电机与电力拖动基础课程设计.doc

一、 设计题目：
提升机主电路的设计：

图1—提升机电力拖动系统原理图

图2—提升机电力拖动系统速度图

1.加速阶段t1:
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 =0.7v1。
4.减速阶段t4:
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 ， 电枢绕组感应电动势 由电动势平衡方程式
Ia=(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.起动电流很大，一般可达额定的10～20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）电枢回路串电阻启动：电枢回路中串接启动电阻以限制启动电流的启动方法称为电枢回路串电阻启动。电枢回路串电阻启动即启动时在电枢回路串入电阻，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。此后，随着转速上升，电枢电流逐渐下降。每当电枢电流下降到某以数值时就切除一段电阻，电枢电流就又突增到最大电流。这样，在启动过程就可以把电枢电流限制在和之间。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：电枢回路串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串电阻启动，容量稍大但不需经常启动的电动机也可用串电阻启动，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，采用电枢串电阻启动方式。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：
串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Rs表示。
为了把启动电流限制在最大允许值之内，电枢回路中应串入的启动电阻值为：
启动后如果仍把 串在电枢回路中，则电动机就会在电枢串电阻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，应把切除。若把一次全部切除，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，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。这种启动方法称为串电阻分级启动。
名牌数据：
P1=55kw
=0.1417
启动时电枢总电阻为:
假设四级启动，即m=4,z则启动电流（转矩）比为：

切换电流为: 所选段数适宜
各段电阻为：

验证：

选择四级启动

电机启动接线图及机械特性曲线

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、KM4都断开，电枢回路总电,运行点在途中a点，启动电流为,启动转矩为>,电动机开始升速，转速沿着曲线变化，启动电流下降，到图中b点时，启动电流降到切换电流，在此瞬间KM4闭合，切除一段电阻，电枢总电阻变为，相应机械特性曲线dc直线。切除电阻瞬间转速不变，电流则突增至，运行点从b点过渡到c点。此后又沿着特性曲线的cd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，此刻KM3闭合，切除第三段启动电阻，电枢回路总电阻变为，机械特性曲线为fe直线，运行点由d点过渡到e点，启动电流从增加，电动机沿ef段上升，启动电流下降。当转速升高到f点时，启动电流又降到，在此时KM2闭合，切除电阻，运行点从f点过渡到g点，电流增加到。此后电动机样gh上升，到h点时，启动电流再次下降到，此刻KM1闭合，切除最后一段电阻。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。
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。

方 法：
1）电枢回路串电阻：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。
电枢串电阻的认为机械特性是一簇通过理想空载点的直线，串入的调速电阻越大，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。
外串电阻只能分段调节，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，电枢回路不串电阻，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，串入不同的励磁电阻，主磁通不同，所对应的转速也不同。
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 ，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。故采用电枢回路串电阻调速
参数计算：
外串电阻的阻值越大，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。
当提升机以V1速度匀速运行时，

由 得：

电动机串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，设电动机拖动恒转矩负载原在固有机械特性上的A点稳定运行，转速为。当电枢电阻增加到时，转速及点数电动势一开始不能突变，运行点在相同的转速下由由A点过渡到A’点，转矩由下降到T’<,为负，系统减速。随着n及的下降，及T不断增加，系统减速度不断减小，知道n降到时，T增至0.9转矩新的平衡建立，系统以较低的转速的运行。在额定负载下，电枢串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10 能耗制动原理图
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，并在电枢回路中串入电阻，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超过理想空载转速ｎ0 ，电动机的转矩Ｔe与转速ｎ反向，且电动机向电源反馈电能，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，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。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，系统贮存的动能全部释放完毕，制动过程结束。

电动机能耗制动接线图及机械特性曲线：

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特性的B点。因B点电磁转矩<0，拖动系统在和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
采用电枢串电阻启动，经过运算应该串入四个电阻为四级启动， 。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。但为了减少控制器数量及设备投资，提高工作的可靠性，段数不宜过多。
2、调速
采用电枢回路串电阻调速，在提速的阶段以v2速度匀速运行，v2 =0.7v1时转速n=0.7na经运算得出串入的电阻。
外串电阻的阻值越大，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。
3、制动
采用能耗制动，当电流Imax取2倍的IN，经过计算取得当制动开始时电动机的电枢电动势Ea=422v,应将Ia限制在最大允许电流Iamax，这时电枢回路外串入电阻的最小值
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。
五、设计心得与体会
通过一个星期的课程设计让我更加了解了《电机原理与拖动基础》这门课程主要内容。分别阐述了直流电机、变压器、交流电机和其它电机的结构及原理；论述直流电机和交流电机的启动、制动及调速等特性，以及电动机的选择。内容由浅入深。在平时上课时凭记忆死记硬背的东西有了进一步的理解，也知道了那方面的缺乏和不足。
在熟练掌握基础课程知识的同时，进一步发挥自身的创造力，将自己对课程的理解融入课程设计当中，此次课程设计也使我们掌握了课设的基本格式和一些要求为以后的毕业设计打好了基础。
通过完成这次课设明白了，理论与实际一定要结合起来。不单靠理论进行研究，有时有些理论是站不住脚的。只要将理论融入实际让我们亲自验证他，才能让我们更好的理解和运用。将理论运用得当。
六、参考文献
张家生主编 《 电机原理与拖动基础》 北京邮电大学出版社
发海主编 《电机与拖动基础 》 清华大学出版社
刘启新主编 《电机与拖动基础》 第三版，[M] 中国电力出版社2005年出版

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