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1、他励直流电动机串电阻的设计讲解淮阴工学院课程设计说明书作 者 : 学 号：学 院 : 机械工程学院专 业 : 机械电子工程题 目 : 他励直流电动机串电阻启动的设计指导者：绪论 11直流电动机 21.1直流电动机的工作原理 21.2直流电动机的分类 21.3直流电动机的工作原理 22他励直流电动机 42.1 他励直流电动机的机械特性 42.2 他励直流电动机的启动 52.21 对启动的要求 52.22 电枢回路串电阻启动 52.3直流电动机电枢串电阻启动设计方案 82.31 分级启动主回路和控制回路以及相关电器元件 102.32 启动特性曲线 103设计体会 11绪论 直流他励电动机控制器的优

2、点是，线路无需切换即可实现牵引与制动的转 换，带载能力强，防空转性能好。但是，如果不能掌握正确的启动方法，电机还 是不能正常运行的。下面，我们就要对电机的启动过程和方法做一些必要的分析。由于启动瞬间 n=0，电枢电动势 E Ke n 0 ，而电枢电阻有很小，所以启 动电流 I st R 将达到很大的数值。过大的启动电流，会引起电网电压的波动， 影响其他用户的正常用电， 并且会使电动机轴上受到很大的冲击。 这种不采取任 何措施就直接把电动机加上额定电压的启动办法， 称为直接启动。 处个别容量很 小的电动机可以直接采用外，一般直流电动机不允许直接启动 【1】。在拖动装置要求不高的场合下， 可以采用

3、降低启动电压或在电枢回路串电阻 的方法 【2】。本文对他励直流电机进行细致的介绍，用图片与文字相结合的方式 对他励直流电机工作时过程中的变量与时间的关系进行描绘， 使我们更加清楚的 了解他励直流电机的工作原理。1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如图 1.1 所示为一台最简单的两极直流发电机的模型， N、 S 为定子磁极， 绕组线圈放置在可旋转导磁圆柱体上 （称为电枢铁心） ，线圈连同导磁圆柱体称 为电机的转子或电枢。 线圈首末分别连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的 换相片上。电枢线圈与外电路的连接是通过放置在环线片上固定不动的电刷进行 的，在此我们把正极

4、电刷称为 B1，负极电刷称为 B2。外电源从电刷 B1、 B2输入直流 电源，使电流从正电刷 B1流入，从负电刷 B2 流出，则此时 N 极下的线圈电流总 是由手段流向末端， S 极下的线圈电流总是由末端流向首端。利用左手定则，可 知 N级下导体受到的电磁力的方向向左， S 极下导体受到的电磁力方向向右，那 么产生的电磁转矩就使得线圈逆时针旋转。由此可见， N极下和 S 极下的线圈受 到的电磁力的方向始终不变的，它们产生转矩的方向 也就不变，这个转矩使电 枢始终沿一个方向旋转， 就把电能变成机械能， 使之成为一台直流电动机而带动 生产机械工作 【3】。1.2直流电动机的分类直流电机的励磁电流都

5、是由外电源供给的， 立此方式不同会使直流电动机的 运行性能产生很大差异。 按照励磁方式的不同， 直流电动机可以分为： 他励直流 电动机、并励直流电动机、串励直流电动机、复励直流电动机。1.3他励直流电动机的工作原理上图 1.2 是他励直流电动机的电路接线图，其中 M为电机，若为发电机，则用 G 表示。Rf是励磁调节电阻， Ra是电枢电阻， I a是电枢电流， E为电动机的电动势。 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，永磁直流电机也可看作他励直流电机 【4】。2他励直流电动机2.1他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的机械

6、特性是指电动机在电枢电压、 励磁电流、 电枢总电阻 为恒指的条件下，电动机转速 n与电磁转矩 Te的关系曲线 n=f（T e）或电动机转速 n 与电枢电流 I a 的关系曲线 n=f（I a），后者也就是转速调整特性。电枢回路的电压平衡方程式为：U E IaR （I）式中， U为电源电压； E为电动机的反电动势； I a为电枢电流； R为电枢回 路总电阻。直流电动机电枢回路反电动势 E 为：E K e n （ II ）将（ II ）带入（ I ）中，可得转速表达式：URn I aKeKe Ke a （III ）式中， Km是与电机结构有关的常数，K m 30Ke 9.55Ke电动机的电磁转矩为

7、：Te Km Ia （IV）利用电磁转矩 Te 表示的机械特性方程式为：R2 Te n0KeK m 2 e 0U n从（ V）中可知：Un00 Ke （VI ）n0称为理想空载转速，表示当 Te=0 时电动机的转速 n=n0 电机转速降为：VII）R2K eKm 2n的本质是，电动机有载运行时，电枢回路电阻上的损耗以速度这一参量 表示出的结果。机械特性曲线斜率为：R2K eKm 2 （VIII ）越大， n 越大，机械特性就越软。 通常称 小的机械特性为硬特性， 大 的机械特性为软特性 【5】。在分析机械特性是需要注意：实际空载转速 n0和理想空载转速 n0的区别。 n0指Te=0时的转速，

8、n0是电 动机空载时的转速， 这是电动机必须克服空载转矩 T0，因此电动机实际空载转速 为： U Rn0 2 T00 Ke KeK m 2 0电枢反应对机械特性的影响。 当电动机负载加大时， 电磁转矩 Te 电枢电流 I a 加大，电枢反应产生的去磁作用加大，使每极磁通 减小，转速 n 将回升，因 此，机械特性在转矩加大时会出现上翘现象。上翘的机械特性会使系统不稳定， 因此往往在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组， 其磁动势可以抵消电枢反应的 去磁作用，但又不改变他励直流电动机的机械特性。2.2他励直流电动机的启动直流电动机从接入电源开始， 一直达到稳定的运行速度的整个过程称为直流 电动机的启动

9、过程或启动。2.21 对启动的要求要使电动机的转速从零逐步加速到稳定的运行速度， 在启动时， 电动机要克 服负载转矩才能完成启动过程， 电动机必须要陈胜足够大的电磁转矩。 电动机在 启动瞬间（ n=0）的电磁转矩，称为启动转矩，即：Tst Km I st式中， I st为启动电流，是 n=0时的电视电流。由于启动瞬间 n=0，电枢电动势 E K e n 0 ，而电枢电阻又很小，所以启 动电流 I st U N R 将很难达到很大的数值。过大的启动电流，会引起电网电压 的波动，影响其他用户的正常用 电，并且会使电动机轴上受到很大的冲击。 这种 不采取任何措施就直接把电动机加电上额定电压的启动办法

10、， 称为直接启动， 除个 别容量很小的电动机可以直接采用外，一般直流电机不允许直接启动 【6】。对直流电动机的启动，一般提出以下基本要求： 要有足够大的启动转矩 Tst ；启动电流 Ist 不能超过允许值； 启动设备要简单可靠。最根本的原则是 确保有足够大的启动转矩和限制电流。直流电机蝉蛹的启动发发有电枢串电阻启动和减压启动两种， 不论采用哪种 启动方式，启东市都应该保证电动机的磁通量达到最大值，因为 Te K m Ia ，所 以在相同的电流下， 大则 Te也会增大 【7】。2.22 电枢回路串电阻启动启动特性电枢回路串电阻可以有效的降低启动电流。电机启动时，励磁电路的调节电阻 Rf 0，使励

11、磁电流 if 达到最大。电动机 UN上加额定电压 U N ，启动电流 Ist Ra Rst ，Rst应使 I st不大于容许值。由启动电 流产生的启动转矩使电动机开始转动并逐渐加速， 随着转速的升高， 电枢反电动 势 E 也逐渐增大， 使电枢电流逐渐减小， 这样，转速上升的加速度就逐渐降低下 来了。为了缩短启动时间， 保证电动机在启动过程中的加速度不变， 要求在启动 过程中维持电枢电流不变， 因此， 随着电动机转速的增加， 应该将启动电阻平滑 的切除，最后调节电动机转速达到运行值 【8】。一般讲启动电阻 Rst 分若干段，逐段加以切除。通常是利用接触器来切除启 动电阻，由于每一段电阻的切除都需

12、要一个接触器控制， 因此启动技术不宜过多， 一般分为 2 到 5 级。图 2.1a 所示电动机就是采用三级启动。启动开始瞬间，电 枢回路串接全部启动电阻，这是电枢回路总电阻为 R3 Ra Rst1 Rst2 Rst3 ，启 动电流 I st U N R 3 ，达到最大值。图 2.1b 中， I st1称为尖峰电流，一般电动 机容量 PN 150KW时， I st1 2 I N 。接入全部启动电阻时 的人为机械特性如图 2.1b 中的曲线 1 所示。随着电动机开始加速，电枢电流和 电磁转矩将逐步减小，将沿着曲线 1 的箭头指向变化。当转速提高至 n1，电流降至 Ist2 （图2.1b 中的b点）

13、时，接触器 KM3触点 闭合，将 R st3从电枢回路切除， Ist2称为切换电流，一般取 Ist2=（1.1-1.2 ）I N。 此时电枢回路电阻将减小为 R2 Ra Rst2 Rst1 ，与之对应的人为机械特性如图 2.1b 中曲线 2所示。在切除电阻的瞬间， 由于机械惯性，转速不能突变，仍为 n1， 但电机的工作点将由 b 点水平越至曲线 2 上的 c 点，选择恰当的 R st3值，可使 c 点的电流值恰好为尖峰电流 Ist1 。这样，电动机又进一步加速，电流和转速便沿 着曲线 2的箭头指向变化。当变化到 d点、电流又降到 Ist2时，接触器KM 2的触 点闭合，将Rst2切除，电动机工

14、作点由 d点水平移到曲线 3上的e点。曲线 3是 电枢总电阻为 R1 Ra Rst1时的人为机械特性， e 点电流仍为尖峰电流 Ist1，电流 和转速就沿着曲线 3变化，当变化到 f 点、电流又降到 I st2时，接触器 KM1的触 点闭合，最后一级电阻 R st1切除，电动机将过渡到固有机械特性曲线 4 上，并沿 固有机械特性加速。当达到 w 点时，电磁转矩额与负载转矩相等，电动机便在 w 点所对应的转速上稳定运行，启动过程结束 【9】。6Ist1 R3上两式相除得：I st2 R2Ist1 R2 同样，当运行点由 d 点移至 e 点时，有： Ist2 R1启动电流倍数 为：推广到启动级数为

15、 m的一般情况，则：lg RmRa ma lgvi) vii)在具体计算是，可能有下述两种情况：1. 启动级数 m未知。此时可按尖峰电流 I st1 、切换电流 Ist2的规定范围，初选 Ist1、Ist2及 值，并用公式（ vii ）求出 m，式中 RM=U/I st1 ，若求得 m为分数，则 将其加大至相近的整数，然后将 m的整数值带入（ vi ）中，求新的 值，用新的 值带入（ ii）中求各部分启动电阻。2.启动级数 m已知。先选定尖峰电流 Ist1，算出 RM=U/I st1 ，将 m及Rm带入（vi） 中，算出 值，然后由式（ ii ）求各级启动电阻 【10】。2.3直流电动机电枢串

16、电阻启动设计方案 选取的他励直流电动机的铭牌数据为： PN=29KW，UN=440V,I N=76A， nN=1000r/min,R a=0.377 ，飞轮转矩选择启动电流I st1=（1.52.0 ）I st2=（1.11.2 ） 选择 I st1 =152A， 求出起切电流比 Ist1 1.667I st2Rm UIstN1 145420 2.895求出启动级数 mlg Rm Ra m a 3.989lg取 m=4重新计算 ，校验 I st2 。I st1 91.29st2 91.29 I 2 在规定范围之内。各级启动总电阻为：Ke UN 440 76 0.377V /(r / min)

17、0.411V /(r / min)nN 1000K m 9.55K e 9.55 0.411 3.93N m/ AK eKm 2 0.411 3.93 1.615各级启动时间常数 Tm1、Tm2、Tm3、 Tm4、Tm5分别为：设 Ist1 I1 2I N2 76 152 ， I x Ist2 1.2I N 1.2 76 91.2IL I N 76 ，则ln( IIsstt21_IILL) ln(9115.22 7766) ln5 1.61各级启动时间如下第一级启动时间为：I st1 I st2t1 Tm1 ln( st1 st2 ) 0.234 1.61s 0.3767s IIst2 L第二

18、级启动时间为：Ist1 I Lt2 Tm2 ln( st1 L ) 0.141 1.61s 0.227sIst2 I L9第三级启动时间为：t3 Tm3 ln( Ist1 IL ) 0.084 1.61s 0.1352 s I st2 I L第四级启动时间为：t4 Tm4 ln( Ist1 IL ) 0.051 1.61s 0.0821s Ist2 I L电阻全部切除后电动机达到稳定的时间为： t5 4Tm5 4 0.031s 0.124s 总启动时间为：t t1 t2 t3 t4 t5 (0.3767 0.227 0.1352 0.0821 0.124)s 0.945s2.3.1 分级起动主

19、回路和控制回路以及相关电气元件2.3.2启动特性曲线103设计体会刚刚拿到这个课题的时候， 我们一头雾水毫无思路可言。 但是在我们去过图 书馆翻阅相关资料后，我们的思路渐进明了。首先，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。然后我们要注意的是， 我们必须注意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。接着，此设计忽略了电电感的影响，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

20、到最 大会稍慢，对整个过程影响小 【11】。最后此次课程设计让我掌握了电机的基本结构、 工作原理和性能参数， 电力 托动系统的一种运行方式、 动静态分析， 电机的选择和实验方法， 以及直流电动 机的调速控制系统的基本原理和典型应用的分析和设计， 为进一步学习相关专业 课及今后工作做必要的知识和技能准备，使我们能够从工程使用的角度提出问 题、分析问题和解决问题， 通过此次课程设计的学习， 能胜任对电气传动系统的 使用、维护和管理工作。114参考文献【1】丁学文 . 电力拖动运行控制系统 M. 北京：机械工业出版社， 2007【 2】冯清秀、邓星钟著，机电传动控制，华中科技大学出版社， 2014【

21、 3】李发海，朱东起 . 电机学 M. 北京：科学出版社， 2001【4】许实章 . 电机学 M. 北京：机械工业出版社， 1983【5】杨耕，罗应立 . 电机与运动控制系统 M. 北京：清华大学出版社， 2006 【6】周绍英 . 电力拖动 M. 北京：冶金工业出版社， 2000【7】王兆安，黄俊 . 电力电子技术 M.4 版.北京：机械工业出版社， 2000 【8】阮毅，陈博时 . 电力拖动自动控制系统运动控制系统 M.4 版. 北京：机 械工业出版社【9】杨长能 . 电力拖动基础 M. 重庆：重庆大学出版社， 2000 【10】张红莲. 电机与电力拖动控制系统 M. 北京：机械工业出版社， 2013 【 11】汤天浩著，电机与拖动基础，机械工业出版社， 200812