直流电机的串电阻启动过程设计.doc

1、课 程 设 计 任 务 书一、设计题目直流电机的串电阻启动过程设计二、设计任务和要求1. 熟练直流电机的机械特性和电气特性；2. 分析直流电机的启动过程和运行过程；3. 掌握一般直流电动机拖动负载顺利启动的条件；4. 根据以下直流电动机铭牌数据欲用电枢串电阻启动（启动级数初步为3级），要求：1) 选择启动电流和切换电流2) 求出起切电流比3) 求出启动时电枢电路的总电阻Ra4) 求出启动级数m5) 重新计算，校验切换电流或校验切换转矩6) 求出各级总电阻7) 求出各级启动电阻8) 设计控制直流电机串电阻启动会的电路原理图9) 结论5.提交整个设计报告目 录一、直流电动机的综述 4二、他励直流电

2、动机 7三、设计内容11四、结论13五、心得体会14六、参考文献16一、 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理如下：如上图所示为最简单的直流电动机的原理图。其换向器是由二片互相绝缘的半圆铜环（换向片）构成的，每一换向片都与相应的电枢绕组连接，与电枢绕组同轴旋转，并与电刷A、B相接触。若电刷A是正电位，B是负电位，那么在N极范围内的转子绕组ab中的电流从a流向b，在S极范围内的转子绕组cd中的电流从c流向d。转子载流导体在磁埸中要受到电磁力的作用，根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，如图中ab边受力方向是向左，而cd则向右。由于磁场是对称的，导体中流过的又是相同的电流，所

3、以ab边和cd边所受的电磁力的大小相等。这样转子线圈上受到的电磁力 f的作用而按逆时针方向旋转。当线圈转到磁极的中性面时，线圈中的电流为零。因此，电磁力也等于零。但由于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半圈之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab转到S极范围内，cd转到N极范围内，但是由于电刷和换向片的作用，转到N极下的cd边中的电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流，则从b流向a。因此，电磁力f的方向仍然不变，转子线圈仍按逆时针方向转动。可见，分别在N，S极范围内的导体中的电流方向总是不变的。因此，线圈二边受力方向也不变。这样，线圈就可以按受力方向不停地旋转。这就是直流电动机的

4、工作原理。直流电动机的分类根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型。1他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，接线如图（a）所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。2并励直流电机并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联，接线如图（b）所示。作为并励发电机来说，是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电；作为并励电动机来说，励磁绕组与电枢共用同一电源，从性能上讲与他励直流电动机相同。3串励直流电机串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源，接线如图（c）所示。这种直流电机的励磁电流就

5、是电枢电流。4复励直流电机复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组，接线如图（d）所示。不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式。 电动机的机械特性是指电动机的转速与转矩的关系。机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与负载的机械特性，运动方程式相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。 机械特性中的是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩是不同的，其间差一空载转矩，即： 在一般情况下，因为空载转矩相比或很小，所以在一般的工程计算中可以略去，即： 已知直流电动机的机械特性方程式为 式中为电枢回路总电阻，包括及电枢回路串联电阻，为理想空载转速

6、记为，记为，为机械特性的斜率。 当， ，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。当改变或或电枢回路串电阻时，其机械特性的或将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。 若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨I、II、IV象限的直线。其中第I象限为电动机运行状态，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速的方向）相同，第II、IV象限为制动运行状态。他励直流电动机串电阻起动1 增加电枢电阻起动在实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑快速起动，因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动

7、机，对起动电阻的级数要求也不尽相同。下面仅以直流他励电动机电枢回路串电阻起动为例说明起动过程。 (1) 启动过程分析如图4(a)所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U。触点KM1、KM2均断开,电枢串入了全部附加电阻RK1+RK2 ,电枢回路总电阻为Ral=ra+RK1 +RK2。这是启动电流为 =与起动电流所对应的起动转矩为T1。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图4(b)中的曲线1所示。 (a) 电路图 (b) 特性图 图4 直流他励电动机分二级起动的电路和特性根据电力拖动系统的基本运动方程式 T-TL=J 式中 T电动机的电磁转矩； TL由负载作用所产生的阻转矩； J电动机的转

8、动惯量； 由于起动转矩T1大于负载转矩TL，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。在图4(b)上，由a点沿曲线1上升，反电动势亦随之上升，电枢电流下降，电动机的转矩亦随之下降，加速转矩减小。上升到b点时，为保证一定的加速转矩，控制触点KM1闭合，切除一段起动电阻RK1。b点所对应的电枢电流I2称为切换电流，其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。切除后，电枢回路总电阻为Ra2=ra+。这时电动机对应于由电阻Ra2所确定的人为机械特性，见图4(b)中曲线2。在切除起动电阻RK1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为nb，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩

9、也突增。适当地选择所切除的电阻值，使切除后的电枢电流刚好等于，所对应的转矩为T2，即在曲线2上的c点。又有T1T2，电动机在加速转矩作用下，由c点沿曲线2上升到d点。控制点KM2闭合，又切除一切起动电阻。同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固有机械特性上。电枢电流又由I2突增到，相应的电动机转矩由T2突增到T1。T1 TL，沿固有特性加速到g点T=TL，n=ng电动机稳定运行，起动过程结束。在分级起动过程中，各级的最大电流I1(或相应的最大转矩T2)及切换电流 (或与之相应的切换转矩T2)都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加速。要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，前提是选择合适的

10、各级起动电阻。下面讨论应该如何计算起动电阻。 (2) 起动电阻的计算 在图4(b)中，对a点，有=即 Ra1=当从曲线1(对应于电枢电路总电阻 Ra1=ra+)转换得到曲线2(对应于总电阻Ra2=ra+)时，亦即从点转换到点时，由于切除电阻RK1进行很快，如忽略电感的影响，可假定nb=nc，即电动势Eb=Ec，这样在点有=在c点 =两式相除，考虑到Eb=Ec，得 同样，当从d点转换到e点时，得 = 这样，如图4所示的二级起动时，得 =推广到m级起动的一般情况，得=式中为最大起动电流与切换电流之比，称为起动电流比(或起动转矩比)，它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。由此可以推出 =式中m为起动级数

11、。由上式得 =如给定 ,求m,可将式=取对数得 m=由式=可得每级电枢回路总电阻进而求出各级启动电阻为： =Ra1-Ra2 =Ra2-Ra3 =Ra3-Ra4 R(m-1)=R a(m-1)-Ram Rm=Ram-ra起动最大电流及切换电流I2按生产机械的工艺要求确定，一般 =(1.52.0) =(1.11.2) 直流电动机电枢串电阻起动设计方案1）选择启动电流I1和切换电流I2=(1.52.0)=(1.52.0)116.3=(174.45232.6)A=(1.11.2)=(1.11.2)116.3=(127.93139.56)选择=200，=130。2）求出起切电流比=1.543）求出启动时

12、电枢电路的总电阻RamRam=1.1 （4）求出启动级数m估算Ra 一般直流电动机额定运行时的铜损约占总损耗的一半至三分之二，则Ra 的估算式为：则可算得 m=4.61取m=5 （5）重新计算，校验=1.48=135.14在规定范围之内。6）求出各级总电阻=ra=7.1010.150=1.065=ra =4.7980.150=0.720=ra=3.2420.150=0.486=ra=2.1900.150=0.329=ra=1.480.150=0.222=Ra=0.1507）求出各级启动电阻Rst1=-=(0.222-0.150)=0.072Rst2=-=(0.329-0.222)=0.107R

13、st3=-=(0.486-0.329)=0.157Rst4=-=(0.720-0.486)=0.234Rst5=-=(1.065-0.720)=0.345控制直流电动机串电阻五级启动仿真模型电路原理图结论根据以上的设计实践，他励直流电动机串电阻启动计算方法可归结如下：选择启动电流和切换电流启动电流为；对应的启动转矩T1；切换电流为；对应的启动转矩T；求出起切电流（转矩）比；求出电动机的电枢电路电阻ra；求出启动时的电枢总电阻Rm；求出启动级数m；重新计算，校验I2是否在规定范围内；若m是取相近整数，则需重新计算；= 再根据得出的重新求出，并校验是否在规定范围内。若不在规定范围内，需加大启动级数

14、m重新计算和，直到符合要求为止。求出各级总电阻求出各级启动电阻这便是他励直流电动机电枢串电阻起动的大体思路与过程。心得与体会经过为期一周的研究与设计，本次电机与拖动课程设计直流电机的串电阻启动过程较为顺利的完成。这是我自入学以来第一次进行课程设计，因此感触颇深：通过这次课程设计，使我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其起动过程，对直流电机的电力拖动有了更加深入的理解与体会。与此同时，同学间的团结协作，密切配合，各抒己见同样起到了至关重要的作用，这也是我明白了集体的重要性。另外，在设计过程中，也进一步砺练了自己，增强了独立发现问题、思考并解决问题的能力，相信这些能力对于将来走进就业岗位都会有极

15、大地益处。总而言之，在这一周的实践中，我学到了许多有意的东西，这些东西都是很宝贵的财富。致谢 在此我要特别感谢杨佳义等老师，他们严谨细致，一丝不苟的作风深深的感染了我。他们在百忙之余抽出时间进行耐心细致的指导，再次由衷的向他们表示感谢。在设计过程中也同样得到了其他同学的热心帮助，在此向他们表示感谢。由于时间的仓促以及本人能力有限，因此在设计过程中难免会出现很多错误，对于这些不足与缺陷望院领导与老师给予包容与理解，并希望老师多加批评指正，在此一并表示感谢。参考文献1电机与拖动 唐介 主编 高等教育出版社 2003年出版2电机与拖动基础 汤天浩 主编 机械工业出版社 2008年出版3电机学 李海发 主编 科学出版社 2001年出版4电机与拖动 周绍英 主编 中央广播电视大学出版社 1995年出版5电机理论与运行 汤蕴谬 主编 水利电力出版社 2005年出版6MATLAB在电机教学中的应用J 赵静 福建电脑，2012，(1)：407他励直流电动机电枢串电阻启动过程的仿真分析马天兵，杜菲 煤矿机械出版 15