直流电机的串电阻启动过程设计综述

1、指导教师评定成绩：审定成绩：重庆邮电大学移通学院课程设计报告设计题目：直流电机的串电阻启动过程设计学 校： 重庆邮电大学移通学院学 生 姓 名：专 业：班 级：学 号：指 导 教 师：设计时间：2012 年 12 月重庆邮电大学移通学院目录一、直流电动机的综述 1二、他励直流电动机 2三、设计内容 6四、结论 10五、心得体会 12六、参考文献 12一、直流电动机的综述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 直流电转换成机械能的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，但是它具有良好的起动、调速和制动性

2、能，因此在速度调节要 求较要、正反转和起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。直流电动机的工作原理如图 1-1，电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的转轴与机 械负载相连，这是便有电流从电源正极流出，经电刷 A 流入电枢绕 组，然后经过电刷 B 流回电源的负极。在 N 级下面导线电流是由 a 到 b ，根据左手定则可知导线 ab 受力的方向向左， 而 cd 的受力方向 是向右的。 当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是， 电 动机逆时针旋转。当线圈转过 180 度时，这是导线的电流方向变为 由 d 到 c 和 b 到 a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的

3、 ,这样就使 得电机一直旋转下去。图 1-1 直流电动机的工作原理图二、他励直流电动机1.他励直流电动机机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速与转矩的关系 。机械特 性是电动机机械性能的主要表现， 它与负载的机械特性， 运动方程式相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。机械特性中的是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩是不同 的，其间差一空载转矩，即在一般情况下， 因为空载转矩相比或很小， 所以在一般的工程计算中可以略去，即在电机学中已知直流电动机的机械特性方程式为 式中 R 为电枢回路总电阻，包括 及电枢回路串联电阻 ， 为 理想空载转速记为 ， 记为 ，为机械特性的斜率。当 ，

4、 ，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流 电动机的固有机械特性。 当改变 U 或 或电枢回路串电阻时， 其机械 特性的 或 将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。若不计电枢反应的影响， 当电动机正向运行时， 其机械特性是一 条横跨 I、II、IV 象限的直线。其中第 I 象限为电动机运行状态，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速的方向）相同，第 II、IV 象限 为制动运行状态。 电动机在制动状态运行， 是产生一个与转向相反的 阻力矩，以使电机拖动系统迅速停车或限制转速的升高。 制动状态转 矩的方向与转速的方向相反， 此时电动机从输出轴上吸收机械能并转 化为电能反馈回电网或消耗在电

5、阻中。第 III 象限为反向电动运行。制动运行的方式分为能耗制动、反接制动和回馈制动。 他励直流电动机启动条件 直流电动机拖动负载顺利起动的条件是：1）起动电流限制在一定范围内，即 Ist IN， 为电机的 过载倍数；2）足够大的起动转矩， Tst （1.1 1.2）TN ；3）起动设备简单、可靠。由 Ist =UN/Ra 可知，限制起动电流的措施有两个： 一是增加电 枢回路电阻， 二是降低电源电压， 即直流电动机的起动方法有电枢串 电阻和降压两种。3.他励直流电动机的起动直接起动直接起动是指接通励磁电源后， 将电动机的电枢直接投入额定电 压的电源上起动。直接起动又称为全压起动。由于起动瞬间，

6、转速等于零，电枢绕组的感应电动势Ea Cen04-1)则起动电流为IstU N Ea U NRaRa4-2)由于电枢绕组的电阻 Ra 很小，所以起动电流很大，可达到额定 电流的十几倍。该电流对电网的冲击很大。因而，除了小容量电机可采用直接起动外，对大中、容量的电动机不能直接起动。降电压起动降低电枢电压起动， 即起动前将施加在电动机电枢两端的电源电 压降低，以减小起动电流 ，电动机起动后，再逐渐提高电源电压， 使起动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。 这种起动方法需要专用电源，投资较大，但起动电流小，起动转矩容 易控制，起动平稳，起动能耗小，是一种较好的起动方法。 电枢串电阻

7、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，同时可以中道平滑快速情动， 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。下面所示直流他励电动机电枢电路串电阻二级起动为例说明 起动过程。起动过程分析：如图 4-1 （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，电枢传入了全部附加电阻 Rk1+Rk2 电枢回路总电阻为 Ral=ra+Rk1+Rk2 。这时起动电流为：4-3)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 4-

8、1 （b）中的曲线 1 所示。0图 4-1 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：4-4)式中： T 电动机的电磁转矩；TL 由负载作用所产生的阻转矩；Jdw/dt 错误！未找到引用源。 -电动机转矩克服负载转矩后 所产生的动态转矩。由于起动转矩 T1 大于负载转矩 TL,电动机收到加速转矩的作用， 转矩有零逐渐上升，电动机开始起动。在图 4-1 （b）中，由 a 点沿 着曲线 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 后，b

9、点所对应的电枢电 流 I2成为切换电流，其对应的电动机的转矩 T2 成为切换转矩。切除 RK1 后 ,电枢回路总电阻为 Ra2=ra+Rk2。这时电动机对应于由电阻 Ra2 确定的人为机械特性。 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 相应的电动势转矩也突增。 适当的选择切除的电阻值 Rk1 ，使切除 Rk1 后的电枢电流刚好等于 I1,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 Rk2 。

10、同理，由 d 点过度到 e 点，而且 e 点正好在固定的机械特性上。电枢电流又由 I2 突增到 I1 相应的电动机转矩由 T2 突增到 T1。T1T2，沿固有特性加速到 g 点 T=T L，n=n g 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（或者相应的最大转矩 T2）及切换电流 I2（或者与之对应的切换转矩 T2）都是不变的， 这样， 使得起动过程中有均匀的加速。 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。由直流电动机铭牌知数据： PN=22KW , IN=116.3A ,UN=220V nN=1500r/min1）选择启动电流和

11、切换电流I1=（2.02.5）IN=（2.02.5） 116.3A=（232.6-290.7）AI2=（1.11.2）IN=（1.11.2） 116.3A=（127.9-139.5）A取 I1=2.2IN=2116.3A=232.6AI2 =1.2IN=1116.3A=116.3A2）求出起切电流比= I1 =2I23）求出启动时电枢电路的总电阻 RamRam=UN =0.95I14）求出启动级数 m取 m=35）重新计算，校验切换电流或校验切换转矩UN=m I1RNa =1.93I1I2= I1 =120.51AI2 在规定范围之内。6）求出各级总电阻设对应转速 n1、n2、 n3、时电势分

12、别为 Ea1、 Ea2、 Ea3，则有： b 点 R3I 2=U N -Ea1c 点 R2I 1=U N -Ea1d 点 R2I 2=U N -Ea2e 点 R1I 1=U N -Ea2f 点 R1I2=UN-Ea3g 点 RaI 1=U N -Ea3 求得 R3= Ram=UN =0.9532I1R2=0.4717R1=0.2352Ra= 0.1173比较以上各式得：R3 R2 R1 I=1 1.93R2 R1 Ra I27）求出各级启动电阻输入功率 P1= UNIN=220116.3W=25586W 总损耗 P=P1-PN=25586-22000W=3586W 电枢回路电阻 Ra= 1U

13、NIN 2PN 10 =0.13262I NRst1=( -1)Ra =0.12332Rst2=( -1) Ra=Rst1=0.23801Rst3=( -1) 2Ra=2Rst3=0.45935 8）设计控制直流电机串电阻启动的控制电路原理图四结论额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串起动变阻器的方法起动。起动前先把起动变阻器调到最大值，加上励磁电压Uf，保持励磁电流为额定值不变。在接通电枢电源，电动机开始起动。随着 转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除。额定功率 比较大的电动机一般采用分级方法以保证起动过程中既有比较大的 起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。他励直流电动机串

14、电阻启动计算方法 选择启动电流和切换电流 启动电流为 I1=（2.02.5）IN ，对应的启动转矩 T1=（1.52.0）IN切换电流为 I2=（1.11.2）IN ，对应的启动转矩 T2=（1.11.2）IN 求出起切电流比= = I1I2- 10 - 求出启动时电枢电路的总电阻 RamRam=UNI1 求出启动级数 m重新计算，校验切换电流或校验切换转矩UNI 1=m I RN ， I2= I1 ，跟据得出的 重新求出 I2，并校验 I2是否在规定范围内。若不在规定范围内，需改变启动级数 m 重新计算 和 I2，直到符合要求为止。求出各级总电阻设对应转速 n1、n2、 n3、时电势分别为

15、Ea1、 Ea2、 Ea3，则有：b 点 R3I2=UN-Ea1c 点 R2 I 1=U N -Ea1d 点 R2I2=UN-Ea2e 点 R1I1=UN-Ea2f 点 R1I2=UN-Ea3R3 R2 R1 I1g 点 RaI1=UN-Ea3比较以上各式得 :R3 R2 R1 I 1 求出各级启动电阻Rst1=( -1)RaRst2=( -1) Ra=Rst1Rst3=( -1) Ra=Rst2Rstm=( -1)m-1Ra=m-1Rstm-1- 11 -五心得体会经过为期一周的研究与设计， 本次电机与拖动课程设计直 流电机的串电阻启动过程设计较为顺利的完成。 这是我自入学以 来第一次进行课程设计，因此感触颇深： 通过这次课程设计， 使我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其起动过程， 对直 流电机的电力拖动有了更加深入的理解与体会。 在这次设计过程 中，我深刻地体会到 了科学的严谨，必须要有一个正确的态度 去面对设计，努力地为了完成各种 参