他勵直流電動機(jī)啟動

歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計時間：2021.03.07時間：2021.03.07創(chuàng)作：歐陽德課題：他勵直流電動機(jī)啟動系別：電氣與信息工程學(xué)院專業(yè)：學(xué)號：姓名：指導(dǎo)教師：河南城建學(xué)院2015年1月4日成績評定?一、指導(dǎo)教師評語（根據(jù)學(xué)生設(shè)計報告質(zhì)量、答辯情況及其平時表現(xiàn)綜合評定）。二、評分課程設(shè)計成績評定成績：目錄五級制）指導(dǎo)教師簽字 年月日一、設(shè)計目的…………1二、設(shè)計要求…………1三、設(shè)計內(nèi)容…………13.1、直流電動機(jī)……………13.1.1直流電動機(jī)……………13.1.2直流電動機(jī)的分類……………………23.1.3他勵直流電機(jī)工作原理………………2他勵直流電動機(jī)的啟動…………………3他勵直流電動機(jī)串電阻啟動…………3直流電動機(jī)電樞串電阻起動設(shè)計方案………………6多級啟動的規(guī)律………7結(jié)論…………7他勵直流電動機(jī)串電阻起動特性分析……8四、設(shè)計體…10五、參考文獻(xiàn)……………10歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07一、設(shè)計目的通過對一個實用控制系統(tǒng)的設(shè)計，綜合運用科學(xué)理論知識，提高工程意識和實踐技能，使學(xué)生獲得控制技術(shù)工程的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實際、分析解決實際問題的初步應(yīng)用能力。二、設(shè)計要求完成所選題目的分析與設(shè)計，進(jìn)行系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、論證和選擇；系統(tǒng)單元主電路和控制電路的設(shè)計、元器件的選擇和參數(shù)計算；課程設(shè)計報告的整理工作。三、設(shè)計內(nèi)容有一臺他勵直流電動機(jī)，已知參數(shù)如下Pan=200kw；Uan=440v；Ian=497A；Nn=1500r/min；Ra=0.076。；采用分級啟動，啟動電流最大不超過2IA,,求出各段電阻值，并作出機(jī)械特性曲線，對啟動特性進(jìn)行分析。他勵直流電動機(jī)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(jī)就不能正常地投入運行。為此，應(yīng)對電動機(jī)的啟動過程和方法進(jìn)行必要的分析。直接啟動時，他勵直流電動機(jī)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(dá)到額定電流In的十幾甚至幾十倍。這樣大的電流可能造成電機(jī)換向嚴(yán)重不良，產(chǎn)生火花，甚至正、負(fù)電刷間出現(xiàn)電弧，燒毀電刷及換向器。另外，過大的啟動電流使啟動轉(zhuǎn)矩Tst過大，會使機(jī)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，因此是不允許的。一般只有微型直流電動機(jī)，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(jī)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。他勵直流電動機(jī)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(jī)械需要的要求。本文借助圖像對整個過程及各個變量與時間的相互關(guān)系進(jìn)行了描繪，對更加清楚地了解和設(shè)計他勵直流電機(jī)啟動的特點具有重要意義。3.1直流電動機(jī)3.1.1直流電動機(jī)的工作原理下圖所示為最簡單的直流電動機(jī)工作原理示意圖。圖3.1直流電動機(jī)的工作原理直流電動機(jī)換向器是由兩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(fù)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(jī)左手定則判斷，圖中ab邊受力方向是向左，而cd邊則向右。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，這樣轉(zhuǎn)子線圈上受到電磁力F的作用而按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)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。由此可知，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，因此，線圈兩邊受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停地旋轉(zhuǎn)。3.1.2直流電動機(jī)的分類根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為：他勵直流電機(jī)、并勵直流電機(jī)、串勵直流電機(jī)、復(fù)勵直流電機(jī)。3.1.3他勵直流電機(jī)工作原理他勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵直流電機(jī)，接線如圖1.2所示。圖中M表示電動機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵直流電機(jī)。圖3.2他勵直流電機(jī)工作原理圖3.2他勵直流電動機(jī)的啟動他勵直流電動機(jī)串電阻啟動在實際中，如果能夠做到適當(dāng)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(jì)和可靠，同時可以做到平滑快速起動，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(jī)，對起動電阻的級數(shù)要求也不盡相同。啟動過程分析如圖3.3(a)所示，當(dāng)電動機(jī)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,這時啟動電流為I1=Ral=ra+RK1+RK2，與啟動電流所對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩為T1，此時由電阻所確定的人為機(jī)械特性如圖2.1(b)中的曲線1所示。(a)電路圖(b)特性圖圖3.3直流他勵電動機(jī)分二級起動的電路和特性d3根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程式T-TL=J為式中T——電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；TL——由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩；J——電動機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量；由于起動轉(zhuǎn)矩T1大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動機(jī)受到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，電動機(jī)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(jī)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I2稱為切換電流，其對應(yīng)的電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T2稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除Rk1后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+Rk2。這時電動機(jī)對應(yīng)于由電阻Ra2所確定的人為機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)剡x擇所切除的電阻值Rk1,使切除Rk1后的電樞電流剛好等于I1，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2,即在曲線2上的c點。又有T1>T2，電動機(jī)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，又切除起動電阻Rk2。同理，由d點過度到e點，而且e點正好在固有機(jī)械特性上。電樞電流又由L突增到I1，相應(yīng)的電動機(jī)轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1>^，沿固有特性加速到g點T=TL，n=ng電動機(jī)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L(或相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2)及切換電流L(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。起動電阻的計算U U在圖2.1(b)中，對a點，有I1=Ra1，即Ra1=11，當(dāng)從曲線1(對應(yīng)于電樞電路總電阻Ra1=ra+Rk1+Rk2)轉(zhuǎn)換得到曲線2(對應(yīng)于總電阻Ra2=ra+Rk2)時，亦即從點b轉(zhuǎn)換到點c時，由于切除電阻RK1進(jìn)行很快，如忽略電感的影響，可假定nb二nc，即電動勢Eb二Ec，這樣在

u—u u—uTOC\o"1-5"\h\z b cb點有I2=Ra1，在C點Ii=Ra2，兩式相除，并考慮到Eb二Ec,Ii=Ri Ii組得I2Ra2，同樣，當(dāng)從d點轉(zhuǎn)換到e點時，得I2=raRRa1 a2這樣，如圖2.1所示的二級起動時，得I2Ra2=ra推廣到m推廣到m級起動的一般情況，IRR_1—a1 a2得B=I9R==r=2 a2 aRRa(m-1) amrR=ram a式中B為最大起動電流11與切換電流I2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。R1由此可以推出 ra=Bm式中m為起動級數(shù)。由上式得Ra1如給定B，求叫可將式ra=Bm取對數(shù)得lgm=lgBRRa1aRRa1a2由式B=I2Ra2=ra=…二

aaRa(m-1)~RamRam=三可得每級電樞回路總電阻，進(jìn)而求出各級啟動電阻為：R1=Ra1-Ra2R2=Ra2-Ra3R3=Ra3-Ra4R(m-1)=Ra(m-1)-RamRm=Ram-ra起動最大電流I及切換電流L按生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求確定，般I1=(1.5~2.0)IaNI2=(1.1~1.2)IaN直流電動機(jī)電樞串電阻起動設(shè)計方案(1)選擇啟動電流I1和切換電流I2I1=(1.5?2.0)IaN=(1.5?2.0)X497A=(745.5-994)AI2=(1.1?1.2)IaN=(1.1?1.2)X497A=(546.7?596.4)A選擇I1=840A,I2=560A。I1(2)求出起切電流比0P=I2=1.5Un(3)求出啟動時電樞電路的總電阻RamRam=11=0.524。JR)lg-amlrJ(4)求出啟動級數(shù)mm=1gP=4.76取m=5P匹 I1(5)重新計算P，校驗12P=1ra=1.47I2=P=571aI2在規(guī)定范圍之內(nèi)。(6)求出各級總電阻R5=1112R1ra=1.475義0.076Q=0.52QR4=04ra=1.474義0.076Q=0.35QR3=03ra=1.473義0.076Q=0.24QR2=02ra=1.472義0.076Q=0.16QR1=0ra=1.47*0.076Q=0.11QR0=Ra=0.076Q(7)求出各級啟動電阻Rst1=R1-R0=(0.11-0.076)Q=0.034QRst2=R2-R1=(0.16-0.11)Q=0.05QRst3=R3-R2=(0.24-0.16)Q=0.08QRst4=R4-R3=(0.35-0.24)Q=0.11QRst5=R5-R4=(0.52-0.35)Q=0.27Q多級啟動的規(guī)律不同加速級的機(jī)電常數(shù)是不同的，電樞電路的電阻越大，則TM越大。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(jī)械特性與恒切換轉(zhuǎn)矩T2(或切換電流I2)特性及恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL(或負(fù)載電流IL)特性的交點是不同的。啟動級數(shù)的選?。喝Q于負(fù)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。一般取m=2?4級，空載或輕載聃=1?2重載或滿載脅=3?43.3結(jié)論根據(jù)以上的設(shè)計分析，他勵直流電動機(jī)串電阻啟動計算方法可歸結(jié)如下：歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 2021.03.07歐陽德創(chuàng)編 歐陽德創(chuàng)編 202i.03.07⑴選擇啟動電流Ii和切換電流I2Ii=(2.0?2.5)InI2=(1.1?1.2)IL啟動電流為Ii，對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩T1T1=(L5?2.0)TN切換電流為I2，對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩T2T2=(1.5?2.0)TN(2)求出起切電流(轉(zhuǎn)矩)比P屋Ii/I2⑶求出電動機(jī)的電樞電路電阻Ra Ra=(1/2?2/3)UnIn-Pn*1000/In*In(4)求出啟動時的電樞總電阻RmRm二Uan/Ian(5)求出啟動級數(shù)mm=(lgRm/Ra)/lgp選取m=3(6)重新計算P,校驗I2是否在規(guī)定范圍內(nèi)；若m是取相近整RT~Q■〃一數(shù)，則需重新計算I2，P=mra，再根據(jù)得出的P重新求出I2，并校驗I2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P和I2，直到符合要求為止。(7)求出各級總電阻(8)求出各級啟動電阻3.4他勵直流電動機(jī)串電阻起動特性分析直流電動機(jī)在電樞回路中串聯(lián)電阻起動是限制起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的有效方法之一。建立他勵直流電動機(jī)電樞串聯(lián)三級電阻起動的仿真模型，仿真分析其串聯(lián)電阻起動過程，獲得起動過程的電樞電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。(1)建立仿真模型他勵直流電動機(jī)串聯(lián)起動電阻的仿真模型原理圖如下圖所示，和直流電動機(jī)直接起動仿真模型相比圖中主要增加了電阻控制子模塊

圖3.4他勵直流電動機(jī)串電阻啟動