电机与拖动课程设计---直流电动机电枢串电阻启动设计.doc

直流电动机电枢串电阻启动设计1 直流电动机的工作原理直流电动机是将直流电能转换为机械能的电动机。因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。随着电力电子技术的发展，直流发电机虽然被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍有一定优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。1.1 直流电动机的结构直流电动机主要由磁极、电枢、换向器三部分组成，其结构如图所示。 图1-1直流电动机的主要结构 （1）磁极。磁极是电动机中产生磁场的装置，如图所示。它分成极心1和极掌2两部分。极心上放置励磁绕组3，极掌的作用是使电动机空气隙中磁感应强度的分布最为合适，并用来挡住励磁绕组；磁极是用钢片叠成的，固定在机座4（即电机外壳）上；机座也是磁路的一部分。机座常用铸钢制成。 图1-1.1直流电动机的磁极及磁路 1极心 2极掌 3励磁绕组 4机座 （2）电枢。电枢是电动机中产生感应电动势的部分。直流电动机的电枢是旋转的，电枢铁心呈圆柱状，由硅钢片叠成，表面冲有槽，槽中放有电枢绕组，如图所示。 图1-1.2直流电动机的电枢 （3）换向器（整流子）。换向器是直流电动机的一种特殊装置，其外形如图所示，主要由许多换向片组成，每两个相邻的换向片中间是绝缘片。在换向器的表面用弹簧压着固定的电刷，使转动的电枢绕组得以同外电路联接。换向器是直流电动机的结构特征，易于识别。 图1-1.3换向器 1.2 直流电动机的工作原理图1-2工作原理图直流电动机的工作原理如下：如图1-1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 直流电动机的分类及其特性 在直流电动机中，除了必须给电枢绕组外接直流电源外，还要给励磁绕组通以直流电流用以建立磁场。电枢绕组和励磁绕组可以用两个电源单独供电，也可以由一个公共电源供电。按励磁方式的不同，直流电动机可以分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机等形式。由于励磁方式不同，它们的特性也不同。2.1 他励直流电机 他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电，如图所示。他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。 图2-1他励电动机 2.2 并励直流电机并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电，如图所示，这时电源提供的电流I等于电枢电流Ia和励磁电流If之和，即I=Ia+If。 图2-2并励电动机 并励电动机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、电阻大、电流小。这是因为励磁绕组的电压就是电枢绕组的端电压，这个电压通常较高。励磁绕电阻大，可使If减小，从而减小损耗。由于If较小，为了产生足够的主磁通，就应增加绕组的匝数。由于If较小，可近似为I=Ia。 并励直流电动机的机械特性较好，在负载变时，转速变化很小，并且转速调节方便，调节范围大，启动转矩较大。因此应用广泛。 2.3 串励直流电机串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源，如图所示。串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电枢电流Ia，这个电流一般比较大，所以励磁绕组导线粗、匝数少，它的电阻也较小。 图2-3串励电动机 2.4 复励直流电机这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联，如图所示。图2-4复励电动机 在以上四种类型的直流电动机中，以并励直流电动机和他励直流电动机应用最为广泛。3 他励直流电动机的机械特性在他励电动机中，,保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系称为他励电动机的机械特性。根据公式 可得，他励电动机的转速与转矩之间有如下关系 当U、R、为常数时，为一条向下倾斜的直线，如图3所示。 图3-1他励电动机的固有特性 其中 称为理想空载转速 称为机械特倾性的斜率，大小反映软特性与硬特性 称为负载时的转速降由于电枢电路电阻Ra很小,所以机械特性的斜率很小,硬度很大,固有特性为硬特性（1）固有机械特性、电枢回路不串电阻时的机械特性。其方程式由于较小，特性的斜率小，所以他励直流电动机的固有机械特性是一条稍稍向下倾斜的直线，如图25所示，称为硬特性，其额定转速变化率 一般为10%左右。.（2）电枢串接电阻的人为机械特性在他励直流电动机的电枢电路中串入附加电阻R,这时U=Un,=n,R=Ra+R机械特性方程为由于电动机的电压和磁通保持不变，所以电动机空载转速不变。转速降与斜率则与电枢电路总电阻成正比，这说明电动机的机械特性随串联电阻增大而变软。机械特性是一组通过理想空载点的直线簇。这种特性可以用来改善启动性能。（3） 改变电压时的人为机械特性，改变电压时的机械特性方程式为特性的斜率不变，与U成正比变化。如图28a)所示。（4）减弱磁通时的人为机械特性 4 他励直流电动机的启动电动机的启动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。电动机在启动瞬间（n=0)的电磁转矩称为启动转矩，启动瞬间的电枢电流称为启动电流，分别用st和Ist表示其中.stCtIa要正确使用电动机，首先就是要使它正常启动。所谓直流电动机的启动，是指直流电动机接通电源后，转速由n=0升到稳定转速nl的全过程。要使电动机的启动过程合理，要考虑的问题包括：启动电流Ist的大小；启动转矩Tst的大小；启动时间的长短；启动过程是否平滑，即加速度是否均匀；启动过程的能量损耗；启动设备的简单可靠。其中，启动电流和启动转矩是主要的。启动方法直流电动机的启动包括直接启动、降压启动和电枢回路串电阻启动4.1 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻启动:电枢回路串接电阻，启动电流为Is=Un/Ra+R,负载转矩TL可知,启动过程中要求电动机的电磁转矩必须大于负载转矩,即TTL。根据要求，可确定串接电阻R的大小，这样有了加速转矩后才能使系统启动，而加速转矩的大小又必须满足生产工艺对加速度的要求。因此他励直流电动机启动时，必须有足够大的负载转矩，又不使启动电流过大，使电动机在满足生产工艺要求的前提下安全启动，但随着转速的升高，应逐级切除电阻，否则电枢回路长期串接较大电阻，将引起教大的能量损耗。 额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联启动变阻器的方法启动。启动前先把启动变阻器调到最大值，加上励磁电压，保持励磁电流为额定值不变，再接通电枢点源，电机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除。额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，有使起动电流不会超过允许值。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。4.1.1 启动过程分析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。 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 ,电枢回路总电阻为=。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)中的曲线1所示。 图4(a) 电路图 图4(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 式中 T电动机的电磁转矩； TL由负载作用所产生的负载转矩； 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 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-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) 5 直流电动机电枢串电阻启动设计某台Z4系列他励直流电动机，参数如下：PN=200KWUaN=440VIaN=497AnN=1500r/minRL=0.076欲采用电枢串电阻启动，试设计其启动级数和各级启动电阻。解：（1）选择I1和I2I1=（1.52.0）IaN=(1.52.0) 497A=(745.5994）AI2=（1.11.2）IaN=(1.11.2) 497A=(546.7596.4）A(2)求出起切电流比（3）求出启动时的电枢电路电阻Rm(4)求出启动级数m取m=5。(5)重新计算，校验I2I2在规定的范围之内。(6)求出各级总电阻RO=Ra=0.076R1=1.470.076=0.11R2=1.4720.076=0.16R3=1.4730.076=0.24R4=1.4740.076=0.35R5=1.4750.076=0.52(7)求出各级启动电阻6 结论1电枢回路串接电阻启动方法比较简便，同样可将启动电流限制在容许的范围内，但在启动过程中，要将启动电阻Rst分段切除。额定功率较小的电动机可采用在电枢回路内串联启动变阻器的方法启动；而额定功率较大的电动机一般采用分级启动的方法以保证启动过程中既有比较大的启动转矩，又使启动电流不会超过允许值。直接启动和降压启动比较启动方法优缺点直接启动降压启动优点不需要专用启动设备,操作简便启动平稳启动过程中能量损耗小,易于实现自动化缺点启动电流过大初期投资大,启动设备复杂,要求有单独的可调压直流电源2他励直流电动机串电阻启动计算方法选择启动电流I1和切换电流I2 对应的启动转矩对应的切换转矩 对应的切换电流求出起切电流(转矩)比求出电动机的电枢电路电阻Ra在额定状态下运行时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，需加大起动级数m,重新计算和,直到满足要求为止。求出各级总电阻求出各级起动电阻设计体会在这次课程设计过程中我收集了大量资料，为这次设计做出了充分的准备。通过这次设计我学到了很多很多有用的东西，同时巩固了以前所学过的知识，而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识，对本门课程所学习的内容进行了补充和扩展。本学期学的是电机与拖动，本次课程设计是一个总结性学