他励直流电动机串电阻三级起动控制设计概要

1、电机与拖动课程设计他励直流电动机串电阻三级起动控制设计Separately Excited DC Motor Series Resista neeThree Start Con trol Desig n电机与拖动课程设计I摘要这篇文章主要解决他励直流电动机串电阻三级起动控制设计问题，设计出可以三级起 动的电动机。本文通过理论设计，实验室检验，再纠正的方法，阐述了他励直流电动机的 基本结构，工作原理， 得到了他励直流电动机的起动方法， 通过得到的结论设计出可以三 级起动的他励直流电动机。关键词 他励；直流；电阻；起动；三级电机与拖动课程设计2AbstractThis article mai nl

2、y solves the separately excited DC motor series resista nee three starti ng controldesign, design can be a level three starting motor. In this paper, through theoretical design,laboratory tests, and the correction method, elaborated separately excited DC motors basicstructure, working principle, got

3、 him excited DC motor starting method, the conclusion can bedeveloped through three grade starti ng of separately excited DC motor.Keywords :excitatio n; DC; resista nee; starti ng; three电机与拖动课程设计I目录1 绪论.1.1.1 直流电机基本的结构 .错误！未定义书签。1.1.1定子.错误！未定义书签。1.1.2转子.错误！未定义书签。1.1.3励磁方式. 错误！未定义书签。1.1.4额定值. 错误！未定义

4、书签。1.2 直流电动机的工作原理 .错误！未定义书签。1.3 励磁直流电动机的机械特性.错误！未定义书签。1.3.1 固有特性.错误！未定义书签。1.3.2 人为特性.错误！未定义书签。2 他励直流电动机的起动方法和启动过程.错误！未定义书签。2.1 降低电枢电压起动 .错误！未定义书签。2.1 串电阻起动.错误！未定义书签。2.1.1 无级起动.错误！未定义书签。2.1.1 有级起动 .错误！未定义书签。3 选择转子串电阻方式，按给定参数计算各级起动电阻值 .錯误！未定义书签。结论.1.1.心得.12参考文献.1.3电机与拖动课程设计11.1 直流电机的基本结构1.1.1定子直流电子的定子

5、有以下几部分组成：（1）主磁极 及原理图中的 N 和 S 极。它由励磁绕组和主磁极铁芯两部分组成。（2）换向磁极 简称换向极。它是位于主磁极之间的比较小的磁极，也是由铁芯和绕组 两部分组成。铁芯一般用整块钢板加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。换向磁 极的作用是用来改善换向。（3）机座 用铸钢或钢板制成，是构成直流电机的一部分。（4）端盖等机座两边各有一个端盖。1.1.2转子直流电机转子包括以下几部分：（1）电枢铁心 它由硅钢片叠成，表面有许多均匀分布的槽。（2）电枢绕组 实际的电枢绕组由很多线圈按一定规则连接起来。绕组嵌放在电枢铁心 槽内。1绪论换向磁极电机与拖动课程设计2(3)换向器 由很

6、多换向片组成，外表呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。(4)风扇等。1.1.3励磁方式按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电机四种。如图 1.1.3-1 所示，分别给出了四种励磁方式电路图。图 1-1-3-1 直流电机按励磁方式分类1.1.4额定值(1) 额定电压 UN在直流电动机中，UN是指输入电压的额定值。若是他励电动机，额定电压分为额定电 枢电压 UcN和额定励磁电压 UfNo(2) 额定电流 IN在直流电动机中，IN是指输入的额定值，若是他励电动机，额定电流分别为额定电枢 电流IaN和额定励磁电流 IfN。(3) 额定功率 PN在直流电动机中，PN是输出的机械功率的额定值

7、。它等于额定输出转矩T2N 约定旋转角速度QN的乘积，即十 I- -TbiUf口一uq- op :+(a )他励直流电动机b )幷励电动机电机与拖动课程设计3PN=T2NQN=2nT2NniV60(4) 额定转速nN电机与拖动课程设计4额定转速是指电动机在额定状态下运行时的转子转速。1.2 直流电动机的工作原理图 1-2 为直流电机的结构原理图。图 1-2 直流电机的工作原理图图中 N 和 S 是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。如图所示将电枢绕组通 过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机械负载相连，这时便有电流从电源的正极流出， 经电刷 A流入电枢绕组，然后经电刷 B 流回电源的负极。

8、在图 1-2（a）所示位置时，线圈 ab 边在 N 极下，cd 边在 S 极下，电枢电流沿着 abfcd 的方向流动。电枢电流与磁场 相互作用产生电磁力 F,其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成的电磁转矩使 电机逆时针方向旋转。当电枢绕组的 ab 边转到了 S 极下，cd 边转到了 N 极下，如果线圈中电流的方向仍然 不变，那么作用在这两个线圈边上的电磁力和电磁转矩的方向就会与原来的方向相反，电 机便无法旋转。为此，必须改变电枢绕组中电流方向。这一任务由连接在线圈两端的铜片 和电刷来完成。如图（b）可看到，由于原来电刷 A 接触的线圈 a 端的铜片现已改成与电 刷 B 接触，而原来与电

9、刷 B 接触的线圈 d 端的铜片现已改成与电刷 A 接触，因此电枢绕组 中的电流变成沿 dfcfbfa的方向流动。利用左手定则判断出点磁力机电磁转矩的方向 仍然使电动机逆时针旋转。1.3 他励直流电动机的机械特性在他励电动机中，当 Ua Ra 和 If 保持不变，电动机的转速 n 与电磁转矩之间的关系 称为他励电动机的机械特性。2电机与拖动课程设计5转速与转矩的关系为：n=Ua/CE -RaT/CECr =n0- n=no- Yno为理想空在转速：no=Ua/CE n 是转差率： n= no-n= Y2r 是机械特性的斜率：行 RaT/CECr机械特性的硬度为0=1/丫斜率丫越小，硬度a越大，

10、机械特性越硬。1.3.1固有特性如图所示，由于电枢电阻 Ra 很小，所以机械特性的斜率Y很小，a很大，固有特性为 硬特性。图 1-3-11.3.2人为特性(1)增加电枢电阻时的人为特性如图所示，串入的电阻越大，人为特性的斜率丫越大，硬度a越小。电机与拖动课程设计6图 1-3-2-1(2)降低电枢电压时的人为特性Ua 降低时，n0 减小，丫不变，a不变，机械特性平行下移。如图所示图 1-3-2-2(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，丫增加，a减小，如图所示IfL电机与拖动课程设计72他励直流电动机的起动方法和起动过程直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起

11、来时，他励和串励电动机的电枢电 流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。他励电机起动瞬间，转速 n=0，电动势 E=0 故起动电流 ls=Ua/Ra由于在额定电压下直接起动 Ra 很小，所以 Is 很大，可达额定电流的 1020 倍，这是换 向所不允许的，故要使电流在允许范围内方法有两个：降低Ua 和增加 Ra。2.1 降低电枢电压起动起动时加励磁电压 U，保持励磁电流 If为额定值不变，电枢电压 Ua 从零逐渐升高至 额定值。这种起动方法的优点是起动平稳，起动中能耗小，易于实现现代化。缺点是初期 投资大。2.2 串电阻起动串电阻起动就是在起动时将一组起动电阻

12、 R 串人电枢回路，以限制起动电流，而当转 数上升到额定转数后，再把用开关把电阻从电枢回路中切除。串电阻起动的优点是起动电 流小；缺点是变阻器比较笨重，起动过程中要消耗很多的能量。2.2.1无极起动额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的无级起动方法起动。起 动前先把起动变阻器调到最大值，加上励磁电压Uf，保持励磁电流为额定值不变。再接通电枢电源，电动机开始起动。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。起动变阻器的最大电阻值 RsT 是多少呢？设起动电流值为 Is，该值不得超过 Imax。由 于此时ls=6，因此求得RsT=U-Ra。Ra可以通过实测或者通过铭牌

13、上提供的额RaRSTIs定值进彳行估算，由于在忽略To的情况下，P =Pe=EIa，因此在额定状态下运行时，有Ra=-aN。由于上式是在忽略To情况下得到的，因此用上式估算的Ra比实际值略大。2.2.2有级起动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。现以三级起动为例来说明起动步骤和起动过程。原理电路和机械特性如下图 2.2.2-1 所示：电机与拖动课程设计8(b)特性图图 222-1(1) 起动过程起动步骤如下： 串联起动电阻 RSTI、RST2和 RST3O起动前开关 Q1 Q2、Q3 断开，使得电枢电路中串入电阻 RST

14、I、RST2和 RST3,加上电枢 电路自身电阻Ra，电枢电路的总电阻为R2:Ra3=Ra+RT什RST2+FST3加上励磁电压 Uf，保持励磁电流 If 为额定值不变，然后加上电枢电压Ua,这时电动电机与拖动课程设计9机的机械特性如图中的人为特性 Ma 由于起动转矩 T1 远大于负载转矩 TL 电动机拖动生 产机械特性 Ma 由 al 向 a2 点移动。2切除起动电阻 RST3当工作点到达 a2 点，即电磁转矩 T 等于切换转矩 T2 时，合上开关 Q3 切除起动电阻 RST3电枢电路的总电阻变为 Ra1=Ra+RST1+RST此时的电动机的机械特性变为人为特性 Mb 切除RST3 的瞬间，

15、转速来不及改变，工作点由 Ma 上的 a2 点平移到特性 Mb 上的 bl 点，使这时的电磁转矩 T 仍为 T1，电动机继续加速，工作点沿特性 Mb 上的 bl 点向 b2 点 移动。3切除起动电阻 RST2当工作点到达 b2 点，即电磁转矩 T 又等于切换转矩 T2 时合上开关 Q2 切除起动电阻 RST2电枢电路的总电阻变为 Ra1=Ra+RST1 机械特性变为固有特性MQ工作点由 b2 平 移至 cl 点使得这时的电磁转矩 T 正好等于 T1，电动机继续加速，工作点沿人为特性 Me 由 cl 点到 e2 点。4切除起动电阻 RST1当工作点到达 e2 点，即电磁转矩 T 又等于切换转矩

16、T2 时合上开关 Q1 切除起动电阻RST1 电枢电路的总电阻变为 Ra0=Ra 机械特性变为固有特性 Md 工作点由 e2 平移至 di 点使得这时的电磁转矩 T 正好等于 T1，电动机继续加速，工作点沿人为特性 Md 由 di 点经d2 点，最后稳定运行在 p 点。整个起动过程结束(2) 他励直流电动机起动电阻的计算 选择起动电流h和切换电流I2:I1= ( 1.5 2.0 ) IaNI2=(1.1 1.2)1LRam= UaN/l1=Ra0=RaRan/Ra若 m 是取相近整数，则需重新计算BB=根据重新求得的B重新求出 I2并校验是否在所规定范围内。若不在规定范围内，需调整11或加大起

17、动级数 m 重新计算B和 12,直到满足要求为止求出起切电流确定起动级数(转矩)比:m :B丄I2RamlglgUaN打重新计算B，校验 I2是否在规定的范围内Ram=I卫aNR R J式中，FU 为m=Ra电机与拖动课程设计10公式推导，即：电机与拖动课程设计11Eb2=Ecl，nb2=nc1UaNRal12=UaNRa0I1Ral12=Ra011Ra1=BRaO同理，由na2=门切可得：Ra2=BRa1=B2RaO对于 m 级起动，有：Ram=BmRaO求出各级起动电阻：RSTi=（-卩1）Rai=1,2,，m电机与拖动课程设计123选择转子串电阻起动方式，按给定参数计算各级起动电阻值PN

18、=30k, UaN=220V IaN=158.6A。nN=1000r/min。Ra=0.194IaN= (1.5 2.0 )X158.6= (237.9 317.2 ) AIaN= (1.1 1.2 )X158.6= (174.46 190.32 ) ARST1=(3-1)Ra=(1.57-1)X0.194Q=0.111QRST2=(3-3)Ra=(1.572-1.57)X0.194Q=0.1736QRST3=(3-3)Ra=(1.573-1.572)X0.194Q=0.273Q一台 Z3 系列电动机，已知(1) 选择 I1 和 I2。I1=(1.5 2.0 )I2=(1.1 1.2 )选择

19、I 仁 295A, I2=180A(2) 求出起切电流比B(3)起动级数3=丄=1.64丨2RanJg-=-=0.75QRa=2.73取 m=3(4)重新计算m -lg 卩I2在规定的范围内。(5)计算各级起动电阻3校验 I2 _3=mRam=1.57Ql2=!l=187.90A电机与拖动课程设计13结论他励直流电动机的起动方法：1 选择起动电流 Il和切换电流丨2为保证起动转矩 Ti对应的电流 11不超过最大允许电枢电流 Imax 应选择 11= （1.52.0 ） IaN对应的转矩 Ti= （1.52.0 ） TN为保证一定加速转矩，减少起动时间，一般选择切换转矩T2= （1.11.2 ） TN对应的电流为丨2= （ 1.1 1.2 ） IL2 求出起切电流比3 确定起动级数4 若 m 取相近整数，则重新计算B，并重新求出 12,校验是否在规定范围之内。若不在规 定范围内，则需重新调整丨1或加大起动级数 m 重新计算B和 12，直到满足条件为止。5 求出各级电阻电机与拖动课程设计14心得此次的电机与拖动课程设计已经完成，通过这次设计，使我对电机与拖动这门课有了 更深层次的理解。电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置。在课程设计过程中，查阅 大量的资料，从中我学