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文档简介
课程设计名称: 电机与拖动课程设计 题 目: 他励直流电动机串电阻启动 专 业:电气工程及其自动化班 级:12-2班姓 名:闫伟学 号:1205040222辽宁工程技术大学课程设计成绩评定表学期20132014学年第二学期姓名专业班级课程名称电机与拖动论文题目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结合实际性10知识掌握程度15书写规范性10工作量10总成绩100评语:任课教师李国华时间2014年7月5日备注课程设计任务书一、设计题目他励直流电动机串电阻启动的设计二、设计任务一台他励直流电动机,已知参数如下Pan=200kw ;Uan=440v ;Ian=497A ; nN=1500r/min;Ra=0.076;WW采用分级启动,启动电流最大不超过2IaN,,求各段电阻值,并且求出切除电阻时的瞬时转速和电动势,并作出机械特性曲线,对启动特性进行分析。三、设计计划第1天查阅资料,熟悉所选题目;第2天根据基本原理进行方案分析;第3天整理思路,按步骤进行设计;第4天整理设计说明书;第5天准备答辩;四、设计要求1、设计工作量为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教师审查签字方可答辩。指导教师: 王继强 刘春喜 李国华教研室主任:李洪珠时 间:2014年7月5日摘要他励直流电动机启动时由于电枢感应电动势Ea=Cen=0,最初启动电流Is=U/Ra,若直接启动,由于Ra很小,Ist会十几倍甚至几十倍于额定电流,无法换向,同时也会过热,因此不能直接启动。要限制启动电流Ist的大小可以有两种方法:降低电枢电压和电枢回路串接附加电阻。本文仅以他励直流电动机的串电阻启动为主题进行详细的阐述。在实际中,如果能够做到适当选用各级启动电阻,那么串电阻启动由于其启动设备简单、经济和可靠,同时可以做到平滑启动,因而得到广泛应用。但对于不同类型和规格的直流电动机,对启动电阻的级数要求也不尽相同。关键词:他励直流电动机;启动电流;串电阻启动目录第一章 直流电动机11.1 直流电动机的工作原理11.2 直流电动机的分类11.3 他励直流电动机的工作原理2第二章 他励直流电动机的启动32.1 他励直流电动机串电阻启动32.1.1 启动过程分析32.1.2 起动电阻的计算42.2 直流电动机电枢串电阻启动设计方案52.2.1 选择启动电流和切换电流52.2.2 启动、切换电流比52.2.3 启动时电枢电路的总电阻Ram62.2.4 启动级数m62.2.5 重新计算,校验I262.2.6 各级总电阻的计算62.2.7 各级启动电阻的计算62.3 多级启动的规律72.3.1 不同加速级的机电常数72.3.2 不同加速级的起始转速与稳定转速72.3.3 启动级数的选取7第三章 结论8第四章 心得体会9参考文献10辽宁工程技术大学课程设计第一章 直流电动机1.1 直流电动机的工作原理图1.1直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理:上图所示为最简单的直流电动机工作原理示意图。直流电动机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。转子载流导体在磁场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。可知,分别在N,S极范围内的导体中的电流方向总是不变的。由此,线圈二边受力方向也不变。这样,线圈就可以按照受力方向不停地旋转。1.2直流电动机的分类根据励磁方式的不同,直流电机可分;他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。1.3他励直流电机工作原理 他励直流电机的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1.3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1.3他励直流电机工作原理图第二章 他励直流电动机的启动2.1 他励直流电动机串电阻启动在实际中,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【5】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。2.1.1 启动过程分析如图2.1(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I1=U/Ral=U/(ra+RK1+RK2) 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2.1(b)中的曲线1所示。(a) 电路图 (b) 特性图图2.1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2.1(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R1后,电枢回路总电阻为Ra2=ra+R2。这时电动机对应于由电阻Ra2所确定的人为机械特性,见图2.1(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R1,使切除R1后的电枢电流刚好等于I1,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R1。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I1,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I2(或相应的最大转矩T2)及切换电流I2(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。2.1.2 起动电阻的计算在图2.1(b)中,对a点,有I1=U/Ra1即 Ra1=U/I1当从曲线1(对应于电枢电路总电阻Ra1=ra+R1+R2)转换得到曲线2(对应于总电阻Ra2=ra+R2)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I2=(U-Ub)/Ra1在c点I1=(U-Uc)/Ra2两式相除,考虑到Eb=Ec,得I1/I2=Ra1/Ra2同样,当从d点转换到e点时,得I1/I2=Ra2/ra这样,如图2.1所示的二级起动时,得I1/I2=Ra1/Ra2=Ra2/ra推广到m级起动的一般情况,得=I1/I2=Ra1/Ra2=Ra2/ra=Ra2/ra=Ra(m-1)/Ram=Ram/ra式中为最大起动电流I1与切换电流I2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:R1=Ra1-Ra2R2=Ra2-Ra3R3=Ra3-Ra4R(m-1)= Ra(m-1)- RamRm= Ram-ra起动最大电流I1及切换电流I2按生产机械的工艺要求确定,一般I1=(1.52.0) IaNI2=(1.11.2) IaN2.2 直流电动机电枢串电阻起动设计方案2.2.1 选择启动电流和切换电流I1=(1.52.0)=(1.52.0)497=(745.5994)AI2=(1.11.2)=(1.11.2)497=(546.7596.4)选择I1=840,I2=560。2.2.2 启动、切换电流比=1.52.2.3 启动时电枢电路的总电阻RamRam=0.5242.2.4 启动级数mm=4.76 取m=52.2.5 重新计算,校验I2=1.47I2=571I2在规定范围之内。2.2.6 各级总电阻的计算R5=ra=1.4750.076=0.52R4=ra =1.4740.076=0.35R3=ra=1.4730.076=0.24R2=ra=1.4720.076=0.16R1=ra=1.470.076=0.11R0=Ra=0.0762.2.7 各级启动电阻的计算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)=0.272.3 多级启动的规律2.3.1 不同加速级的机电常数不同加速级的机电常数是不同的,电枢电路的电阻越大,则TM越大。2.3.2 不同加速级的起始转速与稳定转速不同加速级的起始转速与稳定转速是不同的,这是由于不同的机械特性与恒切换转矩T2(或切换电流I2)特性及恒负载转矩TL(或负载电流IL)特性的交点是不同的。2.3.3 启动级数的选取启动级数的选取:取决于负载的大小与对启动平滑性的要求。级数越多启动平滑性越好,但是启动设备与控制装置庞杂,投资大。一般取m=24级,空载或轻载取m=12,重载或满载取m=34。第三章 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:(1)选择启动电流I1和切换电流I2I1=(2.02.5)INI2=(1.11.2)IL启动电流为I1,对应的启动转矩T1;T1=(1.52.0) TN切换电流为I2,对应的启动转矩T2;T2=(1.52.0)TN(2)出起切电流(转矩)比;=I1/I2(3)出电动机的电枢电路电阻ra;Ra=(1/22/3)UNIN-PN*1000/IN*IN(4)出启动时的电枢总电阻Rm;Rm=UaN/IaN(5)出启动级数m;m=(lgRm/Ra)/lg选取m=3(6)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I2;=再根据得出的重新求出I2,并校验I2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I2,直到符合要求为止。(7)出各级总电阻(8)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。第四章 心得体会经过为期一周的研究与设计,本次电机与拖动课程设计-他励直流电动机串电阻启动较为顺利的完成。通过这次课程设计,使我更进一步了解了他励直流电动机的工作原理及其起动过程。在分级启动中,只要知道最大启动电流和切换电流,我们即可以计算出分级启动电阻以及启动过程中的电阻切换时刻。所串联电阻并不是越大越好,太大可能导致无法启动。另外,要得到更大的启动转矩,必须增加启动级数,这样所需设备多,透投资大,维修不便。此设计忽略了电枢电感的影响,在电阻切除时刻,电流有个跃变,若是考虑电枢电感阻碍电流跃变的作用,实际的启动特性中电流由切换电流变化到最大会稍慢,对整个过程影响小。在这次设计中,我翻阅了一些的资料文献,同时在网上收集了很多有用的信息。之后自己进行归纳总结,得出设计方案。在整个过程中,我积累了一些设计方面的经验,为以后做毕业设计打下了坚实的基础。在设计过程中,完成设计要综合利用各方面的知识,无疑是对电机知识的一次新的、具体的、全面的理解与应用。从中学到了很多课堂上学不到的知识,使自己从理论到实践迈出了宝贵的一步.通过这次课程设计我收获最大的是明白了做
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