直流电动机串电阻起动分析与设计.doc

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1、摘 要此文主要围绕他励直流电动机电枢回路串电阻分级起动设计方案进行分析，首先对直流电动机的基本工作原理以及其基本结构进行简单介绍，之后对直流电机的机械特性进行分析，主要分析了电枢回路串电阻时的人为机械特性、降低电源电压时的人为机械特性以及减弱励磁磁通时的人为机械特性。对他励直流电动机的降低电枢电压起动以及增加电枢电阻起动进行分辨，最后进行电枢回路串电阻启动过程分析及其计算，最后设计了他励直流电动机电枢回路串电阻分级起动方案。关键词：他励直流电动机 电枢串电阻启动 机械特性目 录1直流电动机的基本工作原理12直流电动机的基本结构12.1定子部分12.2转子部分22.3直流电机的铭牌数据23直流电

2、机的励磁方式34直流电动机特点45直流电机的机械特性45.1电枢回路串电阻时的人为机械特性45.2降低电源电压时的人为机械特性45.3减弱励磁磁通时的人为机械特性56他励直流电动机66.1他励直流电动机的机械特性66.2机械特性方程式66.3固有机械特性与人为机械特性77他励直流电动机的起动77.1降低电枢电压起动87.2增加电枢电阻起动87.2.1电枢回路串电阻启动过程分析87.2.2电枢回路串电阻起动电阻的计算98他励直流电动机电枢回路串电阻起动设计方案10结论12参考文献141直流电动机的基本工作原理导体受力方向由左手定则确定。在第一种情况下，位于N极下的导体受力方向为从右向左，而位于S

3、极下的导体受力方向从左到右。导体所受电磁力对轴产生一转矩，这种由于电磁作用产生的转矩称为电磁转矩，电磁转矩的方向为逆时针。当电磁转矩大于阻力矩时，线圈按逆时针方向旋转，当电枢转动到第二个位置时，原位于S极下的导体转到N极下，其受力方向变为从右向左；而原位于N极下的导体转到S极下，导体受力方向变为从左向右，该转矩的方向仍为逆时针方向，线圈在此转矩作用下继续按逆时针方向旋转。这样虽然导体中流通的电流为交变的，但N极下的导体受力方向和S极下导体的受力方向并未发生变化，电动机在此方向不变的转矩作用下转动。1同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。由以上分析可以看出：任何一

4、台电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行，这一性质称为电机的可逆原理。电机的可逆原理不仅适用于直流电机，也适用于交流电机。电机的实际运行方式由外施条件决定，如果电机转子输入机械能，而电枢绕组输出电能，电机作为发电机运行；如果在电枢绕组中输入电能，转子输出机械能，则电机作为电动机运行。2 直流电动机的基本结构直流电动机和直流发电机的结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。可旋转部分称为转子，静止部分称为定子，在定子和转子之间存在着气隙。2.1定子部分定子的作用，在电磁方面是产生磁场和构成磁路，在机械方面是整个电机的支撑。定子由磁极、机座、换向极、电刷装置、端盖和轴承等组成。a.主磁

5、极主磁极的作用是在定子与转子之间的气隙中建立磁场。主磁极由主磁极铁芯和放置在铁芯上的励磁绕组构成。主磁极铁芯分成极身和极靴两部分，极靴的作用是使气隙磁通密度的空间分布均匀并减小气隙磁阻，同时极靴对励磁绕组也起支撑作用。为减小涡流损耗，主磁极铁芯是用1.01.5 mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。主磁极上的线圈是用来产生主磁通的，称为励磁绕组。b.机座直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。整体机座是用导磁性能较好的铸钢材料制成的，该种机座能同时起到导磁和机械支撑的作用。由于机座起导磁作用，因此机座是主磁路的一部分，称为定子铁轭。主磁极、换向

6、极及端盖均固定在机座上，因此，机座起到了支撑的作用。一般直流电机均采用整体机座。叠片机座是用薄钢冲片叠压成定子铁轭，再把定子铁轭固定在一个专门起支撑作用的机座里，这样定子铁轭和机座是分开的，机座只起支撑作用，可用普通钢板制成。叠片机座主要用于主磁通变化快、调速范围较高的场合。c.换向极安装在相邻的两个主磁极之间，固定在机座上，用来改善直流电机的换向。一般电机容量超过1 kW时均应安装换向极。换向极是由换向极铁芯和换向极绕组组成。换向极铁芯可根据要求用整块钢制成，也可用1.01.5 mm厚的钢板叠成，所有的换向极线圈串联后称为换向极绕组，换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组数目一般与主磁极数目相

7、同，但在功率很小的直流电机中，只装主磁极数一半的换向极或不装换向极。换向极的极性根据换向要求确定。d.电刷电刷装置的作用是通过电刷和旋转的换向器表面的滑动接触，把转动的电枢绕组与外电路联结起来，并与换向器配合，起到整流或逆变的作用。电刷装置一般由电刷、刷握、刷杆座和压紧弹簧组成。e.端盖电机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定在机座上，其上放置轴承支撑直流电机的转轴，使直流电机能够旋转。22.2转子部分转子又称电枢，是电机的转动部分，是用来产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能量转换的关键部分。它包括电枢铁芯、换向器、电机转轴、电枢绕组、轴承和风扇等。a.电枢铁芯电枢铁芯是主磁路的一部分，同时用

8、来嵌放电枢绕组。当电机旋转时，为减小电枢铁芯中的磁通变化引起的磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁芯用涂有绝缘漆的0.5 mm厚的硅钢片叠成。电枢铁芯冲片上冲有放置电枢绕组的电枢槽、轴孔和通风口。b.电枢绕组电枢绕组是用绝缘铜线绕制的线圈按一定规律放置在电枢铁芯槽内，并与换向器联结。电枢绕组是直流电机的重要组成部分，电机工作时线圈中产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换。c.换向器换向器又称整流子。对于发电机，换向器的作用是把电枢绕组中的交变电动势转变为直流电动势向外部输出直流电压；对于电动机，它是把外界供给的直流电流转变为绕组中的交变电流以使电机旋转。换向器是由换向片组合而成的，是直流机的关键部

9、件，也是最薄弱的部分。换向器采用导电性能好、硬度大、耐磨性能好的紫铜或铜合金制成。换向片的底部做成燕尾形，嵌在含有云母绝缘的V形钢环内，拼成圆筒形套在钢套筒上，相邻的两换向片间以0.61.2 mm厚的云母片作为绝缘，最后用螺纹压圈压紧。换向器固定在转轴的一端。换向片靠近电枢绕组的部分与绕组引出线间焊接。32.3直流电机的铭牌数据表征电机额定运行情况的各种数据称为额定值。额定值一般标注在电机的铭牌上，所以又称为铭牌数据。它是正确合理使用电机的依据。铭牌数据主要包括电机型号、额定功率、额定电压、额定电流、额定转速和额定励磁电流及励磁方式等，此外还有电机的出厂数据，如出厂编号、出厂日期等。国产电机型

10、号一般采用大写的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示，其格式为：第一部分用大写的拼音表示产品代号，第二部分用阿拉伯数字表示设计序号，第三部分用阿拉伯数字表示机座代号，第四部分用阿拉伯数字表示电枢铁芯长度代号。电机铭牌上所标的数据称为额定数据，具体含义如下：额定功率PN是指在额定条件下电机所能供给的功率。对于电动机，额定功率是指电动机轴上输出的最大机械功率；对于发电机，额定功率是指电刷间输出的最大电功率。额定功率的单位为kW。额定电压UN是指额定工作条件下电机出线端的平均电压。对于电动机，额定电压是指输入额定电压；对于发电机，额定电压是指输出额定电压。额定电压的单位为V。额定电流IN是指电机在额定电压下

11、，运行于额定功率时对应的电流值。额定电流的单位为A。额定转速指对应于额定电流、额定电压，电机运行于额定功率时所对应的转速。额定励磁电流是指对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流。额定励磁电流的单位为A。励磁方式是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的联结方式。根据电枢线圈与励磁线圈的联结方式不同，直流电机励磁有并励、串励、他励和复励等方式。在电机的铭牌上还标有其他数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。额定值是选用或使用电机的主要依据。电机在运行时的各种数据可能与额定值不同，由负载大小决定。若电机的电流正好等于额定值，称为满载运行；若电机的电流超过额定值，称为过载运行；若比额定值

12、小得多，称为轻载运行。长期轻载运行使电机的容量不能充分利用。故在选择电机时，应根据负载的要求，尽可能使电机运行在额定值附近。43直流电机的励磁方式由直流电机的基本工作原理可知，电枢旋转切割气隙中的磁力线而感应电动势，电枢电流与气隙中的磁场相互作用而产生电磁转矩，因而气隙磁场是电机进行机电能量转换的媒介。直流电机的气隙磁场是在主磁极的励磁绕组中通以直流电流建立的。所以直流电机有两种基本绕组，即励磁绕组和电枢绕组。励磁绕组和电枢绕组之间的联结方式称为励磁方式。励磁方式不同，电机的运行特性有很大的差异。5直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励和复励四类。a.他励电机他励式直流电动机的励磁绕组和电枢

13、绕组分别由两个相互独立的电源供电。励磁电流If的大小仅决定于励磁电源的电压和励磁回路的电阻，而与电机的电枢电压及负载基本无关。b.并励电机并励式直流电动机的励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电。励磁电流一般为额定电流的5%，要产生足够大的磁通需要有较多的匝数，所以并励绕组匝数多，导线较细。并励式直流电动机一般用于恒压系统。中小型直流电动机多为并励式。c.串励电机串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联。励磁电流与电枢电流相同，数值较大，因此，串励绕组匝数很少，导线较粗。串励式直流电动机具有很大的起动转矩，但其机械特性很软，且空载时有极高的转速。串励式直流电动机不准空载或轻载运行。串励式直流电动

14、机常用于要求起动转矩很大且转速允许有较大变化的负载等。d.复励电机复励电机的主磁极由两个励磁绕组组成:一个与电枢绕组串联，称为串励绕组；另一个为他磁（或并励）绕组。通常他磁（或并励）绕组起主要作用，串励绕组起辅助作用。若串励绕组和他励（或并励）绕组的磁动势方向相同，称为积复励；该型电机多用于要求起动转矩较大，转速变化不大的负载。由于积复励式直流电动机在两个不同旋转方向上的转速和运行特性不同，因此不能用于可逆驱动系统中。若串励绕组和并励（或他励）绕组的磁动势方向相反，称为差复励；差复励式直流电动机一般用于起动转矩小，而要求转速平稳的小型恒压驱动系统中。这种励磁方式的直流电动机也不能用于可逆驱动系

15、统中。4直流电动机特点a.调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 b.起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。65直流电机的机械特性因为电枢电阻很小，特性斜率很小，通常额定转速降只有额定转速的百分之几到百分之十几，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，人为机械特性可用改变电动机参数的方法获得，他励直流电动机有电枢回路串电阻、降低电枢电压和减弱励磁

16、磁通三种人为机械特性。5.1电枢回路串电阻时的人为机械特性保持=，=不变，只在电枢回路中串入电阻时的人为特性为（1）与固有机械特性相比，电枢回路串电阻时人为特性的理想空载转速不变，但斜率随串联电阻的增大而增大，所以特性变软。改变的大小，可以得到一簇通过理想空载点，并具有不同斜率的人为特性。75.2降低电源电压时的人为机械特性保持=，=不变，只改变电枢电压时的人为特性为（2）由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此改变电时，只能在低于额定电压的范围内变化，与固有特性比较，降低电压时人为特性的斜率不变，但理想空载转速随电压的降低而正比减小。因此，降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特

17、性平行的一组直线。85.3减弱励磁磁通时的人为机械特性改变励磁回路调节电阻就可以改变励磁电流，进而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时磁路已经开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电流也不允许大幅度地增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。保持=（=0），=不变，只减弱磁通时的人为特性为 （3）对应的转速特性为（4）在电枢回路串电阻和降低电压的人为特性中，因为=不变，所以它们的机械特性曲线也代表了转速特性曲线。但是，在讨论减弱励磁磁通的人为特性时，因为磁通是个变量，所以两条直线是不同的。当时，堵转电流为常数，而随的减小而

18、增大，因此，人为特性是一组通过横坐标点的直线。改变磁通可以调节转速，当负载转矩不太大时，磁通减小使转速升高；当负载转矩特别大时，减弱磁通才会使转速下降。然而，这时的电枢电流已经过大，电动机不允许在这样大的电流下工作。因此，实际运行条件下，可以认为磁通越小，稳定转速越高。96他励直流电动机他励直流电动机由励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电。在励磁电压的作用下，励磁绕组中通过励磁电流，从而产生主磁极磁通。在电枢电压的作用下，电枢绕组中通过电枢电流。电枢电流与磁场相互作用产生机械以某一转速运转。电枢旋转时，切割磁感线产生电动势。电动势的方向与电枢电流的方向相反。6.1他励直流电动机的机械

19、特性他励直流电动机的机械特性定义为：直流电动机的电枢电压为常数，励磁电流为常数，电枢回路电阻+为常数时，电动机产生的电磁转矩与转速之间的函数关系，即。6.2机械特性方程式电枢感应电动势：电磁转矩：电枢电路电压平衡方程： 电动机转速特性方程：由电磁转矩方程可得到，代入转速特性方程式中，就得到电动机机械特性方程式：（5）式中：。若，均为常数，机械特性是一条向下倾斜的直线。（6）由式（6）可知，越大，越大，机械特性曲线越斜，称之为软特性；反之将小、小的特性称硬特性。106.3固有机械特性与人为机械特性当电枢上加额定电压、气隙每极磁通为额定磁通、电枢回路不串任何电阻时的机械特性称为他励直流电动机的固有

20、机械特性。人为地改变电动机的参数，如改变电压、改变磁电流（即改变磁通）、电枢回路串电阻所得到的机械特性称为人为机械特性。电枢回路串电阻使斜率增大，特性曲线变软，但理想空载转速不变，所以人为机械特性为一簇经过理想空载转速点的放射性直线，变电压时的人为特性是一组平行直线。7他励直流电动机的起动把带有负载的电动机从静止起动到某一稳定速度的过程称为起动过程。电动机起动时，必须保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。由于直流电动机带动生产机械起动，因此根据生产机械的生产工艺特点，对起动过程会有不同的要求。例如，对于无轨电车的直流电动机拖动系统，起动时要求平稳慢速的起动，因为起动过快会使乘客感到不舒

21、服。而对于一般的生产机械的拖动系统则要求有足够的启动转矩，这样可以缩短启动时间，从而提高生产效率。直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。他励电动机在起动的瞬间，转速,电动势，由式（7）可知，起动电流 （8）在额定电压下直接启动时，由于很小，很大，一般可达到电枢电流额定值的1020倍这样大的电流是换向所不允许的。同时由于（）可知，起动转矩也能达到额定转矩的1020，这样大的转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以至损坏传动机构，因电枢绕组导线细、电枢电阻大、转动惯量有比较小

22、、可以直接起动外，一般的直流电动机是不允许采用直接启动的。7.1降低电枢电压起动这种方法的基本思想是：在起动瞬间，反电动势很小，使外加电压很低，这样可以防止产生过大的起动电流。地道电动机转速生高后，反电动势增大，电流降压，这样在逐步增加电枢两端的外加电压直到电动机达到要求的转速。若采用手工调节电压时，不能升的太快，否则电流还会发生较大的冲级。为了保证限制电枢电流，手工调节必须小心地进行。在自动化的系统中，电压的调节机电流的限制靠一些自动实现，比较方便。这种方法的优点是起稳，起动过程中能量损耗小，易于实现自动化。缺点是初期投资打。这种方法适用于电动机的直流电源是可调的。7.2增加电枢电阻起动额定

23、功率较小的电机可以采用在电枢电路内串联起动变阻器的方法起动。启动前先把启动变阻器调到最大值不变。再接通电源，电动机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，知道全部切除。额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法一级保证起动过程中既有比较大的起动转矩，有使起动电流不超过允许值。7.2.1电枢回路串电阻启动过程分析电枢回路串电阻启动方法比较简单，经济和可靠，同时可做到平滑快速起动。缺点就是起动条件非常严格。降压启动平稳，启动过程能量损耗小，容易实现自动化。降压启动的缺点就是初期投资大，启动设备复杂，要求有单独的可调压直流电源。当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压,电枢串入全部附加电

24、阻,电枢回路总电阻为。假设为电动机的电磁转矩；为由负载作用所产生的阻转矩；为电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩这是启动电流为 （9）与起动电流所对应的起动转矩为根据电力拖动系统的基本运动方程式 （10）由于起动转矩大于负载转矩，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。切除后，电枢回路总电阻为。这时电动机对应于由电阻所确定的人为机械特性。在切除起动电阻的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为，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。又有，又切除一切起动电阻。同理，电枢电流又由突增

25、到，相应的电动机转矩由突增到。，沿固有特性加速到点，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 (或相应的最大转矩)及切换电流 (或与之相应的切换转矩)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，前提是选择合适的各级起动电阻。下面讨论应该如何计算起动电阻。117.2.2电枢回路串电阻起动电阻的计算 二级起动时 （11）推广到m级起动的一般情况，得（12）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。式中为起动级数。由上式得（13）如给定,求,可将式取对数得由式可得

26、每级电枢回路总电阻 （14）各级启动电阻为（15）起动最大电流及切换电流按生产机械的工艺要求确定，一般，及电动机相应的转矩，8他励直流电动机电枢回路串电阻起动设计方案a.选择启动电流和切换电流（16）（17）选择，。b.求出起切电流比（18）c.求出启动时电枢电路的总电阻（19）d.求出启动级数取（20）e.重新计算，校验（21）（22）在规定范围之内。f.求出各级总电阻（23）h.求出各级启动电阻（24）结论他励直流电动机串电阻启动计算方法为：a.选择启动电流和切换电流启动电流为切换电流为对应的启动转矩b.求出起切电流（转矩）比b.求出电动机的电枢电路电阻d.求出启动时的电枢总电阻e.求出启

27、动级数f.重新计算，校验是否在规定范围内若是取相近整数，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，需加大启动级数重新计算和，直到符合要求为止。g.求出各级总电阻（25）h.求出各级启动电阻（26）参考文献1汪国梁.电机学M.北京.机械工业出版社,1988.2李海发.电机学M.科学出版社,2001.3汤蕴璆.电机学M.西安.西安交通大学出版社,1993.4许实章.电机学（下册）M.第2版.北京.机械工业出版社,1990.5顾绳谷.电机与拖动基础M.第4版.机械工业出版社,2007.6李晓竹.电机与拖动M.中国矿业大学出版社,2002.7唐介.电机与拖动M.高等教育出版社,2005.8孟宪芳.电机与拖动M.西安电子科技大学出版社,2006.9汤天浩.电机与拖动基础M.机械工业出版社,2004.10许建国.电机与拖动基础M.高等教育出版社,2004.11林瑞光.电机与拖动基础M.浙江大学出版社,2002.14