電機與拖動課程設(shè)計---他勵直流電動機串電阻啟動

1、<p>　　課程設(shè)計名稱： 電機與拖動課程設(shè)計 </p><p>　　題 目：他勵直流電動機串電阻啟動</p><p>　　專 業(yè)：電氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　姓 名： </p><p>　　

2、學(xué) 號： </p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　直流電動機是人類最早發(fā)明和應(yīng)用的一種電機。直流電機可作為電動機用，也可作為發(fā)電機用。直流電動機是將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能而帶動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的電器設(shè)備。與交流電動機相比，直流機因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、價格較貴等缺點制約了它的發(fā)展，但是它具有良好的啟動、調(diào)速和制動性能，因此在速度調(diào)節(jié)要求較要、

3、正反轉(zhuǎn)和啟動頻繁或多個單元同步協(xié)調(diào)運轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機械上，仍廣泛采用直流電動機拖動。在工業(yè)領(lǐng)域直流電動機仍占有一席之地。因此有必要了解直流電動的運行特性。在四種直流電動機中，他勵電動機應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流電機；串電阻；啟動；原理；分類：機械特性；變速</p><p><b>　　目錄</b></p><p>　　1 直流

4、電動機簡介1</p><p>　　2 直流電機的基本結(jié)構(gòu)1</p><p><b>　　2.1 定子1</b></p><p><b>　　2.2 轉(zhuǎn)子2</b></p><p><b>　　2.3 氣隙2</b></p><p>　　

5、3 直流電動機的工作原理2</p><p>　　4 直流電機的分類3</p><p>　　5 他勵直流電動機的機械特性5</p><p>　　6 直流電機的名牌數(shù)據(jù)和主要系列6</p><p>　　7 固有機械特性與人為機械特性7</p><p>　　8 他勵直流電動機串電阻起動8</p

6、><p>　　9 起動電阻的計算10</p><p>　　10 設(shè)計得出結(jié)論12</p><p><b>　　體會13</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)14</b></p><p><b>　　1 直流電機簡介 </b></p&

7、gt;<p>　　直流電機是人類最早發(fā)明的和應(yīng)用的一種電機。與交流電機相比，直流電機因結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護困難、價格較貴等缺點制約了它的發(fā)展，應(yīng)用不如交流電機廣發(fā)。但由于直流電動機具有優(yōu)良的起動、調(diào)速和制動性能，因此在工業(yè)領(lǐng)域中仍占有一席之地。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，直流發(fā)電機雖有可能被可控整流電源取代的趨勢，但從供電的質(zhì)量和可靠性來看，直流發(fā)電機仍具有一定的優(yōu)勢，因此在某些場合，例如化學(xué)工業(yè)中的電鍍、電解等設(shè)備，直流電焊機和某

8、些大型同步電機的勵磁電源仍然使用直流發(fā)電機作為供電電源。</p><p>　　2 直流電機的基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　直流電機的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-1所示。它由定子（靜止的）和轉(zhuǎn)子（旋轉(zhuǎn)的）兩個基本部分組成。</p><p><b>　　2.1 定子</b></p><p>　　定子主要由（1）主磁極；（2）換向磁極；

9、（3）機座、端蓋和電刷裝置等組成。</p><p><b>　　圖2-1</b></p><p><b>　　2.1.1主磁極</b></p><p>　　主磁極由磁極鐵心和勵磁繞組組成。</p><p>　?。?）磁極鐵心：由l~1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成。是磁路部分。</p&g

10、t;<p>　　（2）勵磁線圈：是磁路部分。產(chǎn)生主磁場。</p><p><b>　　2.1.2換向磁極</b></p><p>　　換向磁極也是由鐵心和換向磁極繞組組成，位于兩主磁極之間，是比較小的磁極。</p><p>　　作用：是產(chǎn)生附加磁場，以改善電機的換向條件，減小電刷與換向片之間的火花。</p><

11、p><b>　　2.1.3機座</b></p><p>　　機座由鑄鋼或厚鋼板制成。</p><p>　　作用：來安裝主磁極和換向磁極等部件和保護電機，它既是電機的固定部分，又是電機磁路的一部分。</p><p>　　2.1.4端蓋與電刷</p><p>　　作用：支持轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸，固定電刷架。 </p>

12、<p><b>　　2.2 轉(zhuǎn)子</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子（電樞）的組成：主要由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。</p><p>　　1．鐵心：由0.5㎜厚硅鋼片疊壓而成。</p><p>　　作用：來嵌放電樞繞組，是直流電機磁路的一部分。</p><p>　　2．電樞繞組：其作用是產(chǎn)

13、生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩。</p><p>　　3．換向器：換向器又稱整流子，其作用是將直流電動機輸人的直流電流轉(zhuǎn)換成電樞繞組內(nèi)的交變電流，進(jìn)而產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，或是將直流發(fā)電機電樞繞組中的交變電動勢轉(zhuǎn)換成輸出的直流電壓。</p><p><b>　　2.3氣隙</b></p><p>　　氣隙是電機磁路的重要部分。轉(zhuǎn)子要旋轉(zhuǎn)，定子與轉(zhuǎn)子之

14、間必須要有氣隙，稱為工作氣隙。氣隙大小對電機性能有很大影響。</p><p>　　3 直流電動機的工作原理</p><p><b>　　圖2-2</b></p><p>　　直流電動機的工作原理如下：如上圖所示為最簡單的直流電動機的原理圖。其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)，

15、并與電刷A、B相接觸。若電刷A是正電位，B是負(fù)電位，那么在N極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組ab中的電流從a流向b，在S極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組cd中的電流從c流向d。轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁埸中要受到電磁力的作用，根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，如圖中ab邊受力方向是向左，而cd則向右。由于磁場是對稱的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以ab邊和cd邊所受的電磁力的大小相等。這樣轉(zhuǎn)子線圈上受到的電磁力 f的作用而按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到

16、磁極的中性面時，線圈中的電流為零。因此，電磁力也等于零。但由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。線圈轉(zhuǎn)過半圈之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是由于電刷和換向片的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中的電流方向也變了，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)子線圈仍按逆時針方向轉(zhuǎn)動?？梢?，分別在N，S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的</p><p>　　4 直

17、流電動機的分類</p><p><b>　?。?）他勵電動機</b></p><p>　　他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個電源供電。他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源，設(shè)備較復(fù)雜。但這種電動機調(diào)速范圍很寬，多用于主機拖動中。</p><p><b>　　圖4.1他勵電動機</b></p><p&g

18、t;<b>　?。?）并勵電動機</b></p><p>　　并勵電動機的勵磁繞組是和電樞繞組并聯(lián)后由同一個直流電源供電，這時電源提供的電流I等于電樞電流Ia和勵磁電流If之和，即I=Ia+If?！?適用于恒壓工作場合</p><p><b>　　圖4.2并勵發(fā)電機</b></p><p><b>　　（3）

19、串勵發(fā)電機</b></p><p>　　串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)之后接直流電源。串勵電動機勵磁繞組的特點是其勵磁電流If就是電樞電流Ia，這個電流一般比較大，所以勵磁繞組導(dǎo)線粗、匝數(shù)少，它的電阻也較小。</p><p><b>　　圖4.3串勵發(fā)電機</b></p><p><b>　?。?）復(fù)勵電動機</

20、b></p><p>　　這種直流電動機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，另一個與電樞繞組并聯(lián)，所以復(fù)勵電動機的特性兼有串勵電動機和并勵電動機的特點，所以也被廣泛應(yīng)用。</p><p><b>　　圖4.4復(fù)勵電動機</b></p><p>　　5 他勵直流電動機的機械特性</p><p>　　他勵直

21、流電動機的機械特性定義為：直流電動機的電樞電壓U為常數(shù)，勵磁電流If為常數(shù)，電樞回路電阻Ra+RΩ為常數(shù)時，電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n之間的函數(shù)關(guān)系，即n=f(T)。他勵直流電動機電路原理圖如圖2所示。</p><p><b>　　機械特性方程式</b></p><p>　　圖 5.1他勵直流電動機電路原理圖 圖 5.2他勵直流電動機的機械特性<

22、/p><p><b>　　電樞感應(yīng)電動勢 </b></p><p><b>　　電磁轉(zhuǎn)矩 </b></p><p>　　電樞電路電壓平衡方程：</p><p>　　電動機轉(zhuǎn)速特性方程：</p><p>　　由電磁轉(zhuǎn)矩方程可得到，代入轉(zhuǎn)速特性方程式中，就得到電動機機械特性方程式：&

23、lt;/p><p><b>　　式中：。</b></p><p>　　若U，，R均為常數(shù)，機械特性是一條向下傾斜的直線，如圖5.2所示。</p><p><b>　　(5-1)</b></p><p>　　或

24、 </p><p>　　由式（1）可知，越大，越大，機械特性曲線越斜，稱之為軟特性；反之將小、小的特性稱硬特性。</p><p>　　6 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)和主要系列</p><p>　　每臺直流電機的機座上都有一個銘牌，其上標(biāo)有電機型號和各項額定值，用以表示電機的主要性能和使用條件，圖6-1為某臺直流電動機的銘牌。</p>&

25、lt;p><b>　　圖6-1</b></p><p>　　1.電機型號：型號表明電機的系列及主要特點。知道了電機的型號，便可從相關(guān)手冊及資料中查出該電機的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。 </p><p>　　2.額定功率PN：指電機在額定運行時的輸出功率。</p><p>　　對發(fā)電機是指明輸出電功率PN＝UNIN</p><p&g

26、t;　　對電動機是指明輸出的機械功率PN＝UNINηN</p><p>　　3.額定電壓UN：指額定運行狀況下，直流發(fā)電機的輸出電壓或直流電動機的輸入電壓。</p><p>　　4.額定電流IN：指額定電壓和額定負(fù)載時允許電機長期輸人（電動機）或輸出（發(fā)電機）的電流。</p><p>　　5.額定轉(zhuǎn)速nN：指電動機在額定電壓和額定負(fù)載時的旋轉(zhuǎn)速度。</p>

27、;<p>　　6.電動機額定效率ηN：指直流電動機額定輸出功率PN與電動機額定輸人功率P1＝UNIN比值的百分?jǐn)?shù)。</p><p>　　7 固有機械特性與人為機械特性</p><p>　　當(dāng)電樞上加額定電壓、氣隙每極磁通為額定磁通、電樞回路不串任何電阻時的機械特性稱為他勵直流電動機的固有機械特性。</p><p>　　人為地改變電動機的參數(shù)，如改變電壓

28、U、改變磁電流If（即改變磁通）、電樞回路串電阻所得到的機械特性稱為人為機械特性。</p><p>　　電樞回路串電阻使斜率β增大，特性曲線變軟，但理想空載轉(zhuǎn)速不變，所以人為機械特性為一簇經(jīng)過理想空載轉(zhuǎn)速點的放射性直線，如圖</p><p>　　變電壓時的人為特性是一組平行直線,如上中圖;弱磁時的人為特性如上右圖。</p><p>　　圖7.1 電樞串電阻時的人為

29、特性 圖7.2 變電壓時的人為特性</p><p>　　圖7.3 弱磁時的人為特性</p><p>　　8 他勵直流電動機串電阻起動</p><p>　　在實際中，如果能夠做到適當(dāng)選用各級起動電阻，那么串電阻起動由于其起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟和可靠，同時可以做到平滑快速起動，因而得到廣泛應(yīng)用。但對于不同類型和規(guī)格的直流電動機，對起動電阻的級數(shù)要求也不盡

30、相同。</p><p>　　下面僅以直流他勵電動機電樞回路串電阻起動為例說明起動過程。 </p><p><b>　　8.1啟動過程分析</b></p><p>　　如圖8(a)所示，當(dāng)電動機已有磁場時，給電樞電路加電源電壓U。觸點KM1、KM2均斷開,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

31、啟動電流為 </p><p>　　==（8-1）</p><p>　　與起動電流所對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩為T1。對應(yīng)于由電阻所確定的人為機械特性如圖8(b)中的曲線1所示。 </p><p>　　(a) 電路圖 (b) 特性圖</p><p>　　圖8-1 直流他勵電動機分二級起動的電路和特性&

32、lt;/p><p>　　根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程式 </p><p>　　T-TL=J （8-2）</p><p>　　式中 T——電動機的電磁轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　TL——由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩；</p><p>　　J——電動機的轉(zhuǎn)動慣量；</p><p>　

33、　由于起動轉(zhuǎn)矩T1大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動機受到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，電動機開始起動。在圖8(b)上，由a點沿曲線1上升，反電動勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動機的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點時，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點KM1閉合，切除一段起動電阻RK1。b點所對應(yīng)的電樞電流I2稱為切換電流，其對應(yīng)的電動機的轉(zhuǎn)矩T2稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+。這時電動機對應(yīng)于由電阻Ra2所確定的人為

34、機械特性，見圖8(b)中曲線2。在切除起動電阻RK1的瞬間，由于慣性電動機的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動勢亦不變。因此，電樞電流突增，其相應(yīng)的電動機轉(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，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T1，即在曲線2上的c點。又有T1>T2，電動機在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點沿曲線2上升到d點。控制點KM2閉合，又切除一切起動電阻。同理，由d點過度到e點，而且e點正好在固有機械特性上。電樞電流又由I2突增到

35、，相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1> TL，沿固有特性加速到g點T=TL，n=ng電動機穩(wěn)定運行，起動過程結(jié)束。</p><p>　　在分級起動過程中，各級的最大電流I1(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，使得起動過程有較均勻的加速。</p><p>　　要滿足以上電樞回路串接電阻分級起動的要求，前提是選擇合適的各級起動電阻。下面討

36、論應(yīng)該如何計算起動電阻。 </p><p><b>　　9 起動電阻的計算</b></p><p>　　選擇起動電流I1切換電流I2</p><p>　　為保證與起動轉(zhuǎn)矩T1對應(yīng)的起動電流I1不會超過允許的最大電樞電流Iamax，選擇</p><p>　　I1=(1.5～2.0)IaN</p><p&

37、gt;<b>　　對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩 </b></p><p>　　T1=（1.5～2.0）TN</p><p>　　為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，減少起動時間，一般選擇切換轉(zhuǎn)矩為</p><p>　　T2=（1.1～1.2）TL</p><p>　　若TL未知，可用TN代替。對應(yīng)的切換電流I2為</p><p&

38、gt;　　I2=(1.1～1.2)IL</p><p>　　求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比β</p><p><b>　　β= I1/ I2</b></p><p>　　求出電動機的電樞電阻Ra</p><p>　　Ra可以通過實測或者通過銘牌上提供的額定值進(jìn)行估算，由于在忽略T0的情況下，P2=Pe=EIa,因此，在額定狀態(tài)下

39、運行時，</p><p>　　E= PN/ IaN</p><p>　　Ra=(UaN-PN/IaN)/IaN</p><p>　　求出起動時的電樞總電阻Rm</p><p>　　m級起動是電視起動總電阻為</p><p><b>　　Rm=UaN/I1</b></p><p&

40、gt;<b>　　求出起動級數(shù)m</b></p><p><b>　　m的計算公式</b></p><p>　　m=lg(Rm/ Ra)/lgβ</p><p>　　6. 重新計算β，校驗I2是否在規(guī)定范圍之內(nèi)</p><p>　　若m是取相近整數(shù)，則需重新計算β。計算β的公式為</p>

41、;<p>　　β=(Rm/Ra)1/m</p><p><b>　　求出各級總電阻</b></p><p><b>　　R0=Ra</b></p><p>　　R1=βR0=βRa</p><p>　　Ra=βR1=βR0=βRa</p><p><b&g

42、t;　　……</b></p><p><b>　　Rm=βmRa</b></p><p><b>　　求出各級起動電阻</b></p><p>　　Rst1=R1-R0=R1-Ra</p><p>　　Rst2=R2-R1</p><p><b>　　…

43、…</b></p><p>　　Rstm=Rm-Rm-1</p><p><b>　　10 設(shè)計得出結(jié)論</b></p><p>　　(1)、他勵直流電動機串電阻起動計算方法</p><p>　　1. 選擇起動電流和切換電流</p><p>　　起動電流為 I1=(

44、1.5-2.0) IaN</p><p>　　切換電流為 I2=(1.1-1.2)IL</p><p>　　對應(yīng)的起動轉(zhuǎn)矩 T1=(1.5-2.0)TN</p><p>　　對應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩 T2=(1.1-1.2)TL</p><p>　　2. 求出起切電流比β β=I1/I2&

45、lt;/p><p>　　3. 求出電動機的電樞電路電阻Ra Ra =[ UaN -(PN/ IaN)] IaN</p><p>　　4. 求出起動時的電樞中總電阻Rm Rm = UaN / IaN</p><p>　　5. 求出起動級數(shù) mm=[ lg (Rm / Ra)]/( lgβ)</p>&

46、lt;p>　　6. 重新計算，校驗是否在規(guī)定范圍之內(nèi)</p><p>　　若起動級數(shù)是取近似整數(shù)，則需要重新計算I2，</p><p>　　如果不在規(guī)定范圍之內(nèi)，需要加大起動級數(shù)重新計算，直到符合要求為止。</p><p>　　7. 求出各級總電阻</p><p>　　8. 求出各級起動電阻</p><p>

47、;　　(2)、電樞電路串電阻起動方法比較簡單，經(jīng)濟實用性強而且應(yīng)用比較可靠，同時可做到平滑地快速起動。缺點就是起動條件比較嚴(yán)格。降壓起動過程能量損耗小，容易實現(xiàn)自動化。降壓起動的缺點就是初期投資比較大，而且設(shè)備復(fù)雜，要求有單獨的可調(diào)壓直流電源。</p><p><b>　　體會</b></p><p>　　在同學(xué)們的相互協(xié)作共同努力和自己的奮斗下，我順利的完成了電機與

48、拖動課程設(shè)計。剛開始面對浩如煙海的資料，我無從下手，也在苦苦思索到底哪一個設(shè)計題目最適合我來深究。經(jīng)過再三考慮和其他同學(xué)的建議，我決定做關(guān)于直流電機的啟動的設(shè)計，想詳細(xì)了解并理解其過程。剛剛開始時還是有些知識點不太明白，后經(jīng)過認(rèn)真思索和同學(xué)之間的交流，我不僅知其然又知其所以然。</p><p>　　這次課程設(shè)計讓我深深體會到，知識是靠一點一滴積累的，沒有知識的積累，也就無法談及深度的思考和別人的交流，如此必不能有

49、進(jìn)步。所以在一切進(jìn)行之前，對知識的儲備是必須的，不然巧婦難為無米之催。另外，和同學(xué)之間的交流也可能會增長見識，因為每個人的看法不一樣，理解不一樣，在相互碰撞中我就會共同進(jìn)步。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 唐介.電機與拖動[M].高等教育出版社,2003 </p><p>　　[2] 劉起新.電機與拖