電機與拖動課程設計--他勵直流電動機的啟動

1、<p>　　《電機與拖動》課程設計 </p><p>　　設 計 題 目： 他勵直流電動機的啟動 </p><p>　　院（系、部）： 電氣與控制工程學院 </p><p>　　專 業(yè) 班 級： </p><p>　　姓 名：

2、 </p><p>　　學 號： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　進一步鞏固和加深“電機與拖動”課程的基礎知識，綜合運用“電機與拖動”課程理論及生產(chǎn)實際知識去分析和解決直流電動機啟動的一些問題，進行電機設計的訓練。</p><p&

3、gt;　　通過計算和繪圖，學會運用標準，規(guī)范的手冊，圖冊和查閱有關的資料等，培養(yǎng)電機設計的基本技能。</p><p>　　培養(yǎng)獨立的思維和動手能力。</p><p>　　關鍵詞：啟動;機械特性;他勵;電阻</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 引言1</b>

4、;</p><p>　　2 直流電動機的構造1</p><p><b>　　2.1定子部分1</b></p><p><b>　　2.2轉(zhuǎn)子部分2</b></p><p>　　3 直流電動機的工作原理2</p><p>　　4 直流電動機的分類3</p>

5、<p>　　5 他勵直流電動機的機械特性3</p><p>　　5.1固有機械特性4</p><p>　　5.2電樞串接電阻的人為機械特性4</p><p>　　5.3 改變電壓時的人為機械特性4</p><p>　　5.4 減弱磁通時的人為機械特性5</p><p>　　6 他勵直流電動機的啟

6、動5</p><p><b>　　6.1啟動方法5</b></p><p>　　6.2電樞回路串電阻啟動5</p><p><b>　　7 設計方案7</b></p><p><b>　　8 結論9</b></p><p><b>　

7、　參考文獻11</b></p><p><b>　　1 引言</b></p><p>　　直流電動機（direct current machine）是指能將直流電能轉(zhuǎn)換成機械能的電機。當它作電動機運行時是直流電動機，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。</p><p>　　他勵直流電動機在啟動瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，電動勢E=0，由電樞電流方程式（1-

8、1）可知，啟動電流如式（1-2）所示。在額定電壓下直接啟動時，由于Ra很小，IS很大，一般可達電樞電流額定值的10~20倍。這樣大的電流是換向所不允許的。同時由式（1-3）可知，啟動轉(zhuǎn)矩也能達到額定轉(zhuǎn)矩的10~20倍。雖然啟動轉(zhuǎn)矩大可以使電機加速快，但是過大的啟動轉(zhuǎn)矩會使電動機和它所拖動的生產(chǎn)機械遭受突然的巨大沖擊，以致?lián)p壞傳動機構（如齒輪）和生產(chǎn)機械。由此可見，除了額定功率在數(shù)百瓦以下的微型直流電動機，因電樞繞組導線細、電樞電阻Ra大

9、、轉(zhuǎn)動慣量又比較小，可以直接啟動外，一般的直流電動機是不允許采用直接啟動的。</p><p><b>　　（1-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　因此，必須將啟動電流限制在運行范圍之

10、內(nèi)。由式（1-2）可以看出，方法有兩個：降低電樞電壓Ua和增加電樞電阻Ra。</p><p>　　2 直流電動機的構造</p><p>　　直流電動機主要由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定子與轉(zhuǎn)子之間有空隙.稱為氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場和對電機的機械支撐，主要由機座、主磁極、換向極、端蓋、電刷裝置等部件組成。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應電樞感應電勢或電磁轉(zhuǎn)矩，主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向

11、器、轉(zhuǎn)軸、風扇等部件組成。</p><p><b>　　2.1定子部分</b></p><p><b>　　主磁極。</b></p><p>　　主磁極用來產(chǎn)生氣隙磁場并在電樞表面外的氣隙空間里產(chǎn)生一定形狀分布的氣隙磁密。主磁極由主極鐵芯和勵磁線圈組成，主極鐵芯由1～1.5mm厚的低碳鋼板沖成一定形狀，然后疊壓用鉚釘鉚在一

12、起，上面套上事先繞制好的勵磁線圈，整個磁極用螺釘固定在機座內(nèi)表面上。</p><p><b>　　換向極。</b></p><p>　　換向極是用來改善直流電機的換向性能。換向極是由換向極鐵芯和套在鐵芯上的換向極繞組組成。大容量直流電機換向極鐵芯由薄鋼板疊成，中小容量直流電機換向極由整塊鋼構成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)，換向極裝在相鄰兩個主磁極之間，用螺釘固定在機座上

13、。</p><p><b>　　機座。</b></p><p>　　機座一方面用來固定主磁極、換向極和端蓋等部件，并借助于底腳將電機固定在基礎上，起機械支撐作用；另一方面它還是電機主磁路的一部分，叫定子磁軛，起導磁作用，機座一般用導磁性能較好的鑄鋼或厚鋼片焊接而成。</p><p><b>　　電刷裝置。</b></

14、p><p>　　電刷裝置是使固定的電刷與旋轉(zhuǎn)的換向器保持滑動接觸，將電樞電路與外電路接通，使電流經(jīng)電刷輸入電樞或從電樞輸出。它由電刷、刷握、刷桿和刷桿座等組成。電刷放在電刷盒里，用彈簧壓在換向器外表面上，同時用銅絲辮將電流自電刷引向刷握。刷握固定在刷桿上，刷桿則裝在刷桿座上，并且使二者之間具有良好的絕緣。刷桿數(shù)通常與主磁極極數(shù)相同。各電刷桿在換向器外表面上沿圓周方向均勻分布。</p><p>

15、<b>　　2.2轉(zhuǎn)子部分</b></p><p><b>　　電樞鐵芯</b></p><p>　　電樞鐵心的作用是用來嵌放電樞繞組和通過主磁通。當電樞旋轉(zhuǎn)時鐵心中的磁通方向會發(fā)生變化會在鐵心中引起渦流和磁滯損耗。為了減少這部分損耗通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成。每張沖片沖有嵌放繞組的槽和一些軸向通風孔疊壓好的電

16、樞鐵心安裝在轉(zhuǎn)軸上。</p><p><b>　　電樞繞組。</b></p><p>　　電樞鐵心的作用是用來嵌放電樞繞組和通過主磁通。當電樞旋轉(zhuǎn)時鐵心中的磁通方向會發(fā)生變化會在鐵心中引起渦流和磁滯損耗。為了減少這部分損耗通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成。每張沖片沖有嵌放繞組的槽和一些軸向通風孔疊壓好的電樞鐵心安裝在轉(zhuǎn)軸上。</p&

17、gt;<p><b>　　換向器。</b></p><p>　　電樞鐵心的作用是用來嵌放電樞繞組和通過主磁通。當電樞旋轉(zhuǎn)時鐵心中的磁通方向會發(fā)生變化會在鐵心中引起渦流和磁滯損耗。為了減少這部分損耗通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片沖片疊壓而成。每張沖片沖有嵌放繞組的槽和一些軸向通風孔疊壓好的電樞鐵心安裝在轉(zhuǎn)軸上。</p><p>　　3

18、直流電動機的工作原理</p><p>　　圖3-1直流電動機的工作原理圖</p><p>　　如圖（1）所示，電樞繞組通過電刷接到直流電源上，繞組的轉(zhuǎn)軸與機械負載相連，這時便有電流從電源的正極流出，經(jīng)電刷A流入電樞繞組，然后經(jīng)電刷B流回電源的負極。在圖（a）所示位置,在N級下面導線電流是由a到b,根據(jù)左手定則可知導線ab受力的方向向左,而導線cd受力的方向是向右的。當兩個電磁力對轉(zhuǎn)軸所形成

19、的電磁轉(zhuǎn)矩大于磁阻轉(zhuǎn)矩時,電動機逆時針旋轉(zhuǎn)。當線圈轉(zhuǎn)過180度時,這時導線的電流方向已改變?yōu)橛蒬到c和b到a,因此電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍然是逆時針的。這樣，就使得電機一直旋轉(zhuǎn)下去。</p><p>　　4 直流電動機的分類</p><p>　　按勵磁方式的不同，直流電機可以分為他勵、并勵、串勵和復勵電機四種。</p><p>　　圖4-1直流電機按勵磁方式的分類 <

20、/p><p>　　5 他勵直流電動機的機械特性</p><p>　　在他勵電動機中，,,保持不變時，電動機的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關系稱為他勵電動機的機械特性。根據(jù)公式： </p><p><b>　?。?-1）</b></p><p><b>　?。?-2）</b></p><p

21、><b>　?。?-3）</b></p><p>　　可得，他勵電動機的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間有如下關系</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　當U、R、為常數(shù)時，為一條向下傾斜的直線，如圖3所示。</p><p>　　圖5-1 他勵電動機的固有特性</p>

22、<p><b>　　其中 </b></p><p><b>　　（5-5）</b></p><p><b>　　稱為理想空載轉(zhuǎn)速</b></p><p><b>　?。?-6）</b></p><p>　　稱為機械特傾性的斜率，大小反映

23、軟特性與硬特性</p><p><b>　?。?-7）</b></p><p><b>　　稱為負載時的轉(zhuǎn)速降</b></p><p>　　由于電樞電路電阻Ra很小,所以機械特性的斜率很小,硬度很大,固有特性為硬特性</p><p><b>　　5.1固有機械特性</b><

24、;/p><p>　　、、電樞回路不串電阻時的機械特性。</p><p><b>　　其方程式</b></p><p><b>　?。?-8）</b></p><p>　　由于較小，特性的斜率β小，所以他勵直流電動機的固有機械特性是一條稍稍向下傾斜的直線，如圖2—5所示，稱為硬特性，其額定轉(zhuǎn)速變化率<

25、;/p><p><b>　　（5-9）</b></p><p><b>　　一般為10%左右。</b></p><p>　　5.2電樞串接電阻的人為機械特性</p><p>　　在他勵直流電動機的電樞電路中串入附加電阻RΩ,這時U=Un,Φ=Φn,R=Ra+RΩ機械特性方程為</p>&l

26、t;p><b>　?。?-10）</b></p><p>　　由于電動機的電壓和磁通保持不變，所以電動機空載轉(zhuǎn)速不變。轉(zhuǎn)速降與斜率則與電樞電路總電阻成正比，這說明電動機的機械特性隨串聯(lián)電阻增大而變軟。機械特性是一組通過理想空載點的直線簇。這種特性可以用。</p><p>　　5.3 改變電壓時的人為機械特性</p><p>　　，，改變電

27、壓時的機械特性方程式為</p><p><b>　?。?-11）</b></p><p>　　特性的斜率不變，與U成正比變化。</p><p>　　5.4 減弱磁通時的人為機械特性</p><p><b>　　（5-12）</b></p><p><b>　　來改善

28、啟動性能。</b></p><p>　　6 他勵直流電動機的啟動</p><p>　　要正確使用電動機，首先碰到的問題是怎么使它啟動？所謂直流電動機的啟動，是指直流電動機接通電源后，轉(zhuǎn)速由n=0升到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速nl的全過程。要使電動機的啟動過程合理，要考慮的問題包括：①啟動電流Ist的大?。虎趩愚D(zhuǎn)矩Tst的大??；③啟動時間的長短；④啟動過程是否平滑，即加速度是否均勻；⑤啟動過程的

29、能量損耗；⑥啟動設備的簡單可靠。其中，啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩是主要的。</p><p><b>　　6.1啟動方法</b></p><p>　　直流電動機的啟動包括直接啟動、降壓啟動和電樞回路串電阻啟動。</p><p>　　6.2電樞回路串電阻啟動</p><p>　　電樞回路串接電阻，啟動電流為Is=Un/Ra+R,負載

30、轉(zhuǎn)矩TL可知,啟動過程中要求電動機的電磁轉(zhuǎn)矩必須大于負載轉(zhuǎn)矩,即T>TL。根據(jù)要求，可確定串接電阻R的大小，這樣有了加速轉(zhuǎn)矩后才能使系統(tǒng)啟動，而加速轉(zhuǎn)矩的大小又必須滿足生產(chǎn)工藝對加速度的要求。因此他勵直流電動機啟動時，必須有足夠大的負載轉(zhuǎn)矩，又不使啟動電流過大，使電動機在滿足生產(chǎn)工藝要求的前提下安全啟動，但隨著轉(zhuǎn)速的升高，應逐級切除電阻，否則電樞回路長期串接較大電阻，將引起較大的能量損耗。</p><p>

31、　　額定功率較小的電動機可采用在電樞電路內(nèi)串聯(lián)起動變阻器的方法起動。起動前先把起動變阻器調(diào)到最大值，加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變。再接通電樞電源，電機開始起動。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小起動變阻器的電阻，直到全部切除。</p><p>　　額定功率較大的電動機一般采用分級起動的方法以保證起動過程中既有比較大的起動轉(zhuǎn)矩，有使起動電流不會超過允許值?，F(xiàn)以兩級起動為例來說明起動步驟和起動過程。原理電路和機械特性

32、如下圖所示</p><p>　　電路圖 特性圖</p><p>　　圖6-1 他勵電動機電樞串電阻分級起動</p><p><b>　　起動過程</b></p><p><b>　　起動步驟如下：</b></p

33、><p><b>　　串聯(lián)起動電阻</b></p><p>　　，加上電樞電路自身電阻，電樞電路的總電阻為</p><p>　　=++ (6-1)</p><p>　　加上勵磁電壓，保持勵磁電流為額定值不變，然后加上電樞電壓，這時電動機的機械特性如圖中的人為特性a。由于起動轉(zhuǎn)矩遠

34、大于負載轉(zhuǎn)矩TL 電動機拖動生產(chǎn)機械特性a由a1向a2點移動。</p><p><b>　　切除起動電阻</b></p><p>　　當工作點到達a2點，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T2時，合上開關S2，切除啟動電阻Rst2，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　R1=Ra+Rst1

35、 (6-2)</p><p>　　這時電動機的機械特性變?yōu)槿藶樘匦詁，切除Rst2的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及改變，工作點由a上的a2點平移到特性b上的b1點，使這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍等于T1，電動機繼續(xù)加速，工作點沿特性b由b1點向b2點移動。</p><p><b>　　切除起動電阻</b></p><p>　　當工作點到達點，即電

36、磁轉(zhuǎn)矩T又等于切換轉(zhuǎn)矩T2時，合上開關S1，切除啟動電阻Rst1，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p><p>　　R2=Ra (6-3)</p><p>　　機械特性變?yōu)楣逃刑匦詂。工作點由b2點平移至c1點，使得這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍正好等于T1，電動機繼續(xù)加速，工作點沿人為特性c由c1點經(jīng)c2點，最后穩(wěn)定運行在p點。整個啟動過程結束。&

37、lt;/p><p>　　他勵直流電動機起動電阻的計算</p><p>　　以圖2-10為例，取或，,一般要經(jīng)過多次調(diào)整，才能繪出圖2－10b所示特性圖，由此圖可以推導得計算分級電阻數(shù)值的公式。</p><p>　　nb=nc,，故有Eb=Ec, 在b點：</p><p><b>　　(6-4)</b></p>

38、<p>　　在C點 ： (6-5)</p><p><b>　　(6-6)</b></p><p>　　同樣,由D點和E點，可得：</p><p><b>　　(6-7)</b>

39、</p><p><b>　　故有兩級起動時：</b></p><p><b>　　(6-8)</b></p><p><b>　　推廣到m級：</b></p><p><b>　　(6-9)</b></p><p>　　設，稱為起

40、動電流比（起動轉(zhuǎn)矩比），則得各級電樞電路總電阻的計算公式：</p><p><b>　　(6-10)</b></p><p>　　可見 </p><p><b>　　(6-11)</b></p><p><b>　　如果給定，需求，則</b><

41、/p><p><b>　　(6-12)</b></p><p>　　如需求分段電阻值，有前面公式可得</p><p><b>　　(6-13)</b></p><p>　　計算分級起動電阻，有兩種情況：</p><p>　　1. 起動級數(shù)m未定： 初選求m，整成整數(shù)m計算值計算各

42、級電阻或分段電阻。</p><p>　　2. 起動級數(shù)m已定，選定計算值計算各級電阻或分段電阻。</p><p><b>　　7 設計方案</b></p><p>　?。?）選擇啟動電流I1和切換電流I2</p><p>　　=(172.5~230)A=200A</p><p>　?。?）求出啟動

43、電流比β</p><p><b>　　=1.5</b></p><p>　?。?）求出電動機的電樞電路電阻Ra</p><p>　?。?）求出啟動時的電樞總電阻Rm</p><p>　?。?）求出啟動級數(shù)m</p><p><b>　　m=5</b></p>

44、<p>　?、拗匦掠嬎悝?校驗I2是否在規(guī)定范圍內(nèi)</p><p>　　若m是取相近整數(shù),則需重新計算β</p><p>　　再根據(jù)得出的β重新求出，并校驗是否在規(guī)定范圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大起動級數(shù)m,重新計算β和,直到滿足要求為止。</p><p><b>　　=1.51</b></p><p>&l

45、t;b>　　I2=130A</b></p><p><b>　　I2在規(guī)定范圍內(nèi)</b></p><p><b>　　求出各級總電阻</b></p><p><b>　　由此可得：</b></p><p><b>　?、嗲蟪龈骷壠饎与娮?lt;/b&

46、gt;</p><p><b>　　8 結論</b></p><p>　　他勵直流電動機串電阻啟動計算方法</p><p>　?、龠x擇啟動電流I1和切換電流I2</p><p><b>　　對應的啟動轉(zhuǎn)矩</b></p><p><b>　　對應的切換轉(zhuǎn)矩</

47、b></p><p><b>　　對應的切換電流</b></p><p>　?、谇蟪銎鹎须娏?轉(zhuǎn)矩)比β</p><p>　?、矍蟪鲭妱訖C的電樞電路電阻Ra</p><p><b>　　在額定狀態(tài)下運行時</b></p><p>　?、芮蟪鰡訒r的電樞總電阻Rm<

48、/p><p><b>　?、萸蟪鰡蛹墧?shù)m</b></p><p>　　⑥重新計算β,校驗I2是否在規(guī)定范圍內(nèi)</p><p>　　若m是取相近整數(shù),則需重新計算β</p><p>　　再根據(jù)得出的β重新求出，并校驗是否在規(guī)定范圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大起動級數(shù)m,重新計算β和,直到滿足要求為止。</p>

49、<p><b>　?、咔蟪龈骷壙傠娮?lt;/b></p><p><b>　　⑧求出各級起動電阻</b></p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 唐介.電機與拖動.北京:高等教育出版社.2003年</p><p>　　[2] 劉啟新.

50、電機與拖動基礎.北京:中國電力出版社.2005</p><p>　　[3] 顧繩谷.電機及拖動基礎.北京:機械工業(yè)出版社.2004</p><p>　　[4] 湯蘊.電機學.西安:西安交通大學出版社 .1993 </p><p>　　[5] 秦曾煌.電工學.北京:高等教育出版社.2004</p><p>　　[6] 趙明生.電器工程師