電機與拖動課程設計---直流電動機電樞串電阻啟動設計

1、<p>　　1 直流電動機的工作原理</p><p>　　直流電動機是將直流電能轉換為機械能的電動機。因其良好的調速性能而在電力拖動中得到廣泛應用。與交流電機相比，直流電機因結構復雜、維護困難、價格較貴等缺點制約了它的發(fā)展，應用不如交流電機廣泛。但由于直流電動機具有優(yōu)良的起動、調速和制動性能，因此在工業(yè)領域中仍占有一席之地。隨著電力電子技術的發(fā)展，直流發(fā)電機雖然被可控整流電源取代的趨勢，但從供電的質量和

2、可靠性來看，直流發(fā)電機仍有一定優(yōu)勢，因此在某些場合，例如化學工業(yè)中的電鍍、電解等設備，直流電焊機和某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>　　1.1 直流電動機的結構</p><p>　　直流電動機主要由磁極、電樞、換向器三部分組成，其結構如圖所示。 </p><p>　　圖1-1直流電動機的主要結構 </p>&l

3、t;p>　　（1）磁極。磁極是電動機中產生磁場的裝置，如圖所示。它分成極心1和極掌2兩部分。極心上放置勵磁繞組3，極掌的作用是使電動機空氣隙中磁感應強度的分布最為合適，并用來擋住勵磁繞組；磁極是用鋼片疊成的，固定在機座4（即電機外殼）上；機座也是磁路的一部分。機座常用鑄鋼制成。 </p><p>　　圖1-1.1直流電動機的磁極及磁路 </p><p>　　1－極心 2－極掌 3－勵

4、磁繞組 4－機座 </p><p>　?。?）電樞。電樞是電動機中產生感應電動勢的部分。直流電動機的電樞是旋轉的，電樞鐵心呈圓柱狀，由硅鋼片疊成，表面沖有槽，槽中放有電樞繞組，如圖所示。 </p><p>　　圖1-1.2直流電動機的電樞 </p><p>　?。?）換向器（整流子）。換向器是直流電動機的一種特殊裝置，其外形如圖所示，主要由許多換向片組成，每兩個相鄰

5、的換向片中間是絕緣片。在換向器的表面用彈簧壓著固定的電刷，使轉動的電樞繞組得以同外電路聯(lián)接。換向器是直流電動機的結構特征，易于識別。 </p><p>　　圖1-1.3換向器 </p><p>　　1.2 直流電動機的工作原理</p><p><b>　　圖1-2工作原理圖</b></p><p>　　直流電動機的工作原

6、理如下：如圖1-1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）構成的，每一換向片都與相應的電樞繞組連接，與電樞繞組同軸旋轉，并與電刷A、B相接觸。若電刷A是正電位，B是負電位，那么在N極范圍內的轉子繞組ab中的電流從a流向b，在S極范圍內的轉子繞組cd中的電流從c流向d。轉子載流導體在磁埸中要受到電磁力的作用，根據(jù)磁場方向和導體中的電流方向，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

7、右。由于磁場是對稱的，導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。這樣轉子線圈上受到的電磁力 f的作用而按逆時針方向旋轉。當線圈轉到磁極的中性面時，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)轉動。線圈轉過半圈之后，雖然ab與cd的位置調換了，ab轉到S極范圍內，cd轉到N極范圍內，但是由于電刷和換向片的作用，轉到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

8、從b流向a。因此，電磁力f的方向仍然不變，轉子線圈仍按逆時針方向轉動?？梢?，分別在N，S極范圍內的導體</p><p>　　2 直流電動機的分類及其特性 </p><p>　　在直流電動機中，除了必須給電樞繞組外接直流電源外，還要給勵磁繞組通以直流電流用以建立磁場。電樞繞組和勵磁繞組可以用兩個電源單獨供電，也可以由一個公共電源供電。按勵磁方式的不同，直流電動機可以分為他勵電動機、并勵電動機

9、、串勵電動機和復勵電動機等形式。由于勵磁方式不同，它們的特性也不同。</p><p>　　2.1 他勵直流電機 </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，如圖所示。他勵電動機由于采用單獨的勵磁電源，設備較復雜。但這種電動機調速范圍很寬，多用于主機拖動中。 </p><p>　　圖2-1他勵電動機 </p><p&g

10、t;　　2.2 并勵直流電機</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，如圖所示，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。 </p><p>　　圖2-2并勵電動機 </p><p>　　并勵電動機勵磁繞組的特點是導線細、匝數(shù)多、電阻大、電流小。這是因為勵磁繞組的電壓就是電樞繞組的端電壓，這個電

11、壓通常較高。勵磁繞電阻大，可使If減小，從而減小損耗。由于If較小，為了產生足夠的主磁通Φ，就應增加繞組的匝數(shù)。由于If較小，可近似為I=Ia。 </p><p>　　并勵直流電動機的機械特性較好，在負載變時，轉速變化很小，并且轉速調節(jié)方便，調節(jié)范圍大，啟動轉矩較大。因此應用廣泛。 </p><p>　　2.3 串勵直流電機</p><p>　　串勵電動機的勵磁繞組

12、與電樞繞組串聯(lián)之后接直流電源，如圖所示。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，所以勵磁繞組導線粗、匝數(shù)少，它的電阻也較小。 </p><p>　　圖2-3串勵電動機 </p><p>　　2.4 復勵直流電機</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)，如圖所示。&

13、lt;/p><p>　　圖2-4復勵電動機 </p><p>　　在以上四種類型的直流電動機中，以并勵直流電動機和他勵直流電動機應用最為廣泛。</p><p>　　3 他勵直流電動機的機械特性</p><p>　　在他勵電動機中，,,保持不變時，電動機的轉速n與電磁轉矩T之間的關系稱為他勵電動機的機械特性。根據(jù)公式</p><

14、p>　　可得，他勵電動機的轉速與轉矩之間有如下關系</p><p>　　當U、R、為常數(shù)時，為一條向下傾斜的直線，如圖3所示。</p><p>　　圖3-1他勵電動機的固有特性 </p><p>　　其中 稱為理想空載轉速 </p><p>　　稱為機械特傾性的斜率，大小反映軟特性與硬特性</p><

15、p><b>　　稱為負載時的轉速降</b></p><p>　　由于電樞電路電阻Ra很小,所以機械特性的斜率很小,硬度很大,固有特性為硬特性</p><p><b>　?。?）固有機械特性</b></p><p>　　、、電樞回路不串電阻時的機械特性。</p><p><b>　　其

16、方程式</b></p><p>　　由于較小，特性的斜率β小，所以他勵直流電動機的固有機械特性是一條稍稍向下傾斜的直線，如圖2—5所示，稱為硬特性，其額定轉速變化率</p><p><b>　　一般為10%左右。</b></p><p><b>　　.</b></p><p>　?。?）

17、電樞串接電阻的人為機械特性</p><p>　　在他勵直流電動機的電樞電路中串入附加電阻RΩ,這時U=Un,Φ=Φn,R=Ra+RΩ機械特性方程為</p><p>　　由于電動機的電壓和磁通保持不變，所以電動機空載轉速不變。轉速降與斜率則與電樞電路總電阻成正比，這說明電動機的機械特性隨串聯(lián)電阻增大而變軟。機械特性是一組通過理想空載點的直線簇。這種特性可以用來改善啟動性能。</p>

18、;<p>　?。?） 改變電壓時的人為機械特性</p><p>　　，，改變電壓時的機械特性方程式為</p><p>　　特性的斜率不變，與U成正比變化。如圖2─8a)所示。</p><p>　?。?）減弱磁通時的人為機械特性</p><p>　　4 他勵直流電動機的啟動</p><p>　　電動機的啟動

19、是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。電動機在啟動瞬間（n=0)的電磁轉矩稱為啟動轉矩，啟動瞬間的電樞電流稱為啟動電流，分別用 表示</p><p><b>　　其中. ＝ </b></p><p>　　要正確使用電動機，首先就是要使它正常啟動。所謂直流電動機的啟動，是指直流電動機接通電源后，轉速由n=0升到穩(wěn)定轉速nl的全過程。要使電動機的啟動過

20、程合理，要考慮的問題包括：①啟動電流Ist的大小；②啟動轉矩Tst的大??；③啟動時間的長短；④啟動過程是否平滑，即加速度是否均勻；⑤啟動過程的能量損耗；⑥啟動設備的簡單可靠。其中，啟動電流和啟動轉矩是主要的。</p><p><b>　　啟動方法</b></p><p>　　直流電動機的啟動包括直接啟動、降壓啟動和電樞回路串電阻啟動</p><p&

21、gt;　　4.1 電樞回路串電阻起動</p><p>　　電樞回路串電阻啟動:電樞回路串接電阻，啟動電流為Is=Un/Ra+R,負載轉矩TL可知,啟動過程中要求電動機的電磁轉矩必須大于負載轉矩,即T>TL。根據(jù)要求，可確定串接電阻R的大小，這樣有了加速轉矩后才能使系統(tǒng)啟動，而加速轉矩的大小又必須滿足生產工藝對加速度的要求。因此他勵直流電動機啟動時，必須有足夠大的負載轉矩，又不使啟動電流過大，使電動機在滿足生

22、產工藝要求的前提下安全啟動，但隨著轉速的升高，應逐級切除電阻，否則電樞回路長期串接較大電阻，將引起教大的能量損耗。 </p><p>　　額定功率較小的電動機可采用在電樞電路內串聯(lián)啟動變阻器的方法啟動。啟動前先把啟動變阻器調到最大值，加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變，再接通電樞點源，電機開始起動。隨著轉速的升高，逐漸減小起動變阻器的電阻，直到全部切除。</p><p>　　額定功率較

23、大的電動機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中既有比較大的起動轉矩，有使起動電流不會超過允許值。</p><p>　　在實際中，如果能夠做到適當選用各級起動電阻，那么串電阻起動由于其起動設備簡單、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)要求也不盡相同。</p><p>　　4.1.1 啟動過程分析</p>&

24、lt;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>　　如圖4(a)所示，當電動機已有磁場時，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 ,電樞回路總電阻為=。這是啟動電流為 </p><p>　　與起動電流所對應的起動轉矩為T1。對應于由電阻所確定的人為機械特性如圖4(b)中的曲線1所示。 </p>

25、<p>　　圖4(a) 電路圖 圖4(b) 特性圖 </p><p>　　圖4 直流他勵電動機分二級起動的電路和特性</p><p>　　根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程式 </p><p>　　式中 T——電動機的電磁轉矩；</p><p>　　TL——由負載作用所產生的負載轉矩；<

26、/p><p>　　J——電動機的轉動慣量；</p><p>　　由于起動轉矩T1大于負載轉矩TL，電動機受到加速轉矩的作用，轉速由零逐漸上升，電動機開始起動。在圖4(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，電動機的轉矩亦隨之下降，加速轉矩減小。上升到b點時，為保證一定的加速轉矩，控制觸點KM1閉合，切除一段起動電阻RK1。b點所對應的電樞電流I2稱為切換電流，其對應的電動

27、機的轉矩T2稱為切換轉矩。切除后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+。這時電動機對應于由電阻Ra2所確定的人為機械特性，見圖4(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，其相應的電動機轉矩也突增。適當?shù)剡x擇所切除的電阻值，使切除后的電樞電流剛好等于，所對應的轉矩為T2，即在曲線2上的c點。又有T1>T2，電動機在加速轉矩作用下，由c點沿曲線2上升到d點。控制點K

28、M2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，相應的電動機轉矩由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，起動過程結束。</p><p>　　在分級起動過程中，各級的最大電流I1(或相應的最大轉矩T2)及切換電流 (或與之相應的切換轉矩T2)都是不變的，這樣，使得起動過程有較均勻的加速。</p>

29、;<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。下面討論應該如何計算起動電阻。</p><p>　　4.1.2 起動電阻的計算</p><p>　　在圖4(b)中，對a點，有</p><p><b>　　即 Ra1=</b></p><p>　　當從曲線1(對應于電樞

30、電路總電阻 Ra1=ra++)轉換得到曲線2(對應于總電阻Ra2=ra+)時，亦即從點轉換到點時，;由于切除電阻RK1進行很快，如忽略電感的影響，可假定nb=nc，即電動勢Eb=Ec，這樣在b點有=</p><p>　　在c點 =</p><p>　　兩式相除，考慮到Eb=Ec，得 </p><p>　　同樣，當從d點轉換到e點

31、時，得 = </p><p>　　這樣，如圖4所示的二級起動時，得 =</p><p>　　推廣到m級起動的一般情況，得===…==</p><p>　　式中為最大起動電流與切換電流之比，稱為起動電流比(或起動轉矩比)，它等于相鄰兩級電樞回路總電阻之比。</p><p>　　由此可以推出 =</p&

32、gt;<p>　　式中m為起動級數(shù)。由上式得 </p><p><b>　　=</b></p><p>　　如給定 ,求m,可將式=取對數(shù)得 </p><p><b>　　m=</b></p><p>　　由式===…==可得每級電樞回路總電阻進而求出各級啟動電阻為：</p&g

33、t;<p><b>　　=Ra1-Ra2</b></p><p><b>　　=Ra2-Ra3</b></p><p><b>　　=Ra3-Ra4</b></p><p>　　R(m-1)=R a(m-1)-Ram</p><p><b>　　Rm=R

34、am-ra</b></p><p>　　起動最大電流及切換電流I2按生產機械的工藝要求確定，一般</p><p>　　=(1.5~2.0) </p><p>　　=(1.1~1.2) </p><p>　　5 直流電動機電樞串電阻啟動設計</p><p>　　某臺Z4系列他勵直流電動機，參數(shù)如下：</

35、p><p><b>　　PN=200KW</b></p><p><b>　　UaN=440V</b></p><p><b>　　IaN=497A</b></p><p>　　nN=1500r/min</p><p><b>　　RL=0.076

36、Ω</b></p><p>　　欲采用電樞串電阻啟動，試設計其啟動級數(shù)和各級啟動電阻。</p><p>　　解：（1）選擇I1和I2</p><p>　　I1=（1.5～2.0）IaN=(1.5～2.0) 497A=(745.5～994）A</p><p>　　I2=（1.1～1.2）IaN=(1.1～1.2) 497A=(546

37、.7～596.4）A</p><p>　　(2)求出起切電流比</p><p>　　（3）求出啟動時的電樞電路電阻Rm</p><p>　　(4)求出啟動級數(shù)m</p><p><b>　　取m=5。</b></p><p>　　(5)重新計算，校驗I2</p><p>　

38、　I2在規(guī)定的范圍之內。</p><p>　　(6)求出各級總電阻</p><p>　　RO=Ra=0.076</p><p>　　R1==1.470.076=0.11</p><p>　　R2==1.4720.076=0.16</p><p>　　R3==1.4730.076=0.24</p><

39、p>　　R4==1.4740.076=0.35</p><p>　　R5==1.4750.076=0.52</p><p>　　(7)求出各級啟動電阻</p><p><b>　　6 結論</b></p><p>　　1．電樞回路串接電阻啟動方法比較簡便，同樣可將啟動電流限制在容許的范圍內，但在啟動過程中，要將啟動

40、電阻Rst分段切除。額定功率較小的電動機可采用在電樞回路內串聯(lián)啟動變阻器的方法啟動；而額定功率較大的電動機一般采用分級啟動的方法以保證啟動過程中既有比較大的啟動轉矩，又使啟動電流不會超過允許值。</p><p>　　直接啟動和降壓啟動比較</p><p>　　2．他勵直流電動機串電阻啟動計算方法</p><p>　?、龠x擇啟動電流I1和切換電流I2]</p&g

41、t;<p><b>　　對應的啟動轉矩</b></p><p><b>　　對應的切換轉矩</b></p><p><b>　　對應的切換電流</b></p><p>　　②求出起切電流(轉矩)比β</p><p>　?、矍蟪鲭妱訖C的電樞電路電阻Ra</p&

42、gt;<p><b>　　在額定狀態(tài)下運行時</b></p><p>　　④求出啟動時的電樞總電阻Rm</p><p><b>　?、萸蟪鰡蛹墧?shù)m</b></p><p>　　⑥重新計算β,校驗I2是否在規(guī)定范圍內</p><p>　　若m是取相近整數(shù),則需重新計算β</p&g

43、t;<p>　　再根據(jù)得出的β重新求出，并校驗是否在規(guī)定范圍內。若不在規(guī)定范圍內，需加大起動級數(shù)m,重新計算β和,直到滿足要求為止。</p><p><b>　?、咔蟪龈骷壙傠娮?lt;/b></p><p><b>　?、嗲蟪龈骷壠饎与娮?lt;/b></p><p><b>　　設計體會</b>

44、</p><p>　　在這次課程設計過程中我收集了大量資料，為這次設計做出了充分的準備。通過這次設計我學到了很多很多有用的東西，同時鞏固了以前所學過的知識，而且學到了很多在書本上所沒有學到過的知識，對本門課程所學習的內容進行了補充和擴展。</p><p>　　本學期學的是電機與拖動，本次課程設計是一個總結性學習，重點在與對知識的運用能力。充分發(fā)揮自我創(chuàng)造能力。</p><

45、;p>　　在設計開始的時候，我不知道從那里下手，后來反復的翻看課本查找相關知識，并在網(wǎng)絡、圖書館反復搜尋，才開始漸漸的有了頭緒，而且發(fā)現(xiàn)了很多其他的相關知識，在本次課程設計中也需要運用。在做課程設計中我明白了，做任何事情，必須明白你在做什么，為什么做。對題目的反復思考之后，一步一步著手去做，有條理，有思路，有計劃的去做，才會取得成果。</p><p>　　作為一名大二的電氣工程及其自動化專業(yè)的學生，我認為做

46、這樣的課程設計是非常必要的，課程設計是培養(yǎng)學生綜合運用所學知識,發(fā)現(xiàn),提出,分析和解決實際問題,鍛煉實踐能力的重要環(huán)節(jié),是對學生實際工作能力的具體訓練和考察過程。而且無論對我們的理論知識還是動手操作能力都是一個鍛煉，對我們今后的發(fā)展是很有幫助的。</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 唐介.電機與拖動.第二版.高等教育出版社<

47、/p><p>　　[2] 徐本釗.電動機及其控制電路.人民郵電出版社</p><p>　　[3] 孫旭東.實用電動機控制.人民郵電出版社</p><p>　　[4] 曹承志.電機拖動與控制.機械出版社</p><p>　　[5] 范正翹.電力傳動與自動化控制系統(tǒng).北京航空航天出版社</p><p><b>　　目

48、錄</b></p><p>　　1 直流電動機的工作原理1</p><p>　　1.1 直流電動機的結構1</p><p>　　1.2 直流電動機的工作原理3</p><p>　　2 直流電動機的分類及其特性4</p><p>　　2.1 他勵直流電機4</p><p>　

49、　2.2 并勵直流電機4</p><p>　　2.3 串勵直流電機5</p><p>　　2.4 復勵直流電機6</p><p>　　3 他勵直流電動機的機械特性7</p><p>　　4 他勵直流電動機的啟動9</p><p>　　4.1 電樞回路串電阻起動9</p><p>