他励直流电动机串电阻起动的设计.docx
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他励直流电动机串电阻起动的设计
他励直流电动机串电阻起动的设计
指导教师评定成绩:
审定成绩:
重庆邮电大学移通学院
自动化系
课程设计报告
设计题目:
他励直流电动机串电阻起动的设计
学生姓名:
专业:
电气工程及其自动化
班级:
学号:
指导教师:
课程设计任务书一、设计题目
他励直流电动机串电阻启动的设计
二、设计任务
某工厂有一台他励直流电动机，已知参数如下:
P=200kw;U=440v;I=497A;n=1500r/min;R=0.076Ω;采用分级anananNa启动，启动电流最大不超过2I,，求各段电阻值，并且求出切除电阻时的瞬时aN
转速和电动势，并作出机械特性曲线，对启动特性进行分析。
三、设计要求
1、设计工作量为按要求完成设计说明书一份。
、设计必须根据进度计划按期完成。
2
3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。
指导教师:
摘要
他励直流电动机起动时由于电枢感应电动势，最初起动电流EC,,,0aen
若直接起动,由于R很小,会十几倍甚至几十倍于额定电流,无IUR,/aIStaSt
法换向,同时也会过热,因此不能直接起动。
要限制起动电流的大小可以有两种方法:
降低电枢电压和电枢回路串接ISt
附加电阻。
本文仅以他励直流电动机的串电阻起动为主题进行详细的阐述。
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，同时可以做到平滑起动，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。
关键词:
他励直流电动机;起动电流;串电阻起动;
引言................................................................1第一章直流电动机...................................................21.1直流电动机的工作原理..........................................21.2直流电动机的分类..............................................31.3他励直流电机工作原理..........................................3第二章他励直流电动机的起动.........................................42.1他励直流电动机串电阻起动......................................4
直流电动机电枢串电阻起动设计方案2.2..............................7
2.3多级起动的规律................................................8第三章设计小结....................................................10第四章设计体会....................................................12参考文献...........................................................13
引言
他励直流电动机的起动时间虽然很短，但是如果不能采用正确的起动方法，电动机就不能正常地投入运行。
为此，应对电动机的起动过程和方法进行必要的分析。
直接起动时，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，
n,0此时由于，，所以起动电流，由于电枢回路总电阻Ra较E,0IUR,/astNa
小，所以可以达到额定电流I的十几甚至几十倍。
这样大的电流也可以造成INst
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，过大的起动电流使起动转矩过大，会使机械撞击，也会引起供电电网Tst
电波动，从而引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，起动时间短，可以直接起动，其他直流电机都不允许直接起动。
在拖动装置要求不高的场合下，可以采用降低起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，具有良好的起动特性、较大的起动转矩和较小的起动电流，可以满足生产机械需要的要求。
本文借助图像对整个过程被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计他励直流电机起动的特点具有重要意义。
1
第一章直流电动机
1.1直流电动机的工作原理
图1.1直流电动机的工作原理
直流电动机的工作原理:
上图所示为最简单的直流电动机工作原理示意图。
直流电动机换向器是由二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
。
转子载流导体在磁场中向b，在S极范围内的转子绕组cd中的电流从c流向d
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，如图中ab边受力方向是向左，而cd则向右。
由于磁场是对称的，导体中流过的又是相同的电流，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的电磁力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，线圈中的电流为零。
因此，电磁力也等于零。
但由于惯性的作用，线圈继续转动。
线圈转过半圈之后，虽然ab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a。
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。
可知，分别在N，S极范围内的导体中的电流方向总是不变的。
由此，线圈二边受力方向也不变。
这样，线圈就可以按照受力方向不停地旋转。
2
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;他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。
1.3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联接关系，而由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1.3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1.3他励直流电机工作原理图
3
第二章他励直流电动机的起动2.1他励直流电动机串电阻起动
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。
下面仅以直流他励电动机电枢回路串电阻起动为例说明起动过程。
（1）起动过程分析
如图2.1（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,电枢串入了全部附加电阻RK1+RK2,电枢回路总电阻为Ral=Ra+RK1+RK2。
这是起动电流为
错误～未找到引用源。
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2.1（b）中的曲线1所示。
（a）电路图（b）特性图
图2.1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式
dT-T=JLdt
式中T——电动机的电磁转矩;
T——由负载作用所产生的阻转矩;L
J——电动机的转动惯量;
由于起动转矩T大于负载转矩T，电动机受到加速转矩的作用，转速由零1L
逐渐上升，电动机开始起动。
在图2.1（b）上，由a点沿曲线1上升，反电动势
4
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。
b
I2点所对应的电枢电流称为切换电流，其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。
R=R+R2aaR12切除后，电枢回路总电阻为。
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R的瞬间，由K1于惯性电动机的转速不变，仍为n，其反电动势亦不变。
因此，电枢电流突增，b
R1R1其相应的电动机转矩也突增。
适当地选择所切除的电阻值，使切除后的电
I1枢电流刚好等于，所对应的转矩为T，即在曲线2上的c点。
又有T>T，电212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
R2一切起动电阻。
同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固有机械特性上。
I2I1电枢电流又由突增到，相应的电动机转矩由T突增到T。
T>T，沿固有特211L性加速到g点T=T，n=n电动机稳定运行，起动过程结束。
Lg
I2在分级起动过程中，各级的最大电流（或相应的最大转矩T）及切换电流2I2（或与之相应的切换转矩T）都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加2
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。
下面讨论应该如何计算起动电阻。
（2）起动电阻的计算
UI=在图2.1（b）中，对a点，有1Ra1
UR=即a1I1
当从曲线1（对应于电枢电路总电阻错误～未找到引用源。
转换得到曲线2（对
R=R+R）应于总电阻）时，亦即从点转换到点时，由于切除电阻R进行很K1a2a2
U,UbI=快，如忽略电感的影响，可假定nb=nc，即电动势Eb=Ec，这样在点有2Ra1
5
U,UcI=在c点1Ra2
IR1a1,I2Ra2两式相除，考虑到Eb=Ec，得
IRa21同样，当从d点转换到e点时，得=raI2
112IRaRa,,这样，如图2.1所示的二级起动时，得I2Ra2ra
2（,1）I1Ra1RRRamaam,,,,推广到m级起动的一般情况，得==…=raI2Ra2raRam
I1I2式中为最大起动电流与切换电流之比，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。
1Ram,,由此可以推出ra
式中m为起动级数。
由上式得
1aR,m=ar
1Ram,如给定,求m,可将式=取对数得,ra
1Ra,,lg,,ra,,m=lg,
2（,1）IRRRamRam1a1a,由式===…==可得每级电枢回路总电阻进而求出,RamraI2Ra2ra
各级起动电阻为:
RRR,,112aa
RRR,,223aa
RRR,,334aa
？
6
RRR,,（）（）mamam,,11
RRR,,mama
I1I2起动最大电流及切换电流按生产机械的工艺要求确定，一般
I1=IaN错误～未找到引用源。
I2IaN=错误～未找到引用源。
2.2直流电动机电枢串电阻起动设计方案
I1I2
（1）选择起动电流和切换电流
I1=（1.5,2.0）=（1.5,2.0）×497A=（745.5,994）AIaN
I2=（1.1,1.2）=（1.1,1.2）×497A=（546.7,596.4）AIaN
I1I2=840A，=560A。
选择
（2）求出起切电流比,
I1,==1.5I2
（3）求出起动时电枢电路的总电阻Ram
aNU,R==0.524amI1
（4）求出起动级数m
Ram,,lg,,ra,,m==4.76取m=5lg,
I2（5）重新计算，校验
Ram,m==1.47ra
I1I2,==571,
7
I2在规定范围之内。
（6）求出各级总电阻
,，错误～未找到引用源。
=1.4750.076=0.52
错误～未找到引用源。
错误～未找到引用源。
错误～未找到引用源。
错误～未找到引用源。
（7）求出各级起动电阻
R=R,R=（0.11-0.076）=0.034,st110
R=R-R=（0.16-0.11）=0.05,st221
R=R-R=（0.24-0.16）=0.08,st332
R=R-R=（0.35-0.24）=0.11,st443
R=R-R=（0.52-0.35）=0.27,st554
2.3多级起动的规律
（1）不同加速级的机电常数是不同的，电枢电路的电阻越大，则T越大。
M
（2）不同加速级的起始转速与稳定转速是不同的，这是由于不同的机械特性与恒切换转矩T（或切换电流I）特性及恒负载转矩T（或负载电流I）特性的交22LL点是不同的。
（3）起动级数的选取:
取决于负载的大小与对起动平滑性的要求。
级数越多起动平滑性越好，但是起动设备与控制装置庞杂，投资大。
一般取错误～未找到引用源。
级，空载或轻载取错误～未找到引用源。
，重载或满载取错误～未找到引用源。
。
8
9
第三章设计小结
根据以上的设计实践，他励直流电动机串电阻起动计算方法可归结如下:
I1I2
（1）选择起动电流和切换电流
I1=（2.0,2.5）IN
I2=（1.1,1.2）IL
I1起动电流为,对应的起动转矩T;1
T=（1.5,2.0）T1N
I2切换电流为,对应的起动转矩T;2
T=（1.5,2.0）T2N
（2）出起切电流（转矩）比;,
I1I2,=/
（3）出电动机的电枢电路电阻ra;
（4）出起动时的电枢总电阻Rm;
RUI,/maNaN
（5）出起动级数m;
错误～未找到引用源。
选取m=3
（6）重新计算，校验I2是否在规定范围内;
I2若m是取相近整数，则需重新计算;
Ram,,I2I2m=再根据得出的重新求出，并校验是否在规定范围内。
若ra
I2不在规定范围内，需加大起动级数m重新计算和，直到符合要求为止。
（7）求出各级总电阻
（8）求出各级起动电阻
10
这便是他励直流电动机电枢串电阻起动的大体思路与过程。
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第四章设计体会
在本次的设计中，让我学到了很多东西。
学会了细心做好每一个步奏，每一个步奏都关系到后面的设计。
还有要多多的向同学学习，学如何运用课本中的知识，这次的课程设计让我真正的认识到要学以致用还是有一定的难度。
我要更加的努力学习并且加以致用，并且加强综合的应用及综合应用能力。
深刻的认识到自己与实际要求的差距还是有很大的距离。
我必须为将来踏进社会做充足的准备～致谢
感谢张强老师一直严谨细致、一丝不苟对待学问，是我学习中的榜样;在老师启发下，我们有了大概的思路;这次课程设计的每个实验细节与数据，都离不开老师指导。
正因为老师讲解，才让我更快写出课程设计的思路，让我更加顺利地完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们，谢谢你们对我的帮助和支持，同时也感谢你们在空闲的时候跟我讨论，为我解惑，让我感受到朋友的力量。
由于我的设计能力不高，在设计过程中出现的错误，恳请老师们多多指教,我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。
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参考文献
【1】李晓竹.电机与拖动[M].中国矿业大学出版社.
【2】姚舜才.电机学与电力拖动技术[M]北京:
机械工业出版社,1997.【3】彭鸿才.点击原理及拖动[M].北京:
机械工业出版社,1997.【4】吴云.系统仿真技术及其应用[J].
【5】姚舜才.电机学与电力拖动技术[M].北京:
机械工业出版社,1997.【6】吴云.系统仿真技术及其应用[J].
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