他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的設(shè)計(jì)

1、 題 目他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的設(shè)計(jì)專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班 級(jí)：13電牽1班姓 名：賢第學(xué) 號(hào)：103課 程 設(shè) 計(jì) 任 務(wù) 書(shū)一、設(shè)計(jì)題目他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)某工廠(chǎng)有一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，已知參數(shù)如下Pan=200kw ；Uan=440v ；Ian=497A ； nN=1500r/min；Ra=0.076；WW采用分級(jí)啟動(dòng)，啟動(dòng)電流最大不超過(guò)2IaN,，求各段電阻值，并且求出切除電阻時(shí)的瞬時(shí)轉(zhuǎn)速和電動(dòng)勢(shì)，并作出機(jī)械特性曲線(xiàn)，對(duì)啟動(dòng)特性進(jìn)行分析。三、設(shè)計(jì)計(jì)劃第1天 查閱資料，熟悉所選題目；第2天 根據(jù)基本原理進(jìn)行方案分析；第3天 整理思路，按步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)；第4天 整

2、理設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)；第5天 準(zhǔn)備答辯；四、設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)工作量為按要求完成設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)一份。2、設(shè)計(jì)必須根據(jù)進(jìn)度計(jì)劃按期完成。3、設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)必須經(jīng)指導(dǎo)教師審查簽字方可答辯。摘要他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)由于電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea =Cen = 0 ,最初啟動(dòng)電流IS =U/Ra,若直接啟動(dòng),由于Ra很小,ISt會(huì)十幾倍甚至幾十倍于額定電流, 無(wú)法換向,同時(shí)也會(huì)過(guò)熱,因此不能直接啟動(dòng)。要限制啟動(dòng)電流ISt的大小可以有兩種方法:降低電樞電壓和電樞回路串接附加電阻。本文僅以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的串電阻啟動(dòng)為主題進(jìn)行詳細(xì)的闡述。在實(shí)際中，如果能夠做到適當(dāng)選用各級(jí)啟

3、動(dòng)電阻，那么串電阻啟動(dòng)由于其啟動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和可靠，同時(shí)可以做到平滑啟動(dòng)，因而得到廣泛應(yīng)用。但對(duì)于不同類(lèi)型和規(guī)格的直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)啟動(dòng)電阻的級(jí)數(shù)要求也不盡相同。關(guān)鍵詞：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)；啟動(dòng)電流；串電阻啟動(dòng)；目錄引言21 直流電動(dòng)機(jī)31.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理31.2直流電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)31.3他勵(lì)直流電機(jī)工作原理32 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)52.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)52.2 直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)方案82.3 多級(jí)啟動(dòng)的規(guī)律93 結(jié)論104 設(shè)計(jì)體會(huì)115 參考文獻(xiàn)12引言他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間雖然很短，但是如果不能采用正確的啟動(dòng)方法，電動(dòng)機(jī)就不能正常地投入運(yùn)行。為此，應(yīng)對(duì)電動(dòng)機(jī)的啟

4、動(dòng)過(guò)程和方法進(jìn)行必要的分析。直接啟動(dòng)時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞加額定電壓UN，電樞回路不串任何電阻，此時(shí)由于n=0，Ea=0，所以啟動(dòng)電流Ist=UN/Ra，由于電樞回路總電阻Ra較小，所以Ist可以達(dá)到額定電流IN的十幾甚至幾十倍。這樣大的電流 也可以造成電機(jī)換向嚴(yán)重不良，產(chǎn)生火花，甚至正、負(fù)電刷間出現(xiàn)電弧，燒毀電刷及換向器【1】。另外，過(guò)大的啟動(dòng)電流使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst過(guò)大，會(huì)使機(jī)械撞擊，也會(huì)引起供電電網(wǎng)電波動(dòng)，從而引起其他接于同一電網(wǎng)上的電氣設(shè)備的正常運(yùn)行【2】，因此是不允許的。一般只有微型直流電動(dòng)機(jī)，由于自身電樞電阻大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)時(shí)間短，可以直接啟動(dòng)，其他直流電機(jī)都不允許直接啟動(dòng)。在拖動(dòng)

5、裝置要求不高的場(chǎng)合下，可以采用降低啟動(dòng)電壓或在電樞回路串電阻的方法【3】。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電樞回路中串電阻，具有良好的啟動(dòng)特性、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的啟動(dòng)電流，可以滿(mǎn)足生產(chǎn)機(jī)械需要的要求。本文借助圖像對(duì)整個(gè)過(guò)程被各個(gè)變量與時(shí)間的相互關(guān)系進(jìn)行了描繪，對(duì)更加清楚地了解和設(shè)計(jì)他勵(lì)直流電機(jī)啟動(dòng)的特點(diǎn)具有重要意義。1 直流電動(dòng)機(jī)1.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖1.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理：上圖所示為最簡(jiǎn)單的直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖。直流電動(dòng)機(jī)換向器是由二片互相絕緣的半圓銅環(huán)（換向片）構(gòu)成的，每一換向片都與相應(yīng)的電樞繞組連接，與電樞繞組同軸旋轉(zhuǎn)，并與電刷A、B相接觸。若電刷A是正電位，B是負(fù)

6、電位，那么在N極圍的轉(zhuǎn)子繞組ab中的電流從a流向b，在S極圍的轉(zhuǎn)子繞組cd中的電流從c流向d。轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中要受到電磁力的作用，根據(jù)磁場(chǎng)方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動(dòng)機(jī)左手定則判斷，如圖中ab邊受力方向是向左，而cd則向右。由于磁場(chǎng)是對(duì)稱(chēng)的，導(dǎo)體中流過(guò)的又是相同的電流，所以ab邊和cd邊所受的電磁力的大小相等。這樣轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈上受到的電磁力 f的作用而按逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。當(dāng)線(xiàn)圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面時(shí)，線(xiàn)圈中的電流為零。因此，電磁力也等于零。但由于慣性的作用，線(xiàn)圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線(xiàn)圈轉(zhuǎn)過(guò)半圈之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab轉(zhuǎn)到S極圍，cd轉(zhuǎn)到N極圍，但是由于電刷和換向片的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中

7、的電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流，則從b流向a。因此，電磁力f的方向仍然不變，轉(zhuǎn)子線(xiàn)圈仍按逆時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng)。可知，分別在N，S極圍的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的。由此，線(xiàn)圈二邊受力方向也不變。這樣，線(xiàn)圈就可以按照受力方向不停地旋轉(zhuǎn)。1.2直流電動(dòng)機(jī)的分類(lèi)根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分；他勵(lì)直流電機(jī)、并勵(lì)直流電機(jī)、串勵(lì)直流電機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。1.3他勵(lì)直流電機(jī)工作原理 他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組無(wú)聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源對(duì)勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱(chēng)為他勵(lì)直流電機(jī)，接線(xiàn)如圖1.3所示。圖中M表示電動(dòng)機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。

8、圖1.3他勵(lì)直流電機(jī)工作原理圖2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)增加電樞電阻起動(dòng)在實(shí)際中，如果能夠做到適當(dāng)選用各級(jí)起動(dòng)電阻，那么串電阻起動(dòng)由于其起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和可靠，同時(shí)可以做到平滑快速起動(dòng)，因而得【5】到廣泛應(yīng)用。但對(duì)于不同類(lèi)型和規(guī)格的直流電動(dòng)機(jī)，對(duì)起動(dòng)電阻的級(jí)數(shù)要求也不盡相同。下面僅以直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻起動(dòng)為例說(shuō)明起動(dòng)過(guò)程。(1) 啟動(dòng)過(guò)程分析如圖2.1（a)所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)已有磁場(chǎng)時(shí)，給電樞電路加電源電壓U。觸點(diǎn)KM1、KM2均斷開(kāi),電樞串入了全部附加電阻RK1+RK2 ,電樞回路總電阻為Ral=ra+RK1 +RK2。這是啟動(dòng)電流為 =與起動(dòng)電流所對(duì)應(yīng)

9、的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為T(mén)1。對(duì)應(yīng)于由電阻所確定的人為機(jī)械特性如圖2.1(b)中的曲線(xiàn)1所示。(a) 電路圖(b) 特性圖圖2.1直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)分二級(jí)起動(dòng)的電路和特性根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式T-TL=J式中 T電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； TL由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩； J電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量； 由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動(dòng)機(jī)受到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，電動(dòng)機(jī)開(kāi)始起動(dòng)。在圖2.1(b)上，由a點(diǎn)沿曲線(xiàn)1上升，反電動(dòng)勢(shì)亦隨之上升，電樞電流下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點(diǎn)時(shí)，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點(diǎn)KM1閉合，切除一段起動(dòng)電阻RK1。b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電樞電流稱(chēng)為切換電流，

10、其對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T2稱(chēng)為切換轉(zhuǎn)矩。切除后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+。這時(shí)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)于由電阻Ra2所確定的人為機(jī)械特性，見(jiàn)圖2.1(b)中曲線(xiàn)2。在切除起動(dòng)電阻RK1的瞬間，由于慣性電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動(dòng)勢(shì)亦不變。因此，電樞電流突增，其相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)剡x擇所切除的電阻值，使切除后的電樞電流剛好等于，所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T(mén)2，即在曲線(xiàn)2上的c點(diǎn)。又有T1>T2，電動(dòng)機(jī)在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點(diǎn)沿曲線(xiàn)2上升到d點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)KM2閉合，又切除一切起動(dòng)電阻。同理，由d點(diǎn)過(guò)度到e點(diǎn)，而且e點(diǎn)正好在固有機(jī)械特性上。電樞電流又由突增到，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1&

11、gt; TL，沿固有特性加速到g點(diǎn)T=TL，n=ng電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)過(guò)程結(jié)束。在分級(jí)起動(dòng)過(guò)程中，各級(jí)的最大電流 (或相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2)及切換電流 (或與之相應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2)都是不變的，這樣，使得起動(dòng)過(guò)程有較均勻的加速。要滿(mǎn)足以上電樞回路串接電阻分級(jí)起動(dòng)的要求，前提是選擇合適的各級(jí)起動(dòng)電阻。下面討論應(yīng)該如何計(jì)算起動(dòng)電阻。(2) 起動(dòng)電阻的計(jì)算在圖2.1(b)中，對(duì)a點(diǎn)，有=即 Ra1=當(dāng)從曲線(xiàn)1(對(duì)應(yīng)于電樞電路總電阻Ra1=ra+)轉(zhuǎn)換得到曲線(xiàn)2(對(duì)應(yīng)于總電阻Ra2=ra+)時(shí)，亦即從點(diǎn)轉(zhuǎn)換到點(diǎn)時(shí)，由于切除電阻RK1進(jìn)行很快，如忽略電感的影響，可假定nb=nc，即電動(dòng)勢(shì)Eb=Ec，這樣在

12、點(diǎn)有=在c點(diǎn) =兩式相除，考慮到Eb=Ec，得 同樣，當(dāng)從d點(diǎn)轉(zhuǎn)換到e點(diǎn)時(shí)，得=這樣，如圖2.1所示的二級(jí)起動(dòng)時(shí)，得=推廣到m級(jí)起動(dòng)的一般情況，得=式中為最大起動(dòng)電流與切換電流之比，稱(chēng)為起動(dòng)電流比(或起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比)，它等于相鄰兩級(jí)電樞回路總電阻之比。由此可以推出 =式中m為起動(dòng)級(jí)數(shù)。由上式得=如給定,求m,可將式=取對(duì)數(shù)得 m=由式=可得每級(jí)電樞回路總電阻進(jìn)而求出各級(jí)啟動(dòng)電阻為：=Ra1-Ra2=Ra2-Ra3=Ra3-Ra4 R(m-1)= Ra(m-1)- Ram Rm= Ram-ra起動(dòng)最大電流及切換電流按生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求確定，一般=(1.52.0) =(1.11.2) 2.2 直流電動(dòng)

13、機(jī)電樞串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)方案1）選擇啟動(dòng)電流和切換電流=(1.52.0)=(1.52.0)×497=(745.5994)A=(1.11.2)=(1.11.2)×497=(546.7596.4)選擇=840，=560。2）求出起切電流比=1.53）求出啟動(dòng)時(shí)電樞電路的總電阻RamRam=0.524（4）求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)mm=4.76 取m=55）重新計(jì)算，校驗(yàn)=1.47=571在規(guī)定圍之。6）求出各級(jí)總電阻=ra=1.4750.076=0.52=ra =1.4740.076=0.35=ra=1.4730.076=0.24=ra=1.4720.076=0.16=ra=1.470.076

14、=0.11=Ra=0.0767）求出各級(jí)啟動(dòng)電阻Rst1=-=(0.11-0.076)=0.034Rst2=-=(0.16-0.11)=0.05Rst3=-=(0.24-0.16)=0.08Rst4=-=(0.35-0.24)=0.11Rst5=-=(0.52-0.35)=0.272.3 多級(jí)啟動(dòng)的規(guī)律2.3.1不同加速級(jí)的機(jī)電常數(shù)是不同的，電樞電路的電阻越大，則TM越大。2.3.2不同加速級(jí)的起始轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是不同的，這是由于不同的機(jī)械特性與恒切換轉(zhuǎn)矩T2（或切換電流I2）特性及恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL（或負(fù)載電流IL）特性的交點(diǎn)是不同的。2.3.3啟動(dòng)級(jí)數(shù)的選取：取決于負(fù)載的大小與對(duì)啟動(dòng)平滑性的要

15、求。級(jí)數(shù)越多啟動(dòng)平滑性越好，但是啟動(dòng)設(shè)備與控制裝置龐雜，投資大【4】。一般取m=24級(jí)，空載或輕載取m=12，重載或滿(mǎn)載取m=34。3 結(jié)論根據(jù)以上的設(shè)計(jì)實(shí)踐，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)計(jì)算方法可歸結(jié)如下：(1)選擇啟動(dòng)電流和切換電流=（2.02.5）IN=(1.11.2)IL啟動(dòng)電流為,對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1；T1=(1.52.0) TN切換電流為,對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2；T2=（1.52.0）TN(2)出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比；=/(3)出電動(dòng)機(jī)的電樞電路電阻ra；Ra=（1/22/3）UNIN-PN*1000/IN*IN(4)出啟動(dòng)時(shí)的電樞總電阻Rm；Rm=UaN/IaN(5)出啟動(dòng)級(jí)數(shù)m；m=（lg

16、Rm/Ra）/lg 選取m=3(6)重新計(jì)算，校驗(yàn)I2是否在規(guī)定圍；若m是取相近整數(shù)，則需重新計(jì)算；= 再根據(jù)得出的重新求出，并校驗(yàn)是否在規(guī)定圍。若不在規(guī)定圍，需加大啟動(dòng)級(jí)數(shù)m重新計(jì)算和，直到符合要求為止。(7)出各級(jí)總電阻(8)求出各級(jí)啟動(dòng)電阻這便是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)的大體思路與過(guò)程。4 設(shè)計(jì)體會(huì)在分級(jí)啟動(dòng)中，只要知道最大啟動(dòng)電流和切換電流，我們即可以計(jì)算出分級(jí)啟動(dòng)電阻以及啟動(dòng)過(guò)程中的電阻切換時(shí)刻。我們必須注意所串聯(lián)電阻并不是越大越好，太大可能導(dǎo)致無(wú)法啟動(dòng)。另外，要得到更大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，必須增加啟動(dòng)級(jí)數(shù)，這樣所需設(shè)備多，透投資大，維修不便。此設(shè)計(jì)忽略了電電感的影響，在電阻切除時(shí)刻，電流有個(gè)躍變，若是考慮電樞電感阻礙電流躍變的作用，實(shí)際的啟動(dòng)