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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 - 1 - 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
2、约了它的 发展，但是它具有良好的起动、调速和制动性能，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
3、a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的,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 - 2 - 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
4、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，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 - 3 - 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
5、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（ 1.11.2）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
6、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，转速等 于零，电枢绕组的感应电动势 0nCE ea （4-1） 则起动电流为 - 4 - a N a aN st R U R EU I （4-2） 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
7、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Ra
8、l=ra+Rk1+Rk2 。这时起动电流为： - 5 - （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 4-1（b）中的曲线 1 所示。 U M ra ra2 n0h e c I T O TL IL I2 T2 g m f d 3 2 b 1 Ral ra Ra2 ra1 Km1 Km2 Rk1Rk2 + - （b）特性图（a）电路图 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
9、 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 点所对应的电枢电 - 6 - 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
10、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。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=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I1（或者相应
11、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。 - 7 - 由 直 流 电 动 机 铭 牌 知 数 据 ： PN=22KW , IN=116.3A ,UN=220V , nN=1500r/min 1)选择启动电流和切换电流 I1=(2.02.5)IN=(2.02.5) 116.3A=(232.6-290.7)A I2=(1.11.2)IN=(1.11.2) 116.3A=(127.9-139.5)A 取 I1=2.2IN=2 116.3A=232.6A
12、I2 =1.2IN=1 116.3A=116.3A 2)求出起切电流比 = 2 1 I I =2 3)求出启动时电枢电路的总电阻Ram Ram= 1 I UN =0.95 - 8 - 4)求出启动级数 m 取 m=3 5)重新计算，校验切换电流或校验切换转矩 = m a1 N RI U =1.93 I2= 1 I =120.51A I2在规定范围之内。 6)求出各级总电阻 设对应转速 n1、n2、n3、时电势分别为 Ea1、Ea2、Ea3，则有： b 点R3I2=UN-Ea1 c 点R2I1=UN-Ea1 d 点R2I2=UN-Ea2 e 点R1I1=UN-Ea2 f 点R1I2=UN-Ea3
13、 g 点RaI1=UN-Ea3 求得 R3= Ram= 1 I UN =0.9532 R2=0.4717 R1=0.2352 Ra= 0.1173 比较以上各式得：=1.93 7)求出各级启动电阻 I I R R R R R R 2 1 a 1 1 2 2 3 - 9 - 输入功率P1= UN IN=220 116.3W=25586W 总损耗 P=P1-PN=25586-22000W=3586W 电枢回路电阻 Ra= 2 3 10 2 1 N NNN I PIU =0.1326 Rst1=( -1)Ra =0.12332 Rst2=( -1) Ra=Rst1=0.23801 Rst3=( -1
14、) 2R a= 2R st3=0.45935 8)设计控制直流电机串电阻启动的控制电路原理图 - 10 - 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
15、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 = 2 1 I I - 11 - 求出启动时电枢电路的总电阻Ram Ram= 1 I UN 求出启动级数 m 重新计算，校验切换电流或校验切换转矩 = m a1 N RI U ， I2= 1 I ，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 Ea1、Ea2、Ea3，则有： b 点R3I2=UN-Ea1 c 点R2I1=UN-Ea1 d 点R2I2=U
16、N-Ea2 e 点R1I1=UN-Ea2 f 点R1I2=UN-Ea3 g 点RaI1=UN-Ea3 比较以上各式得 : 求出各级启动电阻 Rst1=( -1)Ra Rst2=( -1) Ra=Rst1 Rst3=( -1) 2R a= 2R st2 Rstm=( -1) m-1R a= m-1R stm-1 I I R R R R R R 2 1 a 1 1 2 2 3 - 12 - 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
17、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数的设定而实验，积极地 与同学们交流，在配合下完成设计的意识.通过这次课程设计， 我感觉这种设计很好地锻炼了我们的团队合作精神和对知识的 应用能力， 从本质上为我们揭示了基础理论科学。也进一步砺练 了自己，增强了独立发现问题、思考并解决问题的能力，相信这 些能力对于将来走进就业岗位都会有极大地益处。总而言之， 在 这一周的实践中， 我学到了许多有意的东西，这些东西都是很宝 - 13 - 贵的财富。 参考文献杨天浩，电机与拖动基础M。北京：机械工业出版社，2008.