他励直流电动机串电阻三级起动控制设计剖析

《电机与拖动》课程设计
他励直流电动机串电阻三级起动控制设计Separately Excited DC Motor Series Resistance Three Start Control Design
摘要
这篇文章主要解决他励直流电动机串电阻三级起动控制设计问题，设计出可以三级起动的电动机。

本文通过理论设计，实验室检验，再纠正的方法，阐述了他励直流电动机的基本结构，工作原理，得到了他励直流电动机的起动方法，通过得到的结论设计出可以三级起动的他励直流电动机。

关键词他励；直流；电阻；起动；三级
Abstract
This article mainly solves the separately excited DC motor series resistance three starting control design, design can be a level three starting motor. In this paper, through theoretical design, laboratory tests, and the correction method, elaborated separately excited DC motor's basic structure, working principle, got him excited DC motor starting method, the conclusion can be developed through three grade starting of separately excited DC motor.
Keywords ：excitation;DC;resistance;starting; three
目录
1 绪论 (1)
1.1 直流电机基本的结构........................................................................ 错误！未定义书签。

1.1.1 定子............................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1.2 转子............................................................................................. 错误！未定义书签。

1.1.3 励磁方式..................................................................................... 错误！未定义书签。

1.1.4 额定值......................................................................................... 错误！未定义书签。

1.2 直流电动机的工作原理.................................................................... 错误！未定义书签。

1.3 励磁直流电动机的机械特性............................................................ 错误！未定义书签。

1.3.1 固有特性..................................................................................... 错误！未定义书签。

1.3.2 人为特性..................................................................................... 错误！未定义书签。

2 他励直流电动机的起动方法和启动过程............................................... 错误！未定义书签。

2.1 降低电枢电压起动............................................................................ 错误！未定义书签。

2.1 串电阻起动........................................................................................ 错误！未定义书签。

2.1.1 无级起动..................................................................................... 错误！未定义书签。

2.1.1 有级起动..................................................................................... 错误！未定义书签。

3 选择转子串电阻方式，按给定参数计算各级起动电阻值................... 错误！未定义书签。

结论.. (11)
心得 (12)
参考文献 (13)
1 绪论
1.1直流电机的基本结构
图1-1直流电机的结构
1.1.1定子
直流电子的定子有以下几部分组成：
（1）主磁极及原理图中的N和S极。

它由励磁绕组和主磁极铁芯两部分组成。

（2）换向磁极简称换向极。

它是位于主磁极之间的比较小的磁极，也是由铁芯和绕组两部分组成。

铁芯一般用整块钢板加工而成。

换向极绕组与电枢绕组串联。

换向磁极的作用是用来改善换向。

（3）机座用铸钢或钢板制成，是构成直流电机的一部分。

（4）端盖等机座两边各有一个端盖。

1.1.2转子
直流电机转子包括以下几部分：
（1）电枢铁心它由硅钢片叠成，表面有许多均匀分布的槽。

（2）电枢绕组实际的电枢绕组由很多线圈按一定规则连接起来。

绕组嵌放在电枢铁心槽内。

（3）换向器由很多换向片组成，外表呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。

（4）风扇等。

1.1.3励磁方式
按励磁方式的不同，直流电机可分为他励、并励、串励和复励电机四种。

如图1.1.3-1所示，分别给出了四种励磁方式电路图。

（ a ）他励直流电动机（ b ）幷励电动机
（ c ）串励电动机（ d ）复励电动机
图1-1-3-1直流电机按励磁方式分类
1.1.4额定值
（1）额定电压U N
在直流电动机中，U N是指输入电压的额定值。

若是他励电动机，额定电压分为额定电枢电压Ua N和额定励磁电压Uf N。

（2）额定电流IN
在直流电动机中，I N是指输入的额定值，若是他励电动机，额定电流分别为额定电枢电流I aN和额定励磁电流I fN。

（3）额定功率P N
在直流电动机中，P N是输出的机械功率的额定值。

它等于额定输出转矩T2N约定旋转角速度ΩN的乘积，即
P N=T2NΩN=2πT2N n N/60
（4）额定转速n N
额定转速是指电动机在额定状态下运行时的转子转速。

1.2直流电动机的工作原理
图1-2为直流电机的结构原理图。

（a）（b）
图1-2直流电机的工作原理图
图中N和S是一对固定不动的磁极，用以产生所需要的磁场。

如图所示将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，这时便有电流从电源的正极流出，经电刷A流入电枢绕组，然后经电刷B流回电源的负极。

在图1-2（a）所示位置时，线圈ab边在N极下，cd边在S极下，电枢电流沿着a→b→c→d的方向流动。

电枢电流与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则来判断。

这一对电磁力所形成的电磁转矩使电机逆时针方向旋转。

当电枢绕组的ab边转到了S极下，cd边转到了N极下，如果线圈中电流的方向仍然不变，那么作用在这两个线圈边上的电磁力和电磁转矩的方向就会与原来的方向相反，电机便无法旋转。

为此，必须改变电枢绕组中电流方向。

这一任务由连接在线圈两端的铜片和电刷来完成。

如图（b）可看到，由于原来电刷A接触的线圈a端的铜片现已改成与电刷B接触，而原来与电刷B接触的线圈d端的铜片现已改成与电刷A接触，因此电枢绕组中的电流变成沿d→c→b→a的方向流动。

利用左手定则判断出点磁力机电磁转矩的方向仍然使电动机逆时针旋转。

1.3他励直流电动机的机械特性
在他励电动机中，当Ua、Ra和If保持不变，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系称为他励电动机的机械特性。

转速与转矩的关系为：n=Ua/C Eφ-R a T/C E C Tφ 2 =n0-△n=n0-γT
n0为理想空在转速：n0= Ua/C Eφ
△ n是转差率：△n= n0-n=γT
r是机械特性的斜率：γ= R a T/C E C Tφ 2
机械特性的硬度为α=1/γ
斜率γ越小，硬度α越大，机械特性越硬。

1.3.1固有特性
如图所示，由于电枢电阻Ra很小，所以机械特性的斜率γ很小，α很大，固有特性为硬特性。

图1-3-1
1.3.2人为特性
（1）增加电枢电阻时的人为特性
如图所示，串入的电阻越大，人为特性的斜率γ越大，硬度α越小。

图1-3-2-1
（2）降低电枢电压时的人为特性
Ua降低时，n0减小，γ不变，α不变，机械特性平行下移。

如图所示
图1-3-2-2
（3）减小励磁电流时的人为特性
减小励磁电流If，则磁通φ减小，n0增加，γ增加，α减小，如图所示
图1-3-2-3
2他励直流电动机的起动方法和起动过程
直流电动机刚与电源接通的瞬间，转子尚未转动起来时，他励和串励电动机的电枢电流以及并励和复励电动机的输入电流称为起动电流，这时的电磁转矩称为起动转矩。

他励电机起动瞬间，转速n=0，电动势E=0故起动电流Is=Ua/Ra
由于在额定电压下直接起动Ra 很小，所以Is 很大，可达额定电流的10―20倍，这是换向所不允许的，故要使电流在允许范围内方法有两个：降低Ua 和增加Ra 。

2.1降低电枢电压起动
起动时加励磁电压U f ，保持励磁电流I f 为额定值不变，电枢电压Ua 从零逐渐升高至额定值。

这种起动方法的优点是起动平稳，起动中能耗小，易于实现现代化。

缺点是初期投资大。

2.2串电阻起动
串电阻起动就是在起动时将一组起动电阻R 串人电枢回路，以限制起动电流，而当转数上升到额定转数后，再把用开关把电阻从电枢回路中切除。

串电阻起动的优点是起动电流小；缺点是变阻器比较笨重，起动过程中要消耗很多的能量。

2.2.1无极起动
额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的无级起动方法起动。

起动前先把起动变阻器调到最大值，加上励磁电压Uf ，保持励磁电流为额定值不变。

再接通电枢电源，电动机开始起动。

随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除。

起动变阻器的最大电阻值RsT 是多少呢?设起动电流值为Is ，该值不得超过Imax 。

由
于此时S I =ST
a a R R U ，因此求得ST R =S a I U
-a R 。

a R 可以通过实测或者通过铭牌上提供的额
定值进行估算，由于在忽略0T 的情况下，P =e P =a EI ，因此在额定状态下运行时，有a R =
aN
aN
N aN I I P -U 。

由于上式是在忽略0T 情况下得到的，因此用上式估算的a R 比实际值略大。

2.2.2有级起动
额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，有使起动电流不会超过允许值。

现以三级起动为例来说明起动步骤和起动过程。

原理电路和机械特性如下图2.2.2-1所示：
（a ）电路图
（b ）特性图
图2.2.2-1
（1） 起动过程 起动步骤如下：
① 串联起动电阻R ST1、R ST2和R ST3。

起动前开关Q1、 Q2、Q3断开，使得电枢电路中串入电阻R ST1、R ST2和R ST3，加上电枢电路自身电阻a R ，电枢电路的总电阻为2R ：
Ra3=Ra+R ST1+R ST2+R ST3
加上励磁电压Uf ，保持励磁电流If 为额定值不变，然后加上电枢电压Ua ，这时电动
机的机械特性如图中的人为特性Ma 。

由于起动转矩T1远大于负载转矩TL 电动机拖动生产机械特性Ma 由a1向a2点移动。

② 切除起动电阻RST3
当工作点到达a2点，即电磁转矩T 等于切换转矩T2时，合上开关Q3，切除起动电阻RST3，电枢电路的总电阻变为Ra1=Ra+RST1+RST2。

此时的电动机的机械特性变为人为特性Mb ，切除RST3的瞬间，转速来不及改变，工作点由Ma 上的a2点平移到特性Mb 上的b1点，使这时的电磁转矩T 仍为T1，电动机继续加速，工作点沿特性Mb 上的b1点向b2点移动。

③ 切除起动电阻RST2
当工作点到达b2点，即电磁转矩T 又等于切换转矩T2时合上开关Q2切除起动电阻RST2，电枢电路的总电阻变为Ra1=Ra+RST1。

机械特性变为固有特性Mc 。

工作点由b2平移至c1点使得这时的电磁转矩T 正好等于T1，电动机继续加速，工作点沿人为特性Mc 由c1点到c2点。

④ 切除起动电阻RST1
当工作点到达c2点，即电磁转矩T 又等于切换转矩T2时合上开关Q1。

切除起动电阻RST1，电枢电路的总电阻变为Ra0=Ra 。

机械特性变为固有特性Md 。

工作点由c2平移至d1点使得这时的电磁转矩T 正好等于T1，电动机继续加速，工作点沿人为特性Md 由d1点经d2点，最后稳定运行在p 点。

整个起动过程结束. （2）他励直流电动机起动电阻的计算 ① 选择起动电流1I 和切换电流2I ：
I 1=（1.5～2.0）I aN
I 2=(1.1～1.2)I L
② 求出起切电流（转矩）比：β=2
1
I I ③ 确定起动级数m ：
m=βlg R R lg a am =β
lg I R U lg 1
a aN
式中，R am 为m 级起动时的电枢起动总电阻
R am = U aN /I 1=βm R a0=βm R a
βm =R am /R a
④ 重新计算 β，校验 I 2 是否在规定的范围内 若m 是取相近整数，则需重新计算β
β=m
a am R R =m 1
a aN
I R U 根据重新求得的β，重新求出I 2并校验是否在所规定范围内。

若不在规定范围内，需调整
I 1或加大起动级数m ，重新计算β和I 2,直到满足要求为止。

公式推导，即:
b2E = c1E ，b2n =c1n aN U －a1R 2I = aN U －a0R 1I
a1R 2I = a0R 1I a1R =βa0R
同理，由a2n = b1n 可得 ：
a2R =βa1R =2βa0R
对于 m 级起动，有：
am R =m βa0R
⑤求出各级起动电阻：
STi R =(i β-1-i β)a R i=1，2，…，m
3选择转子串电阻起动方式，按给定参数计算各级起动电阻
值
一台Z3系列电动机，已知PN=30kW ，UaN=220V ，IaN=158.6A 。

nN=1000r/min 。

Ra=0.194 （1）选择I1和I2。

I1=（1.5～2.0）IaN=（1.5～2.0）×158.6=（237.9～317.2）A I2=（1.1～1.2）IaN=（1.1～1.2）×158.6=（174.46～190.32）A 选择I1=295A ，I2=180A （2）求出起切电流比β
β=
2
1
I I =1.64 （3）起动级数m
am R =1aN I U =0.75Ω m=β
lg R R lg a am =2.73
取m=3。

（4）重新计算β，校验I 2
β=m
a am R R =1.57Ω 2I =β
1I
=187.90A I 2在规定的范围内。

（5）计算各级起动电阻
RST1=（β-1）Ra=（1.57-1）×0.194Ω=0.111Ω RST2=（β2-β）Ra=（1.572-1.57）×0.194Ω=0.1736Ω RST3=（β3-β2）Ra=（1.573-1.572）×0.194Ω=0.273Ω
他励直流电动机的起动方法：
1 选择起动电流I
1和切换电流I
2
为保证起动转矩T
1对应的电流I
1
不超过最大允许电枢电流Imax应选择I
1
=（1.5～2.0）I
aN
对应的转矩T
1=（1.5～2.0）T
N
为保证一定加速转矩，减少起动时间，一般选择切换转矩T
2=（1.1～1.2）T
N
对应的电流
为I
2=（1.1～1.2）I
L
2求出起切电流比
3确定起动级数
4 若m取相近整数，则重新计算β，并重新求出I
2
，校验是否在规定范围之内。

若不在规
定范围内，则需重新调整I
1或加大起动级数m，重新计算β和I
2
，直到满足条件为止。

5 求出各级电阻
此次的电机与拖动课程设计已经完成，通过这次设计，使我对电机与拖动这门课有了更深层次的理解。

电机是实现能量转换和信号转换的电磁装置。

在课程设计过程中，查阅大量的资料，从中我学到了更多课本中学不到的知识和技能。

从中我有了以下几点收获：（1）有利于我们学习能力的提高。

这里所说的学习能力包括获取资料的能力、理解前人思路的能力、系统设计能力、动手能力、分析排除故障能力、表达能力等很多方面。

（2）有利于我们团队精神的培养。

在课堂之外实际的工作中，我们一般都要与人合作共同完成某一项目，这就非常需要团队精神，而这一点在课堂常规教学中得到的锻炼是很有限的。

在设计中必须互相信任、互相配合、分工合作。

在顺境时小组成员要相互提醒保持冷静，逆境时要相互鼓励共度难关，出现问题时不能相互埋怨。

这些与课堂教学强调独立性是有明显区别的。

（3）有利于我们心理素质的锻炼。

课程设计时间决定了设计结果的产生会有很大的不确定性，一个极其偶然的失误都会导致最终的不理想结果，因此需要参赛者具备良好的心理素质，全心全意投入紧张激烈的设计，并且以一颗平常心面对最终的结果。

参考文献
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[6]《电机与拖动》，杨天明编著，中国林业出版社出版社，2008
[7]《电机与拖动基础》，杨文焕编著，西安电子科技大学出版社，2008
[8]《电机与拖动》，戴文进编著，清华大学出版社，2008。