并励直流电动机的制动与调速.docx

并励电动机的起动与调速引言直流电动机按励磁方式的不同总共分成四种类型,即他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。这其中，并励直流电动机的应用比较广泛。并励直流电动机的起动要求是起动电流（IS）不能超过其本身的允许值，但又要保证有较大的起动转矩。并励直流电动机起动的瞬间，倘若在额定电压下直接起动，由于Ra很小，IS就会很大，一般可达电枢电流额定值的10-20倍。这样大的电流是换向所不允许的。与此同时，起动转矩也能达到额定转矩的10-20倍。过大的起动转矩会使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（如齿轮）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、可以直接起动外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。为此，必须将起动电流限制在允许的范围之内。增加电枢电阻就是一种比较普遍的起动方法。而对于额定功率较大的电动机来说，一般会选择有级起动的方法，这样就能保证起动过程中既有比较大的起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。对于某些小容量电动机来说，起动之后如果需要调速，那么可采用增加电阻的方法来达到降速的目的。1 并励直流电动机的工作原理并励直流电动机励磁绕组和直流电动机的电枢绕组并在一起，当给线圈加上直流电时，导体中就有直流电通过。载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，由安培定理产生电磁转矩。由于电刷的存在，故导体中的电流将随其所处磁场极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的始终保持一固定方向，使电动机持续旋转。此时换向器到外电路的直流，改变为线圈内的交流的“逆变“作用。这就是并励直流电动机的工作原理。2 直流电动机的分类2.1 他励电动机他励电动机的电路图如图2.1所示。励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源提供。在励磁电压Uf的作用下，励磁绕组中通过励磁电流If,从而产生主磁极。在电枢电压Ua的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia。电枢电流与磁场相互作用产生电磁转矩T，从而拖动生产机械以某一转速n运转。电枢运转时，切割磁感线产生电动势E。电动势的方向与电枢电流的方向相反。 图2.1 他励电动机2.2 并励电动机并励电动机的励磁绕组和电枢绕组并联后共同由一个直流电源供电，电路如图2.2所示。并励电动机和他励电动机其实并无本质区别，两者可以通用。只是电动机的输入电流I是电枢电流Ia和励磁电流If之和，而输入电压U等于电枢电压Ua，也等于励磁电压Uf,并励电动机的额定电压UN和额定电流IN即指输入电压U和输入电流I的额定值。 图2.2 并励电动机2.3 串励电动机串励电动机的励磁绕组和电枢绕组串联以后共同由一个直流电源供电，电路如图2.3所示。串励电动机的输入电压U=Uf+Ua；输入电流I=If=Ia。由于励磁电流大，励磁绕组的导线粗、匝数少，串励电动机的励磁绕组的电阻要比并励（或他励）电动机的励磁绕组的电阻小得多。 图2.3 串励电动机2.4 复励电动机复励电动机的电路如图2.4所示。它在主磁极铁心上绕有两个励磁绕组，一个为并励绕组，一个为串励绕组。前者匝数多、导线细、电阻大，后者匝数少、导线粗、电阻小。图2.4 复励电动机3 直流电动机的机械特性3.1 固有机械特性并励电动机的固有特性如图3.1所示。由于电枢电阻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。固有特性上的N点是电动机的额定状态，此时电动机的电压、电流、功率和转速都等于额定值。固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流Ia等于换向所允许的最大电枢电流Iamax=(1.52.0)IaN。对应的转矩TM是电动机所允许的最大转矩。 图3.1 固有机械特性3.2 人为机械特性3.2.1 增加电枢电路电阻时的人为特性如果串入一外接电阻，则电枢电路电阻Ra增加，理想空载转速n0不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图3.2.1所示。串入的电阻越大，人为特性的斜率越大，硬度越小。图3.2.1 增加电枢电路电阻时的人为特性3.2.2 降低电枢电压时的人为特性Ua降低时，n0减小，不变，不变，人为特性如图3.2.2所示，机械特性平行下移。 图3.2.2 降低电枢电压时的人为特性3.2.3 减小励磁电流时的人为特性减小励磁电流If，则磁通减小，n0增加，增加，减小，人为特性如图3.2.3所示。图3.2.3 减小励磁电流时的人为特性4 并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。下面仅以直流并励电动机电枢回路串电阻起动为例说明起动过程。4.1.1 起动过程分析并励电动机采用增加电枢电路电阻起动时，如图4.1.1(a)所示，可在电枢电路中串联一个起动变阻器RST或分级起动电阻。起动时，应将起动电阻放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，将它逐段切除。起动电阻是按短期使用设计的，不能长期接在电枢电路中。 （a） 电路图 （b） 机械特性 图4.1.1 他励电动机电枢串电阻分级起动4.1.2 起动电阻计算1 选择起动电流I1和切换电流I2为保证与起动转矩T1对应的起动电流I1不会超过允许的最大电枢电流Iamax，选择I1=（1.52.0）IaN对应的起动转矩T1=（1.52.0）TN为保证一定的加速转矩，减少起动时间，一般选择切换转矩为T2=（1.11.2）TL若TL未知，可用TN代替。对应的切换电流I2为I2=（1.11.2）ILIL是与TL对应的稳态电枢电流。若未知，可用IaN代替I2=（1.11.2）IaN2 求出起切电流（转矩）比=I1/I23 确定起动级数mm=lg(Ram/Ra)/lg=lg(UaN/Ra*I1)/lg其中，Ram为m级起动时的电枢起动总电阻Ram=UaN/I1若求得的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。4 重新计算，校验I2是否在规定的范围之内若m是取相近整数，则需重新计算。=I2=I1/校验I2是否在规定的范围内，若不在，则要调整I1或加大起动级数m,重新计算和I2，直到满足要求为止。5 求出各级起动电阻RSTi=(i-i-1)Ra式中i=1，2，m。5 并励直流电动机电枢串电阻起动的设计方案基于本设计题目，现给出以下设计其起动级数和各级起动电阻的方案：（1） 选择I1和I2I1=（1.52.0）IaN=（1.52.0）*497=（745.5994）AI2= (1.11.2) IaN=（1.11.2）*497=（546.7596.4）A取I1=840 A，I2=560 A（2） 求出起切电流比=I1/I2=840/560=1.5（3） 求出起动级数mRam=UaN/I1=440/840=0.524 m=lg(Ram/Ra)/lg=lg(0.524/0.076)/lg1.5=4.76取m=5。（4） 重新计算，校验I2=1.47I2=I1/=571 AI2在规定的范围之内。（5） 求出各级起动电阻RSTi=(i-i-1)RaRST1=（-1）Ra=(1.47-1)*0.076=0.0357 依次类推，则RST2=0.0525 ；RST3=0.0772 ；RST4=0.1135 ；RST5=0.1668 6 并励直流电动机串电阻调速6.1 增加电枢电阻调速电路图如图6.1（a）所示。即将起动变阻器RST改为调速变阻器Rr即可。从电路结构上看，虽然该电路与电枢电路串电阻起动的电路相同，但是，起动起动变阻器是供短时使用的，而调速变阻器是供长期使用的。改变调速变阻器的电阻值，即可改变电枢电路的总电阻，从而实现改变电动机转速的目的。 （a）电路图 （b）机械特性图6.1 增加电枢电路电阻调速6.1.1 调速过程分析并励电动机的机械特性和负载特性如图6.1（b）所示。调速前，系统工作在固有特性与负载特性的交点a上。Ra改变的瞬间，因机械惯性，转速来不及改变，工作点由a平移到人为特性上的b点。由于此时TTL，n下降，工作点沿人为特性由b点移至新交点c为止。系统在比原来低的转速下重新稳定运行。显然，电枢电路内串入的电阻越大，n越低。7 并励直流电动机电枢串电阻调速的设计方案基于本设计题目，现给出以下电枢电路中串联调速电阻Rr的方案：电动机的电枢电阻Ra=(UaN-PN/IaN)/IaN=(160-4000/34.4)/34.4=1.27 在额定状态下运行时E=UaN-RaIaN=（160-1.27*34.4）=116.31 VCT=(60/2)CE=(60/2)E/nN=(60/2*3.14)*0.0802=0.766TN=(60/2)PN/nN=(60/2*3.14)*4000/1450=26.36 Nm由于通风机负载的转矩与转速的平方成正比，故n=1200 r/min时的转矩为T=（n/nN）2TN=(1200/1450)*26.36=18.05 Nmn0=UaN/(CE)=160/0.0802=1995 r/minn=n0-n=1955-1200=795 r/min由于n=(Ra+Rr)/(CECT2)T由此求得Rr=n/TCECT2-Ra=795/18.05*0.0802*0.766-1.27=1.436 结论根据以上分析，可以得出并励直流电动机串电阻起动的设计方案：1. 选择起动电流I1和切换电流I2，得出T1 和T2；2. 确定起切电流（转矩）比；3. 求出直流电动机的电枢电路电阻Ra；4. 求出电枢起动总电阻Ram；5. 确定起动级数m；6. 重新计算，校验I2是否在规定的范围内；7. 计算各级起动电阻。根据以上计算，可以得出并励直流电动机串电阻起动的设计方案：1. 求出电动机的电枢电阻；2. 计算额定状态下的TN；3. 确定转速差n;4. 根据公式得出电枢电路所需的调速电阻Rr。心得与体会本设计是我上大学以来的第一次课程设计，在设计的过程中，我遇到了很多困难，起先不知道如何着手去做,不过后来在老师和同学的帮助下，我逐渐了解了一些知识和规律，并慢慢的掌握了本次设计的相关方法和原理。同时，在整个设计过程中，我加深了对直流电动机,特别是并励直流电动机的理解和认识，锻炼了我的设计能力。通过这段时间的学习，我感觉收获很大：首先，通过学习使自己可以把课本上的知识应用于实际，使理论与实际相结合，加深了自己对课本知识的理解，也锻炼了我个人的动手能力，同时通过查阅