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1、-他励直流电动机串电阻三级起动控制设计-第 7 页电机与拖动课程设计他励直流电动机串电阻三级起动控制设计Separately Excited DC Motor Series Resistance Three Start Control Design摘要这篇文章主要解决他励直流电动机串电阻三级起动控制设计问题，设计出可以三级起动的电动机。本文通过理论设计，实验室检验，再纠正的方法，阐述了他励直流电动机的基本结构，工作原理，得到了他励直流电动机的起动方法，通过得到的结论设计出可以三级起动的他励直流电动机。关键词 他励；直流；电阻；起动；三级AbstractThis article mainly s
2、olves the separately excited DC motor series resistance three starting control design, design can be a level three starting motor. In this paper, through theoretical design, laboratory tests, and the correction method, elaborated separately excited DC motors basic structure, working principle, got h
3、im excited DC motor starting method, the conclusion can be developed through three grade starting of separately excited DC motor.Keywords ：excitation; DC; resistance; starting; three目 录1 绪论11.1 直流电机基本的结构11.1.1 定子11.1.2 转子11.1.3 励磁方式11.1.4 额定值11.2 直流电动机的工作原理11.3 励磁直流电动机的机械特性11.3.1 固有特性11.3.2 人为特性12 他
4、励直流电动机的起动方法和启动过程22.1 降低电枢电压起动22.1 串电阻起动22.1.1 无级起动22.1.1 有级起动23 选择转子串电阻方式，按给定参数计算各级起动电阻值4结论5心得6参考文献71 绪论1.1直流电机的基本结构 图1-1直流电机的结构1.1.1定子直流电子的定子有以下几部分组成：（1） 主磁极 及原理图中的N和S极。它由励磁绕组和主磁极铁芯两部分组成。（2） 换向磁极 简称换向极。它是位于主磁极之间的比较小的磁极，也是由铁芯和绕组两部分组成。铁芯一般用整块钢板加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。换向磁极的作用是用来改善换向。（3） 机座 用铸钢或钢板制成，是构成直流电机的
5、一部分。（4） 端盖等 机座两边各有一个端盖。1.1.2转子直流电机转子包括以下几部分：（1） 电枢铁心 它由硅钢片叠成，表面有许多均匀分布的槽。（2） 电枢绕组 实际的电枢绕组由很多线圈按一定规则连接起来。绕组嵌放在电枢铁心槽内。（3） 换向器 由很多换向片组成，外表呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。（4） 风扇等。1.1.3励磁方式按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电机四种。如图1.1.3-1所示，分别给出了四种励磁方式电路图。（ a ） 他励直流电动机 （ b ） 幷励电动机（ c ） 串励电动机 （ d ） 复励电动机 图1-1-3-1直流电机按励磁方式分类1.1.4
6、额定值（1）额定电压UN 在直流电动机中，UN是指输入电压的额定值。若是他励电动机，额定电压分为额定电枢电压UaN和额定励磁电压UfN。（2）额定电流IN在直流电动机中，IN是指输入的额定值，若是他励电动机，额定电流分别为额定电枢电流IaN和额定励磁电流IfN。（3）额定功率PN在直流电动机中，PN是输出的机械功率的额定值。它等于额定输出转矩T2N约定旋转角速度N的乘积，即 PN=T2NN=2T2NnN/60（4）额定转速nN额定转速是指电动机在额定状态下运行时的转子转速。1.2直流电动机的工作原理图1-2为直流电机的结构原理图。 （a） （b） 图1-2直流电机的工作原理图图中N和S是一对固
7、定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。如图所示将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，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源的负极。在图1-2（a）所示位置时，线圈ab边在N极下，cd边在S极下，电枢电流沿着abcd的方向流动。电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则来判断。这一对电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针方向旋转。 当电枢绕组的ab边转到了S极下，cd边转到了N极下，如果线圈中电流的方向仍然不变，那么作用在这两个线圈边上的电磁力和电磁转矩的方向就会与原来的方向相反，电机便无法旋转。为此，必须改变电枢绕组中电流方向。这一
8、任务由连接在线圈两端的铜片和电刷来完成。如图（b）可看到，由于原来电刷A接触的线圈a端的铜片现已改成与电刷B接触，而原来与电刷B接触的线圈d端的铜片现已改成与电刷A接触，因此电枢绕组中的电流变成沿dcba的方向流动。利用左手定则判断出点磁力机电磁转矩的方向仍然使电动机逆时针旋转。1.3他励直流电动机的机械特性 在他励电动机中，当Ua、Ra和If保持不变，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系称为他励电动机的机械特性。转速与转矩的关系为：n=Ua/CE-RaT/CECT2 =n0-n=n0-Tn0为理想空在转速：n0= Ua/CE n是转差率：n= n0-n=Tr是机械特性的斜率：= RaT/CEC
9、T2机械特性的硬度为 =1/斜率越小，硬度越大，机械特性越硬。1.3.1固有特性如图所示，由于电枢电阻Ra很小，所以机械特性的斜率很小，很大，固有特性为硬特性。图1-3-11.3.2人为特性（1）增加电枢电阻时的人为特性如图所示，串入的电阻越大，人为特性的斜率越大，硬度越小。图1-3-2-1（2）降低电枢电压时的人为特性Ua降低时，n0减小，不变，不变，机械特性平行下移。如图所示图1-3-2-2（3）减小励磁电流时的人为特性减小励磁电流If，则磁通减小，n0增加，增加，减小，如图所示图1-3-2-32他励直流电动机的起动方法和起动过程直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励
10、电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。他励电机起动瞬间，转速n=0，电动势E=0故起动电流Is=Ua/Ra由于在额定电压下直接起动Ra很小，所以Is很大，可达额定电流的1020倍，这是换向所不允许的，故要使电流在允许范围内方法有两个：降低Ua和增加Ra。2.1降低电枢电压起动起动时加励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，电枢电压Ua从零逐渐升高至额定值。这种起动方法的优点是起动平稳，起动中能耗小，易于实现现代化。缺点是初期投资大。2.2串电阻起动串电阻起动就是在起动时将一组起动电阻R串人电枢回路，以限制起动电流，而当转数上升到额定转数后，
11、再把用开关把电阻从电枢回路中切除。串电阻起动的优点是起动电流小；缺点是变阻器比较笨重，起动过程中要消耗很多的能量。2.2.1无极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。起动变阻器的最大电阻值RsT是多少呢?设起动电流值为Is，该值不得超过Imax。由于此时=，因此求得=-。可以通过实测或者通过铭牌上提供的额定值进行估算，由于在忽略的情况下，=，因此在额定状态下运行时，有=。由于上式是在忽略情况下得
12、到的，因此用上式估算的比实际值略大。2.2.2有级起动额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，有使起动电流不会超过允许值。现以三级起动为例来说明起动步骤和起动过程。原理电路和机械特性如下图2.2.2-1所示：（a）电路图（b）特性图图2.2.2-1（1） 起动过程 起动步骤如下： 串联起动电阻RST1、RST2和RST3。起动前开关Q1、 Q2、Q3断开，使得电枢电路中串入电阻RST1、RST2和RST3，加上电枢电路自身电阻，电枢电路的总电阻为：Ra3=Ra+RST1+RST2+RST3加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，然后加上电枢电压U
13、a，这时电动机的机械特性如图中的人为特性Ma。由于起动转矩T1远大于负载转矩TL 电动机拖动生产机械特性Ma由a1向a2点移动。 切除起动电阻RST3当工作点到达a2点，即电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关Q3，切除起动电阻RST3，电枢电路的总电阻变为Ra1=Ra+RST1+RST2。此时的电动机的机械特性变为人为特性Mb，切除RST3的瞬间，转速来不及改变，工作点由Ma上的a2点平移到特性Mb上的b1点，使这时的电磁转矩T仍为T1，电动机继续加速，工作点沿特性Mb上的b1点向b2点移动。 切除起动电阻RST2当工作点到达b2点，即电磁转矩T又等于切换转矩T2时合上开关Q2切除起动电阻R
14、ST2，电枢电路的总电阻变为Ra1=Ra+RST1。机械特性变为固有特性Mc。工作点由b2平移至c1点使得这时的电磁转矩T正好等于T1，电动机继续加速，工作点沿人为特性Mc由c1点到c2点。 切除起动电阻RST1当工作点到达c2点，即电磁转矩T又等于切换转矩T2时合上开关Q1。切除起动电阻RST1，电枢电路的总电阻变为Ra0=Ra。机械特性变为固有特性Md。工作点由c2平移至d1点使得这时的电磁转矩T正好等于T1，电动机继续加速，工作点沿人为特性Md由d1点经d2点，最后稳定运行在p点。整个起动过程结束.（2）他励直流电动机起动电阻的计算 选择起动电流和切换电流： I1=（1.52.0）IaN
15、 I2=(1.11.2)IL 求出起切电流（转矩）比：= 确定起动级数m ：m=式中，Ram为m级起动时的电枢起动总电阻Ram= UaN /I1=mRa0=mRam=Ram/Ra 重新计算 ，校验 I2 是否在规定的范围内若m是取相近整数，则需重新计算=根据重新求得的，重新求出I2并校验是否在所规定范围内。若不在规定范围内，需调整I1或加大起动级数m，重新计算和I2,直到满足要求为止。公式推导，即:=同理，由= 可得 ：=对于 m 级起动，有：求出各级起动电阻：i=1，2，m3选择转子串电阻起动方式，按给定参数计算各级起动电阻值一台Z3系列电动机，已知PN=30kW，UaN=220V，IaN=
16、158.6A。nN=1000r/min。Ra=0.194（1）选择I1和I2。 I1=（1.52.0）IaN=（1.52.0）158.6=（237.9317.2）A I2=（1.11.2）IaN=（1.11.2）158.6=（174.46190.32）A选择I1=295A，I2=180A（2）求出起切电流比=1.64（3）起动级数m=0.75m=2.73取m=3。（4）重新计算，校验I2=1.57 =187.90AI2在规定的范围内。（5）计算各级起动电阻RST1=（-1）Ra=（1.57-1）0.194=0.111RST2=（2-）Ra=（1.572-1.57）0.194=0.1736RST
17、3=（3-2）Ra=（1.573-1.572）0.194=0.273结论他励直流电动机的起动方法：1 选择起动电流I1和切换电流I2为保证起动转矩T1对应的电流I1不超过最大允许电枢电流Imax应选择I1=（1.52.0）IaN 对应的转矩T1=（1.52.0）TN为保证一定加速转矩，减少起动时间，一般选择切换转矩T2=（1.11.2）TN 对应的电流为I2=（1.11.2）IL2求出起切电流比3确定起动级数4 若m取相近整数，则重新计算，并重新求出I2，校验是否在规定范围之内。若不在规定范围内，则需重新调整I1或加大起动级数m，重新计算和I2，直到满足条件为止。5 求出各级电阻心得此次的电机
18、与拖动课程设计已经完成，通过这次设计，使我对电机与拖动这门课有了更深层次的理解。电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置。在课程设计过程中，查阅大量的资料，从中我学到了更多课本中学不到的知识和技能。从中我有了以下几点收获：（1）有利于我们学习能力的提高。这里所说的学习能力包括获取资料的能力、理解前人思路的能力、系统设计能力、动手能力、分析排除故障能力、表达能力等很多方面。（2）有利于我们团队精神的培养。在课堂之外实际的工作中，我们一般都要与人合作共同完成某一项目，这就非常需要团队精神，而这一点在课堂常规教学中得到的锻炼是很有限的。在设计中必须互相信任、互相配合、分工合作。在顺境时小组成员要相互提
19、醒保持冷静，逆境时要相互鼓励共度难关，出现问题时不能相互埋怨。这些与课堂教学强调独立性是有明显区别的。 （3）有利于我们心理素质的锻炼。课程设计时间决定了设计结果的产生会有很大的不确定性，一个极其偶然的失误都会导致最终的不理想结果，因此需要参赛者具备良好的心理素质，全心全意投入紧张激烈的设计，并且以一颗平常心面对最终的结果。参考文献1 唐 介.电机与拖动.第二版.北京：高等教育出版社，20072.周定颐. 电机及电力拖动.北京：机械工业出版社，19873.李发海，王岩. 电机与拖动基础.第二版.北京：清华大学出版社，19944.张葆钰，沈毓敏. 电机及拖动基础习题与解答.上海：上海科学技术文献出版社，19825.顾绳谷. 电机及拖动基础（上册）.北京：机械工业出版社，19806电机与拖动，杨天明编著，中国林业出版社出版社，20087电机与拖动基础，杨文焕编著，西安电子科技大学出版社，20088电机与拖动，戴文进编著，清华大学出版社，2008