直流电动机电枢串联电阻调速过程设计教学内容

直流电动机电枢串联电阻调速过程设计指导教师评定成绩：审定成绩：湖南交通工程学院课程设计报告设计题目：直流电机的串电阻调速过程设计院系：电气与信息工程系学生姓名：张蕴专业：电气工程及其自动化班级： 14级电气工程及其自动化（1）班学号： 144139240471指导教师：陈海文设计时间： 2017 年 11 月课程设计任务书一、设计题目直流电机的串电阻调速过程设计二、设计任务和要求1.熟练直流电机的机械特性和电气特性；2.根据图片提示，综合运用知识分析直流电机的运行过程；3.计算每个阶段变化过程中的阻值对系统的影响；4.推导出每个速度变化过程中电阻值的公式；5.根据以下直流电动机特性Pn=85KW Uan=380V Ian=176A Nn=1450r/min 欲用电枢串电阻启动，启动级数初步为3级1)选择启动电流I1,切换电流I2和切换电流I32)求出起切电流比3)求出启动时电枢电路的总电阻Ram4)求出启动级数m5)重新计算，校验I2,I36)求出各级总电阻7)求出各级启动电阻8)结论9)提交整个设计报告和测试报告目录一、直流电动机的综述 (4)二、他励直流电动机 (5)三、设计内容 (12)四、结论 (14)五、心得体会 (16)六、参考文献 (17)一、综述直流电动机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。

直流电动机按励磁方式分为永磁、他励和自励3类,其中自励又分为并励、串励和复励3种。

直流电动机 - 特点：(一)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。

(二)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。

直流电动机–工作原理：如上图（a）所示，则有直流电流从电刷 A 流入，经过线圈abcd，从电刷 B 流出，根据电磁力定律，载流导体ab和cd 收到电磁力的作用，其方向可由左手定则判定，两段导体受到的力形成了一个转矩，使得转子逆时针转动。

如果转子转到如上图（b）所示的位置，电刷 A 和换向片2接触，电刷 B 和换向片1接触，直流电流从电刷 A 流入，在线圈中的流动方向是dcba，从电刷 B 流出。

此时载流导体ab和cd受到电磁力的作用方向同样可由左手定则判定，它们产生的转矩仍然使得转子逆时针转动。

这就是直流电动机的工作原理。

外加的电源是直流的，但由于电刷和换向片的作用，在线圈中流过的电流是交流的，其产生的转矩的方向却是不变的。

实用中的直流电动机转子上的绕组也不是由一个线圈构成，同样是由多个线圈连接而成，以减少电动机电磁转矩的波动，绕组形式同发电机。

二、他励直流电动机他励直流电动机由励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电。

在励磁电压U f的作用下，励磁绕组中通过励磁电流I f，从而产生主磁极磁通φ。

在电枢电压U a的作用下，电枢绕组中通过电枢电流I a。

电枢电流与磁场相互作用产生机械以某一转速n运转。

电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E.电动势的方向与电枢电流的方向相反。

2.1 他励直流电动机机械特性2.1.1 他励直流电动机固有特性图2-1他励直流电动机固有特性2.1.2 他励直流电动机人为特性图2-2电枢串电阻起动时的人为特性图2-3降低电枢电压人为特性(U N<U1)2.2 他励直流电动机的起动2.2.1 降低电枢电压起动这种方法需要有一个可改变电压的直流电源专供电枢电路之用。

例如利用直流发电机、晶闸管可控整流电源或直流斩波电源等。

起动时，加上励磁电压U f，保持励磁电流I f为额定值不变，电枢电压U a从零逐渐升高到额定值。

这种起动方法的优点是起动平稳，起动过程中能量损耗小，易于实现自动化。

缺点是初期投资大。

2.2.2 增加电枢电阻起动在实际中，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。

下面以直流他励电动机电枢回路串联电阻二级起动为例说明起动过程。

(1) 启动过程分析如图4(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R K1+R K2 ,电枢回路总电阻为R al =r a +R K1 +R K2。

这是启动电流为 I 1=al R U =21K K a R R r U ++ 与起动电流所对应的起动转矩为T 1。

对应于由电阻所确定的人为机械特性如图4(b)中的曲线1所示。

(a) 电路图 (b) 特性图图4 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 T-T L =Jdtd ω 式中 T ——电动机的电磁转矩；T L ——由负载作用所产生的阻转矩； Jdtd ω——电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。

由于起动转矩T1大于负载转矩T L，电动机受到加速转矩的作用，转速由零逐渐上升，电动机开始起动。

在图4(b)上，由a点沿曲线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，切除一段起动电阻R K1。

b点所对应的电枢电流I2称为切换电流，其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。

切除R K1后，电枢回路总电阻为R a2=r a+R K2。

这时电动机对应于由电阻R a2所确定的人为机械特性，见图4(b)中曲线2。

在切除起动电阻R K1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为n b，其反电动势亦不变。

因此，电枢电流突增，其相应的电动机转矩也突增。

适当地选择所切除的电阻值R K1，使切除R K1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，又切除一切起动电阻R K2。

同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固有机械特性上。

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> T L，沿固有特性加速到g点T=T L，n=n g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(或相应的最大转矩T2)及切换电流I2(或与之相应的切换转矩T2)都是不变的，这样，使得起动过程有较均匀的加速。

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。

下面讨论应该如何计算起动电阻。

(2) 起动电阻的计算 在图4(b)中，对a 点，有I 1=1a R U 即 R a1=1I U 当从曲线1(对应于电枢电路总电阻 R a1=r a + R K1 +R K2)转换得到曲线2(对应于总电阻R a2=r a +R K2)时，亦即从点转换到点时，由于切除电阻R K1进行很快，如忽略电感的影响，可假定n b =n c ，即电动势E b =E c ，这样在点有I 2=1a bR U U - 在c 点I 1=2a c R U U -两式相除，考虑到E b =E c ，得2121a a R R I I = 同样，当从d 点转换到e 点时，得21I I =aa r R 2这样，如图4所示的二级起动时，得2121a a R R I I ==aa r R 2推广到m 级起动的一般情况，得β=2121a a R R I I ==a a r R 2=…=am m a R R )1(-=aamr R 式中λ为最大起动电流I 1与切换电流I 2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。

由此可以推出aa r R 1=m β 式中m 为起动级数。

由上式得 β=m aa r R 1如给定λ ,求m,可将式aa r R 1=m β取对数得 m=βlg lg 1⎪⎭⎫ ⎝⎛a a r R 由式β=2121a a R R I I ==a a r R 2=…=am m a R R )1(-=aamr R 可得每级电枢回路总电阻 R a1=βR a2=m βr a R a2=βR a3=1-m βr a R a(m-1)=βR am =2βr aR am =βr a各级启动电阻为R K1=R a1-R a2 R K2=R a2-R a3 R K3=R a3-R a4R K(m-1)=R a(m-1)-R am R Km =R am -r a起动最大电流I 1及切换电流I 2按生产机械的工艺要求确定，一般 I 1=(1.5~2.0)I NI 2=(1.1~1.2)I N及电动机相应的转矩T 1=(1.5~2.0)I N T 2=(1.1~1.2)I N (3) 计算分级启动电阻，有两种情况：1、启动级数m 未定，初选β→R am =m βr a →求m ，取成整数m →计算β值→计算各级电阻或分断电阻。

2、启动级数m 已定,选定I 1→R m =1I U→计算β值→计算各级电阻或分级电阻。

三、设计内容1）选择启动电流I 1和切换电流I 2I 1=(1.5～2.0)I aN =(1.5～2.0)×497A =(745.5～994)A I 2=(1.5 ～1.2)I aN =(1.1～1.2) ×497A =(546.7～596.4)A 选择I 1=840A ，I 2=560A 。

2）求出起切电流比ββ=21I I =1.5 3）求出启动时电枢电路的总电阻R am R am =1I U aN=0.524Ω （4）求出启动级数mm=βlg lg ⎪⎭⎫ ⎝⎛aam r R =4.76取m=55）重新计算β，校验I 2β=m aam r R =1.47I 2=β1I =571A I 2在规定范围之内。

6）求出各级总电阻R 5=β5r a =1.475⨯0.076Ω=0.52Ω R 4=β4r a =1.474⨯0.076Ω=0.35Ω R 3=β3r a =1.473⨯0.076Ω=0.24Ω R 2=2βr a =1.472⨯0.076Ω=0.16Ω R 1=βr a =1.47⨯0.076Ω=0.11Ω R 0=R a =0.076Ω 7）求出各级启动电阻R st1=R1-R0=(0.11-0.076)Ω=0.034ΩR st2=R2-R1=(0.16-0.11)Ω=0.05ΩR st3=R3-R2=(0.24-0.16)Ω=0.08ΩR st4=R4-R3=(0.35-0.24)Ω=0.11ΩR st5=R5-R4=(0.52-0.35)Ω=0.27Ω四、结论1)额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串起动变阻器的方法起动。