电机与拖动课程设计最终版,重庆邮电大学移通学院

1、指导教师评定成绩： 审定成绩： 重 庆 邮 电 大 学 移 通 学 院课程设计报告 设计题目： 他励直流电动机起动 学 校： 重庆邮电大学移通学院 学 生 姓 名： 专 业： 电气工程与自动化 班 级： 05131201 学 号： 指 导 教 师： 设计时间： 2014 年 12 月重庆邮电大学移通学院摘要直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，反之则称为直流发电机。直流电动机具有调速范围广且平滑，起、制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点，常用于对调速要求较高的场合在工业领域。因此有必要了解直流电动的运行特性。电动机有他励

2、、串励和复励三种直流电动机，在四种直流电动机中，他励电动机应用最为广泛。本课程研究的他励直流电动机串电阻的启动，通过在电枢上串联多级电阻，可以减小他励直流电动机的启动电流和转矩。那么以一个实际他励电动机为例，设计了一个串九级电阻启动的系统，计算分级启动的电阻，以及画机械特性图，再通过Matlab对直流电动机的直接启动和串电阻启动进行了建模和仿真，仿真结果验证了理论分析的正确性。【关键词】 ：机械特性 仿真 电枢串电阻 目录一、设计题目3二、直流电动机原理描述41.1.直流电动机基本原理41.2.直流电动机的基本结构5电动机的励磁方式6三、设计过程73.1.他励直流电动机73.2.人为的机械特性

3、83.3.直流电动机一般起动的条件93.4.他励直流电动机分级启动93.5.参数计算103.6.固有械特性图123.7串联电阻分九级起动机械特性图13四、能量传递分析154.1直流电动机的功率图154.2能量分析15五、 Simulink仿真165.1.直流电机的直接起动仿真165.2直流电动机串电阻仿真17六、设计总结196.1.课程总结196.2.体会19参考文献20 一、设计题目一台4级直流电动机，已知数据为：额定功率PN = 1.2kW， Un = 240 V，nN = 1500r/min，=90%，Ra =0.6，La=0.012H，匝数为398，励磁电压：Uf =240La= 12

4、0H，最大电流为额定电流电流的2倍。忽略铁耗。试求：1.若维持转轴上的负载为额定转矩，使电机串电阻启动，计算电阻和其它参数，做出机械特性图，2.分析能量的传递。用Matlab中的SIMULINK设计调速仿真模型(其余仿真参数可自行设定)，并仿真串励、并励的不同区别。3.对比直接启动和串电阻启动的区别参数：（psi=0.0103;Cpsi=0.0013;）要求：他励直流电动机串电阻启动二、直流电动机原理描述1.1.直流电动机基本原理励磁线圈通入直流电流，产生直轴（d轴）方向的主极磁通F，称为主磁场。交轴（q轴）方向上的一对电刷将电枢线圈分为上下两部分，电枢线圈按照一定的联接方式组成电枢绕组。当直

5、流电源通过电刷向电枢绕组供电时，电枢表面的左半部分导体（即N极下）可以流过相同方向的电流，根据左手定则导体将受到逆时针方法的力矩作用；电枢表面的右半部分导体（即S极下）也流过相同方向的电流，同样根据左手定则导体也将受到逆时针方法的力矩作用。这样，整个电枢绕组即转子将按逆时针旋转，输入的直流电能就转换成转子轴上输出的机械能。直流电机简化模型： a)直流电机结构 b)直流电机模型 图1-1 直流电动机的结构及模型1.2.直流电动机的基本结构直流电动机和直流发电机在主要结构上基本相同，常用的中小型直流电动机结构如图3-2所示。直流电动机主要由定子、转子，电刷装置、端盖、轴承、通风冷却系统等部件组成。

6、 直流电机基本结构：图1-2 直流电动机的结构1.定子 定子由机座、主磁极、换向极、电刷装置等组成，它的主要作用是产生主磁场和作电机的机械支架。 图1-3 直流电机定子剖面图 2. 转子 转子（又称电枢）由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成，它的作用是产生电磁转矩或感应电动势，实现机电能量的转换。 图1-4 直流电机的电枢1.3.电动机的励磁方式在直流电机中，由定子励磁线圈通电所产生的主磁场称为励磁磁场。不同的励磁方式，直流电机的运行特性有很大差异。按励磁绕组的供电方式不同，可把直流电机分成下列四种：a)他励式 b)并励式 c)串励式 d)复励式图1-5 直流电动机励磁方式三、设计过

7、程3.1.他励直流电动机1.机械特性表达式： (1) Te =0时n=n0是理想空载转速，这时Ia=0，UN = Ea 。(2) 电动机起动时n=0，感应电动Ea=0，这时电枢电流为起动电流 Ia=Ist=UN/Ra；电磁转矩为起动转矩 Te=Tst=CTIst ；又因为电枢电阻Ra 很小，在额定电压的作用下，起动电流将非常大，远远超过电动机所允许的最大电流，会烧坏换向器，因此直流电机一般不允许全电压直接起动。所以人为的需要进行改变参数来限制启动 图3-1他例电动机 的电流大小。从而保护电路。 即：改变参数有三个： ；3.2.人为的机械特性 (1)改变电枢电压（） 电动机励磁电流为额定值，使每

8、极的磁通为N并保持不变，电枢回路不外接电阻，改变电动机的电枢电压Ua ，可得到一条与固有机械特性平行的人为机械特性。不断改变Ua ，可得到一组平行曲线，特性曲线的硬度均相同，仅理想空载转速大小不同，其人为机械特性如图所示 图3-2 改变电压机械特性图(2)电枢回路串电阻（Rx）当保持电枢回路电压Ua，励磁电流If 不变，改变电枢回路的串接电阻R，电动机的理想空载转速n0 不变，但机械特性的斜率增大，特性曲线倾斜度增加，且串入电阻越大，曲线越倾斜，其人为机械特性如图 图3-3 串入电阻机械特性图(3)减小每极气隙磁通（） 当降低励磁电压或在励磁回路串接电阻Rc ，使励磁电流I f 减小，由于磁通

9、与励磁电流在额定磁通以下时基本成正比，所以主极磁通减小了。当磁通减小后，理想空载转速n0升高，而斜率增大，使特性曲线倾斜度增加，电动机的转速较原来有所提高，其人为机械特性如图 图3-4 减小磁通机械特性图3.3.直流电动机一般起动的条件(1) 起动电流限制在一定范围内，即Ist IN，为电机的过载倍数； (2) 足够大的起动转矩，Tst （1.11.2）TN ； (3) 起动设备简单、可靠3.4.他励直流电动机分级启动在额定的电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动过程中将起动电阻逐步切除。例如三级起动其原理图如下：图3-5 三级串电阻起动起动分析：(1)串电阻起动起动开关KMI、K

10、M2、KM3断开，使得电枢回路中串入加上电枢电路本身的电阻Ra,电枢电路的总电阻为：；加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，然后加上电枢电压Ua，这时电动机的机械特性如图3-5中的过D点的机械特性曲线。由于起动转矩Tst大于负载转矩 TL，电动机拖动生产机械开始起动，沿着机械特性曲线到达D点。(2)切除起动电阻Rst3当工作点达到D点，即到电磁转矩T等于切换转矩Tst时，合上KM3，切除起动电阻Rst3,电枢电路总电阻变为；这时电动机的机械特性人为特性为过C点的机械特性，切除RST3的瞬间，转速来不及改变，工作点由原特性上的D点平移到特性上的D'点，使这时的电磁转矩T仍等于T

11、st，电动机继续加速，工作点沿特性曲线向C点移动。(3)切除起动电阻Rst2以及Rst3原理通上面第二个步骤，依次切除电阻。3.5.参数计算等效电路图： 图3-6 他励直流电动机等效电路图参数的求取：已知：;；计算：额定电流：最大启动电流：串电阻分级起动电阻的计算：(1)启动电流：切换电流：选择启动电流：；切换电流：(2)求切换电流比：；(3)求出起动电枢电路的总电阻：(4)起动级数： 取整数(5)重新计算，校验是否在范围之内 可知在范围之内(6)求各级电阻：(7)求各级起动电阻：3.6.固有械特性图下面用matlab画出其机械特性图程序如下：>> % 下面输入电机基本数据：>

12、;> U=240;Ra=0.6;p=2;N=398;a=1;psi=0.0103;Cpsi=0.0013;>> % 下面输入电磁转矩的变化范围：>> Te=0:.01:5;>> % 计算他励电动机机械特性：>> 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') 图3-7 固有机械特性3.7.串联电阻分九级起动机械特性图 图3-8 串电阻九级起动机械特性图其中R为逐级去掉后的电枢中串入的总电阻。四、能量传递分析4.1.直流电动机的功率图图4-1 他励直流电动机功率图4.2.能量分析输入功率：输出功率：铜耗：电枢电动势：电磁功率：空载损耗：电动机总损耗：五、 Simulink仿真5.1.直流电机的直接起动仿真使用Simulink对直流电动机的直接启动建立仿真模型，通过仿真获得直流电动机的直接启动电流和电磁转矩的变化过程。图5-1 他励直流电动机直接起动仿真原理图图5-2 他电动机参数设置、 Va_仿真结果图5-3 直接起动返回参数5.

14、2.直流电动机串电阻仿真建立他励直流电动机电枢串联九级电阻的仿真模型，仿真分析其串联电阻过程，获得起动过程的电枢电流、转速和电磁转矩的变化曲线。和直接起动仿真模型相比，主要增加了电阻控制子模块。图5-3 直流电动机串九级电阻起动仿真原理图图5-4 封装模块图5-5 Scope2示波器由图可知，电枢电流都控制在范围之内，从而保护了电路。并且转速上升平缓。 图5-3 Scope1示波器通过仿真结果可知道，当切除一个电阻时，转速不不能突变，转矩从原机械特性跳变到另一个机械特性上，即逐级跳跃九次。从仿真结果的波形中可以看出通过设定合适的串联起动电阻的投入时间，起动电流可以控制在一定的范围内，同时电磁转

15、矩的也能够得到有效降低。转速需要在较长的时间内才能达到稳定。六、设计总结6.1.课程总结对于他励直流电动机的串电阻起动进行了分析和仿真，可知道他励直流电动机直接起动时存在起动电流大、起动转矩大的特点，通过在电枢回路中串联多级起动电阻、可有效的减小起动电流和起动转矩。如果起动级数、起动电阻大小、切换时刻设计合适时，可以把直流电动机起动电流限制在一定范围内，使电动机既能快速启动，。又能限制起动电流和起动转矩。通过串电阻分九级起动仿真时能够看出电流被限制在，从而保护电路。6.2.体会经过为期两周的电机与拖动课程设计，使我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其起动过程，也巩固了书本上的知识。学会了用仿真