直流电动机的降压启动应用.docx

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直流电动机的降压启动应用

课程设计报告

课题名称直流电动机的降压启动应用

姓名学号0802110911

所在系电子系专业年级P08电气6班

指导教师李文职称教授

2010年5月14日

2.2直流电动机工作原理

7

摘要

直流电动机是出现最早的电动机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。

直流电动机有较好的控制特性直流电动机在结构、价格、维护方面都不如交流电动机，但是由于交流电动机的调速控制问题一直未得到很好的解决方案，而直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可控硅直流电源出现以后。

本次课题设计的课题将主要一直流电动机的降压启动的应用为设计方向。

关键词：

直流电动机工作原理降压启动

Summary

DCmotoristheearliestofthemotor,aroundthelate19thcentury,itcanbedividedintoacommutatorandcommutator-freetwocategories.DCmotorhasgoodcontrolcharacteristicsofDCmotorinthestructure,price,maintenancenotasgoodasACmotors,butbecauseACMotorSpeedControlhasneverbeenagoodsolution,butgoodperformanceDCmotorwithspeedcontrol,startingeasytoloadtheadvantagesofstarting,sonowtheapplicationofDCmotorisstillwidespread,especiallyintheSCRafterDCpowersupply.Thesubjectofdesignhasbeenthesubjectofthemainstreamsbuckmotordesigndirectionforthestartoftheapplication.

Keywords:

DCmotorworkingprincipleofstep-downstartWorkVoltageStarting

第1章绪论

1.1课题的背景

直流电动机指的是采用直流电源（如：

干电池、蓄电池等）的电动机直流电动机一般用在低电压要求的电路中，直流电源可以方便携带如电动自行车就是用直流电动机，又如电脑风扇、收录机电机等都是在许多工业部门，例如大型轧钢设备、大型精密机床、矿井卷扬机、市内电车、电缆设备要求严格线速度一致的地方等，通常都采用直流电动机作为原动机来拖动工作机械的。

直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。

在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。

虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。

直流电动机的特点：

　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。

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。

1.2课题的意义

实验的目的是培养学生掌握直流电动机的基本理论、计算方法和实验技能，为学习后续课程和从事实际工作打下良好的基础。

因此实验在教学中占据着十分重要的位置。

在实验指导书中，精选了最基本的也是有较高实用价值的实验项目。

通过实验使学生对所学理论知识有进一步深刻的理解，对直流电动机的特性有一定的感性认识，并锻炼学生的实际动手能力。

第2章相关技术与理论

2.1直流电动机的结构

不管是电动机还是发电机，其结构基本是相同的，即都有可旋转部分和静止部分。

可旋转部分称为转子，静止部分称为定子。

2.1.1定子

电动机中静止不动的部分称为定子，包括有机座、前端盖、后端盖、主磁极、换向磁极及电刷装置等部分。

如图2.1.1和图2.1.2所示

直流电动机结构示意图直流电动机的剖面图

图2.1.1

2.1.1.1机座

机座一方面作为电动机的磁路，另一方面在其上安装主磁极、换向磁极和前端盖、后端盖等部件。

直流电机的机座有两种形式，一种为整体机座，另一种为叠片机座。

整体机座是用导磁效果较好的铸钢材料制成的，该机座能同时起到导磁和机械支撑作用。

一般直流电机均采用整体机座。

叠片机座是用薄钢板冲片叠压而成的，该机座主要用于主磁通变化快、调速范围较宽的场合。

直流电动机各主要部件图

图2.1.2

2.1.1.2主磁极

主磁极的作用是产生恒定的、有一定空间分布形状的气隙磁通密度。

永磁电动机的主磁极直接由不同极性的永久磁体组成。

励磁电动机的主磁极则由主磁极铁芯和主磁极绕组两部分组成。

在主磁极绕组中通入直流电流，即可产生主磁场，主磁场以主磁极铁芯作为磁路。

为减少涡流损耗。

主磁极铁芯用1.0～1.5mm厚的低碳钢板冲成一定形状，用铆钉把冲片铆紧，然后再固定在机座上。

2.1.1.3换向磁极

换向磁极用来产生换向磁场以改善直流电机的换向性能，一般电机容量超过1KW时均应安装换向磁极。

换向磁极的铁芯比主磁极的简单，一般用整块钢板制成，在其上放置换向磁极绕组。

换向磁极安装在相邻的两主磁极之间，并总是和主磁极串连在一起。

2.1.1.4前、后端盖

端盖用来安装轴承和支撑整个转子的重量，一般为钢铸件。

2.1.1.5电刷装置

电刷装置是直流电机的重要组成部分，其结构如图所示。

电刷装置的作用是通过固定不动的电刷和旋转的换向器之间的滑动接触，将外部直流电源与直流电动机的电枢绕组连接起来。

电刷放在刷握内，并用弹簧压紧在换向器上，使电刷与换向片紧密接触。

电刷上有软导线接到固定接线盒内，作为电枢绕组的接线端子，以便与直流电源相连。

如图2.1.3所示。

电刷装置图

图2.1.3

2.1.2转子

转子通常称为电枢，是电动机的旋转部分，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器和风扇等组成。

2.1.2.1电枢铁芯

电枢铁芯是磁通通路的一部分同时对放置在其上的电枢绕组其支撑作用。

为减少磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁芯通常用0.5mm后的表面涂有绝缘层的硅钢片叠压而成，在硅钢片外圆冲有均匀分布的槽，用以嵌放电枢绕组。

2.1.2.2电枢绕组

电枢绕组用以产生感应电动势和通过电流，实现机械能和电能的相互转换。

电枢绕组先绕制成型后，再嵌放在电枢铁芯槽内，然后分别焊在对应的换向片上，构成一个完整的电枢整体。

2.1.2.3换向器

电枢转轴的一端装有换向器。

换向器由许多铜制换向片组成一个圆柱体，换向片之间用云母绝缘。

电枢绕组的每一个线圈两端分别接至两个换向片上。

换向器是直流电动机的重要部件，它的作用是将电枢绕组中的交流电动势和电流转换成电枢间的直流电动势和电流。

2.1.2.4转轴

转轴的作用是传递转矩。

2.1.2.5风扇

风扇用来降低电动机在运行中的温升。

2.2直流电动机的工作原理

直流他励电动机的工作原理如图2.2.1所示。

图中线圈abcd称为电枢绕组，与换向器相连，而电刷A、B则用弹簧压在换向器上。

工作时，电刷A、B固定不动，分别与外电源的正极和负极相接。

在图中，导体ab通过换向器与电刷A接触，导体cd通过换向器与电刷B接触。

当导体中的电流方向由电刷A流向电刷B，根据左手定则，可以判断导体的受力方向，从而使整个绕组abcd以逆时针方向旋转。

当电枢旋转到图所示的位置时，导体ab处于S极下，而导体cd处于N极下，与导体ab相接的换向器与电刷B接触，与导体cd相接的换向器与电刷A接触。

对照图可以看出，位于相同磁极下的导体虽然发生了变化，但由于电刷及换向器的作用，磁极下导体中的电流方向保持不变，即导体的受力方向不变，因此，线圈abcd将继续沿逆时针方向旋转，使电动机转子连续转动。

直流他励电动机的工作原理图

图2.2.1

由以上分析可以归纳出直流电动机的工作原理为：

直流电动机在外加直流电源的作用下，在可绕转轴转动的导体中形成电流，载流导体在磁场中因受到电磁力的作用而旋转，由于换向器的换向作用，导体进入异性磁极时，导体中电流方向也相应改变，从而保证了电磁转矩的方向不变，使直流电动机连续转动，把直流电能转换为机械能输出。

2.3直流电动机的启动方法

直流电动机的启动要求是：

应有足够大的启动转矩，以缩短启动时间，提高生产效率，同时电动机的启动电流又不能过大。

2.3.1降低电源电压启动

可以采用晶闸管构成的可控整流电路作为直流电动机的可调电压电源。

在直流电动势启动时，供给较低的直流电压，随着电动机转速的升高，反电动势逐渐增大再逐步增加直流电压的数值，使启动电流和启动转矩保持在一定的数值上，从而保证电动机按需要的加速度升速。

2.3.2电枢回路串联电阻启动

要限制启动电流，可以在电枢回路串联启动电阻R。

电机启动时，应使启动电阻器R的阻值最大，故启动电流被限制在一定的范围内。

随着转速n的升高，反电动势E增大，电枢电流I相应减小。

为了保持一定的加速转矩，应顺时针旋转启动变阻器的手轮，逐步减小R的阻值，直到完全切除R，电动机启动完毕。

2.4降压启动控制线路

原理图如图2.4.1

降压启动控制线路原理图

图2.4.1

2.5安装调试

2.5.1启动前的检查

1测量电动机各项绕组之间绝缘电阻测试前应拆除电动机出线端子上的所有外部接线。

通常对500V以下的电动机用500V兆欧表测量，500～3000V电动机用1000V兆欧表测量其绝缘电阻。

对按要求，电动机每1KV工作电压，绝缘电阻不得低于1MB，电压在1kV以下、容量为了1000kW及以下的电动机，其绝缘电阻应不低于0.5MB。

如绝缘电阻较低，则应先将电动机进行烘干处理，然后再测绝缘电阻，合格后才通电使用。

2检查二次回路接线是否正确二次回路接线检查可以在未接电动机情况下先模拟动作一次，确认各环节动作无误，包括信号灯显示正确与否。

检查电动机引出线的连接是否正确，相序和旋转方向是否符合要求，接地或接零是否良好，导线截面积是否符合要求。

3检查电动机内部有无杂物用干燥、清洁的200-300kPa的压缩空气吹净内部可使用电吹风机或手风箱等来吹，但不能碰坏绕组。

4检查电机型号和接线检查电动机铭牌所示电压，频率与所接电源电压、频率是否相符，电源电压是否稳定通常允许电源电压波动范围为±5％，接法是否与铭牌所示相同。

如果是降压起动，还要检查起动设备的接线是否正确。

5检查电机各部件有无松动和漏油现象检查电动机紧固螺栓是否松动，轴承是否缺油，定子与转子的间隙是否合理，间隙处是否清洁和有无杂物。

检查机组周围有无妨碍运行的杂物，电动机和所传动机械的基础是否牢固。

6检查保护电器检查保护电器断路器、熔断器、交流接触器、热继电器等整定值是否合适。

动、静触头接触是否良好。

检查控制装置的容量是否合适，熔体是否完好，规格、容量是否符合要求和装接是否牢固。

7检查电刷与换向器电刷与换向器或滑环接触是否良好，电刷压力是否符合制造厂的规定。

8检查启动设备是否完好，接线是否正确等检查启动设备是否完好，接线是否正确，规格是否符合电动机要求。

用手扳动电动机转子和所传动机械的转轴如水泵、风机等，检查转动是否灵活，有无卡涩、摩擦和扫膛现象。

确认安装良好，转动无碍。

9检查传动装置是否符合要求传动带松紧是否适度，联轴器连接是否完好。

10检查电动机的通风系统、冷却系统和润滑系统是否正常观察是否有泄漏印痕，转动电动机转轴，看转动是否灵活，有无摩擦声或其它异声。

11检查电动机外壳的接地或接零保护是否可靠和符合要求

2.5.2电动机试运行过程中检查

1启动时检查

（1）电动机在通电试运行时必须提醒在场人员注意，传动部分附近不应有其它人员站立，也不应站在电动机及被拖动设备的两侧，以免旋转物切向飞出造成伤害事故。

（2）接通电源之前就应作好切断电源的准备，以防万一接通电源后电动机出现不正常的情况时如电动机不能启动、启动缓慢、出现异常声音等能立即切断电源。

使用直接启动方式的电动机应空载启动。

由于启动电流大，拉合闸动作应迅速果断。

（3）一台电动机的连续启动次数不宜超过3～5次，以防止启动设备和电动机过热。

尤其是电动机功率较大时要随时注意电动机的温升情况。

（4）电动机启动后不转或转动不正常或有异常声音时，应迅速停机检查。

（5）使用三角启动器和自耦减压器时，软启动器或变频启动时必须遵守操作程序。

2试运行时检查

（1）检查电动机转动是否灵活或有杂音。

注意电动机的旋转方向与要求的旋转方向是否相符。

（2）检查电源电压是否正常。

对于380V异步电动机，电源电压不宜高于400V，也不能低于360V。

（3）记录起动时母线电压、起动时间和电动机空载电流。

注意电流不能超过额定电流。

（4）检查电动机所带动的设备是否正常，电动机与设备之间的传动是否正常。

（5）检查电动机运行时的声音是否正常，有无冒烟和焦味。

（6）用验电笔检查电动机外壳是否有漏电和接地不良。

（7）检查电动机外壳有无过热现象并注意电动机的温升是否正常，轴承温度是否符合制造厂的规定对绝缘的轴承，还应测量其轴电压。

（8）检查换向器、滑环和电刷的工作是否正常，观察其火花情况允许电刷下面有轻微的火花。

（9）检查电动机的轴向窜动指滑动轴承是否超过表1的规定。

测量电动机的振动是否超过表2的数值对容量为40kw及以下的不重要的电动机，可不测量振动值。

表1电动机轴向允许窜动量电动机容量（千轴向允许窜动范围（mm）瓦）向一侧向两侧10及以下0.501.0010-200.751.5030-701.002.0070-1251.503.00125以上2.004.00表2电动机允许的震动值转数/分允许的振动量（mm）一般电动机防爆电动机30000.060.0515000.100.08510000.130.10750以下0.160.124电动机常见故障现象及其发生的原因三相异步电动机应用广泛，但通过长期运行后，会发生各种故障，及时判断故障原因，进行相应处理，是防止故障扩大，保证设备正常运行的一项重要的工作。

在这里为了方便广大的操作人员具体的执行操作特地列举了电动机的一些常见的故障和相应的处理措施。

2.6直流电动机故障处理

2.6.1电机常见故障现象及处理措施

（1）通电后电动机不能转动，但无异响，也无异味和冒烟故障原因①电源未通（至少两相未通）；②熔丝熔断（至少两相熔断）；③过流继电器调得过小；④控制设备接线错误。

故障排除①检查电源回路开关，熔丝、接线盒处是否有断点，修复；②检查熔丝型号、熔断原因，换新熔丝；③调节继电器整定值与电动机配合；④改正接线。

（2）通电后电动机不转，然后熔丝烧故障原因①缺一相电源，或定干线圈一相反接；②定子绕组相间短路；③定子绕组接地；④定子绕组接线错误；⑤熔丝截面过小；⑤电源线短路或接地。

故障排除①检查刀闸是否有一相未合好，可电源回路有一相断线；消除反接故障；②查出短路点，予以修复；③消除接地；④查出误接，予以更正；⑤更换熔丝；③消除接地点。

（3）通电后电动机不转有嗡嗡声故障原因①定、转子绕组有断路（一相断线）或电源一相失电；②绕组引出线始末端接错或绕组内部接反；③电源回路接点松动，接触电阻大；④电动机负载过大或转子卡住；⑤电源电压过低；⑥小型电动机装配太紧或轴承内油脂过硬；⑦轴承卡住。

故障排除①查明断点予以修复；②检查绕组极性；判断绕组末端是否正确；③紧固松动的接线螺丝，用万用表判断各接头是否假接，予以修复；④减载或查出并消除机械故障，⑤检查是还把规定的面接法误接为Y；是否由于电源导线过细使压降过大，予以纠正，⑥重新装配使之灵活；更换合格油脂；⑦修复轴承。

（4）电动机起动困难，额定负载时，电动机转速低于额定转速较多故障原因①电源电压过低；②面接法电机误接为Y；③笼型转子开焊或断裂；④定转子局部线圈错接、接反；③修复电机绕组时增加匝数过多；⑤电机过载。

故障排除①测量电源电压，设法改善；②纠正接法；③检查开焊和断点并修复；④查出误接处，予以改正；⑤恢复正确匝数；⑥减载。

（5）电动机空载，过负载时，电流表指针不稳，摆动故障原因①笼型转子导条开焊或断条；②绕线型转子故障（一相断路）或电刷、集电环短路装置接触不良。

故障排除①查出断条予以修复或更换转子；②检查绕转子回路并加以修复。

由于电动机的型号不同，使用环境不同等，电动机还有很多的故障有待我们去发现和研究，本文只列举以上几点。

电动机发生故障的原因可分为内因和外因两类：

2.6.2故障外因

1电源电压过高或过低

2起动和控制设备出现缺陷

3电动机过载。

4馈电导线断线，包括三相中的一相断线或全部馈电导线断线。

5周围环境温度过高，有粉尘、潮气及对电机有害的蒸气和其它腐蚀性气体。

2.6.3故障内因

1机械部分损坏，如轴承和轴颈磨损，转轴弯曲或断裂，支架和端盖出现裂缝。

所传动的机械发生故障有摩擦或卡涩现象，引起电动机过电流发热，甚至造成电动机卡住不转，使电动机温度急剧上升，绕组烧毁。

2旋转部分不平衡或联轴器中心线不一致。

3绕组损坏，如绕组对外壳和绕组之间的绝缘击穿，匝间或绕组间短路，绕组各部分之间以及换向器之间的接线发生差错，焊接不良，绕组断线等。

4铁芯损坏，如铁芯松散和叠片间短路。

或绑线损坏，如绑线松散、滑脱、断开等。

5集流装置损坏，如电刷、换向器和滑环损坏，绝缘击穿。

震摆和刷握损坏等。

6电动机起动失败的原因分析与对策以典型电路，即其一次回路的短路保护是使用断路器QF或熔断器，控制电器接触器K，热继电器FT作过载保护有时FT接在电流互感器二次侧回路中为例，来介绍电动机起动失败的异常现象，并分析其起动失败的原因及采取的对策。

2.6.4电动机的控制与保护

1电动机一起动立即跳闸，即瞬时跳闸断路器QF瞬动跳闸，会使人怀疑是否发生了短路故障，一般而言，设备安装完毕，在有关的开关柜内先将导电物等清除干净，再作绝缘耐压试验，各部位都符合要求后方可带电试车。

所以短路故障可能较少，而且凡发生短路故障均有迹象可查，或有火花，或有焦烟气味，同时兼有异常声音，事后再作绝缘试验，能发现绝缘已损坏。

最迷惑不解的是一切都好，但断路器仍然发生瞬动跳闸，此时应确认断路器选择的脱扣电流值是否合理。

如40KW的电动机，其额定电流约80A。

在选择用断路器时，选用脱扣电流100A似乎可以了，而且瞬时电流倍数为10，可达1000A，足以躲开电动61N的起动电流，似乎不应该有问题。

但如果考虑下列因素之后，原因便清楚了。

2降压起动失败跳闸降压起动失败跳闸有两种情况，两种情况成因是不同的。

在未切至全电压时即跳闸这种情况往往是电动机端电压不足造成的，此时从监测到电压情况便可判断。

造成端电压过低的原因是：

一方面可能是变电所至配电室供电线路过长，另一方面可能是降压电抗或电阻值偏大，致使电动机端电压过低，起动转矩不足以克服负荷转矩，电动机如堵转一般，电流始终不衰减，热保护到时动作跳闸，起动失败。

结束语：

通过这次课程设计，我更进一步了解了直流电动机的工作原理及其启动过程，对直流电动机的电力拖动有了更加深入的理解与体会。

增强了我的动手能力和独立操作能力在这次设计中，我翻阅了一些资料文献，同时在网上收集了很多有用的信息。

之后自己进行归纳总结，得出设计方案。

整个过程中，我积累了一些设计方面的经验，为我们以后做毕业设计打下了坚实的基础。

使我进一步了解了《电机与电气控制技术》这门课程在设计过程中，完成设计要综合利用各方面的知识，无疑是对电机知识的一次新的、具体的、全面的理解与应用。

从中学到了很多课堂上学不到的知识，使自己从理论到实践迈出了宝贵的一步.

参考文献

黄立培.电动机控制——清华大学电气工程系列教材［M］.北京：

清华大学出版社，2003

李发海.电机与拖动技术第3版［M］.北京：

北京清华大学出版社，2009

刘子林.实用电机维修技术［M］.北京：

北京师范大学出版社，2007

顾胜谷.电机与拖动基础.北京：

机械工业出版社，1980

应崇实.电机与拖动基础.北京：

机械工业出版社，1987

致谢词：

在设计过程中，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，我学到了许多有益的东西，这些东西都是很宝贵的财富。

在此特别感谢李老师，他们严谨细致，一丝不苟的作风深深的感染了我。

他们在百忙之余抽出时间进行耐心细致的指导，再次由衷的向他们表示感谢。

在设计过程中也同样得到了其他同学的热心帮助，在此向他们表示感谢。

由于时间的仓促以及本人能力有限，因此在设计过程中难免会出现很多错误，对于这些不足与缺陷望院领导与老师给予包容与理解，并希望老师多加批评指正，在此一并表示感谢。