直流電動機電樞串電阻起動設(shè)計

1、直流電動機電樞串電阻起動設(shè)計1 直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電動機由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定轉(zhuǎn)子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場和對電機的支撐，主要由主磁極，換向極，機座，端蓋，電刷裝置等部件組成。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電樞感應(yīng)電動勢或者電磁轉(zhuǎn)矩，主要由電樞鐵心，電樞繞組，換向器，轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部件組成，如圖1-1。圖11 直流電動機結(jié)構(gòu)圖直流電機的額定值一般都標注在銘牌上，銘牌固定在機座的外表面上。額定值是用戶選擇和用好電機的重要依據(jù)，根據(jù)國家標準，直流電機的額定數(shù)據(jù)有:(1)額定功率 ；（2）額定電壓；（3）額定電流；（4）額定轉(zhuǎn)速；（5）勵磁方式和額定勵磁電流。還有的

2、額定值比如額定效率，額定轉(zhuǎn)矩和額定溫度等不一定都在銘牌上標注出來。2 直流電機的工作原理直流電動機的工作原理用一句話來概括：帶電導(dǎo)體在磁場中受力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，繼而帶動負載轉(zhuǎn)動。具體分析如下，如圖1-2。圖21 直流電機的工作原理圖電流從電源正極流入電刷A經(jīng)過導(dǎo)體ab到cd從電刷B流出回到電源負極。由電磁力定律可知導(dǎo)體ab，cd受力的大小為，式中i為導(dǎo)體中流過的電流。由左手定則可判斷瞬間導(dǎo)體ab，cd受力方向相反，力f乘以轉(zhuǎn)子的半徑就是電磁轉(zhuǎn)矩，若電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩，電樞便逆時針旋轉(zhuǎn)起來了。當電樞轉(zhuǎn)過180°時，cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下，電流仍然從電刷A流入，經(jīng)過導(dǎo)

3、體dcba，由電刷B流出，兩導(dǎo)體上受力仍然相反，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向不變?nèi)匀粸槟鏁r針方向。3 直流電動機的基本理論3.1 直流電動機的參數(shù)（1）電樞感應(yīng)電動勢；（2）為電勢常數(shù)，為每極磁通，n為轉(zhuǎn)速，對于成品直流電機，電樞感應(yīng)電勢與每極磁通和轉(zhuǎn)速的乘積成正比。（3）電磁轉(zhuǎn)矩。 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為每極磁通，為電樞電流，對成品電機，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與每極磁通與電樞電流的乘積成正比。若每極磁通的單位為Wb，電流的單位為A，側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩單位為電磁轉(zhuǎn)矩的大小與每級磁通和轉(zhuǎn)速n的乘積成正比。比較電勢常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)可得二者關(guān)系為， 。3.2 他勵直流電動機的基本方程式電樞回路電勢平衡方程式為：式中，為電樞回路總電

4、阻，它包括電樞繞組電阻、換向極繞組電阻、補償繞組電阻、電刷與換向器表面的接觸電阻等。勵磁回路中，對他勵或并勵電動機有式中，在他勵時為給定值，在并勵時為；為勵磁回路總電阻。直流電動機以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運行時，作用在電樞上的磚具有三個：一個是電磁轉(zhuǎn)矩，是拖動性質(zhì)的；一個是轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，是制動性質(zhì)的；還有一個是電機的機械摩擦、鐵芯損耗等引起的轉(zhuǎn)矩,因為轉(zhuǎn)矩空載時也存在（只是大小略有變化），因此把它稱為空載轉(zhuǎn)矩，是制動性質(zhì)的。由能量守恒原理得轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：由以上分析可得直流電動機穩(wěn)定運行的基本方程式如下4 直流電動機的機械特性在他勵直流電動機中，當，和保持不變時，電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系

5、稱為他勵直流電動機的機械特性。他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間有，如下關(guān)系：式中，式電動機的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為：時轉(zhuǎn)速差，其值為是機械特性的斜率，其值為=機械特性的硬度為斜率越小，硬度越大，機械特性越硬。當和保持為額定值，而且電樞電路中無外接電阻時的機械特性稱為固有特性，否則稱為人為特性。4.1 固有特性由他勵直流電動機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式得到他勵直流電動機的固有特性如圖所示。由于電樞電路電阻很小，所以機械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性為硬特性。圖31 直流電機的固有特性固有特性上的N點對應(yīng)于電動機的額定狀態(tài)。這使電動機的電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速都等于額定值。額定狀態(tài)說明了電動機的長期運行能力

6、。固有特性上的M點對應(yīng)于電動機的臨界狀態(tài)。這時的電樞電流Ia等于換向所允許的最大電樞電流。對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是電動機所允許的最大轉(zhuǎn)矩。臨界狀態(tài)說明了電動機的短時過載能力。直流電動機的短時過載能力可用表示。4.2 人為特性4.2.1 增加電樞電路電阻時的人為特性若在電樞電路中串入一外接電阻，相當于將式中的電樞電路電阻增加。這時理想空載轉(zhuǎn)速不變，增加，機械特性硬度減小，機械特性如圖所示。傳入的電阻越大，人為特性的斜率越大，硬度減小。圖41 增加電樞電路電阻時的人為特性4.2.2 降低電樞電壓時的人為特性圖42 降低電樞電壓時的人為特性降低時，減小，不變，不變，人為特性如圖所示，機械特性向下平移。4.2.3

7、 減小勵磁電流時的人為特性圖43 減小勵磁電流時的人為特性減小勵磁電流，側(cè)磁通減小，n增加，增加，減小，人為特性如43圖所示。5 他勵直流電機的啟動直流電動機剛與電源接通的瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動起來時，他勵和串勵電動機的電樞電流以及并勵和復(fù)勵電動機的輸入電流稱為起動電流，這時的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動轉(zhuǎn)矩。他勵電動機在起動瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，電動勢E=0，由式，=0時可知，起動電流在額定電壓下直接起動時，由于很小，很大，一般可達電樞電流額定值的1020倍。這樣大的電流是換向所不允許的。同時有式可知，起動轉(zhuǎn)矩也能達到額定轉(zhuǎn)矩的1020倍。起動轉(zhuǎn)矩過大會使電動機和它所拖動的生產(chǎn)機械遭受突然的巨大沖擊，以至損壞傳

8、動機構(gòu)（如齒輪）和生產(chǎn)機械。由此可見，除了額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動機，因電樞繞組導(dǎo)線細、電樞電阻大、轉(zhuǎn)動慣量又比較小、可以直接起動外，一般的直流電動機是不允許直接啟動的。為此，必須將起動電流限制在允許范圍之內(nèi)。由式可以看出，方法有兩個：降低和增加。5.1 降低電樞電壓起動此方法需要有一個可以改變電壓的直流電源專供電樞電路之用。例如利用直流發(fā)電機、晶閘管可控整流電源或直流斬波電源等。起動時，加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變，電樞電壓從零逐漸升高到額定值。這種起動方法的優(yōu)點是起動平穩(wěn)，起動過程中能量損耗小，易于實現(xiàn)自動化，缺點是初期投資大。5.2 增加電樞電阻起動5.2.1 無級起

9、動額定功率較小的電動機可采用在電樞內(nèi)串聯(lián)起動變阻器的無級起動方法起動。起動前先把起動電阻調(diào)到最大值，再加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變。在接通點數(shù)電源，電動機開始起動。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小起動班組氣的電阻，直到全部切除。起動變阻器的最大阻值為，設(shè)要求的起動電流值為Is，該值不得超過，由于這時因此求得 可以通過實測或者通過銘牌上提供的額定值進行估算，由于在忽略的情況下，因此，在額定轉(zhuǎn)態(tài)下運行時，由欲與上市是在忽略的情況下得到的，因此用上式估算出的值要比實際值略大一些。5.2.2 有級起動額定功率較大的電動機一般采用有級（分級）起動的方法以保證起動過程中既有比較大的起動轉(zhuǎn)矩，又使起動電流

10、不會超過允許值。現(xiàn)以兩級起動為例來說明起動步驟和起動過程。原理電路和機械特性如圖所示圖51 6 起動過程分析6.1 串聯(lián)起動電阻和起動。起動前開關(guān)Q1和Q2斷開，使得電樞電路中串入電阻和，加上電樞電路自身的電阻，電樞電路的總電阻為加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變，然后加上電樞電壓，這時電動機的機械特性為圖中的人為特性。由于起動轉(zhuǎn)矩遠大于負載轉(zhuǎn)矩，電動機拖動生產(chǎn)機械開始動，工作點沿人為特性曲線由a1點向a2點移動。6.2 切除起動電阻當工作點到達a2點，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T2時，合上開關(guān)Q2，切除起動電阻，電樞電路的總電阻為這時電動機的機械特性變?yōu)槿藶樘匦?，切除的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及改變

11、，工作點由特性上的a2點平移到特性上的b1點，使這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍為T1，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性由b1點向b2點移動。6.3 切除起動電阻當工作點到達b2點，即電磁轉(zhuǎn)矩T又等于切換轉(zhuǎn)矩T2時，合上開關(guān)Q1，切除起動電阻，電樞電路的總電阻變?yōu)闄C械特性變?yōu)楣逃刑匦?工作點由b2點平移至c1點，使得這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍正好等于T1，電動機繼續(xù)加速，工作點沿固有特性由c1點經(jīng)c2點，最后穩(wěn)定運行在p點。整個起動過程結(jié)束。6.4 起動電阻的計算6.4.1 選擇啟動電流和切換電流為保證與起動轉(zhuǎn)矩T1對應(yīng)的起動電流不會超過允許的最大電樞電流，選擇對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，減少起動時間，一般選擇

12、切換轉(zhuǎn)矩為若未知，可用代替。對應(yīng)的切換電流為是與對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電樞電流。若未知，可用代替求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比6.4.2 確定起動級數(shù)m的計算公式為式中，為m級起動時的電樞起動總電阻該公式的推導(dǎo)過程如下：由于，故，即由于，故，即可見，若為級起動，則起動時的電樞總電阻為兩邊取對數(shù)得到若求得的m不是整數(shù)，可取相近證書。若m已知，上述步驟中除求外，其余都可省略6.4.3 重新計算，校驗是否在規(guī)定的范圍內(nèi)若是取相近整數(shù)，則需重新計算。由式可知計算的公式為根據(jù)重新求得的由式重新求出，并校驗是否在所規(guī)定的范圍內(nèi)。若不在規(guī)定的范圍內(nèi)，需要調(diào)整或加大起動級數(shù)，重新計算和，直到滿足要求為止求出各級起動電阻.根據(jù)前面

13、的分析可知，計算各級起動電阻的一般公式為。例一臺并勵直流電動機，=3Kw，當額定負載時，電樞電流為17A，電樞電路銅損耗站點及總損耗的一半。現(xiàn)采用電樞回路串接變阻器起動，設(shè)定起動電流上下限為。求起動變阻器的級數(shù)及每級的電阻值。解： 即接入電網(wǎng)時，電流第一次沖擊達到值時，n=0，起動變阻器電阻總值為隨著n上升，電流減至?xí)r的電勢為此時切除第一級電阻，起動變阻器電阻總值變?yōu)橥?，隨著n繼續(xù)上升，電流減至?xí)r的電勢為此時切除第二級電阻，起動變阻器電阻總值變?yōu)樗裕撈饎幼冏杵鞣譃閮杉墸考壸柚捣謩e為串接變阻器啟動所需要設(shè)備少，故廣泛用于各種直流電動機中。但對大容量電動機，變阻器極為笨重，且頻繁起動時電能

14、小好多。7 結(jié)論直流電動機在起動的時候，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢為零，導(dǎo)致起動電流很大，不僅會對電動機產(chǎn)生很大危害，而且對負載也會形成較大沖擊。在解決這個問題的時候，采用了技術(shù)比較成熟的串電阻器起動的方式進行起動。起動后，再將電阻一一進行切除。給出他勵直流電機在不同功率等參數(shù)下，所需要串電阻的級數(shù)和電阻的阻值大小。最大電樞電流，選擇，選擇切換轉(zhuǎn)矩為，起切電流（轉(zhuǎn)矩）比級數(shù)m的計算公式為，取相近整數(shù)，則需重新計算。由可知計算的公式為，計算各級起動電阻的一般公式。8 心得體會這次的電機與拖動課程設(shè)計是我們大學(xué)里第一個課程設(shè)計項目，是一次嘗試，更是一次鍛煉。任務(wù)布置經(jīng)過選題后，確定做他勵直流電動機串電阻

15、起動的簡易制作。我去圖書館找了相關(guān)書籍從本質(zhì)上對該制作過程進行理解。結(jié)合電機與拖動課所學(xué)知識，仔細選擇不同方法，按照對電動機起動的理解，將其運用于自己的設(shè)計中。一步步列出大綱，逐步完善內(nèi)容，分析各個部分功能及原理，使之能夠盡量完成預(yù)定的要求。課程設(shè)計不僅是對所學(xué)知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的提高，它將理論與實際聯(lián)系在一起。通過課程設(shè)計，讓我更加明白學(xué)習(xí)是一個長期的積累過程，經(jīng)后的工作、生活中應(yīng)該不段的學(xué)習(xí)，努力，只有理論知識是不行的，還要有實踐能力。設(shè)計過程中，我查閱了大量的有關(guān)資料，并與同學(xué)交流，收獲很多。在設(shè)計中培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心。為自己今后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。參考文獻1胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù).第一