电机与电力拖动基础课程设计

1、设计题目:提升机主电路的设计:图1一提升机电力 拖动系统原 理图图2一提升机电力 拖动系统速 度图1 .加速阶段ti：以最大加速度加速，速度由0增加到V1,当V=V1时，电机工作在 固有特性上。2 .等速阶段t2：以V1速度匀速运行。3 .调速阶段t3：以V2速度匀速运行, V2 =0.7 10V4 .减速阶段t 4：以最大减加速度减速，速度由V2减小0。二、课程设计的目的1、电机与电力拖动 基础是工业自动化专业的一门主要专业基础课。它主要是研究 电机与电力拖动系统的基本原理，以及它与科学实验、生产实际之间的联系。2、电机与电力拖动基础课程设计是理论教学之后的一个实践环节，通过完成一定的 工程

2、设计任务，学会运用本课程所学的基本理论解决工程技术问题，为学习后续有关课 程打好必要的基础。三、方案论证：1、启动定 义：直流电动机由静止状态加速达到正常运转 的过程，称为启动过程。不同的负载对启动有不同的要求，一般来说有以下几点：(1)启动转矩要大，启动快。这对频繁启动的生产机械来说，可以提高 生产率；但对某 些机械，则要求平稳慢速启动，例如载人或载危险物品 的机械。(2)启动电流不能超过电源和电动机的允许电流，以免对电源、生产机械和电动机产生 不良影响。(3)启动设备要简单，控制要方便(4)启动过程中消耗的能量要小。方 法：1)直接启动：不采取任何限流措施，直接启动就是在他励直流电动机的电

3、枢上直 接加以额定电压 的启动方式。图3所示。启动时，先合 Q1建立磁 场，然后合Q2全压启动。启动开始瞬间，由于机械惯性，电动机速Ea Ce n, 0时区绕组感应电动势n 0由电动势平衡方程式U Ea laRa|a=(U-Ea)/Ra=U/Ra特 点：显然直接启动时启动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向 火花，造成换向 困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电 网电压的下降，影响其他用户的正常用电；启动转矩也很大，造成 机械冲击，易使 设备受损。因此，除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是 不容许直接启动的。优点：起动转矩很大，不需另 加起动设备，操 作简便。缺点：a.起动电流很

4、大，一般可达额定的 1020倍。b.换向情况恶化，产生严重的火花，损坏换向器c.过大 转矩将损坏拖动 系统的传动机构。图3他励直流电动机直接启动接线图2）降低电源电压启动:将励磁绕组接通电源，并将励磁电流调到额定值，然后 从低向高调节电 枢回路电压的启动方法称为降低电源电压启动； 要限制启动电流，首先考虑的是降低电动机输入电压，在直流电 动机启动瞬问，给电动机加上较低的电压，以后随着电动机转速 的升高，逐步增加直流电压的数值，直到电动机启动完毕，加在 电动机上的电压 即是电动机的额定电压特 点：缩短启动时间，启动过程中能量损耗小，启动平稳，便于实现自动化。需要一套可调的直流电源启动设备，增加初

5、投资。 用减压启动的方法启动并励电动机时必须注意：启动时必须加上 额定 的励磁电压，使磁通一开始就有额定值，否则电动机的启动 电流 虽然比较大，但启动转矩较小，电动机仍无法启动。图4降低电源电压 启动接线图3）电枢回路用电阻启动：电枢回路中用接启动电阻以限制启动电流的启动方法 称为电枢回路用电阻启动。电枢回路用电阻启动即启动时在电枢 回路用入电阻，以减小启动电流I s,电动机启动后，再逐渐切除 电阻，以保证足够的启动转矩。在分级启动过程中，若忽略电枢回路电感，并合理的选择每次切 除的电阻值就能 做到每切除一段启动电阻，电枢电流就瞬间增大到最大启动电流|一此后，随着转 速上升，电枢电流逐渐下降。

6、每当电枢电流下 降到某以数值I 2时就切除一段电阻，电枢电流就又突增到最大电流|1。这样，在启动过程就可以把电枢电流限制在I 1和I 2之间。| 2称为切换电流。启动电阻分段数目越 少，启动过程中电流变 化范围大，转矩脉动大，加速不均匀，而且平均 启动转矩小，启动时间长。特 点：电枢回路用电阻启动方法所需设备较简单，价格较低，但在启动 过程中在启动电阻上有能量损耗。而降低电源电压启动则所需设 备复杂，价格较 贵，但在启动过程中基本上不损耗能量。对于小 直流电动机一般 用用电阻启动，容量稍大但不需经常启动的电动 机也可用用电阻 启动，而需经常启动的电动机能耗较大，不宜用 于启动的大、中型，可用于

7、小型电机启动图5电枢回路串电阻启动接线图选择：综合分析上述三种启动方法，采用电枢用电阻启动方式。这种方法比较 简单启动，过程 中基本上不损耗能量，可以将启动电流限制在容许的范围 内。参数计算：用接在电枢回路 中用以限制启动电流的电阻称为启动电阻，以 R表示。为了把启动电流限制在最大允许值I iUN鼻之内,电枢回路中应用入的启Rs动电阻值为：Rs UN Ra 1 1启动后如果仍把Rs用在电枢回路中，则电动机就会在电枢用电阻Rs的认为机械特性上以低 速运行。为了使电动机能运转在固有机械特性上，应把 Rs切除。若把Rs 一次全部切除，会引起过大的电流冲击。为保证在启动过程中电枢电流不超过最大允许 值

8、，可以先切除一部分，待转速上升后再切除一部分，如此逐 步的切除，知道全部被切除为止。这种启动方法称为用电阻分级启动。名牌数据：Pi=55kw Un 44（V I n 139A 乐 150Or min I m 2I nTL0,t NRa =0.1417440启动时电枢总电阻为：RsmUnI sm1.582 13915m=4,z则启动电流（转矩）比为:1827Ra0.1417切换电流为：I2 1sm 2IN 1.095n 11 09IN所选段数适宜1.827各段电阻为：rs1 21 2R 1.827 10.14170.117rs3冏 1827 0117 Q214223 18270117 0.391

9、rs4罔 18270117 0.714验证：Rars1rs2rs300.14170.1170.2140.391Q7141577158Rm选择四级启动 电机启动接线图及机械特性曲线沈阳大学r<j. ru“图6电动机起动 接线图图7电动机起动 机械特性图如图7,启动瞬间KM1 KM2 KM3 KM若B断开，电枢回路总电Rs4 R rsi rs2 rs3白，运行点在途中a点，启动电流为I 1,启动转矩为Ti>Tl ,电 动机开始升速，转速沿着RS4曲线变化，启动电流下降，到图中b点时，启动电流 降到切换电流I2,在此瞬间KM4切合，切除一段电阻Rs，电枢总电阻变为Rs3 R rsi rs

10、2 rs3,相应机械特性曲线node直线。切除电阻瞬间转速不变，电 流则突增至Ii ,运行点从b点过渡到e点。此后又沿着&2特性曲线的ed段变化， 启动电流下降。当转速上升到d点时，启动电流刚好下降到I2,此刻KM3切合，切 除第三段启动电阻旦3 ,电枢回路总电阻变为RS2 a rsi rs2,机械特性曲线为Rn°fe直线，运行点由d点过渡到e点，启动电流从I 2增加Ii,电动机沿ef段上升, 启动电流下降。当转速升高到f点口寸，启动电流又降到 上，在此时KM2闭合，切除 沈阳大学电阻Rs2 ,运行点从f点过渡到g点，电流增加到I i。此后电动机样gh上升,到h 点时，启动电

11、流再次下降到I 2,此刻KM1闭合，切除最后一段电阻Rs1 °此后运行 点从h点过渡到固有机械特性上的i点，电流增加到I i。2、调速定 义：系统运行的速度需要根据生产机械工艺要求而人为调节。调节转速， 简称为调速。改变传动机构速比的调速方法称为机械调速，通过改变 电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。指工作机械的最高转速nmax与最低转速nmin之比，用系数D表示。D n m a x n m i n 方 法：1）电枢回路用电阻：他励直流电动机保持电源电压和气隙磁通为额定值， 在电枢回路串入不同阻值的电阻时n0不变，可以得到一簇人为机械特 性。它们与负载特性的交点，即工

12、作点，都是稳定的，电 机在这些工作点工作时能得到不同转速。电枢用电阻的认为机械特性是一簇通过理想空载点的直线，用入 的调速电阻越大，机械特性越软。这样在低速下运行时，负载在 不打的范 围内变化，就会引起转速发生较大的变化，也就是转速 的稳定性较差。外用电阻Rc只能分段调节，所以这种方法不能实现无极调速。特 点：（1）设备简单，投资少，只须增加电阻和 切换开关，操作方便。小功率电动机中 用得较多，如电气机车等。（2）属于恒转矩调速 方式，转速只能由额定转速往下调。（3）只能分级调速，调速平 滑性差。（4）低速时，机械特性很软，转速受负载影响变化大，电能损耗 大，经济性能差。目前，此种方式已逐步被

13、晶闸管可调直流电源 调速代替2）改变电枢电源电压保持他励电动机 的磁通为额定值，电枢回路不用电阻， 若将电源电压降低为不同值，可得到与固有机械特性曲线平行的人为机械特性，由于转速不能突变，工作点经过一系列过渡， 最终将稳定运行。特 点：（1）改变电枢电压调速时，机械特性的斜率不变，所以调速的稳 定性好。（2）电压可作连续变化，调速的平滑性好，调速范围广 （3）属于恒转矩调速，电动机不允许电压超过额 定值，只能由额定 值往下降低电压调速，即 只能减速。（4）电源设备的投资费用较大，但电能 损耗小，效率高。还可用于降压启动。3）弱磁调速：在负载相同的情况下，用入不同的励磁电阻，主磁通不同，所 对应

14、的转速也不同。特 点：（1）由于调速是在励磁回路中进行，功率较小，故能量损失小， 控制方便。（2）速度变化比较平滑，但转速只能往上调，不能在 额定转速以下进行调节，故往往只能与前两种调速方法结合使 用，作为辅助调速。（3）调速的范围较窄，在磁通减少太多时， 由于电枢磁场对 主磁场的影响加大，会使电机火花增大、换向困 难。转速提高时须考虑到机械强度的影响，最高转速一般控制在 1. 2倍额定转速的范围内。（4）在减少励磁调速时，如果负载转 矩不变，电枢电流必然增大，因为T Ct I a ,要防止电 流太大带来的问题。选 择：综合分析以上三 种方法，由于电枢回路设备简单、操作简单，投 资少，只须增加

15、 电阻和切换开关，操作方便，并且本设计中不要求连续调速，它 们与负载特性的 交点，即工作点，都是稳定的，电机在这些工作点工作时能得到 不同转速。故采用电枢回路用电阻调速 参数计算：外用电阻RC的阻值越大，机械特性的斜率也就越大，相同负载下的电动机的转速也越低CeUn|N RanN440 139 0141715000.280当提升机以V1速度匀速运行时，3Pn5 10Tn 9.559.5535Q17N MnN150009 35017 151178r/minnAUnRa Ce4400.14172|L2n CeCT n0.280 9.550.280Na c由 0.7nA U R R 0.9n 得：C

16、e NCe N0.71511784400.1417 R0.2800.28009 1393.375电动机用电阻调速接线图及机械特性:图8电动机串电阻调速接线图图9电动机串电阻调速机械特性转速有nA降到nB说明系统的调速过程，如图9,设电动机拖动包转矩负载原在固有 机械特性上的A点稳定运行，转速为nA。当电枢电阻R增加到RaR1时，转速nA及点数电动势Ea一开始不能突变，运行点在相同的转速下由由A点过渡到A'点，转矩由Tn下降到 <T_, dn / dt为负，系统减速。随着n及Ea的下降，I a及T不断增加，系统减速度不断减小，知道 n降到nB时，T增至0.9沈阳大学Tn转矩新的平衡

17、建立，系统以较低的转速的nB运行。在额定负载下，电枢用电阻调速时能够达到最高转速为额定转速，所以其调速方向是由基速向下。3、 制动定 义：制动就是在电动机上加上与原转向相反的转矩，使电动机迅速停转 或限制电动机的 转速。直流电动机的制动也可以分为机械制动和 电气制动，其中 电气制动又可以分为再生制动、能耗制动和反接 制动等。制动的目的在于如下两点：（1）使系统迅速减速停车（2）限制位能 负载的下降速度。方法1）能耗制动： 制动过程中U = 0,电磁转矩与转速方向相反，成为制动转 矩，电动机靠系统的动能发电，转化成发电机工作状态，把动能 变成电能，消耗在电枢回路的电阻上，实现制动过程。图io能耗

18、制动原理图特点：能够准确停车。不适合频繁正反转的电力拖动系统2）电压反接制动：电枢电压极性突然改变，并在电枢回路中用入电阻 Rc, 电磁转矩与转速方向相反，成为制动转矩，实现制动。图11电压反接制 动的原理图特 点：动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，可以实现 正向停车和反向启动连续进行，缩短了从正转到反转的过渡时间。 但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。3）电动势反接制动电动势反接制动多用于提升机构低速下降重物。电动势反接制动时电动机输入的机械功率是由位能负载减少的位能提供的图12电动势反接制动电路图4）再生发电制动：再生发电制动多用于下放较轻重物。使电动机的转速n

19、超过 理想空载转速n 0 ,电动机的转矩T e与转速n反向，且电动机向 反馈电能，这种 状态称为回馈制动（再生制动或发电制动）。选 择：综合分析以上四种方法，由于能耗制动相对简单，且容易实现准确制 动，故采用能耗制动。参数计算在制动过程中，因U=0,电动机与电源没有能量转换关系，而电磁功率Pm EaI a T 0,说明电动机从轴上输入机械功率，扣除空载损耗功率后，其余的功率通过 电磁作用转变成电功率，消耗在电枢回路中的电功率为|a（R2比）。电动机输入的机械功率来自降速过程中系统单位时间释放的动能J /2。2当制动到n=0时，系统贮存的动能全部释放完毕，制动过程结束。1 max 2I NCe

20、nUn |n RanN440 139 014171500Q280noUnCe440_4401571.43r/minN 0.280157143 1500Tl71.43r/min EaN Ce nin Q280 1500 420/nonN1 507.143r/ mi nEanNTn1507.143EaN 1500420 422v Rc minEa|a maxR 1376电动机能耗制动接线图及机械特性曲线:帆械私收图13电动机能耗制动接线图图14电动机能耗制动机械特性如图14,电动机在调速后的人为机械特性上的 A点稳定运行。开始切换到能耗 制动瞬间，转速 不能突变，电动机从工作点A过渡到能耗制动机械

21、特性的B点。因B点电磁转矩Tb<0,拖动系统在Tb和Tl相同方向的作用下迅速减速，运行点沿能耗制动机械特性下降，制动转矩的绝对值也随之减小，直到原点 O,电机转矩及转速都 降为0,拖动系统停止转动。从能耗制动机械 特性可见，在制动过程中，制动转矩随转速的降低而减小，制 动作用减弱，拖 长了制动时间。为了克服这个缺点，在某些生产机械中采用多级能 耗制动。采用多 级能耗制动，增大了平均制动转矩，缩短了制动时间。四、设计结果与分析1、启动采用电枢用电阻启动，经过运算应该用入四个电阻为四级启动，rsi 0.1173 0.214rs3 Q391 池 0,714 。通过验证串入的电阻和Ra的总和近似等于电枢的总电阻。启动电阻分段数目越多，启动的加速过程越平滑，启动时间短。但为了减少