直流电机串电阻启动课程设计

- 1 - 一、直流电动机的综述 直流电机可作为电动机用，也可作为发电机用。直流电动机是将直流电转换成机械能的而带动生产机械运转的电器设备。与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，但是它具有良好的启动、调速和制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和启动频繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。 直流电动机的工作原理 如图1-1，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，这是便有电流从电源正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经过电刷B流回电源的负极。在N级下面导线电流是由a到b，根据左手定则可知导线ab受力的方向向左，而cd的受力方向是向右的。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩大于阻转矩是，电动机逆时针旋转。当线圈转过180度时，这是导线的电流方向变为由d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的 ,这样就使得电机一直旋转下去。

图1-1 直流电动机的工作原理图 - 2 -

二、他励直流电动机 1.他励直流电动机机械特性 电动机的机械特性是指电动机的转速与转矩的关系。机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与负载的机械特性，运动方程式

相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。 机械特性中的是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩是不同的，其间差一空载转矩，即

在一般情况下，因为空载转矩相比或很小，所以在一般的工程计

算中可以略去，即 在《电机学》中已知直流电动机的机械特性方程式为

式中R为电枢回路总电阻，包括及电枢回路串联电阻，为理想空载转速记为，记为，为机械特性的斜率。 当，，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。当改变U或或电枢回路串电阻时，其机械特性的或将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。 若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨I、II、IV象限的直线。其中第I象限为电动机运行状态，其 - 3 -

特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速的方向）相同，第II、IV象限为制动运行状态。电动机在制动状态运行，是产生一个与转向相反的阻力矩，以使电机拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态转矩的方向与转速的方向相反，此时电动机从输出轴上吸收机械能并转化为电能反馈回电网或消耗在电阻中。第III象限为反向电动运行。 制动运行的方式分为能耗制动、反接制动和回馈制动。 ⒉他励直流电动机启动条件 直流电动机拖动负载顺利启动的条件是： 1) 启动电流限制在一定范围内，即Ist ≤ IN，  为电机的过载倍数； 2) 足够大的启动转矩，Tst ≥（1.1～1.2）TN ； 3) 启动设备简单、可靠。 由Ist =UN/Ra可知，限制启动电流的措施有两个：一是增加电枢回路电阻，二是降低电源电压，即直流电动机的启动方法有电枢串电阻和降压两种。 3.他励直流电动机的启动 ①直接启动 直接启动是指接通励磁电源后，将电动机的电枢直接投入额定电压的电源上启动。直接启动又称为全压启动。由于启动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势 0nCEea （4-1） - 4 -

则启动电流为 aNaaNstRUREUI （4-2） 由于电枢绕组的电阻Ra很小，所以启动电流很大，可达到额定电流的十几倍。该电流对电网的冲击很大。因而，除了小容量电机可采用直接启动外，对大中、容量的电动机不能直接启动。 ②降电压启动 降低电枢电压启动，即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流 ，电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。这种启动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流小，启动转矩容易控制，启动平稳，启动能耗小，是一种较好的启动方法。 ③电枢串电阻启动 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，同时可以中道平滑快速情动，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。 下面所示直流他励电动机电枢电路串电阻二级启动为例说明启动过程。 启动过程分析： 如图4-1（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，电枢传入了全部附加电阻Rk1+Rk2电枢回路总电阻为Ral=ra+Rk1+Rk2。这时启动电流为： - 5 -

（4-3） 与启动电流所对应的启动转矩为T1。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图4-1（b）中的曲线1所示。 U

Mra

ra2

n0h

ec

ITOTL

IL

I

2

T2

gmfd3

2b

1Ral

α

ra

Ra2

ra1

Km1

K

m2

Rk1

R

k2

+-

（b）特性图（a）电路图图4-1 直流他励电动机分二级启动的电路和特性

根据电力拖动系统的基本运动方程：

（4-4） 式中： T ——电动机的电磁转矩； TL —— 由负载作用所产生的阻转矩； Jdw/dt错误！未找到引用源。 --电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。 由于启动转矩T1大于负载转矩TL,电动机收到加速转矩的作用，转矩有零逐渐上升，电动机开始启动。在图4-1（b）中，由a点沿着曲线1上升，反电动势亦随之上升，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，切除一段启动电阻Rk1后，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。切除RK1 - 6 -

后 ,电枢回路总电阻为Ra2=ra+Rk2。这时电动机对应于由电阻Ra2确定的人为机械特性。在切除启动电阻RK1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为nb，其反电动势亦不变。因此，电枢电流突增，其相应的电动势转矩也突增。适当的选择切除的电阻值Rk1，使切除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，又切除一切启动电阻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，启动过程结束。

在分级启动过程中，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，使得启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启动的要求，前提是选择合适的各级启动电阻。 - 7 -

三、设计内容 由直流电动机铭牌知数据：PN=22KW , IN=116.3A ,UN=220V , nN=1500r/min 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 2)求出起切电流比

=21II=2 3)求出启动时电枢电路的总电阻Ra

Ra=1IUN=0.95

4)求出启动级数m - 8 -

取m=lglgaamrR=3

5)重新计算，校验切换电流或校验切换转矩 =ma1NRIU=1.93

I2=1I=120.51A I2在规定范围之内。 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=1IUN=0.9532

R2=0.4717 R1=0.2352 Ra= 0.1173

比较以上各式得： =1.93 7)求出各级启动电阻 β

IIRRRRR

R

21a11223 - 9 -

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= 231021NNNNIPIU=0.1326 Rst1=(β-1)Ra =0.12332 Rst2=(β-1) βRa=βRst1=0.23801 Rst3=(β-1) β2Ra=β2Rst3=0.45935

8)设计控制直流电机串电阻启动的控制电路原理图