直流電機(jī)串電阻啟動(dòng)過程設(shè)計(jì)

1、指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)： 審定成績(jī)： 重 慶 郵 電 大 學(xué) 移 通 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：直流電機(jī)的串電阻啟動(dòng)過程設(shè)計(jì)學(xué) 校： 重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院 學(xué) 生 姓 名： 專 業(yè)： 班 級(jí)： 學(xué) 號(hào)： 指 導(dǎo) 教 師： 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2012 年 12月重慶郵電大學(xué)移通學(xué)院目 錄一、直流電動(dòng)機(jī)的綜述1二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)2三、設(shè)計(jì)內(nèi)容6四、結(jié)論10五、心得體會(huì)12六、參考文獻(xiàn)12一、直流電動(dòng)機(jī)的綜述直流電機(jī)可作為電動(dòng)機(jī)用，也可作為發(fā)電機(jī)用。直流電動(dòng)機(jī)是將直流電轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的而帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的電器設(shè)備。與交流電動(dòng)機(jī)相比，直流機(jī)因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)困難、價(jià)格較貴等缺點(diǎn)制約了它的發(fā)展，但是它具有良好的起動(dòng)

2、、調(diào)速和制動(dòng)性能，因此在速度調(diào)節(jié)要求較要、正反轉(zhuǎn)和起動(dòng)頻繁或多個(gè)單元同步協(xié)調(diào)運(yùn)轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械上，仍廣泛采用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖1-1，電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉(zhuǎn)軸與機(jī)械負(fù)載相連，這是便有電流從電源正極流出，經(jīng)電刷A流入電樞繞組，然后經(jīng)過電刷B流回電源的負(fù)極。在N級(jí)下面導(dǎo)線電流是由a到b，根據(jù)左手定則可知導(dǎo)線ab受力的方向向左，而cd的受力方向是向右的。當(dāng)兩個(gè)電磁力對(duì)轉(zhuǎn)軸所形成的電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩是，電動(dòng)機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)過180度時(shí)，這是導(dǎo)線的電流方向變?yōu)橛蒬到c和b到a，因此電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然是逆時(shí)針的 ,這樣就使得電機(jī)一直旋轉(zhuǎn)下去。 圖1-1 直流電動(dòng)機(jī)

3、的工作原理圖二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。機(jī)械特性是電動(dòng)機(jī)機(jī)械性能的主要表現(xiàn)，它與負(fù)載的機(jī)械特性，運(yùn)動(dòng)方程式相聯(lián)系，將決定拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行及過渡過程的工作情況。 機(jī)械特性中的是電磁轉(zhuǎn)矩，它與電動(dòng)機(jī)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩是不同的，其間差一空載轉(zhuǎn)矩，即 在一般情況下，因?yàn)榭蛰d轉(zhuǎn)矩相比或很小，所以在一般的工程計(jì)算中可以略去，即 在電機(jī)學(xué)中已知直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式為式中R為電樞回路總電阻，包括及電樞回路串聯(lián)電阻，為理想空載轉(zhuǎn)速記為，記為，為機(jī)械特性的斜率。當(dāng)，電樞回路沒有串電阻時(shí)的機(jī)械特性稱為直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。當(dāng)改變U或或電樞回路串電阻

4、時(shí)，其機(jī)械特性的或?qū)⑾鄳?yīng)變化，此時(shí)稱為直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性。若不計(jì)電樞反應(yīng)的影響，當(dāng)電動(dòng)機(jī)正向運(yùn)行時(shí)，其機(jī)械特性是一條橫跨I、II、IV象限的直線。其中第I象限為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，其特點(diǎn)是電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向（轉(zhuǎn)速的方向）相同，第II、IV象限為制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)在制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行，是產(chǎn)生一個(gè)與轉(zhuǎn)向相反的阻力矩，以使電機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)迅速停車或限制轉(zhuǎn)速的升高。制動(dòng)狀態(tài)轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，此時(shí)電動(dòng)機(jī)從輸出軸上吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能反饋回電網(wǎng)或消耗在電阻中。第III象限為反向電動(dòng)運(yùn)行。制動(dòng)運(yùn)行的方式分為能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)條件直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)負(fù)載順利起動(dòng)的條件是：

5、1) 起動(dòng)電流限制在一定范圍內(nèi)，即Ist l IN， l 為電機(jī)的過載倍數(shù)； 2) 足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，Tst （1.11.2）TN ； 3) 起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠。 由Ist =UN/Ra可知，限制起動(dòng)電流的措施有兩個(gè)：一是增加電樞回路電阻，二是降低電源電壓，即直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有電樞串電阻和降壓兩種。 3.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直接起動(dòng) 直接起動(dòng)是指接通勵(lì)磁電源后，將電動(dòng)機(jī)的電樞直接投入額定電壓的電源上起動(dòng)。直接起動(dòng)又稱為全壓起動(dòng)。由于起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速等于零，電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) （4-1）則起動(dòng)電流為 （4-2） 由于電樞繞組的電阻Ra很小，所以起動(dòng)電流很大，可達(dá)到額定電流的十幾倍。該電流對(duì)電

6、網(wǎng)的沖擊很大。因而，除了小容量電機(jī)可采用直接起動(dòng)外，對(duì)大中、容量的電動(dòng)機(jī)不能直接起動(dòng)。降電壓起動(dòng)降低電樞電壓起動(dòng)，即起動(dòng)前將施加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電源電壓降低，以減小起動(dòng)電流 ，電動(dòng)機(jī)起動(dòng)后，再逐漸提高電源電壓，使起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩維持在一定數(shù)值，保證電動(dòng)機(jī)按需要的加速度升速。這種起動(dòng)方法需要專用電源，投資較大，但起動(dòng)電流小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩容易控制，起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)能耗小，是一種較好的起動(dòng)方法。 電樞串電阻起動(dòng)在實(shí)際中，如果能夠做到適當(dāng)選用各級(jí)起動(dòng)電阻，那么串電阻起動(dòng)由于其起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和可靠，同時(shí)可以中道平滑快速情動(dòng)，因而得到廣泛應(yīng)用。但對(duì)于不同類型和規(guī)格的直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)起動(dòng)電阻的級(jí)數(shù)要求也不盡相同。

7、下面所示直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞電路串電阻二級(jí)起動(dòng)為例說明起動(dòng)過程。起動(dòng)過程分析：如圖4-1（a）所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)已有磁場(chǎng)時(shí)，給電樞電路加電源電壓U。觸點(diǎn)KM1、KM2均斷開，電樞傳入了全部附加電阻Rk1+Rk2電樞回路總電阻為Ral=ra+Rk1+Rk2。這時(shí)起動(dòng)電流為： （4-3）與起動(dòng)電流所對(duì)應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為T1。對(duì)應(yīng)于由電阻所確定的人為機(jī)械特性如圖4-1（b）中的曲線1所示。圖4-1 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)分二級(jí)起動(dòng)的電路和特性根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程： （4-4）式中： T 電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； TL 由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩； Jdw/dt -電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩后所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)

8、矩T1大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL,電動(dòng)機(jī)收到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)矩有零逐漸上升，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。在圖4-1（b）中，由a點(diǎn)沿著曲線1上升，反電動(dòng)勢(shì)亦隨之上升，電樞電流下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點(diǎn)時(shí)，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點(diǎn)KM1閉合，切除一段起動(dòng)電阻Rk1后，b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電樞電流I2成為切換電流，其對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T2成為切換轉(zhuǎn)矩。切除RK1后 ,電樞回路總電阻為Ra2=ra+Rk2。這時(shí)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)于由電阻Ra2確定的人為機(jī)械特性。在切除起動(dòng)電阻RK1的瞬間，由于慣性電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動(dòng)勢(shì)亦不變。因此，電樞電流突增，其相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)倪x擇切除

9、的電阻值Rk1，使切除Rk1后的電樞電流剛好等于I1,所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2，即在曲線2上的c點(diǎn)。又有T1T2,電動(dòng)機(jī)在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點(diǎn)沿曲線2上升到d點(diǎn)。控制點(diǎn)KM2閉合，又切除一切起動(dòng)電阻Rk2。同理，由d點(diǎn)過度到e點(diǎn)，而且e點(diǎn)正好在固定的機(jī)械特性上。電樞電流又由I2突增到I1相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1T2，沿固有特性加速到g點(diǎn)T=TL，n=ng電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)過程結(jié)束。在分級(jí)起動(dòng)過程中，各級(jí)的最大電流I1（或者相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2）及切換電流I2（或者與之對(duì)應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2）都是不變的，這樣，使得起動(dòng)過程中有均勻的加速。要滿足以上電樞回路串接電阻分級(jí)起動(dòng)的要求，前提是選擇

10、合適的各級(jí)起動(dòng)電阻。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容由直流電動(dòng)機(jī)銘牌知數(shù)據(jù)：PN=22KW , IN=116.3A ,UN=220V , nN=1500r/min1)選擇啟動(dòng)電流和切換電流I1=(2.02.5)IN=(2.02.5) 116.3A=(232.6-290.7)AI2=(1.11.2)IN=(1.11.2) 116.3A=(127.9-139.5)A取 I1=2.2IN=2116.3A=232.6A I2 =1.2IN=1116.3A=116.3A2)求出起切電流比=23)求出啟動(dòng)時(shí)電樞電路的總電阻RamRam=0.954)求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)m取m=35)重新計(jì)算，校驗(yàn)切換電流或校驗(yàn)切換轉(zhuǎn)矩=1.93I2=

11、120.51AI2在規(guī)定范圍之內(nèi)。6)求出各級(jí)總電阻設(shè)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3、時(shí)電勢(shì)分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：b點(diǎn) R3I2=UN-Ea1 c點(diǎn) R2I1=UN-Ea1 d點(diǎn) R2I2=UN-Ea2e點(diǎn) R1I1=UN-Ea2 f點(diǎn) R1I2=UN-Ea3 g點(diǎn) RaI1=UN-Ea3求得R3= Ram=0.9532 R2=0.4717 R1=0.2352Ra= 0.1173比較以上各式得： =1.937)求出各級(jí)啟動(dòng)電阻輸入功率 P1= UNIN=220116.3W=25586W總損耗 P=P1-PN=25586-22000W=3586W電樞回路電阻Ra= =0.1326Rst1

12、=(-1)Ra=0.12332Rst2=(-1) Ra=Rst1=0.23801Rst3=(-1) 2Ra=2Rst3=0.459358)設(shè)計(jì)控制直流電機(jī)串電阻啟動(dòng)的控制電路原理圖四結(jié)論額定功率較小的電動(dòng)機(jī)可采用在電樞電路內(nèi)串起動(dòng)變阻器的方法起動(dòng)。起動(dòng)前先把起動(dòng)變阻器調(diào)到最大值，加上勵(lì)磁電壓Uf，保持勵(lì)磁電流為額定值不變。在接通電樞電源，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小起動(dòng)變阻器的電阻，直到全部切除。額定功率比較大的電動(dòng)機(jī)一般采用分級(jí)方法以保證起動(dòng)過程中既有比較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又使起動(dòng)電流不會(huì)超過允許值。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)計(jì)算方法選擇啟動(dòng)電流和切換電流啟動(dòng)電流為I1=(2.02.5

13、)IN ，對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1=(1.52.0)IN切換電流為I2=(1.11.2)IN ，對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2=(1.11.2)IN求出起切電流比=求出啟動(dòng)時(shí)電樞電路的總電阻RamRam=求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)m重新計(jì)算，校驗(yàn)切換電流或校驗(yàn)切換轉(zhuǎn)矩= ， I2= ，跟據(jù)得出的重新求出I2，并校驗(yàn)I2是否在規(guī)定范圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需改變啟動(dòng)級(jí)數(shù)m重新計(jì)算和I2，直到符合要求為止。求出各級(jí)總電阻設(shè)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3、時(shí)電勢(shì)分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：b點(diǎn) R3I2=UN-Ea1c點(diǎn) R2I1=UN-Ea1d點(diǎn) R2I2=UN-Ea2e點(diǎn) R1I1=UN-Ea2f點(diǎn) R1I2=UN-Ea3g點(diǎn) RaI1=UN-Ea3 比較以上各式得:求出各級(jí)啟動(dòng)電阻Rst1=(-1)RaRst2=(-1) Ra=Rst1Rst3=(-1) 2Ra=2Rst2Rstm=(-1) m-1Ra=m-1Rstm-1五心得體會(huì)經(jīng)過為期一周的研究與設(shè)計(jì)，本次電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)直流電機(jī)的串電阻啟動(dòng)過程設(shè)計(jì)較為順利的完成。這是我自入學(xué)以來第一次進(jìn)行課程設(shè)計(jì)，因此感觸頗深： 通過這次課程設(shè)計(jì)，使我更進(jìn)一步了解了直流電動(dòng)機(jī)的工作原理及其起動(dòng)過程，對(duì)直流電機(jī)的電力拖動(dòng)有了更加深入的理解與體會(huì)。在這次設(shè)計(jì)過程中，我深刻地體會(huì)到 了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)，必須要有一個(gè)正確的態(tài)度去面對(duì)設(shè)計(jì)，努力地為了完成各種 參數(shù)的