電機與拖動課程設(shè)計-他勵直流電動機串電阻啟動的設(shè)計

1、提供全套畢業(yè)論文，各專業(yè)都有課程設(shè)計名稱： 電機與拖動課程設(shè)計題 目：他勵直流電動機串電阻啟動的設(shè)計 專 業(yè)： 班 級： 姓 名：學(xué) 號：遼寧工程技術(shù)大學(xué)課程設(shè)計成績評定表學(xué)期20112012學(xué)年第一學(xué)期姓名專業(yè)班級課程名稱電機與拖動論文題目評定標準評定指標分值得分知識創(chuàng)新性20理論正確性20內(nèi)容難易性15結(jié)合實際性10知識掌握程度15書寫規(guī)范性10工作量10總成績100評語：任課教師時間年月日備注課程設(shè)計任務(wù)書一、設(shè)計題目他勵直流電動機串電阻啟動的設(shè)計二、設(shè)計任務(wù)某工廠有一臺他勵直流電動機，已知參數(shù)如下Pan=200kw ；Uan=440v ；Ian=497A ； nN=1500r/min；

2、Ra=0.076；WW采用分級啟動，啟動電流最大不超過2IaN,，求各段電阻值，并且求出切除電阻時的瞬時轉(zhuǎn)速和電動勢，并作出機械特性曲線，對啟動特性進行分析。三、設(shè)計計劃第1天查閱資料，熟悉所選題目；第2天根據(jù)基本原理進行方案分析；第3天整理思路，按步驟進行設(shè)計；第4天整理設(shè)計說明書；第5天準備答辯；四、設(shè)計要求1、設(shè)計工作量為按要求完成設(shè)計說明書一份。2、設(shè)計必須根據(jù)進度計劃按期完成。3、設(shè)計說明書必須經(jīng)指導(dǎo)教師審查簽字方可答辯。指導(dǎo)教師：王繼強劉春喜李國華教研室主任：汪玉鳳時間：2013年6月28日摘要他勵直流電動機啟動時由于電樞感應(yīng)電動勢Ea=Cen=0,最初啟動電流IS=U/Ra,若直

3、接啟動,由于Ra很小,ISt會十幾倍甚至幾十倍于額定電流,無法換向,同時也會過熱,因此不能直接啟動。要限制啟動電流ISt的大小可以有兩種方法:降低電樞電壓和電樞回路串接附加電阻。本文僅以他勵直流電動機的串電阻啟動為主題進行詳細的闡述。在實際中，如果能夠做到適當選用各級啟動電阻，那么串電阻啟動由于其啟動設(shè)備簡單、經(jīng)濟和可靠，同時可以做到平滑啟動，因而得到廣泛應(yīng)用。但對于不同類型和規(guī)格的直流電動機，對啟動電阻的級數(shù)要求也不盡相同。關(guān)鍵詞：他勵直流電動機；啟動電流；串電阻啟動；目錄引言21 直流電動機31.1直流電動機的工作原理31.2直流電動機的分類31.3他勵直流電機工作原理32 他勵直流電動機

4、的啟動52.1 他勵直流電動機串電阻啟動52.2 直流電動機電樞串電阻起動設(shè)計方案82.3 多級啟動的規(guī)律93 結(jié)論104 設(shè)計體會115 參考文獻12引言他勵直流電動機的啟動時間雖然很短，但是如果不能采用正確的啟動方法，電動機就不能正常地投入運行。為此，應(yīng)對電動機的啟動過程和方法進行必要的分析。直接啟動時，他勵直流電動機電樞加額定電壓UN，電樞回路不串任何電阻，此時由于n=0，Ea=0，所以啟動電流Ist=UN/Ra，由于電樞回路總電阻Ra較小，所以Ist可以達到額定電流IN的十幾甚至幾十倍。這樣大的電流 也可以造成電機換向嚴重不良，產(chǎn)生火花，甚至正、負電刷間出現(xiàn)電弧，燒毀電刷及換向器【1】

5、。另外，過大的啟動電流使啟動轉(zhuǎn)矩Tst過大，會使機械撞擊，也會引起供電電網(wǎng)電波動，從而引起其他接于同一電網(wǎng)上的電氣設(shè)備的正常運行【2】，因此是不允許的。一般只有微型直流電動機，由于自身電樞電阻大，轉(zhuǎn)動慣量小，啟動時間短，可以直接啟動，其他直流電機都不允許直接啟動。在拖動裝置要求不高的場合下，可以采用降低啟動電壓或在電樞回路串電阻的方法【3】。他勵直流電動機在電樞回路中串電阻，具有良好的啟動特性、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較小的啟動電流，可以滿足生產(chǎn)機械需要的要求。本文借助圖像對整個過程被各個變量與時間的相互關(guān)系進行了描繪，對更加清楚地了解和設(shè)計他勵直流電機啟動的特點具有重要意義。1 直流電動機1.1直流

6、電動機的工作原理圖1.1直流電動機的工作原理直流電動機的工作原理：上圖所示為最簡單的直流電動機工作原理示意圖。直流電動機換向器是由二片互相絕緣的半圓銅環(huán)（換向片）構(gòu)成的，每一換向片都與相應(yīng)的電樞繞組連接，與電樞繞組同軸旋轉(zhuǎn)，并與電刷A、B相接觸。若電刷A是正電位，B是負電位，那么在N極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組ab中的電流從a流向b，在S極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組cd中的電流從c流向d。轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，如圖中ab邊受力方向是向左，而cd則向右。由于磁場是對稱的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以ab邊和cd邊所受的電磁力的大小相等。這

7、樣轉(zhuǎn)子線圈上受到的電磁力 f的作用而按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面時，線圈中的電流為零。因此，電磁力也等于零。但由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。線圈轉(zhuǎn)過半圈之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是由于電刷和換向片的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中的電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流，則從b流向a。因此，電磁力f的方向仍然不變，轉(zhuǎn)子線圈仍按逆時針方向轉(zhuǎn)動?？芍?，分別在N，S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的。由此，線圈二邊受力方向也不變。這樣，線圈就可以按照受力方向不停地旋轉(zhuǎn)。1.2直流電動機的分類根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分；他

8、勵直流電機、并勵直流電機、串勵直流電機、復(fù)勵直流電機。1.3他勵直流電機工作原理他勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，接線如圖1.3所示。圖中M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。圖1.3他勵直流電機工作原理圖2 他勵直流電動機的啟動2.1 他勵直流電動機串電阻啟動增加電樞電阻起動在實際中，如果能夠做到適當選用各級起動電阻，那么串電阻起動由于其起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟和可靠，同時可以做到平滑快速起動，因而得【5】到廣泛應(yīng)用。但對于不同類型和規(guī)格的直流電動機，對起動電阻的級數(shù)要求也不盡相同。下面僅以直流他

9、勵電動機電樞回路串電阻起動為例說明起動過程。(1) 啟動過程分析如圖2.1（a)所示，當電動機已有磁場時，給電樞電路加電源電壓U。觸點KM1、KM2均斷開,電樞串入了全部附加電阻RK1+RK2 ,電樞回路總電阻為Ral=ra+RK1 +RK2。這是啟動電流為=與起動電流所對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩為T1。對應(yīng)于由電阻所確定的人為機械特性如圖2.1(b)中的曲線1所示。(a) 電路圖(b) 特性圖圖2.1直流他勵電動機分二級起動的電路和特性根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程式T-TL=J式中 T電動機的電磁轉(zhuǎn)矩； TL由負載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩； J電動機的轉(zhuǎn)動慣量；由于起動轉(zhuǎn)矩T1大于負載轉(zhuǎn)矩TL，電動機受到加

10、速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，電動機開始起動。在圖2.1(b)上，由a點沿曲線1上升，反電動勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動機的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點時，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點KM1閉合，切除一段起動電阻RK1。b點所對應(yīng)的電樞電流稱為切換電流，其對應(yīng)的電動機的轉(zhuǎn)矩T2稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+。這時電動機對應(yīng)于由電阻Ra2所確定的人為機械特性，見圖2.1(b)中曲線2。在切除起動電阻RK1的瞬間，由于慣性電動機的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動勢亦不變。因此，電樞電流突增，其相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)矩也突增。適當?shù)剡x擇所切除的電阻值，使切除后的電樞電流

11、剛好等于，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2，即在曲線2上的c點。又有T1T2，電動機在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點沿曲線2上升到d點?？刂泣cKM2閉合，又切除一切起動電阻。同理，由d點過度到e點，而且e點正好在固有機械特性上。電樞電流又由突增到，相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1 TL，沿固有特性加速到g點T=TL，n=ng電動機穩(wěn)定運行，起動過程結(jié)束。在分級起動過程中，各級的最大電流 (或相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2)及切換電流 (或與之相應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2)都是不變的，這樣，使得起動過程有較均勻的加速。要滿足以上電樞回路串接電阻分級起動的要求，前提是選擇合適的各級起動電阻。下面討論應(yīng)該如何計算起動電阻。(2) 起動電

12、阻的計算在圖2.1(b)中，對a點，有=即 Ra1=當從曲線1(對應(yīng)于電樞電路總電阻Ra1=ra+)轉(zhuǎn)換得到曲線2(對應(yīng)于總電阻Ra2=ra+)時，亦即從點轉(zhuǎn)換到點時，由于切除電阻RK1進行很快，如忽略電感的影響，可假定nb=nc，即電動勢Eb=Ec，這樣在點有=在c點=兩式相除，考慮到Eb=Ec，得同樣，當從d點轉(zhuǎn)換到e點時，得=這樣，如圖2.1所示的二級起動時，得=推廣到m級起動的一般情況，得=式中為最大起動電流與切換電流之比，稱為起動電流比(或起動轉(zhuǎn)矩比)，它等于相鄰兩級電樞回路總電阻之比。由此可以推出=式中m為起動級數(shù)。由上式得=如給定,求m,可將式=取對數(shù)得 m=由式=可得每級電樞回

13、路總電阻進而求出各級啟動電阻為：=Ra1-Ra2=Ra2-Ra3=Ra3-Ra4 R(m-1)= Ra(m-1)- Ram Rm= Ram-ra起動最大電流及切換電流按生產(chǎn)機械的工藝要求確定，一般=(1.52.0) =(1.11.2) 2.2 直流電動機電樞串電阻起動設(shè)計方案1）選擇啟動電流和切換電流=(1.52.0)=(1.52.0)497=(745.5994)A=(1.11.2)=(1.11.2)497=(546.7596.4)選擇=840，=560。2）求出起切電流比=1.53）求出啟動時電樞電路的總電阻RamRam=0.524（4）求出啟動級數(shù)mm=4.76 取m=55）重新計算，校驗

14、=1.47=571在規(guī)定范圍之內(nèi)。6）求出各級總電阻=ra=1.4750.076=0.52=ra =1.4740.076=0.35=ra=1.4730.076=0.24=ra=1.4720.076=0.16=ra=1.470.076=0.11=Ra=0.0767）求出各級啟動電阻Rst1=-=(0.11-0.076)=0.034Rst2=-=(0.16-0.11)=0.05Rst3=-=(0.24-0.16)=0.08Rst4=-=(0.35-0.24)=0.11Rst5=-=(0.52-0.35)=0.272.3 多級啟動的規(guī)律2.3.1不同加速級的機電常數(shù)是不同的，電樞電路的電阻越大，則T

15、M越大。2.3.2不同加速級的起始轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是不同的，這是由于不同的機械特性與恒切換轉(zhuǎn)矩T2（或切換電流I2）特性及恒負載轉(zhuǎn)矩TL（或負載電流IL）特性的交點是不同的。2.3.3啟動級數(shù)的選?。喝Q于負載的大小與對啟動平滑性的要求。級數(shù)越多啟動平滑性越好，但是啟動設(shè)備與控制裝置龐雜，投資大【4】。一般取m=24級，空載或輕載取m=12，重載或滿載取m=34。3 結(jié)論根據(jù)以上的設(shè)計實踐，他勵直流電動機串電阻啟動計算方法可歸結(jié)如下：(1)選擇啟動電流和切換電流=（2.02.5）IN=(1.11.2)IL啟動電流為,對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩T1；T1=(1.52.0) TN切換電流為,對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩T2；

16、T2=（1.52.0）TN(2)出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比；=/(3)出電動機的電樞電路電阻ra；Ra=（1/22/3）UNIN-PN*1000/IN*IN(4)出啟動時的電樞總電阻Rm；Rm=UaN/IaN(5)出啟動級數(shù)m；m=（lgRm/Ra）/lg選取m=3(6)重新計算，校驗I2是否在規(guī)定范圍內(nèi)；若m是取相近整數(shù)，則需重新計算；=再根據(jù)得出的重新求出，并校驗是否在規(guī)定范圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大啟動級數(shù)m重新計算和，直到符合要求為止。(7)出各級總電阻(8)求出各級啟動電阻這便是他勵直流電動機電樞串電阻起動的大體思路與過程。4 設(shè)計體會在分級啟動中，只要知道最大啟動電流和切換電流，我們即可以計算出分級啟動電阻以及啟動過程中的電阻切換時刻。我們必須注意所串聯(lián)電阻并不是越大越好，太大可能導(dǎo)致無法啟動。另外，要得到更大的啟動轉(zhuǎn)矩，必須增加啟動級數(shù)，這樣所需設(shè)備多，透投資大，維修不便。此設(shè)計忽略了電電感的影響，在電阻切除時刻，電流有個躍變，若是考慮電樞電感阻礙電流躍變的作用，實際的啟動特性中電流由切換電流變化到最大會稍慢，對整個過程影響小【6