直流电动机电枢串电阻起动设计.doc

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1、课程设计成绩评定表学期2011-2011学年第1学期姓名申晓娜专业电气自动化（二学位）班级2011-1班课题名称电机与拖动课程设计论文题目直流电动机电枢串电阻起动设计评 定 标 准评定指标分值得分知识创新性20理论正确性20内容难易性15综合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语：任课教师荣德生时间2012年 月 日备注课程设计任务书一、 设计题目直流电动机电枢串电阻起动设计二、 设计任务某工厂有一台他励直流电动机，已知参数如下：三、设计计划电机与拖动课程设计预计7天内完成。1、 第12天查资料，熟悉题目；2、 第35天方案分析，具体按步骤进行设计并整理；3、 第6

2、7天进行相关课题的设计，反映到书面上来。四、设计要求1、设计工作量是按要求完成设计说明书一份；2、设计必须根据进度计划按期完成；3、设计说明书必须经指导老师审查签字。指导教师：荣德生 时 间： 年 月 日摘要直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。滞留电动机是将直流电转换成机械能的而带动生产机械运转的电器设备。与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，但是它具有良好的启动、调速和制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和启动频繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。在工业领域直流电动机仍占有一

3、席之地。因此有必要了解直流电动的运行特性。在四种直流电动机中，他励电动机应用最为广泛。目录一、直流电动机的工作原理5二、直流电动机的分类6三、电动机的机械特性7四、他励直流电动机串电阻起动9五、直流电动机电枢串电阻起动设计设计方案11六、设计结论13参考文献15一、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

4、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

5、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工作原理。二、 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

6、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。 三、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

7、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。四、他

8、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

9、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R

10、a2=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

11、。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，

12、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。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) 五、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.

13、52.0)=(1.52.0)497=(745.5994)A=(1.11.2)=(1.11.2)497=(546.7596.4)选择=840，=560。2）求出起切电流比=1.53）求出启动时电枢电路的总电阻RamRam=0.524（4）求出启动级数mm=4.76取m=55）重新计算，校验=1.47=571在规定范围之内。6）求出各级总电阻=ra=1.4750.076=0.52=ra =1.4740.076=0.35=ra=1.4730.076=0.24=ra=1.4720.076=0.16=ra=1.470.076=0.11=Ra=0.0767）求出各级启动电阻Rst1=-=(0.11-0.0

14、76)=0.034Rst2=-=(0.16-0.11)=0.05Rst3=-=(0.24-0.16)=0.08Rst4=-=(0.35-0.24)=0.11Rst5=-=(0.52-0.35)=0.27六、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。七、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 刘起新 主编 中国电力出版社 2005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