《電機與拖動》課程設(shè)計直流伺服電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

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1、電機與拖動課程設(shè)計直流伺服電機控制系統(tǒng)的設(shè)計The design of Dc servo motor control system學(xué)生姓名學(xué)院名稱信電工程學(xué)院專業(yè)名稱電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師2012年01月04日 電機與拖動課程設(shè)計摘要作為電能傳輸或信號傳輸?shù)难b置，變壓器在電力系統(tǒng)和自動化控制系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用，在國民經(jīng)濟的其他部門，作為特種電源或滿足特殊的需要，變壓器也發(fā)揮著重要的作用。變壓器是通過電磁耦合關(guān)系傳遞電能的設(shè)備，用途可綜述為：經(jīng)濟的輸送電能、合理的分配電能、安全的使用電能。實際上，它在變壓的同時還能改變電流，還可改變阻抗和相數(shù)。它的種類很多，容量小的只有幾伏安，大的可達到

2、數(shù)十萬千伏安；電壓低的只有幾伏，高的可達幾十萬伏。小型變壓器指的是容量1000V.A以下的變壓器。最簡單的小型單相變壓器由一個閉合的鐵芯(構(gòu)成磁路)和繞在鐵芯上的兩個匝數(shù)不同、 彼此絕緣的繞組(構(gòu)成電路)構(gòu)成。這類變壓器在生活中的應(yīng)用非常廣泛。關(guān)鍵詞 電機與拖動；小型；單向；變壓器I電機與拖動課程設(shè)計目 錄1 緒論11.1 設(shè)計總綱11.1.1設(shè)計任務(wù)11.1.2 設(shè)計要求11.1.3設(shè)計用設(shè)備和器件12變壓器結(jié)構(gòu)12.1 鐵芯12.2 繞組12.3 其他結(jié)構(gòu)部件23 變壓器的工作原理23.1 電壓變換23.2電流變換24 設(shè)計內(nèi)容及數(shù)據(jù)的測量34.1 設(shè)計內(nèi)容34.2 鐵芯尺寸的選定44.3

3、 繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑55 實例計算8結(jié)論10心得11參考文獻12附錄13附錄113附錄213151 緒論1.1 設(shè)計總綱1.1.1設(shè)計任務(wù)設(shè)計一個直流伺服電機控制系統(tǒng)1.1.2 設(shè)計要求1）說明直流伺服電機的基本結(jié)構(gòu)和工作過程2）說明直流伺服電機的控制方法3）設(shè)計直流伺服電機控制系統(tǒng)，并分析運行特性4）撰寫設(shè)計報告、總結(jié)以及心得1.1.3設(shè)計用設(shè)備和器件功率表、萬用表.直流電流表、直流電壓表2 變壓器的結(jié)構(gòu)2.1 鐵芯鐵芯是變壓器磁路部分。為減少鐵芯內(nèi)磁滯損耗渦流損耗，通常鐵芯用含硅量較高的、厚度為0.35或0.5mm、表面涂有絕漆的熱軋或冷軋硅鋼片疊裝而成。鐵芯分為鐵柱和鐵軛兩部分，鐵芯中

4、套裝繞組的部分是鐵芯柱，連接鐵芯柱形成閉合磁路的部分稱為鐵軛。鐵柱上套裝有繞組線圈，鐵軛則是作為閉合磁路之用，鐵柱和鐵軛同時作為變壓器的機械構(gòu)件。鐵芯結(jié)構(gòu)有兩種基本形式：芯式和殼式。2.2 繞組變壓器一般采用同芯式繞組，即低壓繞組和高壓繞組同芯地套裝在鐵芯柱上。通常低壓繞組在里面，高壓繞組在外面。繞組是變壓器的電路部分。一般采用絕緣紙包的鋁線或銅線繞成。為了節(jié)省銅材，我國變壓器線圈大部分是采用鋁線。 圖（1）2.3其它結(jié)構(gòu)部件1）儲油柜和油表 2）氣體繼電器3）安全氣通4）絕緣套管3變壓器的工作原理3.1電壓變換當一次繞組加上交流電壓時，繞組中通過交流電流，在鐵芯中將產(chǎn)生既與一次繞組交鏈，由于

5、二次繞組交鏈的主磁通，還會產(chǎn)生少量的僅與一次繞組交鏈的主要經(jīng)過空氣等非磁性物質(zhì)閉合的一次繞組漏磁通。 (3-1) (3-2) (3-3)說明只要改變原、副繞組的匝數(shù)比,就能按要求改變電壓。3.2電流變換變壓器在工作時，二次電流的大小主要取決于負載阻抗模的大小，而一次電流的大小則取決于的大小。 (3-4) (3-5)說明變壓器在改變電壓的同時,亦能改變電流。小型變壓器的原理：小型單相變壓器一般是指工頻小容量單相變壓器。4 設(shè)計內(nèi)容及數(shù)據(jù)的測量4.1 設(shè)計內(nèi)容計算內(nèi)容有四部分：額定容量的確定；鐵芯尺寸的選定；繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑；繞組（線圈）排列及鐵芯尺寸的最后確定。4.1.1額定容量的確定變壓器

6、的容量又稱表現(xiàn)功率和視在功率，是指變壓器二次側(cè)輸出的功率，通常用KVA表示。4.1.1.1 二次側(cè)總?cè)萘?小容量單相變壓器二次側(cè)為多繞組時，若不計算各個繞組的等效的阻抗及其負載阻抗的幅角的差別，可認為輸出總視在功率為二次側(cè)各繞組輸出視在功率之代數(shù)和，即（4-1）式中 二次側(cè)總?cè)萘浚╒A）,二次側(cè)各個繞組電壓的有效值（V）；, 二次側(cè)各個繞組的負載電流有效值（A）。4.1.1.2 一次繞組的容量對于小容量變壓器來說，我們不能就認為一次繞組的容量等于二次繞組的總?cè)萘浚驗榭紤]到變壓器中有損耗，所以一次繞組的容量應(yīng)該為 S1=S2 （單位為VA）（4-2）式中 變壓器的額定容量；變壓器的效率，約為0

7、.80.9，表3-1 所給的數(shù)據(jù)是生產(chǎn)時間的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，可供計算時初步選用。表1 小容量變壓器計算參考數(shù)據(jù)變壓器容量VA磁通密度10T效率（%）電流密度鐵芯計算中的值小于1060007000607032.5210507000800070802.5221.5501008000900080852.521.51.310050090001100085902.51.51.31.255001000110001200090921.51.21.251.14.1.1.3變壓器的額定容量由于本次設(shè)計為小型單相變壓器，所以不考慮在三相變壓器中的情況，只考慮在小型單相變壓器的情況。小型單相變壓器的額定容量取一、二繞組容

8、量的平均值， S=*（S+S）（單位為VA）（4-3）4.1.1.4 一次電流的確定（4-4）式中(1.11.2)考慮勵磁電流的經(jīng)驗系數(shù)，對容量很小的變壓器應(yīng)取大的系數(shù)。4.2 鐵芯尺寸的選定4.2.1 計算鐵芯截面積A為了減小鐵損耗，變壓器的鐵芯是用彼此絕緣的硅鋼片疊成或非晶材料制成。其中套有繞組的部分稱為鐵芯柱，連接鐵芯柱的部分稱為鐵軛，為了減少磁路中不必要的氣隙，變壓器鐵芯在疊裝時相臨兩層硅鋼片的接縫要相互錯開。小容量變壓器鐵芯形式多采用殼式，中間芯柱上套放繞組，鐵芯的幾何尺寸如圖（2）所示。圖（2）小容量芯柱截面積A大小與其視在功率有關(guān)，一般用下列經(jīng)驗公式計算單位為(cm2)。（4-5

9、）A鐵芯柱的凈面積，單位為cm2截面計算系數(shù)，與變壓器額定容量有關(guān)，按表3-2選取，當采用優(yōu)質(zhì)冷軋硅鋼片時可取小些截面積計算系數(shù)表2 截面積計算系數(shù)的估算值 /VA1010505010010050050021.751.751.51.51.351.351.251.251.0計算芯柱截面積A后，就可確定芯柱的寬度和厚度，根據(jù)圖3可知（4-6）式中 a芯柱的寬度（mm）；b芯柱的凈疊厚（mm）；芯柱的實際厚度（mm）；疊片系數(shù)，是考慮到鐵芯疊片間的絕緣所占空間引起鐵芯面積的減小所引入的。對于0.5mm厚，兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片，=0.93；對于0.35mm厚兩面涂漆絕緣的熱軋硅鋼片， =0.91；

10、對于0.35mm厚，不涂漆的冷軋鋼片，=0.95。按A的值，確定a和b的大小，答案是很多的，一般取b=(1.22.0)a，,并盡可能選用通用的硅鋼片尺寸。表3-3列出了通用的小型變壓器硅鋼片尺寸。表3小型變壓器通用的硅鋼片尺寸achH1316192225283238445058647.5910.51112.5141619222528322224303337.542485766758496405060667584961141321501681923440505562.57080951101251401604.3繞組的匝數(shù)與導(dǎo)線直徑4.3.1 計算每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù)從變壓器的電勢公式E=4.44f

11、NBmA,若頻率f=50Hz,可得出每伏所需的匝數(shù)（4-7）式中 對應(yīng)于每伏電壓的匝數(shù)，單位：匝/V Bm鐵芯柱內(nèi)工作磁密最大值，單位：T A鐵芯柱截面積，單位：cm2當鐵芯材料國熱軋硅鋼片時，取Bm=1.01.2T；采用冷軋硅鋼片時，可取Bm=1.21.5T 然后根據(jù)N和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù)（4-8）（4-9）（4-10）式中N1、N2 Nn各線圈的匝數(shù)。為補償負載時漏阻抗壓降，副邊各線圈的匝數(shù)均增加了5%10%。4.3.2 計算導(dǎo)線直徑d小型變壓器的線圈多采用漆包圓銅線(QZ型或QQ型)繞制。為限制銅損耗及發(fā)熱，按各個繞組的負載電流，選擇導(dǎo)線截面，如選的小，則電流密度大，可節(jié)省材

12、料，但銅耗增加，溫升增高。小容量變壓器是自然冷卻的干式變壓器，容許電流密度較低，根據(jù)實踐經(jīng)驗，通過導(dǎo)線的電流密度J不能過大，對于一般的空氣自然冷卻工作條件，J=23A/mm2。對于連續(xù)工作時可取J=2.5A/mm2導(dǎo)線的截面積：Ac=I/j. 導(dǎo)線的直徑： =0.715導(dǎo)線直徑可根據(jù)工作電流計算 ，式中： d 原、副邊各線圈導(dǎo)線直徑，單位：mm；I 原、副邊各線圈中的工作電流，單位：A；根據(jù)算出的直徑查電工手冊或表3-4選取相近的標準線徑。當線圈電流大于10A時，可采用多根導(dǎo)線并聯(lián)或選用扁銅線。表4導(dǎo)線材料的選取螺線直徑導(dǎo)線品種0.060.140.150.210.230.330.350.490

13、.510.620.640.720.740.961.01.741.812.022.12.44 高強度聚酯漆包線 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09 0.11 0.12 0.13硅有機單玻璃絲包線 0.20 0.22 0.22 0.24 硅有機雙玻璃絲包線 0.25 0.27 0.27 0.28 4.3.3 繞組（線圈）排列及鐵芯尺寸的最后確定。繞組的匝數(shù)和導(dǎo)線的直徑確定后，可作繞組排列。繞組每層匝數(shù)為（4-11）式中 絕緣導(dǎo)線外徑（mm）；h鐵芯窗高（mm）；0.9考慮繞組框架兩端厚度的系數(shù)；（24）考慮裕度系數(shù)。各繞組所需層數(shù)為（4-12）各繞組厚度為 i=1

14、,2,n（4-13）式中 層間絕緣厚度（mm），導(dǎo)線較細（0.2mm以下），用一層厚度為0.020.04mm白玻璃紙，導(dǎo)線較粗（0.2mm以上），用一層厚度為0.050.07mm的電纜紙（或牛皮紙），更粗的導(dǎo)線，可用厚度為0.12mm的青殼紙；繞組間的絕緣厚度（mm），當電壓不超過500V時，可用23層電纜紙夾12層黃蠟布等。繞組總厚度為（4-14）式中 繞組框架的厚度（mm）；1.11.2考慮裕度的系數(shù)。計算所得的繞組總厚度t必須略小于鐵芯窗口寬度c，若tc,可加大鐵芯疊裝厚度，減小繞組匝數(shù)或重選硅鋼片的尺寸，按上述步驟重復(fù)計算和核算，至合適時為止。5實例計算 圖（3）如上圖所示，取 計算變

15、壓器的主要參數(shù)，并選擇可行的材料。解：1、計算變壓器的額定容量SN1）計算副邊的容量：S2=U2 I2 + U3 I3=300*0.2+50*0.1=65(VA) 2)計算原邊的容量：/根據(jù)表1：小型單相變壓器的效率的估算值可以取=0.82 因此，/=65/0.82=79.3(VA) 3）計算變壓器的額定容量=1/2（）=0.5*（65+79.3）=72.2(VA)考慮到存在著一定的損耗，故可以定變壓器的額定容量近似取75VA 2、 鐵芯尺寸的選定1）計算鐵芯截面積AAK0根據(jù)表2. 截面積計算系數(shù)K0的估算值可以取K0=1.40因此，AK0=1.40=12.1（cm2）2）鐵芯中柱寬度a與鐵

16、芯疊厚b的計算根據(jù)表3.參數(shù)a、b的選取可以近似取a=28mm因此，b=110F/a=110*12.1/28=47.5 mm.此時b/a=47.5/28=1.7滿足b=(1.22)a的通常要求。3、計算繞組線圈匝數(shù) 1）求出每伏電壓應(yīng)繞的匝數(shù) =3.4（匝/V）式中的=1.1T (鐵芯材料國熱軋硅鋼片)2) 根據(jù)和各線圈額定電壓求出各線圈的匝數(shù) =U1=3.4*220=748 =（1.051.10） U2=1.10*3.4*300=1122 =（1.051.10） U3=1.10*3.4*50=1874、計算導(dǎo)線直徑d導(dǎo)線的截面積：Ac=I/j. =1.15*79.3/220=0.415(A)

17、 Ac1=0.415/2.5=0.17 mm2 =0.715=0.46 mm同理：Ac2=0.08 mm2 =0.32 mmAc3=0.04 mm2 =0.23 mm 根據(jù)所求解的數(shù)據(jù)：可以取原邊的材料為高強度聚酯包線QZ0.06副邊的材料為高強度聚酯包線QZ0.05結(jié)論在本次的課程設(shè)計也是以電機與拖動我們的教材為主要參考資料，并查閱了大量的復(fù)習(xí)資料我們基本能按照設(shè)計任務(wù)書、指導(dǎo)書、技術(shù)條件的要求進行設(shè)計。在設(shè)計過程中我們認真理解并掌握了每一個相關(guān)知識點，就是在掌握這些知識點的前提下通力合作，我才能有這個規(guī)范的設(shè)計。通過上面的設(shè)計可知：一般的小容量單相變壓器的計算內(nèi)容有四種部分：容量的確定；鐵

18、芯尺寸的確定；繞組的計算；繞組排列及鐵芯尺寸的最后確定。變壓器的效率80%90% 。對小容量變壓器應(yīng)考慮內(nèi)部壓降，為使在額定負載時二次側(cè)有額定電壓應(yīng)適當?shù)脑黾佣蝹?cè)繞組匝數(shù)，約增加5%10%的匝數(shù)。通過銅損的測定可知，小型變壓器的的質(zhì)量可以從他的空載損耗和短路損耗判斷出來，越小越好，同時工作溫度也會低 ，并有很好的負載，通過空載電流的測定，鐵損較大的變壓器，發(fā)熱量大，安培匝數(shù)設(shè)計要是不合理，空載電流會大增，就會造成溫升增大，有損壽命。單相變壓器是具有兩個線圈的變壓結(jié)構(gòu)：變壓器主要是由鐵心和繞組組成：1鐵心是變壓器的主磁路，又作為繞組的支撐骨架。鐵心分鐵心柱和鐵軌兩不分，鐵心柱上裝有繞組，鐵軌是

19、聯(lián)系兩個貼心柱的部分。2變壓器繞組構(gòu)成設(shè)備的內(nèi)部電路，它與外界的電網(wǎng)直接相接，是變壓器中最重要的部件，常把繞組比做變壓器的核心。心得通過學(xué)習(xí)電機與拖動，我們對變壓器有了一些初步了解，但那都是一些理論的東西，我們所掌握的還只是流于表面。通過這次小型單相變壓器的課程設(shè)計，我們才把學(xué)到的知識與實踐相結(jié)合。從而加深了我們對鎖學(xué)的知識的理解，更使我們加深了對所學(xué)知識的記憶。在此次的小型單相變壓器的設(shè)計過程中，我更進一步地熟悉了芯片的結(jié)構(gòu)及掌握了各芯片的工作原理和其具體的使用方法。也鍛煉了自己獨立思考問題的能力和通過查看相關(guān)資料來解決問題的習(xí)慣。在此次的設(shè)計中，我感受了同學(xué)們認真完成課程設(shè)計的態(tài)度和熱情。

20、設(shè)計中，同學(xué)們積極交流，找出設(shè)計中的不足，完善提高自己的作品質(zhì)量。大家積極合作，共同提高。在做課程設(shè)計的過程中，我感到自己學(xué)到的知識十分有限，所以查閱了大量資料，通過這次設(shè)計任務(wù)的學(xué)習(xí)，我的知識增長了很多。更深刻地了解有關(guān)變壓器的知識，同時也弄明白了以前不明白的知識點。通過這次課程設(shè)計，我們了解了課程設(shè)計的一般步驟和設(shè)計中應(yīng)注意的問題，同時我們也掌握了做設(shè)計的基本流程，為我們以后進行更復(fù)雜的設(shè)計奠定了堅實的基礎(chǔ)。設(shè)計本身并不是有很重要的意義，而是同學(xué)們對待問題時的態(tài)度和處理事情的能力。設(shè)計的結(jié)果不是最重要的，設(shè)計的過程最值得回味，設(shè)計的思想中的每一個環(huán)節(jié)，設(shè)計中各個部分的功能是如何實現(xiàn)的。各個

21、部分能夠完成什么樣的功能，使用材料時應(yīng)該注意那些要點。同一個部分可以用哪些材料實現(xiàn)，各種材料實現(xiàn)同一個功能的區(qū)別。另外，我們設(shè)計要從市場需求出發(fā)，既要有強大的功能，又要在價格方面比同等檔次的便宜。這些問題都值得我們注意并解決。參考文獻1 戴文進、陳瑛等編著，電機與拖動，清華大學(xué)出版社出版2 許建國編著，電機與拖動基礎(chǔ)3 唐介編著， 電機與拖動， 北京：高等教育出版社，2003年4 李海發(fā)編著， 電機學(xué)，北京：科學(xué)出版社，2001年附錄附錄1 用試驗方法測定變壓器的參數(shù)1、 空載試驗a)單相變壓器 b)三相變壓器圖2.18空載試驗接線圖 2、短路試驗圖2.19短路試驗接線圖 圖2.20 短路試驗簡化等值電路 附錄2 變壓器的運行特性1、 外特性與電壓變化率 圖2.1變壓器的外特性 圖 2.2變壓器帶電感性負載時的簡化相量圖式中的=I 1/I1N，為負載系數(shù)。2、效率及效率特性這樣，就可得到變壓器效率的表達式為 圖2.23 變壓器的效率特性也就是Po=2mPKN，說明最大效率發(fā)生在不變損耗（鐵損耗）與可變損耗（銅損耗）相等的時候。