他励直流电动机串电阻启动的设计.docx
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他励直流电动机串电阻启动的设计
课程设计名称：
电机与拖动课程设计
题目：
他励直流电动机串电阻启动的设计
专业：
电气工程及其自动化
班级：
12-1班
姓名：
岳明伟
学号：
0901100225
辽宁工程技术大学
课程设计成绩评定表
学期
2011－2012学年第一学期
姓名
岳明伟
专业
电气工程及其自动化
班级
12级1班
课程名称
电机与拖动
论文题目
评
定
标
准
评定指标
分值
得分
知识创新性
20
理论正确性
20
内容难易性
15
结合实际性
10
知识掌握程度
15
书写规范性
10
工作量
10
总成绩
100
评语：
任课教师
时间
年月日
备注
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
PN=22KW,IN=116.3A,UN=220V,nN=1500r/min；
采用分级启动，启动电流最大不超过2IaN,，求各段电阻值，并且求出切除电阻时的瞬时转速和电动势，并作出机械特性曲线，对启动特性进行分析。
三、设计计划
第1天查阅资料，熟悉所选题目；
第2天根据基本原理进行方案分析；
第3天整理思路，按步骤进行设计；
第4天整理设计说明书；
第5天准备答辩；
四、设计要求
1、设计工作量为按要求完成设计说明书一份。
2、设计必须根据进度计划按期完成。
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：
王继强刘春喜李国华
教研室主任：
李洪珠
时间：
2014年7月5日
摘要
他励直流电动机启动时由于电枢感应电动势Ea =CeΦn = 0 ,初始启动电流Is =U/Ra,若直接启动,由于Ra相比较很小，Ist会十几倍甚至几十倍于额定电流,导致无法换向,同时也会过热,会损坏电机。
要降低启动电流Ist的大小可以有两种方法:
降低电枢电压和电枢回路串接附加电阻。
本文仅以他励直流电动机的串电阻启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启动电阻，那么串电阻启动由于其启动设备简单、经济和可靠，同时可以做到平滑启动，因而得到广泛应用。
但对于不同类型和规格的直流电动机，对启动电阻的级数要求也不尽相同。
关键词：
他励直流电动机；启动电流；串电阻启动；
目录
1.设计方案的分析…………………………………………………1
2.直流电动机………………………………………………………2
2.1直流电动机的工作原理………………………………………2
2.2直流电动机的分类……………………………………………2
2.3他励直流电动机的工作原理…………………………………2
3他励直流电动机的启动…………………………………………4
3.1他励直流电动机串电阻启动原理分析……………………4
3.2直流电动机电枢串电阻起动设计方案……………………5
4.设计总结………………………………………………………8
参考文献……………………………………………………………9
1.设计方案的分析
直流电动机接入电源后，从静止状态上升到稳定运行状态的过程，称为启动过程。
对直流电动机启动时有两条基本要求：
第一，要有足够大的启动转矩Tst（即转速为零时的电磁转矩）,使电动机在负载状态下能够顺利启动，并且启动过程所需时间应尽量缩短；第二，启动电流要尽量小，应限制在换向允许的最大电流以内，保证换向良好。
他励直流电动机启动时，为保证有足够大的启动转矩及启动时转速不过高，应使磁通为额定值，且励磁回路绝对不允许断路。
直接启动时，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，此时由于n=0，Ea=0，所以启动电流Ist=UN/Ra，由于电枢回路总电阻Ra较小，所以Ist可以达到额定电流IN的十几甚至几十倍。
这样大的电流也可以造成电机换向严重不良，产生火花，甚至正、负电刷间出现电弧，烧毁电刷及换向器【1】。
另外，过大的启动电流使启动转矩Tst过大，会使机械撞击，也会引起供电电网电波动，从而引起其他接于同一电网上的电气设备的正常运行【2】，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，启动时间短，可以直接启动，其他直流电机都不允许直接启动。
在拖动装置要求不高的场合下，可以采用降低启动电压或在电枢回路串电阻的方法【3】。
他励直流电动机在电枢回路中串电阻，具有良好的启动特性、较大的启动转矩和较小的启动电流，可以满足生产机械需要的要求。
2.直流电动机
2.1直流电动机的工作原理
图1.1直流电动机的工作原理
图1.1是直流电动机的工作原理图，结构形式与直流发电机相似，不同指出在于：
电枢不用原动机拖动；电刷间不接负载，而接直流电源。
电流从电源正极流入电刷A，经导体ab到cd，从电刷B流出回到电源负极。
由电磁力定律可知，导体ab、cd受力大小为
ƒ=Bli
式中，i为导体中流过的电流A。
由左手定则可判断图1.1所示瞬间导体ab、cd受力方向相反，力ƒ乘以转子半径就是电磁转矩。
若电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩，电枢便逆时针方向旋转起来。
当电枢转过180°时，cd转到N极下，ab转到S极下，电流仍从电刷A流入，经导体dc、ba，由电刷B流出，两根导体上受到的力仍相反，产生的电磁转矩方向不变，仍为逆时针方向。
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1.2他励直流电机工作原理图
3.他励直流电动机的启动
3.1他励直流电动机串电阻启动原理分析
电枢回路串电阻，启动电流为Is=Un/Ra+R，负载转矩TL可知，启动过程中要求电动机的电磁转矩必须大于负载转矩，即T>TL。
根据要求，可确定串接电阻R的大小，这样有了加速转矩后才能启动系统，而加速转矩的大小又必须满足一定的要求。
因此他励直流电动机启动时，必须有足够大的负载转矩，而又不能使启动电流过大，是电动机能在满足要求时安全启动，但随之转速的升高，应逐级切除电阻，否则电枢回路长时间串接电阻，造成不必要的能量损耗。
下面以两级串电阻启动为例来说明启动的步骤和切除电阻的过程。
下图为原理和启动过程中的机械特性变化。
图2-1直流他励电动机分二级起动的电路和特性
串接电阻RK1和RK2启动时，电路的总电阻为R=ra+RK1+RK2，励磁电流和励磁电压，电枢电压为U，保持不变，此时的电动机人为特性为曲线1，由于启动转矩T1大于负载转矩TL,电动机受到加速转矩的作用，转矩由零逐渐上升，电动机开始启动。
在图2-1（b）中，由a点沿着曲线1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，为保持一定的加速转矩，控制触点KM1闭合，将启动电阻Rk1短路后，此时的电枢电路总电阻为R=ra+RK2，b点所对应的电枢电流I2成为切换电流，其对应的电动机的转矩T2成为切换转矩。
这时电动机对应于由电阻Ra2确定的人为机械特性。
在短路启动电阻RK1的瞬间，由于惯性存在电动机的转速不变，仍为nb。
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Rk1的电阻值，使短路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T1>T2,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，再次短路启动电阻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。
T1>T2，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。
3.2直流电动机电枢串电阻起动设计方案
由直流电动机铭牌知数据：
PN=22KW,IN=116.3A,UN=220V,nN=1500r/min。
选定I1→确定R→计算
→选取启动级m→计算各级电阻
3.2.1选择启动电流和切换电流
I1=（2.0～2.5）IN=（2.0～2.5）×116.3A=（232.6-290.7）A
I2=（1.1～1.2）IN=（1.1～1.2）×116.3A=（127.9-139.5）A
取I1=2.2IN=2×116.3A=232.6A
I2=1.2IN=1×116.3A=116.3A
3.2.2求出起切电流比
=
=2
3.2.3求出启动时电枢电路的总电阻Ram
Ram=
=0.95
3.2.4求出启动级数m
取m=3
3.2.5重新计算，校验切换电流或校验切换转矩
=
=1.93
I2=
=120.51A
I2在规定范围之内。
3.2.6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
g点RaI1=UN-Ea3
求得R3=Ram=
=0.9532
R2=0.4717
R1=0.2352
Ra=0.1173
比较以上各式得：
R3/R2=R2/R1=R1/Ra=2.01
3.2.7求出各级启动电阻
输入功率P1=UN×IN=220×116.3W=25586W
总损耗ΔP=P1-PN=25586-22000W=3586W
电枢回路电阻Ra=
=0.1326
Rst1=（β-1）Ra=0.12332
Rst2=（β-1）βRa=βRst1=0.23801
Rst3=（β-1）β2Ra=β2Rst3=0.45935
3.2.8设计控制直流电机串电阻启动的控制电路原理图
4.设计总结
在这次的设计中，更加的让我深入的了解了直流电动机的启动方式的优缺点，直接启动容易造成一定的电机损坏和一些危险，降电压启动过程平稳能量损耗小，易于实现自动化，但是初期投资大，启动设备复杂，要去有单独的可调压直流电源。
而串电阻启动消耗小，设备简单容易操作，因而得到广泛的应用。
同样的对直流电动机的启动转矩大、调速性能好、制动控制方便有了更深一步的了解，明白了既是直流电动机仍有很多地方不如交流电动机但仍能在这一领域有一定的地位。
这学期做电机与拖动的实验时，理论上的知识和实际的应用，自己并不是能够很好的相互结合在一起，尽管完成了课程上的基本操作和理论认证，但仍存在一些不明所以的地方，而通过这次自己设计的串电阻启动，则让我由理论上更深一步的明白了电机启动所需要做的事情，理论和实践相结合，让我更深刻的知道，光学习是没有用的，更需要去实践，而实践却不明白理论会让自己不明不白。
参考文献
[1]李晓竹.电机与拖动[M].徐州：
中国矿业大学出版社.2009.
[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]刘小春.电机与拖动[M].北京:
人民邮电出版社,2010.
[4]宋银宾.电机学与电力拖动技术[M]北京：
冶金工业出版社,1984.
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