直流电动机电枢串电阻起动设计

I课程设计任务书一、 设计题目直流电动机电枢串电阻起动设计二、 设计任务某工厂有一台他励直流电动机，已知参数如下：三、设计计划电机与拖动课程设计预计 6 天内完成。前三天查找并收集相关资料，之后两到 3 天总结并整理设计的内容，最后 1 天系统的进行相关课题的设计，反映到书面上来。三、 设计内容1、 设计包含直流电动机工作原理；2、 电动机的机械特性分析说明；3、 分析说明直流电机串电阻启动适用场合；a051:36027/minNNPKWUVIAnrII4、 他励直流电动机启动方法，详细说明串电阻启动（包含启动过程分析） ；5、 串电阻启动方案分析设计计算四、 设计要求1、 设计工作量是按要求完成设计说明书一份；2、 设计参数：学号 20 ：I 1=2.0 IN，I 2=1.2 IN; I1启动电流，I 2为切换电流3、 计算出合理的启动级数 m;4、 设计求解出各级串入的电阻值；5、 设计必须根据进度计划按期完成；6、 结论7、 设计说明书必须经指导老师审查签字。指导教师：时 间： 2013.12.5III摘要直流电动机是人类最早发明的一种电机。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，直流电动机因结果复杂，维护困难，价格较贵等却点制约了它的发展，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高，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地。在工业领域中直流电动机仍占有一席之地。因此有必要了解直流电动机的运转特性。关键词直流电动机 启动 运转特性 制动性能IV目录前言 .VI第 1 章 .VII1.1 直流电动机的工作原理 .VII第 2 章 .IX2.1 直流电动机的分类 .IX2.1.1 他励直流电机 .IX2.1.2 并励直流电机 .IX2.1.3 串励直流电机 .IX2.1.4 复励直流电机 .IX第 3 章 .XI3.1 电动机的机械特性 .XI第 4 章 .XIII4.1 他励直流电动机串电阻起动 .XIII4.1.1.增加电枢电阻起动 .XIII第 5 章 .XVII5.1 直流电动机电枢串电阻起动设计方案 .XVII5.1.1 选择启动电流 I1 和切换电流 I2.XVII5.1.2 求出起切电流比 .XVII5.1.3 求出电动机的电枢电路电阻 Ra.XVII5.1.4 求出启动时电枢电路的总电阻 Ram.XVII5.1.5 求出启动级数 m .XVII5.1.6 重新计算 ，校验 .XVIII2I5.1.7 求出各级总电阻 .XVIII5.1.8 求出各级启动电阻 .XVIII结论 .XIX心得与体会 .XX参考文献 .XXIV前言他励直流电动机在启动瞬间，转速 n=0，电动势 E=0，由电枢电流方程式（1）可知，启动电流如式（2）所示。在额定电压下直接启动时，由于Ra 很小， Is 很大，一般可达电枢电流额定的 倍。这样打的电流是换201向所不允许的。同时由式（3）可知，启动转矩也能达到额定转矩的倍。虽然启动转矩大可以使电机加速快，但是过大的启动转矩会使201电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机构和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻 Ra 大、转动惯量又比较小，可以直接启动外，一般的直流电动机是不允许采用直接启动。（1）RaEUI（2）Is（3）IaCtT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，方法有两个：降低电枢电压 和增加电枢电阻 Ra。aUVI第 1 章1.1 直流电动机的工作原理由于电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转， ，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边 ab 和 cd 交替地切割 N 极和 S 极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷 A，B 端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器配合电刷的换向作用，电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割 N 极磁力线的线圈边中的电动势，因此，电刷 A 始终有正极性。同样道理，电刷 B 始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如每极下的线圈数增多，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明子直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。 从基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可工作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是约束的条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不VII加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理在电机理论中称为可逆原理。VIII第 2 章2.1 直流电动机的分类根据励磁方式的不同，直流电机可分为下列几种类型2.1.1 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（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。2.1.2 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（b）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。2.1.3 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（c）所示。这种直流电机的励磁电流就是电枢电流。2.1.4 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（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。IXX第 3 章3.1 电动机的机械特性是指电动机的转速 与转矩 的关系 。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 ，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 是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩 是不同的，其间差一空载转矩 ，即：在一般情况下，因为空载转矩 相比 或 很小，所以在一般的工程计算中可以略去 ，即：已知直流电动机的机械特性方程式为式中 为电枢回路总电阻，包括 及电枢回路串联电阻 ， 为理想空载转速记为 ， 记为 ，为机械特性的斜率。当 ， ，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 或 或电枢回路串电阻时，其机械特性的 或将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。XI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 的方向）相同，第 II、IV 象限为制动运行状态。XII第 4 章4.1 他励直流电动机串电阻起动4.1.1.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。 1、启动过程分析如图(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 = =1IalRU21Kr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(b) 中的曲线 1 所示。 (a) 电路图 (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 T-TL=J dtXIII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(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1R2R阻 Ra2 所确定的人为机械特性，见图(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11R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1IT1T2，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2R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1IT1。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2I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、起动电阻的计算 在图(b)中，对 a 点，有 =1IaRU即 Ra1= 1IXIV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1R2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，2R如忽略电感的影响，可假定 nb=nc，即电动势 Eb=Ec，这样在点有 =2I1abRU在 c 点 =1I2acRU两式相除，考虑到 Eb=Ec，得 21aI同样，当从 d 点转换到 e 点时，得 = 21Iar这样，如图 4 所示的二级起动时，得 =21aRI推广到 m 级起动的一般情况，得 = = = =21aIram)1(arR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1I比)，它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。由此可以推出 =arR1m式中 m 为起动级数。由上式得 =mar1如给定 ,求 m,可将式 = 取对数得 arR1m= lg1ar由式 = = = = 可得每级电枢回路总电阻进而求出21aRIramR)1(ar各级启动电阻为：=Ra1-Ra2 1XV=Ra2-Ra32R=Ra3-Ra43R(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1I=(2.02.5) 1IaNI=(1.11.2) 2XVI第 5 章5.1 直流电动机电枢串电阻起动设计方案5.1.1 选择启动电流 I1 和切换电流 I2=(22.5) =(22.5)277 =(554692.5)A1INIA=(1.11.2) =(1.11.2)277 =(304.7332.4)2 A选择 =554 ， =332.41IA2I5.1.2 求出起切电流比 = =1.66721I5.1.3 求出电动机的电枢电路电阻 Ra(取 )2310321NaIPUR (075.aR5.1.4 求出启动时电枢电路的总电阻 RamRam= =360/554=0.6501IUaN5.1.5 求出启动级数 m 467.1lg08235.lgamR取 m=4XVII5.1.6 重新计算 ，校验2I= =1.715maR= =323.02I1A在规定范围之内5.1.7 求出各级总电阻= =1.715*0.178=0.6494R3 = =1.715*0.151=0.3782= =1.715*0.129=0.2211= =1.715*0.075=0.129 Ra= =0.0750 5.1.8 求出各级启动电阻Rst1= - =(0.129-0.075) =0.054 1R0 Rst2= - =(0.221-0.129) =0.10692 Rst3= - =(0.378-0.221) =0.1573Rst4= - =(0.649-0.378) =0.2714RXVIII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： 择启动电流和切换电流启动电流为对应的启动转矩切换电流为对应的启动转矩 T； 求出起切电流（转矩）比 ； 求出电动机的电枢电路电阻； 求出启动时的电枢总电阻； 求出启动级数 m； 重新计算 ，校验是否在规定范围