他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻的設(shè)計(jì)

1、淮 陰 工 學(xué) 院課程設(shè)計(jì)說明書作 者:學(xué) 號(hào)：學(xué) 院:機(jī)械工程學(xué)院專 業(yè):機(jī)械電子工程題 目: 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)者： 緒論.11直流電動(dòng)機(jī).21.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理.21.2直流電動(dòng)機(jī)的分類.21.3直流電動(dòng)機(jī)的工作原理.22他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī).42.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性.42.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng).52.21對(duì)啟動(dòng)的要求.52.22電樞回路串電阻啟動(dòng).52.3直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻啟動(dòng)設(shè)計(jì)方案.82.31分級(jí)啟動(dòng)主回路和控制回路以及相關(guān)電器元件.102.32啟動(dòng)特性曲線.103設(shè)計(jì)體會(huì).114參考文獻(xiàn).12緒論直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)控制器的優(yōu)點(diǎn)是，線路無需切換即可實(shí)現(xiàn)牽引

2、與制動(dòng)的轉(zhuǎn)換，帶載能力強(qiáng)，防空轉(zhuǎn)性能好。但是，如果不能掌握正確的啟動(dòng)方法，電機(jī)還是不能正常運(yùn)行的。下面，我們就要對(duì)電機(jī)的啟動(dòng)過程和方法做一些必要的分析。由于啟動(dòng)瞬間n=0，電樞電動(dòng)勢(shì)，而電樞電阻有很小，所以啟動(dòng)電流將達(dá)到很大的數(shù)值。過大的啟動(dòng)電流，會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，影響其他用戶的正常用電，并且會(huì)使電動(dòng)機(jī)軸上受到很大的沖擊。這種不采取任何措施就直接把電動(dòng)機(jī)加上額定電壓的啟動(dòng)辦法，稱為直接啟動(dòng)。處個(gè)別容量很小的電動(dòng)機(jī)可以直接采用外，一般直流電動(dòng)機(jī)不允許直接啟動(dòng)【1】。在拖動(dòng)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【2】。本文對(duì)他勵(lì)直流電機(jī)進(jìn)行細(xì)致的介紹，用圖片與文字相

3、結(jié)合的方式對(duì)他勵(lì)直流電機(jī)工作時(shí)過程中的變量與時(shí)間的關(guān)系進(jìn)行描繪，使我們更加清楚的了解他勵(lì)直流電機(jī)的工作原理。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)的工作原理如圖1.1所示為一臺(tái)最簡(jiǎn)單的兩極直流發(fā)電機(jī)的模型，N、S為定子磁極，繞組線圈放置在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上（稱為電樞鐵心），線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈首末分別連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換相片上。電樞線圈與外電路的連接是通過放置在環(huán)線片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的，在此我們把正極電刷稱為B1，負(fù)極電刷稱為B2。外電源從電刷B1、B2輸入直流電源，使電流從正電刷B1流入，從負(fù)電刷B2流出，則此時(shí)N極下的線圈電

4、流總是由手段流向末端，S極下的線圈電流總是由末端流向首端。利用左手定則，可知N級(jí)下導(dǎo)體受到的電磁力的方向向左，S極下導(dǎo)體受到的電磁力方向向右，那么產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩就使得線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。由此可見，N極下和S極下的線圈受到的電磁力的方向始終不變的，它們產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的方向 也就不變，這個(gè)轉(zhuǎn)矩使電樞始終沿一個(gè)方向旋轉(zhuǎn)，就把電能變成機(jī)械能，使之成為一臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)而帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作【3】。1.2直流電動(dòng)機(jī)的分類直流電機(jī)的勵(lì)磁電流都是由外電源供給的，立此方式不同會(huì)使直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能產(chǎn)生很大差異。按照勵(lì)磁方式的不同，直流電動(dòng)機(jī)可以分為：他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)。1.3他勵(lì)直

5、流電動(dòng)機(jī)的工作原理圖1.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接線圖上圖1.2是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路接線圖，其中M為電機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。Rf是勵(lì)磁調(diào)節(jié)電阻，Ra是電樞電阻，Ia是電樞電流，E為電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)勢(shì)。他勵(lì)直流電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組無聯(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)稱為他勵(lì)直流電機(jī)，永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)【4】。2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)2.1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指電動(dòng)機(jī)在電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞總電阻為恒指的條件下，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Te的關(guān)系曲線n=f(Te)或電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n與電樞電流Ia的關(guān)系曲線n=f(Ia），后者也就是轉(zhuǎn)速調(diào)整特性。電樞回

6、路的電壓平衡方程式為：（I）式中，U為電源電壓；E為電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)；Ia為電樞電流；R為電樞回路總電阻。直流電動(dòng)機(jī)電樞回路反電動(dòng)勢(shì)E為：（II）將（II）帶入（I）中，可得轉(zhuǎn)速表達(dá)式：（III）電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為：（IV）式中，Km是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，利用電磁轉(zhuǎn)矩Te表示的機(jī)械特性方程式為：（V）從（V）中可知：（VI）n0稱為理想空載轉(zhuǎn)速，表示當(dāng)Te=0時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n=n0電機(jī)轉(zhuǎn)速降為：（VII）的本質(zhì)是，電動(dòng)機(jī)有載運(yùn)行時(shí)，電樞回路電阻上的損耗以速度這一參量表示出的結(jié)果。機(jī)械特性曲線斜率為：（VIII）越大，越大，機(jī)械特性就越軟。通常稱小的機(jī)械特性為硬特性，大的機(jī)械特性為軟特性【5】

7、。在分析機(jī)械特性是需要注意：實(shí)際空載轉(zhuǎn)速和理想空載轉(zhuǎn)速的區(qū)別。指Te=0時(shí)的轉(zhuǎn)速，是電動(dòng)機(jī)空載時(shí)的轉(zhuǎn)速，這是電動(dòng)機(jī)必須克服空載轉(zhuǎn)矩T0，因此電動(dòng)機(jī)實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為：電樞反應(yīng)對(duì)機(jī)械特性的影響。當(dāng)電動(dòng)機(jī)負(fù)載加大時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩Te電樞電流Ia加大，電樞反應(yīng)產(chǎn)生的去磁作用加大，使每極磁通減小，轉(zhuǎn)速n將回升，因此，機(jī)械特性在轉(zhuǎn)矩加大時(shí)會(huì)出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。上翹的機(jī)械特性會(huì)使系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此往往在主磁極上加一個(gè)匝數(shù)很少的串勵(lì)繞組，其磁動(dòng)勢(shì)可以抵消電樞反應(yīng)的去磁作用，但又不改變他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。2.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)從接入電源開始，一直達(dá)到穩(wěn)定的運(yùn)行速度的整個(gè)過程稱為直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程或啟動(dòng)。

8、2.21對(duì)啟動(dòng)的要求要使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)牧阒鸩郊铀俚椒€(wěn)定的運(yùn)行速度，在啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)要克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩才能完成啟動(dòng)過程，電動(dòng)機(jī)必須要陳勝足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)瞬間（n=0）的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，即：式中，為啟動(dòng)電流，是n=0時(shí)的電視電流。由于啟動(dòng)瞬間n=0，電樞電動(dòng)勢(shì)，而電樞電阻又很小，所以啟動(dòng)電流將很難達(dá)到很大的數(shù)值。過大的啟動(dòng)電流，會(huì)引起電網(wǎng)電壓的波動(dòng)，影響其他用戶的正常用電，并且會(huì)使電動(dòng)機(jī)軸上受到很大的沖擊。這種不采取任何措施就直接把電動(dòng)機(jī)加上額定電壓的啟動(dòng)辦法，稱為直接啟動(dòng)，除個(gè)別容量很小的電動(dòng)機(jī)可以直接采用外，一般直流電機(jī)不允許直接啟動(dòng)【6】。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)，一般提出以下基

9、本要求：要有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩；啟動(dòng)電流不能超過允許值；啟動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單可靠。最根本的原則是確保有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和限制電流。直流電機(jī)蟬蛹的啟動(dòng)發(fā)發(fā)有電樞串電阻啟動(dòng)和減壓?jiǎn)?dòng)兩種，不論采用哪種啟動(dòng)方式，啟東市都應(yīng)該保證電動(dòng)機(jī)的磁通量達(dá)到最大值，因?yàn)?，所以在相同的電流下，大則Te也會(huì)增大【7】。2.22電樞回路串電阻啟動(dòng)啟動(dòng)特性電樞回路串電阻可以有效的降低啟動(dòng)電流。電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，勵(lì)磁電路的調(diào)節(jié)電阻，使勵(lì)磁電流達(dá)到最大。電動(dòng)機(jī)上加額定電壓，啟動(dòng)電流，應(yīng)使不大于容許值。由啟動(dòng)電流產(chǎn)生的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)開始轉(zhuǎn)動(dòng)并逐漸加速，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電樞反電動(dòng)勢(shì)E也逐漸增大，使電樞電流逐漸減小，這樣，轉(zhuǎn)速上升的加速度就

10、逐漸降低下來了。為了縮短啟動(dòng)時(shí)間，保證電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中的加速度不變，要求在啟動(dòng)過程中維持電樞電流不變，因此，隨著電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的增加，應(yīng)該將啟動(dòng)電阻平滑的切除，最后調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到運(yùn)行值【8】。一般講啟動(dòng)電阻分若干段，逐段加以切除。通常是利用接觸器來切除啟動(dòng)電阻，由于每一段電阻的切除都需要一個(gè)接觸器控制，因此啟動(dòng)技術(shù)不宜過多，一般分為2到5級(jí)。圖2.1a所示電動(dòng)機(jī)就是采用三級(jí)啟動(dòng)。啟動(dòng)開始瞬間，電樞回路串接全部啟動(dòng)電阻，這是電樞回路總電阻為，啟動(dòng)電流，達(dá)到最大值。圖2.1b中，稱為尖峰電流，一般電動(dòng)機(jī)容量<150KW時(shí)，2.5；>150KW時(shí)，2。接入全部啟動(dòng)電阻時(shí)的人為機(jī)械特性如

11、圖2.1b中的曲線1所示。隨著電動(dòng)機(jī)開始加速，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩將逐步減小，將沿著曲線1的箭頭指向變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速提高至，電流降至（圖2.1b中的b點(diǎn)）時(shí)，接觸器觸點(diǎn)閉合，將從電樞回路切除，稱為切換電流，一般取=（1.1-1.2）。此時(shí)電樞回路電阻將減小為，與之對(duì)應(yīng)的人為機(jī)械特性如圖2.1b中曲線2所示。在切除電阻的瞬間，由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速不能突變，仍為，但電機(jī)的工作點(diǎn)將由b點(diǎn)水平越至曲線2上的c點(diǎn)，選擇恰當(dāng)?shù)闹?，可使c點(diǎn)的電流值恰好為尖峰電流。這樣，電動(dòng)機(jī)又進(jìn)一步加速，電流和轉(zhuǎn)速便沿著曲線2的箭頭指向變化。當(dāng)變化到d點(diǎn)、電流又降到時(shí)，接觸器的觸點(diǎn)閉合，將切除，電動(dòng)機(jī)工作點(diǎn)由d點(diǎn)水平移到曲線3上的

12、e點(diǎn)。曲線3是電樞總電阻為時(shí)的人為機(jī)械特性，e點(diǎn)電流仍為尖峰電流，電流和轉(zhuǎn)速就沿著曲線3變化，當(dāng)變化到f點(diǎn)、電流又降到時(shí)，接觸器的觸點(diǎn)閉合，最后一級(jí)電阻切除，電動(dòng)機(jī)將過渡到固有機(jī)械特性曲線4上，并沿固有機(jī)械特性加速。當(dāng)達(dá)到w點(diǎn)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩額與負(fù)載轉(zhuǎn)矩相等，電動(dòng)機(jī)便在w點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速上穩(wěn)定運(yùn)行，啟動(dòng)過程結(jié)束【9】。圖2.1電樞串電阻啟動(dòng)電路和啟動(dòng)過程(a)啟動(dòng)電路 (b)啟動(dòng)過程啟動(dòng)電阻的計(jì)算電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)過程中，當(dāng)切除第一級(jí)電阻是，運(yùn)行點(diǎn)將由b移至c，因?yàn)閎、c兩點(diǎn)轉(zhuǎn)速相等，則。這樣：在b點(diǎn)有： 在c點(diǎn)有： 上兩式相除得： 同樣，當(dāng)運(yùn)行點(diǎn)由d點(diǎn)移至e點(diǎn)時(shí)，有：而從f點(diǎn)移到g點(diǎn)時(shí)有： 這樣，3級(jí)啟

13、動(dòng)時(shí)就有： 設(shè)，稱為啟動(dòng)電流比（或啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩比），則各級(jí)啟動(dòng)總電阻為： （i）每極啟動(dòng)電阻為相鄰兩極的總啟動(dòng)電阻之差，即： （ii）啟動(dòng)電流倍數(shù)為： （iii）推廣到啟動(dòng)級(jí)數(shù)為m的一般情況，則： （iv） （v） （vi） （vii）在具體計(jì)算是，可能有下述兩種情況：1. 啟動(dòng)級(jí)數(shù)m未知。此時(shí)可按尖峰電流、切換電流的規(guī)定范圍，初選、及值，并用公式（vii）求出m，式中RM=U/Ist1，若求得m為分?jǐn)?shù)，則將其加大至相近的整數(shù)，然后將m的整數(shù)值帶入（vi）中，求新的值，用新的值帶入（ii）中求各部分啟動(dòng)電阻。2. 啟動(dòng)級(jí)數(shù)m已知。先選定尖峰電流，算出RM=U/Ist1，將m及帶入（vi）中，算出值

14、，然后由式（ii）求各級(jí)啟動(dòng)電阻【10】。2.3直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻啟動(dòng)設(shè)計(jì)方案選取的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：PN=29KW，UN=440V,IN=76A，nN=1000r/min,Ra=0.377，飛輪轉(zhuǎn)矩。選擇啟動(dòng)電流Ist1和切換電流Ist2Ist1=（1.52.0）IN=（1.52.0）×76A=（144152）AIst2=（1.11.2）IN=（1.11.2）×76A=(83.691.2)A選擇Ist1=152A，Ist2=91.2A求出起切電流比求出啟動(dòng)時(shí)點(diǎn)數(shù)電路的總電阻Rm求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)m 取m=4重新計(jì)算，校驗(yàn)Ist2。 I2在規(guī)定范圍之內(nèi)。各級(jí)啟動(dòng)總電阻

15、為： 各級(jí)啟動(dòng)電阻為： 各級(jí)啟動(dòng)時(shí)間常數(shù)Tm1、Tm2、Tm3、Tm4、Tm5分別為： 設(shè)，則 各級(jí)啟動(dòng)時(shí)間如下 第一級(jí)啟動(dòng)時(shí)間為： 第二級(jí)啟動(dòng)時(shí)間為： 第三級(jí)啟動(dòng)時(shí)間為： 第四級(jí)啟動(dòng)時(shí)間為：電阻全部切除后電動(dòng)機(jī)達(dá)到穩(wěn)定的時(shí)間為：總啟動(dòng)時(shí)間為：2.3.1分級(jí)起動(dòng)主回路和控制回路以及相關(guān)電氣元件2.3.2啟動(dòng)特性曲線3設(shè)計(jì)體會(huì)剛剛拿到這個(gè)課題的時(shí)候，我們一頭霧水毫無思路可言。但是在我們?nèi)ミ^圖書館翻閱相關(guān)資料后，我們的思路漸進(jìn)明了。首先，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)過程中的電阻切換時(shí)刻。然后我們要注意的是，我們必須注意所串聯(lián)電阻并不是越大越好，

16、太大可能導(dǎo)致無法啟動(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。接著，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)特性中電流由切換電流變化到最大會(huì)稍慢，對(duì)整個(gè)過程影響小【11】。最后此次課程設(shè)計(jì)讓我掌握了電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、工作原理和性能參數(shù)，電力托動(dòng)系統(tǒng)的一種運(yùn)行方式、動(dòng)靜態(tài)分析，電機(jī)的選擇和實(shí)驗(yàn)方法，以及直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)的基本原理和典型應(yīng)用的分析和設(shè)計(jì)，為進(jìn)一步學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)課及今后工作做必要的知識(shí)和技能準(zhǔn)備，使我們能夠從工程使用的角度提出問題、分析問題和解決問題，通過此次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)，能勝任對(duì)電氣傳動(dòng)系統(tǒng)的使用、維護(hù)和管理工作。4參考文獻(xiàn)【1】丁學(xué)文.電力拖動(dòng)運(yùn)行控制系統(tǒng) M.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007【2】馮清秀、鄧星鐘著，機(jī)電傳動(dòng)控制，華中科技大學(xué)出版社，2014【3】李發(fā)海，朱東起. 電機(jī)學(xué) M.北京：科學(xué)出版社，2001【4】許實(shí)章.電機(jī)學(xué) M.