直流电动机串电阻起动分析与设计.doc

西北工业大学 电机与拖动课程设计 设 计 题 目： 直流电动机串电阻起动分析与设计院（系、部）： 电气与控制工程学院 专 业 班 级： 自动化 姓 名： 李四 学 号： 1585810317 指 导 教 师： 荣德生 日 期： 2012-7-3 电气工程系课程设计标准评分模板课程设计成绩评定表学期2011/2012第2学期姓名李四专业自动化班级自动化课程名称 电机与拖动课程设计设计题目直流电动机串电阻起动分析与设计 成绩 评分项目优良中及格不及格设计表现1.设计态度非常认真认真较认真一般不认真2.设计纪律严格遵守遵守基本遵守少量违反严重违反3.独立工作能力强较强能独立设计完成基本独立设计完成不能独立设计完成4.上交设计时间提早或按时按时迟交半天迟交一天迟交一天以上设计说明书5.设计内容设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误6.设计书写、字体、排版规范、整洁、有条理，排版很好较规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大7.封面、目录、参考文献完整较完整基本完整缺项较多不完整图纸8.绘图效果很出色较出色一般较差很差9.布局合理、美观较合理基本合理有些混乱布局混乱10.绘图工程标准符合标准较符合标准基本符合标准个别不符合标准完全不符合标准评定说明：不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。最终成绩： 评定教师签字：课程设计任务书一、设计题目直流电动机串电阻起动分析与设计二、设计任务一台Z4他励直流电动机，PaN=200kW，UaN=440V，IaN =497A，nN =1500r/min，Ra=0.076。采用分级起动，起动电流最大值不超过2IaN，试求各段电阻值，并求切除电阻时的瞬时转速和电动势，并做出机械特性图，对起动特性进行分析。三、设计计划电机与拖动课程设计共计1周内完成：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及整理设计说明书；3、第6天准备答辩；4、第7天答辩。四、设计要求1、设计工作量为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教师审查签字方可答辩。指 导 教师： 荣德生 刘春喜 王继强 李国华教研室主任： 李洪珠时 间： 2014年 3 月2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。关键词：直流电动机；串电阻；启动；机械特性目录1 直流电动机的工作原理12 直流电动机的分类22.1 他励直流电机22.2 并励直流电机22.3 串励直流电机22.4 复励直流电机33 电动机的机械特性34 他励直流电动机串电阻起动54.1 增加电枢电阻起动54.1.1 启动过程分析54.1.2 起动电阻的计算65 直流电动机电枢串电阻起动设计方案86 结论9参考文献10西北工业大学电机与拖动课程设计1 直流电动机的工作原理图1-1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工作原理。2 直流电动机的分类2.1 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2-1 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。图2-12.2 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2-2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。图2-22.3 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2-3所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。图2-32.4 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2-1 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。图2-43 电动机的机械特性是指电动机的转速n与转矩T的关系n=f(T)。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n=f(T2)，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T是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩T2是不同的，其间差一空载转矩T0，即：T= T2 +T0 在一般情况下，因为空载转矩T0相比T或T2很小，所以在一般的工程计算中可以略去T0，即： 已知直流电动机的机械特性方程式为 式中R为电枢回路总电阻，包括Ra及电枢回路串联电阻Rp， 为理想空载转速记为n0，机械特性的斜率记为： 当U=UN， ，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U或或电枢回路串电阻时，其机械特性的n0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n的方向）相同，第II、IV象限为制动运行状态。4 他励直流电动机串电阻起动4.1 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。 4.1.1 启动过程分析如图4-1所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U。图4-1 直流他励电动机分二级起动的电路图触点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4-2中的曲线1所示。图4-2 直流他励电动机分二级起动的特性图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，前提是选择合适的各级起动电阻。下面讨论应该如何计算起动电阻。 4.1.2 起动电阻的计算 在图4(b)中，对a点，有=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b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。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-Ra4R(m-1)=R a(m-1)-RamRm=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) 5 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)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=-=(0.11-0.076)=0.034Rst2=-=(0.16-0.11)=0.05Rst3=-=(0.24-0.16)=0.08Rst4=-=(0.35-0.24)=0.11Rst5=-=(0.52-0.35)=0.276 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T2；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