电机与拖动电动机调速加仿真Word文档格式.docx
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2、设计内容
设计思路不清晰，结构方案不合理，有明显错误
关键设计参数选择有错误，内容不完整
设计思路清晰，结构方案合理，内容完整
设计思路清晰，结构方案合理，内容完整，结果正确，有仿真和试验结果
3、设计报告
不能按时提交设计报告
能及时提交设计报告
设计报告内容完整
设计报告格式正确、书写规范
4、答辩
不能正确回答答辩老师提出的问题
基本能正确回答答辩老师提出的问题
思路星期，能准确回答答辩老师提出的问题
能准备回答老师提出的问题，并能提出自己的观点
评价教师
评价总分
课程设计任务书
一、设计题目
他励直流电动机启动与调速
二、设计任务
实现直流他励电动机（要有具体的参数）启动与调速
三、设计计划
电机与拖动课程设计共计1周内完成：
1、第1～2天查资料,熟悉题目；
2、第3～5天方案分析,具体按步骤进行设计及整理设计说明书；
3、第6天准备答辩；
4、第7天答辩。
四、设计要求
1、设计工作量为完成设计说明书一份；
2、设计必须根据进度计划按期完成；
3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩
指导教师：
***
时间：
2016年7月3日
摘要
他励式电机的主磁极是由单独设置的励磁绕组产生，其励磁电流由另设直流电源供电。
这类电机又分三种情况：
，一是电枢绕组单一，二是电枢绕组与换相磁极绕组串联：
三是电枢绕组与换相磁极绕组、补偿绕组串联。
他励式直流电机由于主磁极是单独的励磁绕组产生，故磁感应强度可由励磁电流大小、方向进行控制。
因此这类电机功率可以做得相对较大，且可以在一定范围内改变。
另外，它的转速可以通过改变励磁绕组、电枢绕组电流的大小进行调节。
旋转方向可以通过改变励磁绕组、电枢绕组的电流方向进行控制。
因为电机的励磁线圈和电枢绕组是分开的，励磁电流另外提供，与主电路无关，这种电机原理跟永磁直流电机类似，机械特性为n=u/K-i*r/k（n转速，k常数，跟电机磁场结构本身有关，u电压，i电流，r电枢电阻）。
他励式电机的最大优点是有很好的硬机械特性，即由空载到满载其转速下降仅为额定转速的5%，10%。
因此，它常作发动机的启动电机。
但是磁绕组不能断路，即不能失磁。
否则励磁电流为零，主磁极只有微弱剩磁，此时电枢绕组的反电动势很小，通过电枢绕组的电流将会很大，以致超过安全限度，从而将电枢绕组烧毁。
为防万一，这类电机应安装失磁保护装置。
它能有效消除气隙磁场畸变和改善换向。
关键词他励直流电机；
起动；
调速；
制动
1.设计任务..........................................1
2.设计要求...........................................1
5.他励直流电机调速...................................6
1.1串电阻调速.........................................6
6.他励电动机制动.......................................9
7.结果分析..........................................12
8.心得体会..........................................14
1．设计任务
电机与拖动是一门要求实践性很强的课程，具有极其广泛的工程应用价值。
若要深入地掌握理论知识，就必须在加强理论学习的基础上，注重加强工程实践操作技能的系统训练。
不仅通过实验论证一些理论问题，而且还要通过工程设计、工程实践等环节，掌握该课程在实践工程应用、故障分析等方面的综合实践技能，使学生树立工程意识、提高工程实践能力。
本课程设计旨在通过学生独立分析他励直流电机的起动，调速及制动以达到对学生的综合性训练。
2.设计要求
1、给出有关器件的选型和参数；
2、画出系统详细的电路图；
3、完成实验室模拟调试，实现主要功能要求；
4、完成设计说明书；
5、答辩中能比较准确地回答出所提出的问题。
3.他励直流电机工作原理
图1-1他励直流电动机
他励直流电机,定子线圈就是励磁绕组,用来励磁的.励磁意思是建立磁场.
他励直流电机是相对其它类型直流电机说的，他励直流电机励磁绕组和转子绕组分别单独供电,需要两个电源。
励磁电压Uf→If→Φ↘
电枢电压Ua→Ia→T→n→E
4．他励直流电机的启动
直流电机启动方法：
直流电机从接通电源开始转动，直至升速到某一固定转数稳定运行，这一过程称为电动机的启动过程。
直流电机有直接起动、串电阻起动和降电压启动三种方法。
4.1.直接启动
由于直流电机电枢回路电阻和电感都较小，而转动体具有一定的机械惯性，因此当直流电机接通电源后，起动的开始阶段电枢转速以及相应的反电动势很小，起动电流很大。
最大可达额定电流的15～20倍。
这一电流会使电网受到扰动、机组受到机械冲击、换向器发生火花。
因此直接起动只适用于功率不大于4千瓦的电动机。
图2-1直接启动原理图
图2-2直接启动仿真
图2-3直接启动仿真结果
4.2.电枢回路串电阻启动
为了限制起动电流，常在电枢回路内串入专门设计的可变电阻。
在起动过程中随着转速的不断升高及时逐级将各分段电阻短接，使起动电流限制在某一允许值以内。
这种起动方法称为串电阻起动，非常简单，设备轻便，广泛应用于各种中小型直流电机中。
但由于起动过程中能量消耗大，不适于经常起动的电机和中、大型直流电机。
但对于某些特殊需要，例如城市电车虽经常起动，为了简化设备，减轻重量和操作维修方便，通常采用串电阻起动方法。
图2-4电枢串电阻
串电阻启动参数计算：
P1=15kwUN=440vIN=40.5AnN=1050r/minRa=0.976ΩTL=0.8TN
Im=2IN=81A（Im取（1.5～2.0）IN）
Rm=
=
=5.43Ω
假设m=4则启动电流比为λ=
=1.536
∵切换电流：
I2=
=1.22IN>
1.2*0.8IN
∴所选段数适合
Rs1=（λ-1）Ra=（1.54-1）*0.976=0.53Ω
Rs2=λRs1=0.81Ω
Rs3=λ2Rs1=1.25Ω
Rs4=λ3Rs1=1.92Ω
验证：
Ra+Rs1+Rs2+Rs3+Rs4=0.976+0.53+0.81+1.25+1.92=5.486Ω≈5.43Ω
∴选择4级启动
图2-5串电阻启动仿真结果
4.3.降电压启动
对容量较大的直流电机，通常采用降电压起动。
即由单独的可调压直流电源对电机电枢供电，控制电源电压既可使电机平滑起动，又能实现调速。
此种方法电源设备比较复杂。
图2-6降电压起动原理
综上所述，据该电机参数，用电枢回路串电阻调速。
优势在于：
1.改变电枢回路电阻，理想空载转速n0不变
2.在各种转速下，能输出相同的转矩，为恒转矩调速。
3.在额定转速下，可以平滑调速。
4.不需要特殊设备，方便使用。
5.他励直流电机的调速
电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。
通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；
通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。
我们主要分析他励直流电动机的电气调速方法及其特点。
由他励直流电动机的转速公式：
n=
可知，改变电机转速有三种方法：
1.电枢电路串电阻调速
2.降低点数电压调速
3.弱磁调速
5.1串电阻调速
（1）改变电枢回路电阻，理想空载转速n0不变。
（2）RP越大，斜率越大，特性越软。
（3）只能在额定转速以下进行平滑调速。
（4）转速越低，机械特性越软，负载波动时转速的稳定性越差。
（5）串入的电阻越大，电能损耗越大，经济性差。
（6）调速范围小。
（7）在各种转速下，能输出相同的转矩，为恒转矩调速。
图3-1串电阻调速
5.2降低电压调速
（1）理想空载转速n0与电枢电压U成正比。
（2）改变电枢电压后斜率不变。
（3）转速只能从额定转速往下调。
（4）调速前、后机械特性斜率不变，机械特性硬度高，速度稳定性好，调速范围广，最高转速与最低转速之比可打10倍以上
（5）当电压连续可调时，转速也连续可调，可实现无级调速。
（6）降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，故调速时损耗减小，调速经济性好。
图3-2降电压调速
图3-3改变电压调速仿真
5.3弱磁调速
（1）理想空载转速随磁通的减弱而上升。
（2）斜率随磁通的减弱而增大，机械特性变软。
（3）电阻能连续调节，可实现无级调速，调速平滑。
（4）励磁电流小,能量损耗少，调速前后电动机的效率基本不变，经济性比较好。
（5）机械特性较硬，转速稳定。
（6）在各种转速下,能输出相同的功率,为恒功率调速。
综上所述，该设计采用了串电阻调速，因为电枢回路串电阻简单，投资少，且为恒转矩调速。
串电阻调速参数计算
CeΦN=
=0.381
TN=9.55*
=9.55*
=136.43N·
M
nA=
-
*TL=
*136.43
=1078.01r/min
由0.8nA=
得：
0.8*1078.01=
解得Rc=2.46Ω
6.他励直流电机的制动
他励直流电动机的制动方法有：
能耗制动，反接制动，回馈制动。
6.1能耗制动
图4-1能耗制动
如图（b）所示。
这时他励直流电动机由于转子惯性的作用，电动机仍按原来的方向旋转。
由于磁通方向不变，因此产生的电枢绕组中产生感应电动势Ea方向也不变，电动机此时作发电机运行，电枢电流方向及其产生的电磁转矩的方向都改变了，使电磁转矩的方向与旋转方向相反，成为制动转矩。
电动机由自身惯性和生产机械的作用而驱动发电，把电动机储存的动能和生产机械转换为电能，再消耗到Rb上。
图4-2能耗制动仿真
能耗制动特点：
（1）制动时U=0，Φ=ΦN，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能，消耗在电枢电路的总电阻上I2（Ra+Rc）；
（2）制动时，n与T成正比，所以转速n下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rc，以增大制动转矩T，即多级能耗制动；
（3）实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0时T=0,可实现准确停车
6.2反接制动
反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作用负载）。
图4-3反接制动仿真
6.3回馈制动
（一）位能负载拖动电动机
这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率EaIa后，大部分回馈给电网UIa，小部分变为电枢回路的铜耗Ia2*（Ra+RΩ）。
电动机变为一台与电网并联运行的发电机。
（二）他励电动机改变电枢电压调速
在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生Ea>
U况，亦即出现了回馈制动状态。
图4-4回馈制动
综上分析，由于能耗制动原理，操作相对简单，所以选取能耗制动来实现他励直流电机的制动
能耗制动参数计算
在制动过程中，因为U=0，电动机与电源没有能量转化关系，而电磁功率PM=Ea*Ia=TΩ<
D。
说明电动机从轴上输出机械功率。
扣除空载损耗功率后，其余功率通过电磁作用，转变成电功率。
消耗在电枢回路中的电功率为Ia2（Ra+Rc）。
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。
当制动到n=0时，系统储存的动能全部释放完毕，制动过程结束。
Imax=2INP1=15kwUN=440vIN=40.5AnN=1050r/minRa=0.976ΩTL=0.8TN
Im=2IN=81A（Im取（1.5～2.0）*IN）
=0.382
n0=
=1151.8r/min
△n=n0-nN=1151.8-1050=101.8r/min
EaN=CeΦN*nN=0.382*1050=401.1v
n=n0-
*△n=1151.8-0.8*101.8=1070.36r/min
Ea=
*EaN=
=408.88v
Rcmin=
-Ra=4.07Ω
7．结果及分析
7.1启动
采用电枢串电阻启动，经过运算得应该串入4个电阻分四级启动。
Rs1=0.53Ω，Rs2=0.81Ω，Rs3=1.25Ω，Rs4=1.92Ω。
经验证，串入的电阻阻值与Ra的和近似等于电枢总电阻，启动电阻的个数越多4，启动过程越平滑，为了减少投资以及损耗，串入电阻的个数也不宜过多。
7.2调速
采用电枢回路串电阻调速，在v2=0.8*v1时，转速n’=0.8n,计算得Rc=2.46Ω。
外接电阻阻值越大，机械特性曲线就越软，相同负载下的转速就越低。
7.3制动
由于原理及电路方便，采用能耗制动，当Imax=2IN时，经计算，得制动开始时，电枢电动势Ea=401.1v，将Ia限制在最大电流Imax，此时需要串入的电阻的阻值最小为Rcmin=4.07Ω.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，延长了制动时间。
8.心得与体会
通过亲自动手，第一让我能突破里书本的局限去了解真实电动机的结构，进而理解其工作原理，学习电机更容易，第二加强我的动手能力，突破自己的性格束缚。
我最大的感触就是要有心细、谨慎和敢于动手的工作作风，在仿真的时候一定要保持注意力高度集中，哪里接错了一根线都不会出结果。
同时还要有耐心，面对越来越多的接线，不要有怕麻烦的心理，思路不要乱，对照电路图耐心细致地接好每一根线。
感谢小组同学互帮互助，更感谢老师一直以来的付出和指导。
[1].唐介.电机与拖动.北京：
高等教育出版社，2003.7.
[2].唐介.控制微电机.北京：
高等教育出版社，1987.4.
[3].王毓东.电机学.杭州浙江大学出版社，1990.
[4].杨长能.电机学.重庆：
重庆大学出版社，1994.
[5].李发海.电机学.北京：
科学出版社，1991.
[6].刘启新.电机与拖动基础.北京：
中国电力出版社，2005.
[7].汤蕴.电机学.西安：
西安交通大学出版社，1993.
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