电机与拖动课程设计他励直流电动机串电阻启动.docx

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电机与拖动课程设计他励直流电动机串电阻启动

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：

姓名：

学号：

课程设计任务书

一、设计题目

他励直流电动机串电阻起动的设计

二、设计任务

1．了解直流电机工作原理。

2．了解其工作特性（固有特性和人为特性）。

3．认知启动并计算所串电阻阻值。

三、设计计划

第1-2天：

查找资料，分析课题

第3天：

整理资料和设计内容

第4-5天：

进行课程设计，并落实在纸面上

四、设计要求

1．工作原理说明。

2．图形必须电脑绘制，图形符号符合国家标准。

3．心得体会，发展方向。

4．设计书符合格式规范。

摘要

直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。

直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。

直流电动机是将直流电能转换成机械能而带动生产机械运转的电器设备。

与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，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要、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动。

在工业领域直流电动机仍占有一席之地。

因此有必要了解直流电动的运行特性。

在四种直流电动机中，他励电动机应用最为广泛。

关键词：

直流电机；串电阻；启动；原理；分类：

机械特性；变速

2直流电机的基本结构1

2.1定子1

3直流电动机的工作原理2

4直流电机的分类3

5他励直流电动机的机械特性5

6直流电机的名牌数据和主要系列6

7固有机械特性与人为机械特性7

8他励直流电动机串电阻起动8

9起动电阻的计算10

10设计得出结论12

1直流电机简介

直流电机是人类最早发明的和应用的一种电机。

与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广发。

但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。

随着电力电子技术的发展，直流发电机虽有可能被可控整流电源取代的趋势，但从供电的质量和可靠性来看，直流发电机仍具有一定的优势，因此在某些场合，例如化学工业中的电镀、电解等设备，直流电焊机和某些大型同步电机的励磁电源仍然使用直流发电机作为供电电源。

2直流电机的基本结构

直流电机的结构示意图如图2-1所示。

它由定子（静止的）和转子（旋转的）两个基本部分组成。

2.1定子

定子主要由

（1）主磁极；

（2）换向磁极；（3）机座、端盖和电刷装置等组成。

图2-1

2.1.1主磁极

主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成。

（1）磁极铁心：

由l~1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压铆接而成。

是磁路部分。

（2）励磁线圈：

是磁路部分。

产生主磁场。

2.1.2换向磁极

换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。

作用：

是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减小电刷与换向片之间的火花。

2.1.3机座

机座由铸钢或厚钢板制成。

作用：

来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的固定部分，又是电机磁路的一部分。

2.1.4端盖与电刷

作用：

支持转子的转轴，固定电刷架。

2.2转子

转子（电枢）的组成：

主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

1．铁心：

由0.5㎜厚硅钢片叠压而成。

作用：

来嵌放电枢绕组，是直流电机磁路的一部分。

2．电枢绕组：

其作用是产生感应电动势和电磁转矩。

3．换向器：

换向器又称整流子，其作用是将直流电动机输人的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。

2.3气隙

气隙是电机磁路的重要部分。

转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙，称为工作气隙。

气隙大小对电机性能有很大影响。

3直流电动机的工作原理

图2-2

直流电动机的工作原理如下：

如上图所示为最简单的直流电动机的原理图。

其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。

转子载流导体在磁埸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。

可见，分别在N，S极范围内的导体中的电流方向总是不变的。

因此，线圈二边受力方向也不变。

这样，线圈就可以按受力方向不停地旋转。

这就是直流电动机的工作原理。

4直流电动机的分类

（1）他励电动机

　他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电。

他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。

但这种电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中。

图4.1他励电动机

（2）并励电动机

并励电动机的励磁绕组是和电枢绕组并联后由同一个直流电源供电，这时电源提供的电流I等于电枢电流Ia和励磁电流If之和，即I=Ia+If。

　适用于恒压工作场合

图4.2并励发电机

（3）串励发电机

串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源。

串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电枢电流Ia，这个电流一般比较大，所以励磁绕组导线粗、匝数少，它的电阻也较小。

图4.3串励发电机

（4）复励电动机

这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联，所以复励电动机的特性兼有串励电动机和并励电动机的特点，所以也被广泛应用。

图4.4复励电动机

5他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性定义为：

直流电动机的电枢电压U为常数，励磁电流If为常数，电枢回路电阻Ra+RΩ为常数时，电动机产生的电磁转矩T与转速n之间的函数关系，即n=f（T）。

他励直流电动机电路原理图如图2所示。

机械特性方程式

图5.1他励直流电动机电路原理图图5.2他励直流电动机的机械特性

电枢感应电动势

电磁转矩

电枢电路电压平衡方程：

电动机转速特性方程：

由电磁转矩方程可得到

，代入转速特性方程式中，就得到电动机机械特性方程式：

式中：

。

若U，

，R均为常数，机械特性是一条向下倾斜的直线，如图5.2所示。

（5-1）

或

由式

（1）可知，

越大，

越大，机械特性曲线越斜，称之为软特性；反之将

小、

小的特性称硬特性。

6直流电机的铭牌数据和主要系列

每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件，图6-1为某台直流电动机的铭牌。

图6-1

1.电机型号：

型号表明电机的系列及主要特点。

知道了电机的型号，便可从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。

2.额定功率PN：

指电机在额定运行时的输出功率。

对发电机是指明输出电功率PN＝UNIN

对电动机是指明输出的机械功率PN＝UNINηN

3.额定电压UN：

指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压。

4.额定电流IN：

指额定电压和额定负载时允许电机长期输人（电动机）或输出（发电机）的电流。

5.额定转速nN：

指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。

6.电动机额定效率ηN：

指直流电动机额定输出功率PN与电动机额定输人功率P1＝UNIN比值的百分数。

7固有机械特性与人为机械特性

当电枢上加额定电压、气隙每极磁通为额定磁通、电枢回路不串任何电阻时的机械特性称为他励直流电动机的固有机械特性。

人为地改变电动机的参数，如改变电压U、改变磁电流If（即改变磁通

）、电枢回路串电阻所得到的机械特性称为人为机械特性。

电枢回路串电阻使斜率β增大，特性曲线变软，但理想空载转速不变，所以人为机械特性为一簇经过理想空载转速点的放射性直线，如图

变电压时的人为特性是一组平行直线,如上中图;弱磁时的人为特性如上右图。

图7.1电枢串电阻时的人为特性图7.2变电压时的人为特性

图7.3弱磁时的人为特性

8他励直流电动机串电阻起动

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。

8.1启动过程分析

如图8（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

=

=

（8-1）

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8（b）中的曲线1所示。

（a）电路图（b）特性图

图8-1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

（8-2）

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8（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阻Ra2所确定的人为机械特性，见图8（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

后的电枢电流刚好等于

，所对应的转矩为T1，即在曲线2上的c点。

又有T1>T2，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。

9起动电阻的计算

1.选择起动电流I1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=（1.5～2.0）IaN

对应的起动转矩

T1=（1.5～2.0）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=（1.1～1.2）TL

若TL未知，可用TN代替。

对应的切换电流I2为

I2=（1.1～1.2）IL

2.求出起切电流（转矩）比β

β=I1/I2

3.求出电动机的电枢电阻Ra

Ra可以通过实测或者通过铭牌上提供的额定值进行估算，由于在忽略T0的情况下，P2=Pe=EIa,因此，在额定状态下运行时，

E=PN/IaN

Ra=（UaN-PN/IaN）/IaN

4.求出起动时的电枢总电阻Rm

m级起动是电视起动总电阻为

Rm=UaN/I1

5.求出起动级数m

m的计算公式

m=lg（Rm/Ra）/lgβ

6.重新计算β，校验I2是否在规定范围之内

若m是取相近整数，则需重新计算β。

计算β的公式为

β=（Rm/Ra）1/m

7.求出各级总电阻

R0=Ra

R1=βR0=βRa

Ra=βR1=βR0=βRa

……

Rm=βmRa

8.求出各级起动电阻

Rst1=R1-R0=R1-Ra

Rst2=R2-R1

……

Rstm=Rm-Rm-1

10设计得出结论

（1）、他励直流电动机串电阻起动计算方法

1.选择起动电流和切换电流

起动电流为I1=（1.5-2.0）IaN

切换电流为I2=（1.1-1.2）IL

对应的起动转矩T1=（1.5-2.0）TN

对应的切换转矩T2=（1.1-1.2）TL

2.求出起切电流比ββ=I1/I2

3.求出电动机的电枢电路电阻RaRa=[UaN-（PN/IaN）]IaN

4.求出起动时的电枢中总电阻RmRm=UaN/IaN

5.求出起动级数mm=[lg（Rm/Ra）]/（lgβ）

6.重新计算，校验是否在规定范围之内

若起动级数是取近似整数，则需要重新计算I2，

如果不在规定范围之内，需要加大起动级数重新计算，直到符合要求为止。

7.求出各级总电阻

8.求出各级起动电阻

（2）、电枢电路串电阻起动方法比较简单，经济实用性强而且应用比较可靠，同时可做到平滑地快速起动。

缺点就是起动条件比较严格。

降压起动过程能量损耗小，容易实现自动化。

降压起动的缺点就是初期投资比较大，而且设备复杂，要求有单独的可调压直流电源。

体会

在同学们的相互协作共同努力和自己的奋斗下，我顺利的完成了电机与拖动课程设计。

刚开始面对浩如烟海的资料，我无从下手，也在苦苦思索到底哪一个设计题目最适合我来深究。

经过再三考虑和其他同学的建议，我决定做关于直流电机的启动的设计，想详细了解并理解其过程。

刚刚开始时还是有些知识点不太明白，后经过认真思索和同学之间的交流，我不仅知其然又知其所以然。

这次课程设计让我深深体会到，知识是靠一点一滴积累的，没有知识的积累，也就无法谈及深度的思考和别人的交流，如此必不能有进步。

所以在一切进行之前，对知识的储备是必须的，不然巧妇难为无米之催。

另外，和同学之间的交流也可能会增长见识，因为每个人的看法不一样，理解不一样，在相互碰撞中我就会共同进步。

参考文献

[1]唐介.电机与拖动[M].高等教育出版社,2003

[2]刘起新.电机与拖动基础[M].中国电力出版社,2005

[3]李海发.电机学[M].科学出版社,2001

[4]周绍英.电机与拖动[M].中央广播电视大学出版社,1995

[5]汤蕴谬.电机理论与运行[M].水利电力出版社,2005