电机与拖动技术课程设计参考

电机与拖动技术课程设

计报告

（2012—2013学年第一学期）

题目他励直流电动机的调速系统

系别电子与电气工程系

专业电气工程及其自动化

班级

学号

姓名

指导教师韩之刚

完成时间2013年12月26日

评定成绩

目录

摘要 (3)

1、设计的目的和意义 (3)

2、总体设计方案 (3)

2.1并励(他励)直流电动机的起动 (3)

2.2并励(他励)直流电动机的调速 (4)

2.3调速的性能指标 (6)

3.设计过程 (7)

3.1实验设备 (7)

3.2 设备屏上挂件排列顺序 (7)

3.3 设计原理图 (8)

3.4.调速步骤 (8)

4、设计心得 (12)

5．参考文献 (12)

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

1、设计的目的和意义

时间是验证真理的唯一标准。通过本次的课程设计更进一步的掌握和了解电动机的调速方法。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，使我们学会独立思考，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并励(他励)直流电动机的起动

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／R。，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。直流电动机经常使用的起动方法有下面两种：

2.1.1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。接人起动电阻后的起动电流为

2.1.2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。

2.2并励(他励)直流电动机的调速

同交流异步电动机相比，并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，并励(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：

2.2.1调节电枢电压调速

改变电枢电压调速，只能在额定电压U下，他励直流电动机拖动负载运行时，保持气隙每极磁不变，电区回路不变，电区回路不串电阻既R=0，降低电枢电压U时，电动机运行于不同的转速上，如图：

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，可以调常电动机的转速,由并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

在电枢回路串八电阻RΩ从串八电阻后并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‰不变，改变的只是△n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 15所示。

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。

2.3调速的性能指标

2.3.1.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

2.3.2 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

2.3.3 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。

3.设计过程

3.1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 DJ2

3 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

3.2 设备屏上挂件排列顺序

D31、D42、D41、D51、D31、D44

3.3 设计原理图

图1直流他励电动机接线图

3.4.调速步骤

3.4.1选择仪器

（1）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300V 量程档。 （2）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A 3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A 1选用200mA 量程档。 （3）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

并磁绕阻

A

1

A 2

并励绕组

R f2

+－

220V

励磁电源I f2I f A 3

+

－220V 电

枢电源

R 1V 1

A 4

I F V 2

S

I R f1

定，电枢回路R 1可选用D44挂件的90Ω与90Ω串联电阻,磁场回路R f1可选用D44挂件的900Ω与900Ω串联电阻。

3.4.2直流他励电动机的起动准备

(1)按原理图接线。图中直流他励电动机M 用DJ15，其额定功率P N =185W ，额定电压U N =220V ，额定电流I N =1.2A,额定转速n N =1600r/min,额定励磁电流I f N ＜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。R f1用可调电阻器D44中的900Ω与900Ω电阻串联，使R f1的阻值等于1800Ω，作为他励直流电动机励磁回路串接的电阻。R f2选用可调电阻器D42中的900Ω与900Ω电阻串联，使R f2的阻值等于1800Ω，作为MG 励磁回路串接的电阻。R 1选用可调电阻器D44中的90Ω与90Ω电阻串联，使R 1的阻值等于180Ω，作为他励直流他励电动机的起动电阻，R 2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。 (2)接好线后，检查M 、MG 及TG 之间是否用联轴器直接联接好。

3.4.3他励直流电动机起动步骤

（1）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。

(2)将电动机电枢串联起动电阻R 1、测功机MG 的负载电阻R 2、及MG 的磁场回路电阻R f2调到阻值最大位置，M 的磁场调节电阻R f1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。

（3）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R f2使I f2（电流表A 2）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。

（4）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R 1阻值，直至短接。

（5）合上校正直流测功机MG 的负载开关S ，调节R 2阻值，记录电枢电流I （电流表A 3）不同值时，使MG 的负载电流I F （电流表A 4）改变值，即直流电动机M 的输出转矩T 2改变值（按不同的I F 值，查对应于I f2=100mA 时的校正曲线T 2=f(I F )，可得到M 不同的输出转矩T 2值）。将测得数据记录到表1-1中。

表1-1 I （电流表A 3） 0.33 0.35 0.41 0.46 0.56 1.12 I F （电流表A 4）

0.09 0.11 0.18 0.24 0.35 0.80 T 2

0.506

0.559

0.613

0.667

0.775

1.376

3.4.4调节他励电动机的转速

<1>电枢串电阻调速。保持励磁回路的电阻R f1不变，改变电枢回路的电阻R 1，使其增大，测转速n 。将测得数据记录到表1-2中。

表1-2

R 1 0 30 60 90 120 150 180 n 1439

1379

1285

1190

1107

1023

967

<2>改变励磁电流调速。保持电阻01=R 不变，改变励磁回路的调节电阻1

f R 时，测转速n 。将测得数据记录到表1-3中。

表1-3

R f1 0 300 600 900 1200 1500 1800 n

1441

1475

1545

1616

1675

1765

1800

<3>改变电枢电压调速。保持电阻01=R 不变，励磁电流为额定值，逐步减少电枢电压a U ，测量转速n 。将测得数据记录到表1-4中.

表1-4

U120 140 160 180 200 220 a

n781 914 1058 1175 1312 1448

的阻值调回到最大值，先

<4>改变电动机的转向.将电枢串联起动变阻器R

1

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。3.4.5三种调速方法的优缺点

1、电枢串电阻调速

优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。

缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；

2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差。

3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D小于等于2

4）损耗大，效率低，不经济，对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。

2、改变电枢电压调速

优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现五级调速。

2)调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。 3）无论轻载还是负载，调速范围相同一般可达D=2.5到12。

4）电能损耗较少。

缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。

3、改变励磁电流调速

优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。

缺点：机械特性的斜率变大，特性变软;

转速的升高收到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般D小于等于2；

4、设计心得

在老师的悉心指导和同学们的共同努力下，电机及拖动基础课程设计圆满结束了。在这次课程设计中，我深刻地体会到科学工作的辛苦和趣味。科学工作的严谨，让我明白了做人也应当如此。在课程设计中，我们用科学严谨的态度，积极配合老师同学完成设计。不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也都有了提高。更重要的是，在实验课上，我们学会了很多学习的方法。而这是日后最实用的，真的是受益匪浅。要面对社会的挑战，只有不断的学习、实践，再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后，不管有多苦，我想我们都能变苦为乐，找寻有趣的事情，发现其中珍贵的事情。就像中国提倡的艰苦奋斗一样，我们都可以在实验结束之后变的更加成熟，会面对需要面对的事情。通过这次课程设计，锻炼了我们的团队合作精神和对知识的应用能力，从本质上为我们揭示了基础理论科学。使我们的各方面的能力得到了充分的锻炼。

5．参考文献

[1]汤蕴璆，罗应立，梁艳萍.电机学（第三版），北京：机械工业出版社，2008

[2]朱耀忠，刘景林.《电机与电力拖动》，北京：北京航空航天大学出版社，2005.9