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.doc

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12.1 降压启动的原理12.2 各级启动的电压22.3 降压启动实例与机械特性33 他励直流电动机串电阻启动53.1 串电阻启动原理53.2 各级电阻的计算63.3 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。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n=0，电动势e=0，根据式(1)得到式(2)。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。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n2.1 降压启动的原理mufifiauan01n02u2u1abcduanu2 u1 tl t2 t1 (il) (i2) (i1) tem ( ia)f1(tem)f2(tem)uanfn(tem)n0n1n2nn(a)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。现进行分析： 电枢电压为u1的启动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1(b)中的人为特性f1(tem)。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f2(tem)。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fn(tem)。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。2.2 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，选择对应的启动转矩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若tl未知，可用tn代替。对应的切换电流t2为il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 确定切换电压源次数m m的计算公式为式中，为m级启动时的电枢启动电压。该公式的推导过程如下：由于，故，即 由于，故，即可见若 m级启动 ，由于 ，故，即对式(10)(11)(12)求和，可得式(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，其余都可省略。 重新计算，校验是否在规定范围内若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。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式中，i=1，2，m。2.3 降压启动实例与机械特性一台z4他励直流电动机pan=4kw，uan=160v，ian =33.7a， nn =990r/min,ra=0.741。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=(50.5567.4)a =(37.0740.44)a取= 60 a，=38a。(2) 求出起切电流差b (3) 求出切换电压源次数m取m=7。(4) 重新计算b，校验i2 i2在规定的范围之内。(5) 求出各级切换时电枢回路电压大小 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已知，pan=4kw，uan=160v，ian =33.7a， nn =990r/min,ra=0.741。额定状态时，有可得图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：clearuan=160; cefai=0.137; ctfai=1.308; ra=0.741; u0=44.5;u1=61;u2=77.5;u3=94;u4=110.5;u5=127;u6=143.5;i1=60;i2=37.7;t=0: 1:2500;n= uan/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);n0= u0/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);n1= u1/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);n2= u2/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);n3= u3/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai)n4= u4/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);n5= u5/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);n6= u6/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);plot(t, n, t,n0,t, n1, t, n2, t, n3, t, n4,t,n5,t,n6)title(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n)hold ont1= ctfai*i1;t2= ctfai*i2;plot(t1, n6,t2,n6)hold off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3.1 串电阻启动原理mufifiauar1r2s2s1(c)电路图nabcd tl t2 t1 ( il) ( i2 ) ( i1) tem ( ia)n0f2(tem)f1(tem)fn(tem)n1n2n1(d)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。 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f1(tem)。又因启动转矩t1大于负载转矩tl，工作点沿人为特性f1(tem)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机械特性变为人为特性f2(tem)，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f2(tem)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机械特性变为固有特性fn(tem)，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fn(tem)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。3.2 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，选择对应的启动转矩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若tl未知，可用tn代替。对应的切换电流t2为il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 确定启动级数mm的计算公式为式中，ram为m级启动时的电枢启动总电阻该公式的推导过程如下：由于nd=nn1，故ed=en1，即由于nb=nc，故eb=ec，即可见，若为m级启动，则启动的总电阻为两边取对数，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式中，i=1，2，m。3.3 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，pan=4kw，uan=160v，ian =33.7a， nn =990r/min,ra=0.741。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i2=(50.5567.4)a =(37.0740.44)a取= 58a，=38a。(2) 求出起切电流比b(3) 求出启动级数m取m=3。(4) 重新计算b，校验i2。i2在规定的范围之内。(5) 求出各级启动电阻r1=(-1)ra=(1.551)0.741= 0.408r2=(2-)ra=(1.5521.55)0.741= 0.632r3=(3-2)ra=(1.5531.552)0.741= 0.979 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已知，pan=4kw，uan=160v，ian =33.7a， nn =990r/min,ra=0.741。额定状态时，有可得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，代入式使用如下指令：clearuan=160; cefai=0.136; ctfai=1.302; ra=0.741; ra1=1.149;ra2=1.781;ra3=2.760; i1=58;i2=37.4;t=0: 1:2500;n= uan/cefai-ra.*t./( cefai*ctfai);n1= uan/cefai-ra1.*t./( cefai*ctfai);n2= uan/cefai-ra2.*t./( cefai*ctfai);n3= uan/cefai-ra3.*t./( cefai*ctfai);plot(t, n, t, n1, t, n2, t, n3)title(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n)hold ont1= ctfai*i1;t2= ctfai*i2;plot(t1, n3,t2,n3)hold off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，即使用降压启动与串电阻启动，可有效实现启动电流与