电机拖动课程设计

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：直流电机调速控制系统设计学校：重庆邮电大学移通学院学生姓名：龙浩专业：电气工程与自动化班级：四班学号：0513110413指导教师：杨佳义设计时间：2013年12月重庆邮电大学移通学院1目录一、课程设计任务书..................2二、直流电动机的综述......................3三、他励直流电动机........................31、直流电动机主要结构.................32、直流电动机的工作原理...............33、直流电动机的励磁方式...............54、直流电动机机械特性................65、直流电动机的启动条件和启动方法....76、直流电机的调速方法................97、PWM调制技术......................128、H桥驱动电路......................13三、设计内容.............................14四、总结和体会...........................18五、参考文献..............................182课程设计任务书一、设计题目直流电机调速控制系统设计二、设计任务和要求1、熟练直流电机的机械特性和电气特性；2、掌握直流电动机拖动负载顺利启动的方法；3、掌握直流电动机调速和正反转控制方法；4、根据以下直流电动机铭牌数据完成启动和调速控制系统设计。电机型号：Z2-72;励磁方式：他励；额定功率：17.0KW;额定电压：220V;额定转速：1500r/min;额定电流：91.00A;最高转速：2250r/min；飞轮钜：1.000kg〃m2重量：265kg要求：1)画出固有机械特性图；2)分析直流电动机拖动额定负载顺利启动条件和方法；3)分析PWM调制技术在调压控制中的原理和应用；4)计算电机转速为1000rpm和500rpm时PWM波占空比；5)设计直流电机驱动电路，可实现电机正反转控制；6)设计控制直流电机降压启动和调压调速电路原理图；7)结论5.提交整个设计报告3一、直流电动机的综述直流电机是将机械能转换为电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。把电能转换为机械能的直流电机成为直流电动机，把机械能转换为电能的直流电机成为直流发电机。只留发电机和直流电动机理论上是可逆的。由于直流电动机易于实现转速调节和转矩控制，它被广泛运用于需大范围调速和精确控制的场合。近年来随着电力电子技术、微电子技术、现代控制理论以及电机理论和技术的发展，交流调速系统在一些场合替代了直流电机，但由于直流电机具有性能多样化和拖动系统更简单的特点，它仍有广泛运用。二、他励直流电动机1、直流电动机主要结构直流电动机是把电能转换为机械能的直流电机。直流电动机由定子和转子两大部分组成。其中定子包括机座、主磁极、换向极、电刷装置等，转子包括电枢铁心，电枢绕组，换向器，转轴等。2、直流电动机的工作原理4图1图1是一个最简单的直流电动机模型。在一对静止的磁极N和S之间，装设一个可以绕Z-Z'轴而转动的圆柱形铁芯，在它上面装有矩形的线圈abcd。这个转动的部分通常叫做电枢。线圈的两端a和d分别接到叫做换向片的两个半圆形铜环1和2上。换向片1和2之间是彼此绝缘的，它们和电枢装在同一根轴上可随电枢一起转动。A和B是两个固定不动的碳质电刷，它们和换向片之间是滑动接触的。来自直流电源的电流就是通过电刷和换向片流到电枢的线圈里。图二当电刷A和B分别与直流电源的正极和负极接通时，电流从电刷A流入，而从电刷B流出。这时线圈中的电流方向是从a流向b，再从c流向d。我们知道，载流导体在磁场中要受到电磁力，其方向由左手定则来决定。当电枢在图表二（a）所示的位置时，线圈ab边的电流从a流向b，用表示，cd边的电流从c流向d，用⊙表示。根据左手定则可以判断出，ab边受力的方向是从右向左，而cd边受力的方向是从左向右。这样，在电枢上就产生了反时针方向的转矩，因此电枢就将沿着反时针方向5转动起来。当电枢转到使线圈的ab边从N极下面进入S极，而cd边从S极下面进入N极时，与线圈a端联接的换向片1跟电刷B接触，而与线圈d端联接的换向片2跟电刷A接触，如图标二（b）所示。这样，线圈内的电流方向变为从d流向c，再从b流向a，从而保持在N极下面的导体中的电流方向不变。因此转矩的方向也不改变，电枢仍然按照原来的反时针方向继续旋转。由此可以看出，换向片和电刷在直流电机中起着改换电枢线圈中电流方向的作用。3、直流电动机的励磁方式直流电动机工作时，首先需要建立一个磁场，它可以由永久磁铁或由直流励磁的励磁绕组来产生。由永久磁铁构成磁场的电动机叫永磁直流电动机。对由励磁绕组来产生磁场的直流电动机，根据励磁绕组和电枢绕组的联接方式的不同，分为他励电动机、并励电动机、串励电动机、复励电动机。他励电动机是电枢与励磁绕组分别用不同的电源供电，如图三（a）所示，永磁直流电动机也属于这一类。并励电动机是指由同一电源供电给并联着的电枢和励磁绕组，如图三（b）所示。串励电动机的励磁绕组和电枢绕组相串联，串励绕组中通过的电流和电枢绕组的电流大小相等，如图三（c）所示。复励电动机是既有并励绕组又有串励绕组，并励绕组和串励绕组的磁势可以相加，也可以相减，前者称为积复励，后者称为差复励，如图三（d）所示。在此主要介绍他励直流电动机的相关特性。6图三4、直流电动机机械特性电机型号：Z2-71;励磁方式：他励；额定功率：17.0KW;额定电压：220V;额定转速：1500r/min;额定电流：91.00A;由由上公式得=1635r/min=0.18~0.24m=108.23m70=m由此可以画出Z2-71的固有机械特性：5、直流电动机的启动条件和启动方法Z2-71的启动条件:IS≤182~227.5A；Ts≥128.128~139.776m启动方法：（1）直接启动a，Ra很小，Is=UN/RaIN,TsTN过大的电流会造成换向困难。过大的启动转矩会造成机械撞击（2）电枢回路串电阻启动电抠回路串电阻R，启动电流为8分级启动电阻的计算:设对应转速n1、n2和n3时，电动势分别为Ea1、Ea2和Ea3,则有：计算各级启动电阻的步骤1）估算或测出电枢回路电阻Ra；2）根据过载倍数选取最大转矩T1对应的最大电流I1；3）选取启动级数m；4）计算启动电流比：,m取整数；5）计算转矩：T2=T1/β校验T2≥（1.1~1.2）TL；如果不满足，应另选T1或值m并重新计算，直到满足该条件为止；6）计算各级启动各级电阻和分段电阻。（3)降电压启动降低电源电压到U，启动电流为负载为巳知，根据启动条件的要求，可以确定电压的大小。有时9为了保持启动过程中电磁转矩一直较大及电枢电流一直较小，可以逐渐升高电压U，直至最后升到UN。综上所述，降压启动相对直接启动和电枢回路串电阻启动较安全，启动电流小，简单，易操作。所以此次选择降电压启动。6、直流电机的调速方法（1）.串电阻调速他励直流电动机拖动生产机械运行时，保持电枢电压额定，励磁电流（磁通）额定，在电枢回路串入不同的电阻时，电动机可运行于不同的速度。他励直流电动机电枢回路串电阻调速的电气原理图如图3-16a示。电枢串电阻调速的机械特性方程式为:他励直流电动机串电阻调速的机械特性如图3-16b所示，是一组过理想空载点n0的直线，串入的电阻越大，其斜率越大。电枢回路串电阻调速的特点是：1）实现简单，操作方便；2）低速时机械特性变软，静差率增大，相对稳定性变差；3）只能在基速以下调速，因而调速范围较小，一般D≤2；4）由于电阻是分级切除的，所以只能实现有级调速，平滑性差；5）由于串接电阻上要消耗电功率，因而经济性较差，而且转10速越低，能耗越大。因此，电枢串电阻调速的方法多用于对调速性能要求不高的场合，如过去的起重机、电车等，现在已不多见。（2）、降低电源电压调速保持他励直流电动机磁通额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢的电源电压可调节转速，使电动机拖动负载运行于不同的转速上调压调速的特点是：1）由于调压电源可连续平滑调节，所以拖动系统可实现无级调速；2）调速前后机械特性硬度不变，因而相对稳定性较好；3）在基速以下调速，调速范围较宽，D可达10~20；4）调速过程中能量损耗较少，因此调速经济性较好；5）需要一套可控的直流电源。调压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、轧钢机、造纸机等。（3）、弱磁调速11保持他励直流电动机电源电压不变，电枢回路也不串电阻，在电动机拖动的负载转矩不过分大时，降低他励直流电动机的磁通，可以使电动机转速升高。图弱磁调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持电枢电压额定，电枢回路不串电阻，改变励磁电流（磁通），可以得到不同的转速。由于电动机在额定运行时，磁路已接近饱和，因此改变磁通调速，实际上是减弱磁通，所以叫弱磁调速。弱磁调速的原理如上所示。弱磁调速时，机械特性方程式为弱磁调速的特点是：1）由于励磁电流IfIa，因而控制方便，能量损耗小；2）可连续调节电阻值，以实现无级调速；3）在基速以上调速，由于受电机机械强度和换向火花的限制，转速不能太高，一般约为（1.2~1.5）nN，特殊设计的弱磁调速12电动机，最高转速为（3~4）nN，因而调速范围窄。由上可得，降电压调速的相对稳定性好，其次为弱磁调速。电枢串电阻调速差。平滑性为：弱磁调速和降电压调速好，电枢串电阻调速差。经济上看，弱磁调速投资小，电能损耗小。7、PWM调制技术PWM（PulseWidthModulation）脉宽调制，是一种利用数字输出对模拟电路进行控制的技术，其实质就是利用对数字脉冲占空比的调节来控制可控元件（如三极管，可控硅等）的通断，从而达到对单位时间里受控负载的输入功率的控制。TTT100%30%sT100%50%sT100%80%sT几种占空比不同的脉冲电机转速为1000rpm：占空比：在一串数字脉冲中，高电平的持续时间与脉冲周期的比值。13电机转速为500rpm：8、H桥驱动电路14三、设计内容电机正反转设计：直流调速系统框图主控模块：单片机晶振电路复位电路电源电路显示电路键盘电路电机驱动电路DCMotor测速电路15以AT89S52单片机为核心的主控模块，在系统中主要完成以下几个工作：1.输出控制信号，控制电机工作方式，包括正转、反转、加速、加速、制动；2.接收测速反馈信号并进行处理，通过八段数码管显示实时转速；3.接收用户通过按键输入的指令信号，对电机进行控制;4.驱动LED显示电机工作状态。测速电路转速计算公式：NnTm(r/s)m——感光孔个数T——转动时间(s)N——脉冲数n——转速(r/s)16键盘模块按键标号功能S2正转S3反转S4加速S5减速S6停止17显示模块驱动电路Q1和Q4导通电机正转Q1和Q4截止电机停止电能通过D1和D4反馈18Q2和Q3导通电机反转Q2和Q3截止电机停止电能通过D2和D3反馈四、总结和体会通过本次直流电动机的课程设计，我加深了对直流他励电动机的了解。清楚了了解了直流电动机的机械特性。直流电动机的启动条件和3种启动方法，以及直流电动机的调速有哪些。同时，对于直流电动机的实际运用也有所了解。在脑子中对直流电动机有了基本的结构框架。更重要的是，本次设计为我今后的其他课程设计提供了丰富的经验，使我的思维更加活跃，思路更加清晰。五、参考文献《电力拖动与控制》——陈勇罗萍向敏编著《电力电子技术第5版》——王兆安刘进军主编百度图片