他励直流电动机串电阻起动的设计

指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学移通学院自动化系课程设计报告设计题目：他励直流电动机串电阻起动的设计学生姓名：无专业：电气工程及其自动化班级：05111202学号：20122222指导教师：设计时间：2014年12月重庆邮电大学移通自动化系制课程设计任务书一、设计题目他励直流电动机串电阻启动的设计二、设计任务某工厂有一台他励直流电动机，已知参数如下：Pan=200kw；Uan=440v；Ian=497A；nN=1500r/min；Ra=0.076Ω；采用分级启动，启动电流最大不超过2IaN,，求各段电阻值，并且求出切除电阻时的瞬时转速和电动势，并作出机械特性曲线，对启动特性进行分析。三、设计要求1、设计工作量为按要求完成设计说明书一份。2、设计必须根据进度计划按期完成。3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。指导教师：时间：2014年12月摘要他励直流电动机起动时由于电枢感应电动势0aenEC，最初起动电流/StaIUR,若直接起动,由于Ra很小,StI会十几倍甚至几十倍于额定电流,无法换向,同时也会过热,因此不能直接起动。要限制起动电流StI的大小可以有两种方法:降低电枢电压和电枢回路串接附加电阻。本文仅以他励直流电动机的串电阻起动为主题进行详细的阐述。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。关键词：他励直流电动机；起动电流；串电阻起动；目录引言................................................................1第一章直流电动机...................................................21.1直流电动机的工作原理..........................................21.2直流电动机的分类..............................................31.3他励直流电机工作原理..........................................3第二章他励直流电动机的起动.........................................42.1他励直流电动机串电阻起动......................................42.2直流电动机电枢串电阻起动设计方案..............................72.3多级起动的规律................................................8第三章设计小结....................................................10第四章设计体会....................................................12参考文献...........................................................131引言他励直流电动机的起动时间虽然很短，但是如果不能采用正确的起动方法，电动机就不能正常地投入运行。为此，应对电动机的起动过程和方法进行必要的分析。直接起动时，他励直流电动机电枢加额定电压UN，电枢回路不串任何电阻，此时由于0n，0aE，所以起动电流/stNaIUR，由于电枢回路总电阻Ra较小，所以stI可以达到额定电流IN的十几甚至几十倍。这样大的电流也可以造成电机换向严重不良，产生火花，甚至正、负电刷间出现电弧，烧毁电刷及换向器。另外，过大的起动电流使起动转矩stT过大，会使机械撞击，也会引起供电电网电波动，从而引起其他接于同一电网上的电气设备的正常运行，因此是不允许的。一般只有微型直流电动机，由于自身电枢电阻大，转动惯量小，起动时间短，可以直接起动，其他直流电机都不允许直接起动。在拖动装置要求不高的场合下，可以采用降低起动电压或在电枢回路串电阻的方法。他励直流电动机在电枢回路中串电阻，具有良好的起动特性、较大的起动转矩和较小的起动电流，可以满足生产机械需要的要求。本文借助图像对整个过程被各个变量与时间的相互关系进行了描绘，对更加清楚地了解和设计他励直流电机起动的特点具有重要意义。2第一章直流电动机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直流电动机的工作原理：上图所示为最简单的直流电动机工作原理示意图。直流电动机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。转子载流导体在磁场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。可知，分别在N，S极范围内的导体中的电流方向总是不变的。由此，线圈二边受力方向也不变。这样，线圈就可以按照受力方向不停地旋转。31.2直流电动机的分类根据励磁方式的不同，直流电机可分；他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。1.3他励直流电机工作原理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，接线如图1.3所示。图中M表示电动机，若为发电机，则用G表示。永磁直流电机也可看作他励直流电机。图1.3他励直流电机工作原理图4第二章他励直流电动机的起动2.1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。(1)起动过程分析如图2.1（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。这是起动电流为错误!未找到引用源。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2.1(b)中的曲线1所示。(a)电路图(b)特性图图2.1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dtdJ=T-TL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2.1(b)上，由a点沿曲线1上升，反电动势5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2I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1R后，电枢回路总电阻为2a2a+R=RR。这时电动机对应于由电阻Ra2所确定的人为机械特性，见图2.1(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1R，使切除1R后的电枢电流刚好等于1I，所对应的转矩为T2，即在曲线2上的c点。又有T1T2，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2R。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2I突增到1I，相应的电动机转矩由T2突增到T1。T1TL，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2I(或相应的最大转矩T2)及切换电流2I(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。(2)起动电阻的计算在图2.1(b)中，对a点，有11=IaRU即1a1=RIU当从曲线1(对应于电枢电路总电阻错误!未找到引用源。转换得到曲线2(对应于总电阻)R+R=R2aa2)时，亦即从点转换到点时，由于切除电阻RK1进行很快，如忽略电感的影响，可假定nb=nc，即电动势Eb=Ec，这样在点有12=IabRUU6在c点21=IacRUU两式相除，考虑到Eb=Ec，得2121aaRRII同样，当从d点转换到e点时，得aarR221=II这样，如图2.1所示的二级起动时，得aaaarRRRII22121推广到m级起动的一般情况，得2121aaRRII=aarR2=…ammaRR)1(=aamrR式中为最大起动电流1I与切换电流2I之比，称为起动电流比(或起动转矩比)，它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。由此可以推出maarR1式中m为起动级数。由上式得=maarR1如给定,求m,可将式aarR1=m取对数得m=lglg1aarR由式=2121aaRRII=aarR2=…=ammaRR)1(=aamrR可得每级电枢回路总电阻进而求出各级起动电阻为：112    aaRRR223aaRRR334    aaRRR71()()1 mamamRRRmamaRRR起动最大电流1I及切换电流2I按生产机械的工艺要求确定，一般1I=错误!未找到引用源。aNI2I=错误!未找到引用源。aNI2.2直流电动机电枢串电阻起动设计方案（1）选择起动电流1I和切换电流2I1I=(1.5～2.0)aNI=(1.5～2.0)×497A=(745.5～994)A2I=(1.1～1.2)aNI=(1.1～1.2)×497A=(546.7～596.4)A选择1I=840A，2I=560A。（2）求出起切电流比=21II=1.5（3）求出起动时电枢电路的总电阻Ram1am=RIUaN=0.524（4）求出起动级数mm=lglgaamrR=4.76取m=5（5）重新计算，校验2I=maamrR=1.472I=1I=57182I在规定范围之内。（6）求出各级总电阻错误!未找到引用源。=1.4750.076=0.52错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。错误!未找到引用源。（7）求出各级起动电阻0.034=0.076)-(0.11=R=R01st1R0.05=0.11)-(0.16=R-R=R12st20.08=0.16)-(0.24=R-R=R23st30.11=0.24)-(0.35=R-R=R34st40.27=0.35)-(0.52=R-R=R45st52.3多级起动的规律（1）不同加速级的机电常数是不同的，电枢电路的电阻越大，则TM越大。（2）不同加速级的起始转速与稳定转速是不同的，这是由于不同的机械特性与恒切换转矩T2（或切换电流I2）特性及恒负载转矩TL（或负载电流IL）特性的交点是不同的。（3）起动级数的选取：取决于负载的大小