F(xiàn)以兩級啟動為例來說明啟動步驟和啟動過程。機械特性圖如下： </p><p>　　圖5-1 接線圖及機械特性</p><p><b>　?。?）啟動過程</b></p><p><b>　　啟動步驟如下：</b></p><p>　?、俅?lián)啟動電阻Rst1和Rst2

20、啟動</p><p>　　起動前開關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，由于啟動轉矩TST大于負載轉矩TL,,電動機拖動生產機械開始啟動，工作點沿人為特性a由a1點向a2點移動。</p><p>　　②切除啟動電阻Rst2</p><

21、p>　　當工作點達到a2點即電磁轉矩T等于切換轉矩T2時，合上開關S2，切除啟動電阻Rst2，電樞電路的總電阻為R1= Ra+ Rst1這時電動機的機械特性變?yōu)槿藶樘匦詁切除Rst2轉速來不及改變 ，工作點由特性 a上的a2點平移到特性b上的b1點，使這時的電磁轉矩T仍等于T1,電動機繼續(xù)加速，工作點特性b由b1點向b2點移動。</p><p>　　③切除啟動電阻Rst1</p>&

22、lt;p>　　當工作點到達b2點，即電磁轉矩T又等于切換轉矩T2，合上開關S1， 除啟動電阻Rst1，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　機械特性變?yōu)楣逃刑匦詂。工作點由b2點平移至c1點，使得這時的電磁轉矩T仍正好等于T1，電動機繼續(xù)加速，工作點沿人為特性c由c1點經c2點，最后穩(wěn)定運行在p點。整個起動過程結束。</p><p>　?。?）起動級數(shù)未定時起動電阻的計算<

23、/p><p>　　①選擇起動電流I1和切換電流I2 ,</p><p>　　為保證與起動轉矩T1對應的起動電流I1不會超過允許的最大電樞電流Iamax, 選擇對應的起動轉矩</p><p>　　為保證一定的加速轉矩,減少起動時間,一般選擇切換轉矩為</p><p>　　若TL未知,可用TN代替.對應的切換電流I2為</p><

24、p>　　IL是與TL對應的穩(wěn)定電樞電流.若未知,可用IaN代替.</p><p>　?、谇蟪銎饎与娏鞅?</p><p>　　③求出電動機的電樞電路電阻Ra</p><p>　　Ra可以通過實測或通過銘牌上提供的額定值進行計算,由于在忽略T0的情況下,P2=Pe=EIA,因此,在額定狀態(tài)下運行時,</p><p>　?、芮?/p>

25、出起動時的電樞總電阻Rm</p><p>　　m級起動時電樞起動總電阻為</p><p><b>　?、萸蟪鰡蛹墧?shù)m</b></p><p><b>　　m 的計算公式為</b></p><p>　　該公式的推導過程如下：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級啟動，則啟動時的電樞總電阻Rm為</p><p><b>　　兩邊取對數(shù)便可得到</b></p><p>　?、拗匦掠嬎?，校驗I2是否在規(guī)定范圍之內</p><p>　　若m是取相近整數(shù)，則需要重新計算。</p><

27、p><b>　　由</b></p><p><b>　　可得計算的公式為</b></p><p>　　根據(jù)重新求得的，由重新求出I2，并校驗I2是否在式所規(guī)定的范圍之內。若不在規(guī)定范圍之內，需加大啟動級數(shù)m，重新計算和I2，直到滿足要求為止。</p><p><b>　?、咔蟪龈骷壙傠娮?lt;/b>

28、</p><p><b>　　由前面的分析知道</b></p><p><b>　　⑧求出各級啟動電阻</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 具體設計如下：</b></p><p>　　某廠一臺他勵直流電動機，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，試設計其啟動級數(shù)和各級啟動電阻。</p><p>　?。?）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>　?。?）求出啟動時的電樞電路電阻Rm</p><p>　　(4)求出啟動級數(shù)m</p><p><b>　　取m=5。</b></p><p>　　(5)重新計算，校驗I2</p><p>　　I2在規(guī)定的范圍之內。</p><p>　　(6)求出各級啟動電阻</p>

33、<p><b>　　7 結論</b></p><p>　　額定功率較小的電動機可采用在電樞電路內串聯(lián)啟動變阻器的方法啟動，在啟動過程中需要將啟動電阻和分級刪除。額定功率較大的電動機一般采用分級啟動的方法以保證啟動過程中既有比較大的啟動轉矩，又使啟動電流不會超過允許值。</p><p>　　對容量較大的直流電動機，通常采用降電壓起動。即由單獨的可調壓直流電

34、源對電機電樞供電，控制電源電壓既可使電機平滑起動，又能實現(xiàn)調速。此種方法電源設備比較復雜。</p><p>　　本設計采用增加電樞電阻啟動非常簡單，設備輕便，廣泛應用于各種中小型直流電動機中。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 徐本釗. 電動機及其控制電路[M]. 北京：人民郵電出版社，1996. <

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