直流电机串电阻启动

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重 庆 邮 电 大 学 移 通 学 院

课程设计报告

学 校： 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师：

设计题目：直流电机的串电阻启动过程设计

设计时间： 年 月

重庆邮电大学移通学院

目 录

一、直流电动机的综述„„„„„„„„„„„„„„„„„„4

1.1直流电动机的基本工作原理„„„„„„„„„„„„4 1.2直流电动机的分类„„„„„„„„„„„„„„„„5 1.3直流电动机的特点„„„„„„„„„„„„„„„„5二、他励直流电动机„„„„„„„„„„„„„„„„„„„5

2.1他励直流电动机的机械特性„„„„„„„„„„„„5 2.2固有机械特性与人为机械特性„„„„„„„„„„„6 三、他励直流电动机的起动„„„„„„„„„„„„„„„„7 3.1直流电动机的启动过程分析„„„„„„„„„„„„8 3.2他励直流电动机起动电阻的计算„„„„„„„„„„9 四、设计内容„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 五、结论„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„11 六、心得体会„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12 七、参考文献„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„12

一、直流电动机的综述

1.1直流电动机的基本工作原理

图1 是一台最简单的直流电动机的模型，N和S是一对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体称为电枢。

如果将电源正负极分别接电刷A和B,则线圈abcd中流过电流。在导体ab中，电流由a流向b，在导体cd中，电流由c流向d，如图（a）所示。载流导体ab和cd均处于N和S极之间的磁场当中，受到的电磁力的作用。用左手定则可知，载流导体ab受到的电磁力F的方向是向左的，力图使电枢逆时针方向运动，载流导体cd受到的电磁力F的方向是向右的, 也是力图使电枢逆时针方向运动，这一对电磁力形成一个转矩, 即电磁转矩T，其方向为逆时针方向，使整个电枢沿逆时针方向转动。当电枢转过180°, 导体cd转到N极下，ab转到S极上，如图（b）所示。由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，再从电刷B流出。用左手定则判别可知，导体cd受到的电磁力的方向是向左的，ab受到的电磁力的方向是向右的，因而电磁转矩的方向仍是逆时针方向,使电枢沿逆时针方向继续转动。当电枢在转过180°，就又回到图（a）所示的情况。这就是直流电动机的基本工作原理。

1.2直流电动机的分类

直流电动机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。根据励磁方式的不同，

直流电动机可分为他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机四类。

1.3直流电动机的特点

(一)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。

(二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

二、他励直流电动机

他励直流电动机由励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电。在励磁电压Uf的作用下，励磁绕组中通过励磁电流If ，从而产生主磁极磁通φ。在电枢电压Ua的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia。电枢电流与磁场相互作用产生机械以某一转速n运转。电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E.电动势的方向与电枢电流的方向相反。

2.1他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性定义为：直流电动机的电枢电压U为常数，励磁电流If为常数，电枢回路电阻Ra+RΩ为常数时，电动机产生的电磁转矩T与转速n之间的函数关系，即n=f(T)。他励直流电动机电路原理图如图2所示。

图 2. 他励直流电动机电路原理图 图 3. 他励直流电动机的机械特性

机械特性方程式：

电枢感应电动势 EaCen

电磁转矩 TCTIa

电枢电路电压平衡方程：UEaIaR 电动机转速特性方程：n由电磁转矩方程可得到IaTCTUIaR Ce，代入转速特性方程式中，就得到电动机机械特性方程式：

URT CeCeCT2n式中：RRaR。

若U，，R均为常数，机械特性是一条向下倾斜的直线，如图3所示。

nn0βT (1)

或 nn0n 由式（1）可知，β越大，n越大，机械特性曲线越斜，称之为软特性；反之将β小、n小的特性称硬特性。

2.2固有机械特性与人为机械特性

当电枢上加额定电压、气隙每极磁通为额定磁通、电枢回路不串任何电阻时的机械特性称为他励直流电动机的固有机械特性。

人为地改变电动机的参数，如改变电压U、改变磁电流If（即改变磁通）、电枢回路串电阻所得到的机械特性称为人为机械特性。

电枢回路串电阻使斜率β增大，特性曲线变软，但理想空载转速不变，所以人为机械特性为一簇经过理想空载转速点的放射性直线，如图

变电压时的人为特性是一组平行直线,如上中图;弱磁时的人为特性如上右图。

图4 电枢串电阻时的人为特性 图5 变电压时的人为特性

图6 弱磁时的人为特性

三、他励直流电动机的起动

（一）降低电枢电压起动

起动时，加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，电枢电压Ua从零逐渐升高到额定值。

优点是起动平稳，起动过程中能量损耗小，易于实现自动化。 缺点是初期投资大。 （二）增加电枢电阻起动 1．无级起动

额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的无级起动方法起动。 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。再接通电枢电源，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。

2．有级起动

额定功率较大的电动机一般采用有级起动的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。

起动前串联起动电阻Rst1，Rst2Rstn，加上励磁电压Uf，保持励磁电流为额定值不变，然后加上电枢电压Ua，电动机开始起动。之后当电磁转矩等于切换转矩时，依次切除起动电阻RstnRst2，Rst1，直到电枢电路的总电阻变为电枢电路自身的电阻Ra，整个启动过程结束。其中，要注意的就是起动转矩T1对应的起动电流I1不会超过所允许的最大电

aN，N。枢电流Iamax，所以I1(1.5~2.0)I对应的起动转矩为T1(1.5~2.0)T并且为保证

L，对应的起动电一定的加速转矩，减少起动时间，一般选择切换转矩为T2(1.1~1.2)TL。 流为I2(1.1~1.2)I

图4-1

图4-2

3.1直流电动机的起动过程分析

起动开始瞬间，电枢电路中接入全部起动电阻，起动电流达到最大值，即

IstUN随着电动机转速的不断增加，电枢电流和电磁转矩将逐渐减小，电

RaR1R2R3动机沿着曲线1的箭头所指的方向变化。当转速升高至n1，电流降至Ist2（图中b点）时，接触器KM1触头闭合，将电阻R1短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线2上的c点（c点的位置可由所串电阻的大小控制），电动机又沿曲线2的箭头继续加速。当转速升高至n2电流又降至Ist2（图中d点）时，接触器KM2触头闭合，将电阻R2短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到特性曲线3上的e点，电动机又沿曲线3的箭头继续加速。当转速升高至n3电流又降至Ist2（图中f点）时，接触器KM3触头闭合，将电阻R3短接，由于机械惯性转速不能突变，电动机将瞬间过渡到固有特性曲线4上的g点，电动机又沿曲线4的箭头继续加速，最后稳定运行在固有特性曲线上的h点，起动过程结束。

3.2他励直流电机起动电阻的计算

（一）选择启动电流I1和切换电流I2

为保证与启动转矩T1对应的启动电流I1不会超过所允许的最大电枢电流Iamax，选择

I1(1.5~2.0)IaN，对应的启动转矩T1(1.5~2.0)TN。为保证有一定的加速转矩，减少

L对应的切换电流I2为I2(1.1~1.2)IL。启动时间，一般选择切换转矩为T2(1.1~1.2)T

（二）求出起切电流比

I1 I2（三）求出电动机的电枢电路电阻Ra

Ra可以根据实测或者铭牌上提供的额定值进行估算，由于在忽略T0的情况下，

P2PeEIa，因此，在额定状态下进行时，E（四）求出启动时电枢启动总电阻Rm m级启动时电枢启动总电阻为Rm（五）求出启动级数m

PN，RaIaNUaNIaNPNIaN。

UaN。 I1RmRam的计算公式为m

lglg（六）重新计算，校验I2是否在规定范围之内。 若m是取相近整数，则需重新计算。

根据式mIRm重新计算，并根据1重新计算I2，并校验I2是否在所规定的范

I2Ra围之内。若不在规定范围之内，需加大启动级数m，重新计算和I2，直到满足要求为止。

（七）求出各级总电阻

R0Ra

R1R0Ra

R2R12Ra „„„„„„

RmmRa

（八）求出各级启动电阻

Rst1R1Ra Rst2R2R1 „„„„„„

RstmRmRm1

（九）若启动级数已定,计算步骤如下：

选择电流I1，计算出Rm，Ra，I2，根据求出的I2效验其是否在规定范围内，否则加大启动级数m重新计算，最后求出各级总电阻和启动电阻。

四、设计内容

直流电动机的额定数据如下：

1）选择启动电流I1和切换电流I2

I1=(1.5～2.0)IaN=(1.5～2.0)×116.3=(174.45～232.6)A I2=(1.1 ～1.2)IaN=(1.1～1.2) ×116.3=(127.93～139.56) 选择I1=210，I2=131.25。 2）求出起切电流比

=

I1=1.6 I23）求出电枢回路电阻Ra

Ra=[(1/2~2/3)UNIN-PN]/I2N Ra=0.133~0.177 取Ra=0.173

4）求出启动时电枢电路的总电阻Ram Ram=

UaN=1.048 I15）求出启动级数m

RamlgRa=3.83

m=

lg取m=4

6）重新计算，校验I2

=mRam=1.57

RaI2=

I1=133.75

I2在规定范围之内。 7）求出各级总电阻

R4=4Ra=1.5740.173=1.05 R3=3Ra =1.5730.173=0.669 R2=2Ra=1.5720.173=0.426 R1=Ra=1.570.173=0.272 R0=Ra=0.173 8）求出各级启动电阻

Rst1=R1-R0=(0.272-0.173)=0.099 Rst2=R2-R1=(0.426-0.272)=0.154 Rst3=R3-R2=(0.669-0.426)=0.243 Rst4=R4-R3=(1.05-0.669)=0.381

五、结论

电枢回路串电阻启动设备简单，操作方便，同样可以把启动电流限制在所允许的范围内，但在启动过程中要将电阻分段切除。一般对于额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联启动变阻器的方法启动。额定功率较大的电动机一般采用分级启动的方法以保证启动过程中既有比较大的启动转矩，又使启动电流不会超过允许值。

六、心得及体会

经过一周的努力，课程设计完成了。通过课程设计，让我明白学习是一个长期的积累过程，经后的工作、生活中应该不段的学习，努力提高知识和综合能力。

设计过程中，我查阅了大量的有关资料，并与同学交流，学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获还是很多的。在设计中培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。在设计过程中，我不仅学到了知识，也让我感到了生活的充实和学习的快乐，以及获得知识的满足。

七、参考文献

[1] 《电机与拖动》 唐介 主编 高等教育出版社 2003年出版； [2]《电机及拖动基础》 汤天浩 主编 机械工业出版社2008年出版； [3]《电机学》 李海发 主编 科学出版社 2001年出版；