他勵直流電動機串電阻的設(shè)計

1、淮 陰 工 學(xué) 院課程設(shè)計說明書作 者:學(xué) 號：學(xué) 院:機械工程學(xué)院專 業(yè):機械電子工程題 目: 他勵直流電動機串電阻啟動的設(shè)計 指導(dǎo)者： 緒論.11直流電動機.21.1直流電動機的工作原理.21.2直流電動機的分類.21.3直流電動機的工作原理.22他勵直流電動機.42.1他勵直流電動機的機械特性.42.2他勵直流電動機的啟動.52.21對啟動的要求.52.22電樞回路串電阻啟動.52.3直流電動機電樞串電阻啟動設(shè)計方案.82.31分級啟動主回路和控制回路以及相關(guān)電器元件.102.32啟動特性曲線.103設(shè)計體會.114參考文獻(xiàn).12緒論直流他勵電動機控制器的優(yōu)點是，線路無需切換即可實現(xiàn)牽引

2、與制動的轉(zhuǎn)換，帶載能力強，防空轉(zhuǎn)性能好。但是，如果不能掌握正確的啟動方法，電機還是不能正常運行的。下面，我們就要對電機的啟動過程和方法做一些必要的分析。由于啟動瞬間n=0，電樞電動勢，而電樞電阻有很小，所以啟動電流將達(dá)到很大的數(shù)值。過大的啟動電流，會引起電網(wǎng)電壓的波動，影響其他用戶的正常用電，并且會使電動機軸上受到很大的沖擊。這種不采取任何措施就直接把電動機加上額定電壓的啟動辦法，稱為直接啟動。處個別容量很小的電動機可以直接采用外，一般直流電動機不允許直接啟動【1】。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【2】。本文對他勵直流電機進(jìn)行細(xì)致的介紹，用圖片與文字相

3、結(jié)合的方式對他勵直流電機工作時過程中的變量與時間的關(guān)系進(jìn)行描繪，使我們更加清楚的了解他勵直流電機的工作原理。1直流電動機1.1直流電動機的工作原理圖1.1直流電動機的工作原理如圖1.1所示為一臺最簡單的兩極直流發(fā)電機的模型，N、S為定子磁極，繞組線圈放置在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上（稱為電樞鐵心），線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈首末分別連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換相片上。電樞線圈與外電路的連接是通過放置在環(huán)線片上固定不動的電刷進(jìn)行的，在此我們把正極電刷稱為B1，負(fù)極電刷稱為B2。外電源從電刷B1、B2輸入直流電源，使電流從正電刷B1流入，從負(fù)電刷B2流出，則此時N極下的線圈電

4、流總是由手段流向末端，S極下的線圈電流總是由末端流向首端。利用左手定則，可知N級下導(dǎo)體受到的電磁力的方向向左，S極下導(dǎo)體受到的電磁力方向向右，那么產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就使得線圈逆時針旋轉(zhuǎn)。由此可見，N極下和S極下的線圈受到的電磁力的方向始終不變的，它們產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方向 也就不變，這個轉(zhuǎn)矩使電樞始終沿一個方向旋轉(zhuǎn)，就把電能變成機械能，使之成為一臺直流電動機而帶動生產(chǎn)機械工作【3】。1.2直流電動機的分類直流電機的勵磁電流都是由外電源供給的，立此方式不同會使直流電動機的運行性能產(chǎn)生很大差異。按照勵磁方式的不同，直流電動機可以分為：他勵直流電動機、并勵直流電動機、串勵直流電動機、復(fù)勵直流電動機。1.3他勵直

5、流電動機的工作原理圖1.2他勵直流電動機接線圖上圖1.2是他勵直流電動機的電路接線圖，其中M為電機，若為發(fā)電機，則用G表示。Rf是勵磁調(diào)節(jié)電阻，Ra是電樞電阻，Ia是電樞電流，E為電動機的電動勢。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，永磁直流電機也可看作他勵直流電機【4】。2他勵直流電動機2.1他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞總電阻為恒指的條件下，電動機轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Te的關(guān)系曲線n=f(Te)或電動機轉(zhuǎn)速n與電樞電流Ia的關(guān)系曲線n=f(Ia），后者也就是轉(zhuǎn)速調(diào)整特性。電樞回

6、路的電壓平衡方程式為：（I）式中，U為電源電壓；E為電動機的反電動勢；Ia為電樞電流；R為電樞回路總電阻。直流電動機電樞回路反電動勢E為：（II）將（II）帶入（I）中，可得轉(zhuǎn)速表達(dá)式：（III）電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為：（IV）式中，Km是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，利用電磁轉(zhuǎn)矩Te表示的機械特性方程式為：（V）從（V）中可知：（VI）n0稱為理想空載轉(zhuǎn)速，表示當(dāng)Te=0時電動機的轉(zhuǎn)速n=n0電機轉(zhuǎn)速降為：（VII）的本質(zhì)是，電動機有載運行時，電樞回路電阻上的損耗以速度這一參量表示出的結(jié)果。機械特性曲線斜率為：（VIII）越大，越大，機械特性就越軟。通常稱小的機械特性為硬特性，大的機械特性為軟特性【5】

7、。在分析機械特性是需要注意：實際空載轉(zhuǎn)速和理想空載轉(zhuǎn)速的區(qū)別。指Te=0時的轉(zhuǎn)速，是電動機空載時的轉(zhuǎn)速，這是電動機必須克服空載轉(zhuǎn)矩T0，因此電動機實際空載轉(zhuǎn)速為：電樞反應(yīng)對機械特性的影響。當(dāng)電動機負(fù)載加大時，電磁轉(zhuǎn)矩Te電樞電流Ia加大，電樞反應(yīng)產(chǎn)生的去磁作用加大，使每極磁通減小，轉(zhuǎn)速n將回升，因此，機械特性在轉(zhuǎn)矩加大時會出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。上翹的機械特性會使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此往往在主磁極上加一個匝數(shù)很少的串勵繞組，其磁動勢可以抵消電樞反應(yīng)的去磁作用，但又不改變他勵直流電動機的機械特性。2.2他勵直流電動機的啟動直流電動機從接入電源開始，一直達(dá)到穩(wěn)定的運行速度的整個過程稱為直流電動機的啟動過程或啟動。

8、2.21對啟動的要求要使電動機的轉(zhuǎn)速從零逐步加速到穩(wěn)定的運行速度，在啟動時，電動機要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩才能完成啟動過程，電動機必須要陳勝足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩。電動機在啟動瞬間（n=0）的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為啟動轉(zhuǎn)矩，即：式中，為啟動電流，是n=0時的電視電流。由于啟動瞬間n=0，電樞電動勢，而電樞電阻又很小，所以啟動電流將很難達(dá)到很大的數(shù)值。過大的啟動電流，會引起電網(wǎng)電壓的波動，影響其他用戶的正常用電，并且會使電動機軸上受到很大的沖擊。這種不采取任何措施就直接把電動機加上額定電壓的啟動辦法，稱為直接啟動，除個別容量很小的電動機可以直接采用外，一般直流電機不允許直接啟動【6】。對直流電動機的啟動，一般提出以下基

9、本要求：要有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩；啟動電流不能超過允許值；啟動設(shè)備要簡單可靠。最根本的原則是確保有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩和限制電流。直流電機蟬蛹的啟動發(fā)發(fā)有電樞串電阻啟動和減壓啟動兩種，不論采用哪種啟動方式，啟東市都應(yīng)該保證電動機的磁通量達(dá)到最大值，因為，所以在相同的電流下，大則Te也會增大【7】。2.22電樞回路串電阻啟動啟動特性電樞回路串電阻可以有效的降低啟動電流。電機啟動時，勵磁電路的調(diào)節(jié)電阻，使勵磁電流達(dá)到最大。電動機上加額定電壓，啟動電流，應(yīng)使不大于容許值。由啟動電流產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩使電動機開始轉(zhuǎn)動并逐漸加速，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電樞反電動勢E也逐漸增大，使電樞電流逐漸減小，這樣，轉(zhuǎn)速上升的加速度就

10、逐漸降低下來了。為了縮短啟動時間，保證電動機在啟動過程中的加速度不變，要求在啟動過程中維持電樞電流不變，因此，隨著電動機轉(zhuǎn)速的增加，應(yīng)該將啟動電阻平滑的切除，最后調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速達(dá)到運行值【8】。一般講啟動電阻分若干段，逐段加以切除。通常是利用接觸器來切除啟動電阻，由于每一段電阻的切除都需要一個接觸器控制，因此啟動技術(shù)不宜過多，一般分為2到5級。圖2.1a所示電動機就是采用三級啟動。啟動開始瞬間，電樞回路串接全部啟動電阻，這是電樞回路總電阻為，啟動電流，達(dá)到最大值。圖2.1b中，稱為尖峰電流，一般電動機容量<150KW時，2.5；>150KW時，2。接入全部啟動電阻時的人為機械特性如

11、圖2.1b中的曲線1所示。隨著電動機開始加速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩將逐步減小，將沿著曲線1的箭頭指向變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高至，電流降至（圖2.1b中的b點）時，接觸器觸點閉合，將從電樞回路切除，稱為切換電流，一般取=（1.1-1.2）。此時電樞回路電阻將減小為，與之對應(yīng)的人為機械特性如圖2.1b中曲線2所示。在切除電阻的瞬間，由于機械慣性，轉(zhuǎn)速不能突變，仍為，但電機的工作點將由b點水平越至曲線2上的c點，選擇恰當(dāng)?shù)闹?，可使c點的電流值恰好為尖峰電流。這樣，電動機又進(jìn)一步加速，電流和轉(zhuǎn)速便沿著曲線2的箭頭指向變化。當(dāng)變化到d點、電流又降到時，接觸器的觸點閉合，將切除，電動機工作點由d點水平移到曲線3上的

12、e點。曲線3是電樞總電阻為時的人為機械特性，e點電流仍為尖峰電流，電流和轉(zhuǎn)速就沿著曲線3變化，當(dāng)變化到f點、電流又降到時，接觸器的觸點閉合，最后一級電阻切除，電動機將過渡到固有機械特性曲線4上，并沿固有機械特性加速。當(dāng)達(dá)到w點時，電磁轉(zhuǎn)矩額與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，電動機便在w點所對應(yīng)的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運行，啟動過程結(jié)束【9】。圖2.1電樞串電阻啟動電路和啟動過程(a)啟動電路 (b)啟動過程啟動電阻的計算電動機在啟動過程中，當(dāng)切除第一級電阻是，運行點將由b移至c，因為b、c兩點轉(zhuǎn)速相等，則。這樣：在b點有： 在c點有： 上兩式相除得： 同樣，當(dāng)運行點由d點移至e點時，有：而從f點移到g點時有： 這樣，3級啟

13、動時就有： 設(shè)，稱為啟動電流比（或啟動轉(zhuǎn)矩比），則各級啟動總電阻為： （i）每極啟動電阻為相鄰兩極的總啟動電阻之差，即： （ii）啟動電流倍數(shù)為： （iii）推廣到啟動級數(shù)為m的一般情況，則： （iv） （v） （vi） （vii）在具體計算是，可能有下述兩種情況：1. 啟動級數(shù)m未知。此時可按尖峰電流、切換電流的規(guī)定范圍，初選、及值，并用公式（vii）求出m，式中RM=U/Ist1，若求得m為分?jǐn)?shù)，則將其加大至相近的整數(shù)，然后將m的整數(shù)值帶入（vi）中，求新的值，用新的值帶入（ii）中求各部分啟動電阻。2. 啟動級數(shù)m已知。先選定尖峰電流，算出RM=U/Ist1，將m及帶入（vi）中，算出值

14、，然后由式（ii）求各級啟動電阻【10】。2.3直流電動機電樞串電阻啟動設(shè)計方案選取的他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)為：PN=29KW，UN=440V,IN=76A，nN=1000r/min,Ra=0.377，飛輪轉(zhuǎn)矩。選擇啟動電流Ist1和切換電流Ist2Ist1=（1.52.0）IN=（1.52.0）×76A=（144152）AIst2=（1.11.2）IN=（1.11.2）×76A=(83.691.2)A選擇Ist1=152A，Ist2=91.2A求出起切電流比求出啟動時點數(shù)電路的總電阻Rm求出啟動級數(shù)m 取m=4重新計算，校驗Ist2。 I2在規(guī)定范圍之內(nèi)。各級啟動總電阻

15、為： 各級啟動電阻為： 各級啟動時間常數(shù)Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5分別為： 設(shè)，則 各級啟動時間如下 第一級啟動時間為： 第二級啟動時間為： 第三級啟動時間為： 第四級啟動時間為：電阻全部切除后電動機達(dá)到穩(wěn)定的時間為：總啟動時間為：2.3.1分級起動主回路和控制回路以及相關(guān)電氣元件2.3.2啟動特性曲線3設(shè)計體會剛剛拿到這個課題的時候，我們一頭霧水毫無思路可言。但是在我們?nèi)ミ^圖書館翻閱相關(guān)資料后，我們的思路漸進(jìn)明了。首先，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。然后我們要注意的是，我們必須注意所串聯(lián)電阻并不是越大越好，

16、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。接著，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【11】。最后此次課程設(shè)計讓我掌握了電機的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和性能參數(shù)，電力托動系統(tǒng)的一種運行方式、動靜態(tài)分析，電機的選擇和實驗方法，以及直流電動機的調(diào)速控制系統(tǒng)的基本原理和典型應(yīng)用的分析和設(shè)計，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課及今后工作做必要的知識和技能準(zhǔn)備，使我們能夠從工程使用的角度提出問題、分析問題和解決問題，通過此次課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，能勝任對電氣傳動系統(tǒng)的使用、維護(hù)和管理工作。4參考文獻(xiàn)【1】丁學(xué)文.電力拖動運行控制系統(tǒng) M.北京：機械工業(yè)出版社，2007【2】馮清秀、鄧星鐘著，機電傳動控制，華中科技大學(xué)出版社，2014【3】李發(fā)海，朱東起. 電機學(xué) M.北京：科學(xué)出版社，2001【4】許實章.電機學(xué) M.