他励直流电动机降压启动与串电阻启动分析与设计毕业论文

电机与拖动课程设计设计题目他励直流电动机降压启动与串电阻启动分析与设计院（系、部）专业班级姓名学号指导教师日期摘要通过降低电枢电压或在电枢回路上串电阻，减小了直流电动机的启动电流与启动转矩，避免了电刷及换向器的烧毁与机械运动机构的损坏。分析他励直流电动机降压启动的启动原理，以及多级电压的计算方法；设计一个降电压的多级启动系统。分析他励直流电动机串多级电阻启动的启动原理，以及多级电阻的计算方法；求切除电阻时的瞬时转速和电动势；设计一个串电阻的分级启动系统。做出了机械特性图，对启动特性进行了分析。通过降低电枢电压或在电枢回路串电阻，减小了启动电流与启动转矩，达到了平稳启动的目的。关键词他励直流电动机降压启动串电阻启动机械特性目录1他励直流电动机的启动方法12他励电动机降压启动121降压启动的原理122各级启动的电压223降压启动实例与机械特性33他励直流电动机串电阻启动531串电阻启动原理532各级电阻的计算633串电阻启动实例与机械特性74结论10参考文献111他励直流电动机的启动方法直流电动机接入电源后，转速从零达到稳态转速的过程，称为启动过程。直流电动机启动时有两条要求第一，应有足够大的启动转矩TST，以缩短启动时间，提高生产效率；第二，启动电流不能过大，一般要小于二倍的额定电流。第三，启动设备要简单、经济、可靠。MERGEFORMAT11AAUEIR直接启动1时，他励直流电动机电枢加额定电压UAN，电枢回路不串任何电阻，此时由于转速N0，电动势E0，根据式1得到式2。MERGEFORMAT22ANSTI显然直接启动时启动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向火花，造成换向困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电网电压的下降，影响其他用户的正常用电；同时由3可知，启动转矩也很大，造成机械冲击，易使设备受损。因此，除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不允许直接启动的。MERGEFORMAT33TACI因此，必须将启动电流限制在运行范围之内。由式2可以看出，可以采用降低电枢电压UA和串接电枢电阻RA的方法。2他励电动机降压启动21降压启动的原理MUFIFIAUAN01N02U2U1ABCDUANU2U1TLT2T1ILI2I1TEMIAF1TEMF2TEMUANFNTEMN0N1N2NNA电路图B机械特性图1他励直流电动机降压启动A为降压启动电路图，UA为可变直流电压源装置。B为降压启动的启动特性。通过降低电压，从而达到减小启动电流的目的。ASTUIR现进行分析电枢电压为U1的启动N电枢回路中只存在电枢电阻RA。在励磁回路中加上励磁电压UF，保持励磁电流IF为额定值不变，给其一个大小为U1的直流电压。其机械特性如图1B中的人为特性F1TEM。刚启动时，电压低，启动电流不大。启动转矩T1大于负载转矩TL，沿人为特性由A点向B点移动。电枢电压由U1切换到U2工作点到达B点时，电磁转矩T等于切换转矩T2，将电枢回路电压由U1切换到U2。此时的机械特性变为F2TEM。切换的瞬间转速不改变，由B点平移到C点，电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，由C点向D点移动。电枢电压由U2切换到UAN到达N1点时，电磁转矩T等于切换转矩T1，将电枢回路电压由U2切换到UAN。此时的机械特性变为FNTEM。切换的瞬间转速不改变，由D点平移到N1点，电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，由N1点经过N2点，到达NN，启动过程结束。22各级启动的电压选择启动电流I1和切换电流I2为保证与启动转矩T1对应的启动电流不会超过运行的最大电枢电流IAMAX，选择MERGEFORMAT441AN50I对应的启动转矩MERGEFORMAT55T为保证一定的加速转矩，减小启动时间，一般选择切换转矩为MERGEFORMAT662L若TL未知，可用TN代替。对应的切换电流T2为MERGEFORMAT771IIIL是与TL对应的稳态电枢电流。若未知，可用IAN代替。求出起切电流转矩差MERGEFORMAT8812确定切换电压源次数MM的计算公式为MERGEFORMAT99ANMUR式中，为M级启动时的电枢启动电压。UA1I该公式的推导过程如下由于，故，即N1DNDEAN12AIMERGEFORMAT10102UR由于，故，即BCNBCEA1AII22MERGEFORMAT1111可见若M级启动，由于，故，即M1NM1EMERGEFORMAT1212AR对式101112求和，可得MERGEFORMAT1313ANU式13两边进行整理变得到了式9。若式9求出的M不是整数，可取相近整数。若M已知，上述步骤中除求外，其余1I都可省略。重新计算，校验是否在规定范围内2I若M是取相近整数，则需重新计算。由式13可知计算的公式为MERGEFORMAT1414ANMUR根据重新求得的，由式8重新求出，并校验是否在式7所规定的范围之内。2I2I若不在规定范围之内，需调整或加大启动级数M，重新计算和I2，直到满足要求为1I止。求出各级启动电压根据前面的分析可知，计算各级启动电压的一般公式为MERGEFORMAT1515II1AUR式中，I1，2，M。23降压启动实例与机械特性一台Z4他励直流电动机PAN4KW，UAN160V，IAN337A，NN990R/MIN,RA0741。采用降低电枢电压起动时，求起动级数和各级切换时电枢回路电压大小。启动电压计算1选择和1I25055674A1AN520II37074044A2取60A，38A。1I2I2求出起切电流差126382AI3求出切换电压源次数MA07416VURN09取M7。4重新计算，校验I2ANM160423A7R21II2在规定的范围之内。5求出各级切换时电枢回路电压大小6ANA605143VU527R4273AA92N915160AA4启动特性分析他励电动机的转速与转矩之间的关系，即机械特性关系式为MERGEFORMAT1616AA2ETURNC已知，PAN4KW，UAN160V，IAN337A，NN990R/MIN,RA0741。额定状态时，有MERGEFORMAT1717AANEI可得ANA1E1603741037VRMIN9IRCNTE2821TN1NI2307431A0图2他励直流电动机降压启动机械特性图当电枢回路两端的电压不同时，他励电动机的机械特性也不同。当电枢电压分别为时，代入式（16），使用如下指令0123456,UUCLEARUAN160CEFAI0137CTFAI1308RA0741U0445U161U2775U394U41105U5127U61435I160I2377T012500NUAN/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN0U0/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN1U1/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN2U2/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN3U3/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN4U4/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN5U5/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN6U6/CEFAIRAT/CEFAICTFAIPLOTT,N,T,N0,T,N1,T,N2,T,N3,T,N4,T,N5,T,N6TITLE他励直流电动机启动机械特性图,XLABEL电磁转矩T或电枢电流IA,YLABEL转速NHOLDONT1CTFAII1T2CTFAII2PLOTT1,N6,T2,N6HOLDOFF在MATLAB运行窗口下运行，可画出他励直流电动机串7级电阻启动时的机械特性，如图2所示。3他励直流电动机串电阻启动31串电阻启动原理MUFIFIAUAR1R2S2S1C电路图NABCDTLT2T1ILI2I1TEMIAN0F2TEMF1TEMFNTEMN1N2N1D机械特性图3他励直流电动机串电阻启动C为串电阻启动电路图，D为串电阻启动的启动特性。通过在电枢上串联电阻启动，使启动电流不会超过允许值2。ANSTUIR现进行分析串联电阻R1和R2启动前开关S1和S2断开，电枢电路中串入电阻R1和R2，则电枢电路的总电阻为MERGEFORMAT1818AM12加上励磁电压UF，保持励磁电流IF为额定值不变，加上电枢电压，则机械特性为图1（B）中的人为特性F1TEM。又因启动转矩T1大于负载转矩TL，工作点沿人为特性F1TEM由A点向B点移动。切除电阻R2当工作点到达B点，电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关S2，则电枢电路的总电阻变为MERGEFORMAT1919AM1R机械特性变为人为特性F2TEM，合上S2的瞬间，转速不改变，工作点由B点平移到特性C点，电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，沿特性F2TEM由C点向D点移动。切除电阻R1工作点到达D点，电磁转矩T又等于切换转矩T2，则合上开关S1，电枢电路的总电阻变为MERGEFORMAT2020AMR机械特性变为固有特性FNTEM，工作点由D点平移到N1点，使得这时的电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，工作点沿固有特性FNTEM由N1点经N2点，移动到N点，其电磁转矩T等于负载转矩TL，电动机进入稳态运行，整个启动过程结束。32各级电阻的计算选择启动电流I1和切换电流I2为保证与启动转矩T1对应的启动电流不会超过运行的最大电枢电流IAMAX，选择1AN50I对应的启动转矩2T为保证一定的加速转矩，减小启动时间，一般选择切换转矩为2L1若TL未知，可用TN代替。对应的切换电流T2为IIIL是与TL对应的稳态电枢电流。若未知，可用IAN代替。求出起切电流转矩比MERGEFORMAT212112I确定启动级数MM的计算公式为MERGEFORMAT2222AMAN1LGLRUI式中，RAM为M级启动时的电枢启动总电阻MERGEFORMAT2323ANM1URI该公式的推导过程如下由于NDNN1，故EDEN1，即AN2A011IAA由于NBNC，故EBEC，即AN2AN1URII2AA1A0可见，若为M级启动，则启动的总电阻为AMAAMMERGEFORMAT2424AR两边取对数，便得到了式22。若式22求出的M不是整数，可取相近整数。若M已知，上述步骤中除求I1外，其余都可省略。重新计算，校验I2是否在规定范围之内。若M是取相近整数，则需重新计算。由式24可知计算的公式为MERGEFORMAT2525AMAN1RUI根据重新求得的，由式21重新求出I2，并校验I2是否在式7所规定的范围之内。若不在规定范围之内，需调整I1或加大启动级数M，重新计算和I2，直到满足要求为止。求出各级启动电阻。根据前面的分析可知，计算各级启动电阻的一般公式为MERGEFORMAT2626II1IAR式中，I1，2，M。33串电阻启动实例与机械特性以一台Z4系列他励直流电动机为例进行分析计算，PAN4KW，UAN160V，IAN337A，NN990R/MIN,RA0741。采用电枢串电阻起动。求起动级数和各级起动电阻。启动电阻计算1选择I1和I25055674A1AN520II37074044A2取58A，38A。1I2I2求出起切电流比12583I3求出启动级数MANM1602758URIALGL439取M3。4重新计算，校验I2。AM32761504R128AII2在规定的范围之内。5求出各级启动电阻R11RA155107410408R22RA155215507410632R332RA15531552074109790A741A19228A3360R启动特性分析他励电动机的转速与转矩之间的关系，即机械特性关系式为AA2ETUNC已知，PAN4KW，UAN160V，IAN337A，NN990R/MIN,RA0741。额定状态时，有AANENIN可得1ANAE1603741036VRMIN9IRCN1TEN2RI2C1130587I2469NTAN3N当电枢上串联不同电阻时，他励电动机的机械特性也不同。当电枢电阻分别为RA1、RA2、RA3时，代入式AA2ETURNC使用如下指令CLEARUAN160CEFAI0136CTFAI1302RA0741RA11149RA21781RA32760I158I2374T012500NUAN/CEFAIRAT/CEFAICTFAIN1UAN/CEFAIRA1T/CEFAICTFAIN2UAN/CEFAIRA2T/CEFAICTFAIN3UAN/CEFAIRA3T/CEFAICTFAIPLOTT,N,T,N1,T,N2,T,N3TITLE他励直流电动机启动机械特性图,XLABEL电磁转矩T或电枢电流IA,YLABEL转速NHOLDONT1CTFAII1T2CTFAII2PLOTT1,N3,T2,N3HOLDOFF在MATLAB运行窗口下运行，可画出他励直流电动机串3级电阻启动时的机械特性，如图2所示。图4他励直流电动机串电阻启动机械特性图4结论本设计针对他励直流电动机直接启动时启动电流大、启动转矩大的缺点做出了改进方法，即使