他励直流电动机启动.doc

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1、运动控制系统课程设计时间：2021.03.07创作：欧阳德课题：他励直流电动机启动系别：电气与信息工程学院专业：学号：姓名：指导教师：河南城建学院2015年1月4日成绩评定一、指导教师评语（根据学生设计报告质量、答辩 情况及其平时表现综合评定）。二、评分课程设计成绩评定成绩：（五级制）指导教师签字年月曰、设计目的1二、设计要求1三、设计内容13.1、直流电动机13.1.1直流电动机13.1.2直流电动机的分类23.1.3他励直流电机工作原理23.2他励直流电动机的启3.2.1他励直流电动机串电阻启动33.2.2直流电动机电枢串电阻起动设计方案63.2.3多级启动的规律73.3结论73.4他励直

2、流电动机串电阻起动特性分析8四、设计体会10五、参考文献10一、设计目的通过对一个实用控制系统的设计，综合运用科学理论知识，提 高工程意识和实践技能，使学生获得控制技术工程的基本训练，培 养学生理论联系实际、分析解决实际问题的初步应用能力。二、设计要求完成所选题的分析与设讣，进行系统总体方案的设讣、论证 和选择；系统单元主电路和控制电路的设计、元器件的选择和参数 计算；课程设计报告的整理工作。三、设计内容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二0. 076 Q ；釆用分级启动，启动电流最大不超过2IA

3、,求出各段电阻值，并作出机械特性 曲线，对启动特性进行分析。他励直流电动机的启动时间虽然很短，但是如果不能釆用正确 的启动方法，电动机就不能正常地投入运行。为此，应对电动机的 启动过程和方法进行必要的分析。直接启动时，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n二0, Ea二0,所以启动电流1st二Un/Ra，由于 电枢回路总电阻Ra较小，所以1st可以达到额定电流In的十儿棋 至儿十倍。这样大的电流可能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，过大的启 动电流使启动转矩Tst过大，会使机械撞击，也会引起供电电网电 波动，从而引

4、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，启动时间短，可以直接启动，其他直流电机都不允许直 接启动。在拖动装置要求不高的场合下，可以采用降低启动电压或在电 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 良好的启动特性、较大的启动转矩和较小的启动电流，可以满足生 产机械需要的要求。本文借助图像对整个过程及各个变量与时间的 相互关系进行了描绘，对更加清楚地了解和设讣他励直流电机启动 的特点具有重要意义。3. 1直流电动机3. 1. 1直流电动机的工作原理下图所示为最简单的直流电动机匸作原理示意图。图3.1直流

5、电动机的工作原理直流电动机换向器是山两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do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，图中ab边受力方向是向左，而cd边则向右。由于磁场 是对称的，导体中流过的乂是相同的电流，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，

6、线圈中的电流为零， 因此，电磁力也等于零，但山于惯性的作用，线圈继续转动。线圈转过半圈之后，虽然处与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。由此可知，分别在S极范围内的导体中的电流 方向总是不变的，因此，线圈两边受力方向也不变，这样，线圈就 可以按照受力方向不停地旋转。3.1.2直流电动机的分类根据励磁方式的不同，直流电机可分为：他励直流电机、并励 直流电机、串励直流电机、复励直流电机。3.1.3

7、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连接关系，而山其他直 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1.2 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3. 2他励直流电机工作原理图3.2他励直流电动机的启动3.2.1他励直流电动机串电阻启动在实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻 起动山于其起动设备简单、经济和可鼎，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。(1) 启动过程分析如图3. 3 (a)所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加

8、电源电 压U,触点KM1、KM2均断开，电枢串入了全部附加电阻Rkl+Rk2，电 枢回路总电阻为Ral=ra+Rkl +Rk2,这时启动电流为UUIi二也二九+加+恥，与启动电流所对应的启动转矩为T1,此时 山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3. 3直流他励电动机分二级起动的电路和特性do) 根据电力拖动系统的基本运动方程式T-TL二J”式中T一一电动机的电磁转矩；TL由负载作用所产生的阻转矩；J电动机的转动惯量；山于起动转矩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d点 沿

9、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Rkl。b点所对应的电 枢电流12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Rkl后，电枢回路总电阻为Ra2=ra-Rk2o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，山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Rkl,使切除Rkl后的电枢电流刚好 等于h,所对应的转矩为

10、T2,即在曲线2上的c点。乂有T1>T2, 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，乂切除起动电阻Rk2。同理，由d点过度到e点，而且e点正 好在固有机械特性上。电枢电流乂山b突增到h,相应的电动机转 矩由T2突增到Tlo Tl> TL,沿固有特性加速到g点T二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b (或相应的最大转矩T2)及切换电流12 (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。(2) 起动电阻的计算

11、UU_在图2. 1(b)中，对a点,有 Um ,即Rai",当从曲线1(对应 于电枢电路总电阻Ral=ra+RkHRk2)转换得到曲线2(对应于总电阻 Ra2=ra+Rk2)时，亦即从点b转换到点c时，山于切除电阻RK1进行 很快，如忽略电感的影响，可假定nb二nc,即电动势Eb二Ec,这样在U _UbU _Uf11 Ra得 h Rai在c点Ii二并考虑到Eb=Ec,I Rai 同样，当从d点转换到e点时，得=I _ Ru Rai这样，如图2.1所示的二级起动时，得 页二U11 _ Ra Rul 推广到m级起动的一般情况，得0二匸一忑匸二Ram式中0为最大起动电流和与切换电流人之比，

12、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。山此可以推出Raira 二供'式中m为起动级数。由上式得Ra如给定0，求m,可将式肓二0"'取对数得心I G丿m二览0IRa RaiRaim - i） Ram由式0二乃 Ru2二/«二二Ram = Va可得每级电枢回路总电阻，进而求出各级启动电阻为：Ri =Ral-Ra2R? =Ra2-Ra3&二 Rd3 - Ra4R(ml)= Ra (ml) RamRm二 Ram-ra起动最大电流h及切换电流b按生产机械的工艺要求确定，一 般h = (1.52.0)12 = (1. P1.2)IaN

13、3.2.2直流电动机电枢串电阻起动设汁方案(1) 选择启动电流L和切换电流b11 = (1. 52. 0) Ln = (1. 52. 0) X497A=(745. 5994) Ab = (l. 1 1. 2)加二(i. 1 1. 2) X497A=(546. 7596. 4) A选择 11 =840 A , b=560 A oZi(2) 求出起切电流比“ 0二厂二1.5UaN(3) 求出启动时电枢电路的总电阻RamRam=和=0. 5240(4) 求出启动级数mnp塩0 =4. 76取nr3”网 h(5) 重新计算"，校验"二、ra 二 1.47 b 二 0 二571A12

14、在规定范圉之内。(6) 求出各级总电阻Rs=/i/2/?ira=l. 475X0. 0760=0. 52。Rj二二 1.474X0. 076。二0.35。二 1. 473x0. 0760=0. 24。Rw03=1.472X0. 076。二0. 16。Ri 二0rd=1.47xo. 076<1=0. 11。Ro=Ra=0. 076H(7) 求出各级启动电阻Rstl二Ri - R()二(0. 11-0. 076)。二0. 0340Rst2= R2-R1 =(0.16-0.11)0=0.05 0Rst3= R - R2 =(0.24-0.16) C =0.08 CRst4= R4 R； =(0

15、.35-0.24) ° =0.11 °Rst5= Rs- Rj =(0.52-0.35) ° =0.27 °3.2.3多级启动的规律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。不同加速级的起始转速与稳定转速是不同的，这是山于不同的 机械特性与恒切换转矩T2 (或切换电流12)特性及恒负载转矩TL (或负载电流IL)特性的交点是不同的。启动级数的选取：取决于负载的大小与对启动平滑性的要求。 级数越多启动平滑性越好，但是启动设备与控制装置庞杂，投资 大。一般取呼2、4级，空载或轻载取nrl2,重载或满载取m二34。3. 3结论根据以上的设

16、计分析，他励直流电动机串电阻启动计算方法可 归结如下：选择启动电流h和切换电流t I' = ( 2. 02.5 ) Inb = (l. 1 1.2) IL启动电流为h,对应的启动转矩T1T1二(1.52.0) TN切换电流为2,对应的启动转矩T2T2二(1.52.0) TN(2) 求出起切电流(转矩)比0 0二L/2(3) 求出电动机的电枢电路电阻Ra Ra= (1/22/3) Unln- Pn*1000/In*In(4) 求出启动时的电枢总电阻RmRm=Uan/Ian(5) 求出启动级数mnr (lgRm/Ra) /lg" 选取m=3(6) 重新计算0,校验12是否在规定范

17、圉内；若m是取相近整j Rum数，则需重新计算I?, EX几，再根据得出的0重新求出b,并 校验b是否在规定范围内。若不在规定范围内，需加大启动级数m 重新计算0和b,直到符合要求为止。(7) 求出各级总电阻(8) 求出各级启动电阻3. 4他励直流电动机串电阻起动特性分析直流电动机在电枢回路中串联电阻起动是限制起动电流和起动 转矩的有效方法之一。建立他励直流电动机电枢串联三级电阻起动 的仿真模型，仿真分析其申联电阻起动过程，获得起动过程的电枢 电流、转速和电磁转矩的变化曲线。(1) 建立仿真模型他励直流电动机串联起动电阻的仿真模型原理图如下图所示， 和直流电动机直接起动仿真模型相比图中主要增加

18、了电阻控制子模 块图3. 4他励直流电动机吊电阻启动仿真模型原理图(2) 设置仿真参数及仿真仿真时间设定为10s。直流电动机在起动过程中的转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩的变化如下图所示。图3. 5仿真结果（3）结果分析从仿真结果中可以看出，通过设定合适的串联起动电阻的投入 时间，起动电流可以控制在一定的范圉内，同时电磁转矩也能够得 到有效的降低，转速需要在较长的时间内才能达到稳定。四、设计体会在分级启动中，只要知道最大启动电流和切换电流，我们即可 以计算出分级启动电阻以及启动过程中的电阻切换时刻。我们必须注意所审联电阻并不是越大越好，太大可能导致无法 启动，另外，要得到更大的启动转矩，必须

19、增加启动级数，这样所 需设备多，透投资大，维修不便。此设计忽略了电枢电感的影响，在电阻切除时刻，电流有个跃 变，若是考虑电枢电感阻碍电流跃变的作用，实际的启动特性中电 流苗切换电流变化到最大会稍慢，对整个过程影响小。山此，我们设计方案时，必须考虑方案是否适用于实际应用，而且，我们还要考虑，设计的方案的性价比，暨是否在保证经济性 的前提下，保证工作效率。五、参考文献1 电机与拖动李晓竹中国矿业大学出版社.2 电机学与电力拖动技术姚舜才机械工业出版社,1997.3 电机与拖动刘锦波清华大学出版社20064 电机与电力拖动赵影国防工业出版社2010纟MATLAB使用详解董霖 电子工业岀版社2009时间：2021.03.07创作：欧阳德