电机调速实验报告.docx
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电机调速实验报告
电机调速系统课程设计报告
（2016—2017学年第1学期）
题目直流电机调速、制动系统设计
系别
专业
班级学号
姓名
组员
指导教师
完成时间
评定成绩
课程设计任务书
一、设计题目
直流电机调速、制动系统设计
二、设计任务
《电机与拖动基础》课程应使学生掌握电机及其拖动系统的运行性能，分析计算，电机选择与实验方法。
“基于PLC的电机与拖动系统应用实验平台”主要以12V、24V直流电动机为主要核心设备，特点是体积小、经济、安全，并能使学生直观的学习到：
（1）直流电机的电磁感应原理及其调速方式；
（2）通过自制的位能性负载起重机重物的上升与下降，观察能耗制动、反接制动的过程；（3）通过PLC实现对自制的不同电机拖动设备采用不同控制方式的情况；（4）采用PWM调速板控制直流电机的调速功能；（5）通过无线技术实现对直流电机的正反转等功能。
部分实验项目能够强有力的将《电力电子技术》、《电气控制与PLC应用技术》、《单片机原理及应用》、《无线通信技术》等课程之间的关系紧密结合在一起，达到“一台多用”的教学效果。
“基于PLC的电机与拖动系统应用实验平台”是一个可持续潜能开发实验平台，学生可以无限发挥想法，并将自己的想法实践到该平台上，满足学生的求知欲望和增强自信心课程设计工作。
三、设计计划
四、设计报告要求（重点）
1．在原有实验平台的基础上，每位同学需写出创新点，该创新点作为考核的重要内容。
2.各组不允许有相同报告内容，如有雷同，轻则重写，重则不及格。
指导教师：
顾波
2017年5月15日
第一章课程设计的意义
把新的教育模式搬到课堂上来，实现课堂上理论性的意义及单一的教学内容具体化和生动化，带给同学们与旧教学模式不一样的新体验，真正的动手去感受在电气工业中每项实验的具体操作方法和内部结构接线情况及实际应用的范围。
帮助同学们真正理解到课程的实际意义并同时实现教学的最终目的。
为了达到老师课堂上的教学要求，但学生对各种实验设备的内部结构及接线情况并无概念。
虽然对实验课堂上相应的实验内容对理论有所帮助，但同时也需要高度重视的是学生举一反三的实践能力，避免学生只会实验课堂上的实验项目，而涉及到其它实际情况的时候而感到措手不及，从根上学习、理解、熟悉并掌握实践动手能力。
第二章实验台模块及原理介绍
直流电动机调速有降压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速三种方式，最常用的是调压调速系统，即（改变电枢电压）。
其中弱磁调速是通过减小定子励磁电流，减小磁通，从而减小定子磁极产生的磁场，因此这种方法仅适用于他励直流电动机。
该实验平台的调速模块验证降压调速和电枢串电阻调速两种方法，其机械特性如图2-3和图2-4所示。
图2-3降压调速机械特性图2-4电枢串电阻调速机械特性
1降压调速模块
本模块是由电机、旋转木轮、电子显示屏、霍尔测速系统、可调节电阻构成的一个调速模块。
通电后，我们可以看到在显示屏上经过霍尔测速会有转数的显示，因为要实现降压调速，所以我们此时通过旋钮调节电阻，进而改变电压，使电压下降，从而起到降压调速的功能。
降压调速模块在不同的输入电压下，其对应的输出转速对比，进而可以明显的看到降压调速的效果。
降压调速模块需要使用直流调速器，其原理是《电力电子技术》课程中的脉宽调制技术，脉宽调制的全称为：
PulseWidthModulator、简称PWM、直流电机调速器就是调节直流电动机速度的设备，由于直流电动机具有低转速大力矩的特点，是交流电动机无法取代的，因此调节直流电动机速度的设备—直流调速器，由于它的特殊性能、常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速，PWM调速器已经在：
工业直流电机调速、工业传送带调速、灯光照明调解、计算机电源散热、直流电扇等、得到广泛应用。
该实验平台的降压调速模块是220V交流电源通过整流稳压器，输出24V直流电压，然后接入开关和PWM直流调速器，最后控制24V直流电动机及其转速，其电压和速度的显示可以有两种显示方法，其一是通过《单片机原理及应用》课程的学习，输入单片机程序；其二是通过《大学物理》课程的学习，根据霍尔效应法将数据传输给单片机实现的。
2电枢串电阻调速模块
电枢串电阻模块，是由12v直流电源、电动机、旋转木轮、电阻板构成的。
该模块起分压作用，通过改变电阻的阻值去控制电压的大小，从而进一步的改变电动机的转速，当电阻变大时，电流减小，电动机分到的电压减小，起到了分压的作用。
电枢串电阻调速模块实物图如图2-7所示。
3能耗制动
能耗制动方法是在制动时，常开触点K1、K2断开，电枢脱离电源，同时常闭触点K3把电枢接到制动电阻Rz上去。
开始制动时，由于惯性，转速n存在且转向与电动状态时相同，因此电枢具有感应电动势Ea，其方向亦与电动状态时相同。
此时Ea产生电流Ia，其方向与Ea相同，而与电动状态时相反。
由于U=0，所以电枢电流Ia为负值，当磁通方向未变而电流反向时，转矩T也有电动状态时反向，因此T与n方向相反，此时为制动状态。
电机在能耗制动过程中，相当于发电机运行，依靠系统本身的动能发电，把动能转变成电能，消耗在电枢回路的电阻上。
能耗制动形成的电磁转矩较小，电动机制动时间较长，能耗制动原理接线图如图2-8所示。
图2-8能耗制动原理接线图
该实验平台的能耗制动模块是220V交流电源通过整流稳压器，输出24V直流电，根据《电力电子技术》课程中学习的斩波器降压到12V，然后依照能耗制动的电路接线图连好。
该模块采用12V电压源、通断开关、带风扇的小电机。
当接通电源的时，打开通断开关，当电动机达到一定转速的时候，立即断开开关，并开启能耗制动开关，电动机剩余的能量将会带动输出电动机运转，输出电动机在能耗制动的过程中相当于一台发电机，由于动能减少，电动机转速下降，为了验证此结果，在电动机的输出加入小风扇，即能耗制动时，小风扇由于得到发电机的能量而旋转，直到能耗制动结束。
4反接制动
电枢反接制动的方法是断开触点K1、K2，并接通触点K3、K4，把电枢电源反接，电枢电路中要串入电阻。
由于电枢反接，U为负，则电流Ia为负，T也为负，而n为正，T与n反向，故为制动状态，电枢反接制动原理接线图如图2-10所示。
图2-10电枢反接制动原理接线图
该实验平台的反接制动模块是由12V直流电源、通断开关、带转轮的电动机、PWM调速板构成的。
将电动机与PWM调速板串接与12V电源相连，然后在电动机两端反接一个6V电源和通断开关，将电源接通，调节PWM调速板当转速稳定的时候，断开12V电源通断开关，开通6V反接制动电源，可以明显的看到带转轮的电动机速度立刻下降了，通过多组数据形成对比。
采用6V电源的是因为电压相对于来讲比较小，安全，防止使电动机立刻反转，起到保护作用。
第三章模块的测试及数据分析
1降压调速模块
降压调速模块需要使用直流调速器，直流电机调速器就是调节直流电动机速度的设备，由于直流电动机具有低转速大力矩的特点，是交流电动机无法取代的，直流调速器上端和交流或直流电源连接，下端和直流电动机连接，直流调速器将交流电转化成两路输出直流电源，一路输入给直流电机砺磁（定子），一路输入给直流电机电枢（转子），直流调速器通过控制电枢直流电压来调节直流电动机转速。
同时直流电动机给调速器一个反馈电流，调速器根据反馈电流来判断直流电机的转速情况，必要时修正电枢电压输出，以此来再次调节电机的转速。
该实验平台的降压调速模块是220V交流电源通过整流稳压器，输出24V直流电，然后接入开关和PWM直流调速器，最后控制24V直流电动机及其转速，其电压和速度的显示可以有两种显示方法，其一是通过《单片机原理及应用》课程的学习，输入单片机程序；其二是通过《大学物理》课程的学习，根据霍尔效应法将数据传输给单片机实现的。
测试：
接入220V交流电源通过整流稳压器输出24V直流电，然后打开开关和PWM直流调速器，电机转动带动电机上的转盘，转盘上的小磁钢通过该装置上的霍尔测速探头，将数据传送给霍尔测速仪，然后通过降压调速模块调节电阻来控制转数，可以明显的看到霍尔测速仪上转速的变化，同时我们将仪器的数据精确到转每分和转每秒，使数据精确化，从而验证降压调速。
表1降压调速数据
参量/次数
1
2
3
4
5
转速/r/min
1788r/min
1380r/min
1310r/min
780r/min
329r/min
电压/v
5.03v
4v
3.8v
2.6v
1.5v
数据分析：
直流电动机的转速机械特性可表达为：
n=（U-IRa）/CeΦ或n=U/CeΦ-Ra）T/CeCTΦ2N，在其他参数不变时，改变电源电压，电动机的速度也相应变化；U↑→n↑，U↓→n↓，其降压调速机械特性曲线图如图3-1所示：
图3-1降压调速机械特性曲线图
从物理参数的角度来说，当电动机工作在某个状态，此时如降低电枢电压，因为I=（U-E）/Ra，U减小，电枢电流也将减小，根据M=CmΦI，电机的转动力矩也减小，M（电）＜M（机械阻力矩），电动机就降速，n↓，反电势下降E↓=CeΦn↓，电流增大（I↑=（U-E↓）/Ra），电动机转动力矩增大，直到M（电）=M（机械阻力矩）为止，此时n2＜n1；电源电压越低，转速也越低，降压调速方式是从额定基速向下调。
2电枢串电阻调速模块
电枢串电阻调速模块是他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定差，而且调速效率较低。
测试：
接入12V直流稳压源，打开开关，装置上的直流电机带动转盘转动，串入自己制作木板上不同的阻值，通过霍尔测速仪可清晰的看到不同阻值下装置上转盘转速的变化，从而实现电枢串电阻进行调速。
表2电枢串电阻调速数据
参量/次数
1
2
3
4
5
转速/r/min
4750r/min
3364r/min
2540r/min
1675r/min
743r/min
阻值/Ω
0Ω
14.1Ω
28.2Ω
56.3Ω
112.6Ω
数据分析：
此时U=UN，Φ=ΦN，R=Ra+RΩ，电枢串电阻Ra时，直流电动机的转速机械特性可表达为：
n=[U-I（Ra+RΩ）]/CeΦ或n=U/CeΦ-（Ra+RΩ）T/CeCTΦ2N，由于电动机的电压及磁通保持额定值不变，人为机械特性具有与固有机械特性相同的理想空载转速
，而其斜率β的绝对值则随串联电阻RΩ的增大而加大，在一定的负载转矩下，转速降
随串联电阻的加大而增加，人为机械特性转速降低，如图3-2所示：
图3-2电枢串电阻调速机械特性
电枢串电阻的人为机械特性是一组过理想空载点
的直线，串联的调速电阻越大，机械特性越软。
这样在低速运行时，负载在不大的范围内变动，就会引起转速发生较大的变化，也就是转速的稳定性较差。
同时由于电枢电流较大，调速电阻的容量也较大，不易做到连续调节电阻值，所以大型电动机转速也不能连续调节，一般最多可分为六级。
因此，此方法适用于调速性能要求不高的中，小电动机上，大容量电动机不采用。
3能耗制动
本实验能耗制动方法是在制动时，切除电动机的电源电压，并在电枢回路中串入用电器，电机在能耗制动过程中，相当于发电机运行，依靠系统本身的动能发电，把动能转变成电能，消耗在电枢回路的用电器上。
测试：
将能耗制动装置接入24V直流电，然后通过斩波器降压到12V,打开电源开关，电动机带动转盘开始转动，待转速稳定后关闭开关可以看到转盘由于惯性依旧在转动，此时打开能耗制动电路的开关，电机输出端装有的小风扇利用电动机的动能转化为电能，小风扇由于得到发电机的能量而旋转，直到能耗制动结束，从而验证能耗制动。
表3能耗制动时间数据
非能耗制动条件下
供电时间/s
减速时间/s
能耗制动
条件下
供电时间/s
减速时间/s
1
15s
12.4s
1
15s
9.0s
2
7s
9.8s
2
7s
8.7s
3
5s
9.1s
3
5s
8.6s
数据分析：
能耗制动的特点是U=0，R=Ra+Rz，其机械特性方程式可表示为：
，由式可见，n为正时，T为负；n=0时，T=0，所以机械特性位于第二象限，如图3-3所示：
图3-3能耗制动时的机械特性曲线
特性斜率为
，与电枢串联电阻时的人为机械特性的斜率相同，两条特性互相平行。
能耗制动时间为
或
，原理上制动电阻
，能耗制动形成的电磁转矩较小，电动机制动时间较长。
4反接制动
反接制动是指电动机拖动恒转矩负载运行。
通过反接闸刀把电源突然反接，同时在电枢支路串入限流电阻R，限制并消耗由于制动产生的大电流，达到制动的效果。
测试：
将反接制动装置接入12V的直流稳压源上，通过PWM调速板调节转速，使电动机的转速达到相对稳定，切断12V电源，同时，立刻反接入6V的电源，可以看到电动机的转速明显降低，达到了制动的效果，从而验证了反接制动模块。
表4反接制动时间数据
转速
非制动条件下
供电时间/s
减速时间/s
反接制动条件下
供电时间/s
减速时间/s
N1
1
15s
3.2s
1
15s
2.5s
N2
2
15s
5.4s
2
15s
3.7s
N3
3
15s
6.3s
3
15s
4.7s
数据分析：
电枢反接制动时电枢电流为
，运动方程式为
，机械特性方程式为
，其特性曲线如图3-4所示。
电动机在电动A点运转，电枢反接，转矩瞬时变为
，由于转速不能突变
，电动机工作点转移到人为机械特性BCDE的B点，直线BC即为反接制动特性。
图3-4反接制动特性曲线
由于反接制动电阻
，由式可见，
比能耗制动时的
差不多大一倍，特性比能耗制动陡得多。
BC段的制动转矩都比较大，因此从表4中也可以看出能耗制动时制动作用更强烈，制动更快。
第四章结论
实验和实践是大学课程学习中必不可少的一个环节，它对大学科学教育课程起着关键性的作用。
根据现在的学习效率与成果来分析，得以看出，大学教师在授课的过程中能否实现每个学生都得到实践的机会与动手的能力是整个教学事业是否有价值的基本要素。
它关系到老师的授课效果和学生的听课效率，甚至是否能培养学生成为应用型人才的教学目的也是如今“十三五”规划的重要部分。
通过本次课程我们深刻体会到动手能力的重要性，书本上的理论知识虽然很重要，但是实际操作是必不可少的，所以动手去测试数据和动手去操作是很有技术性的。
学校应该拿出更多的器材来考验同学们的动手能力，而不是只是课本上的知识，课本局限性太大。
只有实际操作那么就会深刻体会到动手的重要性。
参考文献
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