直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)

1、直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)1 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)由靜止的定子和旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子兩大部分組成。定轉(zhuǎn)子之間有一定的間隙，稱為氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)和對(duì)電機(jī)的支撐，主要由主磁極，換向極，機(jī)座，端蓋，電刷裝置等部件組成。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或者電磁轉(zhuǎn)矩，主要由電樞鐵心，電樞繞組，換向器，轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等部件組成，如圖1-1。圖11 直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖直流電機(jī)的額定值一般都標(biāo)注在銘牌上，銘牌固定在機(jī)座的外表面上。額定值是用戶選擇和用好電機(jī)的重要依據(jù)，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)有:(1)額定功率 ；（2）額定電壓；（3）額定電流；（4）額定轉(zhuǎn)速；（5）勵(lì)磁方式和額定勵(lì)磁電流。還有的

2、額定值比如額定效率，額定轉(zhuǎn)矩和額定溫度等不一定都在銘牌上標(biāo)注出來。2 直流電機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理用一句話來概括：帶電導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，繼而帶動(dòng)負(fù)載轉(zhuǎn)動(dòng)。具體分析如下，如圖1-2。圖21 直流電機(jī)的工作原理圖電流從電源正極流入電刷A經(jīng)過導(dǎo)體ab到cd從電刷B流出回到電源負(fù)極。由電磁力定律可知導(dǎo)體ab，cd受力的大小為，式中i為導(dǎo)體中流過的電流。由左手定則可判斷瞬間導(dǎo)體ab，cd受力方向相反，力f乘以轉(zhuǎn)子的半徑就是電磁轉(zhuǎn)矩，若電磁轉(zhuǎn)矩能夠克服電樞上的阻轉(zhuǎn)矩，電樞便逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)起來了。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180°時(shí)，cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下，電流仍然從電刷A流入，經(jīng)過導(dǎo)

3、體dcba，由電刷B流出，兩導(dǎo)體上受力仍然相反，產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向不變?nèi)匀粸槟鏁r(shí)針方向。3 直流電動(dòng)機(jī)的基本理論3.1 直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)（1）電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；（2）為電勢(shì)常數(shù)，為每極磁通，n為轉(zhuǎn)速，對(duì)于成品直流電機(jī)，電樞感應(yīng)電勢(shì)與每極磁通和轉(zhuǎn)速的乘積成正比。（3）電磁轉(zhuǎn)矩。 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，為每極磁通，為電樞電流，對(duì)成品電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩的大小與每極磁通與電樞電流的乘積成正比。若每極磁通的單位為Wb，電流的單位為A，側(cè)電磁轉(zhuǎn)矩單位為電磁轉(zhuǎn)矩的大小與每級(jí)磁通和轉(zhuǎn)速n的乘積成正比。比較電勢(shì)常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)可得二者關(guān)系為， 。3.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式電樞回路電勢(shì)平衡方程式為：式中，為電樞回路總電

4、阻，它包括電樞繞組電阻、換向極繞組電阻、補(bǔ)償繞組電阻、電刷與換向器表面的接觸電阻等。勵(lì)磁回路中，對(duì)他勵(lì)或并勵(lì)電動(dòng)機(jī)有式中，在他勵(lì)時(shí)為給定值，在并勵(lì)時(shí)為；為勵(lì)磁回路總電阻。直流電動(dòng)機(jī)以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，作用在電樞上的磚具有三個(gè)：一個(gè)是電磁轉(zhuǎn)矩，是拖動(dòng)性質(zhì)的；一個(gè)是轉(zhuǎn)軸上的輸出轉(zhuǎn)矩，是制動(dòng)性質(zhì)的；還有一個(gè)是電機(jī)的機(jī)械摩擦、鐵芯損耗等引起的轉(zhuǎn)矩,因?yàn)檗D(zhuǎn)矩空載時(shí)也存在（只是大小略有變化），因此把它稱為空載轉(zhuǎn)矩，是制動(dòng)性質(zhì)的。由能量守恒原理得轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：由以上分析可得直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行的基本方程式如下4 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中，當(dāng)，和保持不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系

5、稱為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間有，如下關(guān)系：式中，式電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速，其值為：時(shí)轉(zhuǎn)速差，其值為是機(jī)械特性的斜率，其值為=機(jī)械特性的硬度為斜率越小，硬度越大，機(jī)械特性越硬。當(dāng)和保持為額定值，而且電樞電路中無外接電阻時(shí)的機(jī)械特性稱為固有特性，否則稱為人為特性。4.1 固有特性由他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系式得到他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有特性如圖所示。由于電樞電路電阻很小，所以機(jī)械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性為硬特性。圖31 直流電機(jī)的固有特性固有特性上的N點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的額定狀態(tài)。這使電動(dòng)機(jī)的電壓、電流、功率和轉(zhuǎn)速都等于額定值。額定狀態(tài)說明了電動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)期運(yùn)行能力

6、。固有特性上的M點(diǎn)對(duì)應(yīng)于電動(dòng)機(jī)的臨界狀態(tài)。這時(shí)的電樞電流Ia等于換向所允許的最大電樞電流。對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩是電動(dòng)機(jī)所允許的最大轉(zhuǎn)矩。臨界狀態(tài)說明了電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力。直流電動(dòng)機(jī)的短時(shí)過載能力可用表示。4.2 人為特性4.2.1 增加電樞電路電阻時(shí)的人為特性若在電樞電路中串入一外接電阻，相當(dāng)于將式中的電樞電路電阻增加。這時(shí)理想空載轉(zhuǎn)速不變，增加，機(jī)械特性硬度減小，機(jī)械特性如圖所示。傳入的電阻越大，人為特性的斜率越大，硬度減小。圖41 增加電樞電路電阻時(shí)的人為特性4.2.2 降低電樞電壓時(shí)的人為特性圖42 降低電樞電壓時(shí)的人為特性降低時(shí)，減小，不變，不變，人為特性如圖所示，機(jī)械特性向下平移。4.2.3

7、 減小勵(lì)磁電流時(shí)的人為特性圖43 減小勵(lì)磁電流時(shí)的人為特性減小勵(lì)磁電流，側(cè)磁通減小，n增加，增加，減小，人為特性如43圖所示。5 他勵(lì)直流電機(jī)的啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)剛與電源接通的瞬間，轉(zhuǎn)子尚未轉(zhuǎn)動(dòng)起來時(shí)，他勵(lì)和串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電流以及并勵(lì)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的輸入電流稱為起動(dòng)電流，這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)瞬間，轉(zhuǎn)速n=0，電動(dòng)勢(shì)E=0，由式，=0時(shí)可知，起動(dòng)電流在額定電壓下直接起動(dòng)時(shí)，由于很小，很大，一般可達(dá)電樞電流額定值的1020倍。這樣大的電流是換向所不允許的。同時(shí)有式可知，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也能達(dá)到額定轉(zhuǎn)矩的1020倍。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩過大會(huì)使電動(dòng)機(jī)和它所拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械遭受突然的巨大沖擊，以至損壞傳

8、動(dòng)機(jī)構(gòu)（如齒輪）和生產(chǎn)機(jī)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(dòng)機(jī)，因電樞繞組導(dǎo)線細(xì)、電樞電阻大、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量又比較小、可以直接起動(dòng)外，一般的直流電動(dòng)機(jī)是不允許直接啟動(dòng)的。為此，必須將起動(dòng)電流限制在允許范圍之內(nèi)。由式可以看出，方法有兩個(gè)：降低和增加。5.1 降低電樞電壓起動(dòng)此方法需要有一個(gè)可以改變電壓的直流電源專供電樞電路之用。例如利用直流發(fā)電機(jī)、晶閘管可控整流電源或直流斬波電源等。起動(dòng)時(shí)，加上勵(lì)磁電壓，保持勵(lì)磁電流為額定值不變，電樞電壓從零逐漸升高到額定值。這種起動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)過程中能量損耗小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，缺點(diǎn)是初期投資大。5.2 增加電樞電阻起動(dòng)5.2.1 無級(jí)起

9、動(dòng)額定功率較小的電動(dòng)機(jī)可采用在電樞內(nèi)串聯(lián)起動(dòng)變阻器的無級(jí)起動(dòng)方法起動(dòng)。起動(dòng)前先把起動(dòng)電阻調(diào)到最大值，再加上勵(lì)磁電壓，保持勵(lì)磁電流為額定值不變。在接通點(diǎn)數(shù)電源，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小起動(dòng)班組氣的電阻，直到全部切除。起動(dòng)變阻器的最大阻值為，設(shè)要求的起動(dòng)電流值為Is，該值不得超過，由于這時(shí)因此求得 可以通過實(shí)測(cè)或者通過銘牌上提供的額定值進(jìn)行估算，由于在忽略的情況下，因此，在額定轉(zhuǎn)態(tài)下運(yùn)行時(shí)，由欲與上市是在忽略的情況下得到的，因此用上式估算出的值要比實(shí)際值略大一些。5.2.2 有級(jí)起動(dòng)額定功率較大的電動(dòng)機(jī)一般采用有級(jí)（分級(jí)）起動(dòng)的方法以保證起動(dòng)過程中既有比較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又使起動(dòng)電流

10、不會(huì)超過允許值?，F(xiàn)以兩級(jí)起動(dòng)為例來說明起動(dòng)步驟和起動(dòng)過程。原理電路和機(jī)械特性如圖所示圖51 6 起動(dòng)過程分析6.1 串聯(lián)起動(dòng)電阻和起動(dòng)。起動(dòng)前開關(guān)Q1和Q2斷開，使得電樞電路中串入電阻和，加上電樞電路自身的電阻，電樞電路的總電阻為加上勵(lì)磁電壓，保持勵(lì)磁電流為額定值不變，然后加上電樞電壓，這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為圖中的人為特性。由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械開始動(dòng)，工作點(diǎn)沿人為特性曲線由a1點(diǎn)向a2點(diǎn)移動(dòng)。6.2 切除起動(dòng)電阻當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)a2點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T2時(shí)，合上開關(guān)Q2，切除起動(dòng)電阻，電樞電路的總電阻為這時(shí)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)槿藶樘匦?，切除的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及改變

11、，工作點(diǎn)由特性上的a2點(diǎn)平移到特性上的b1點(diǎn)，使這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩T仍為T1，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿特性由b1點(diǎn)向b2點(diǎn)移動(dòng)。6.3 切除起動(dòng)電阻當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)b2點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T又等于切換轉(zhuǎn)矩T2時(shí)，合上開關(guān)Q1，切除起動(dòng)電阻，電樞電路的總電阻變?yōu)闄C(jī)械特性變?yōu)楣逃刑匦?工作點(diǎn)由b2點(diǎn)平移至c1點(diǎn)，使得這時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩T仍正好等于T1，電動(dòng)機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿固有特性由c1點(diǎn)經(jīng)c2點(diǎn)，最后穩(wěn)定運(yùn)行在p點(diǎn)。整個(gè)起動(dòng)過程結(jié)束。6.4 起動(dòng)電阻的計(jì)算6.4.1 選擇啟動(dòng)電流和切換電流為保證與起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1對(duì)應(yīng)的起動(dòng)電流不會(huì)超過允許的最大電樞電流，選擇對(duì)應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，減少起動(dòng)時(shí)間，一般選擇

12、切換轉(zhuǎn)矩為若未知，可用代替。對(duì)應(yīng)的切換電流為是與對(duì)應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電樞電流。若未知，可用代替求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比6.4.2 確定起動(dòng)級(jí)數(shù)m的計(jì)算公式為式中，為m級(jí)起動(dòng)時(shí)的電樞起動(dòng)總電阻該公式的推導(dǎo)過程如下：由于，故，即由于，故，即可見，若為級(jí)起動(dòng)，則起動(dòng)時(shí)的電樞總電阻為兩邊取對(duì)數(shù)得到若求得的m不是整數(shù)，可取相近證書。若m已知，上述步驟中除求外，其余都可省略6.4.3 重新計(jì)算，校驗(yàn)是否在規(guī)定的范圍內(nèi)若是取相近整數(shù)，則需重新計(jì)算。由式可知計(jì)算的公式為根據(jù)重新求得的由式重新求出，并校驗(yàn)是否在所規(guī)定的范圍內(nèi)。若不在規(guī)定的范圍內(nèi)，需要調(diào)整或加大起動(dòng)級(jí)數(shù)，重新計(jì)算和，直到滿足要求為止求出各級(jí)起動(dòng)電阻.根據(jù)前面

13、的分析可知，計(jì)算各級(jí)起動(dòng)電阻的一般公式為。例一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，=3Kw，當(dāng)額定負(fù)載時(shí)，電樞電流為17A，電樞電路銅損耗站點(diǎn)及總損耗的一半?，F(xiàn)采用電樞回路串接變阻器起動(dòng)，設(shè)定起動(dòng)電流上下限為。求起動(dòng)變阻器的級(jí)數(shù)及每級(jí)的電阻值。解： 即接入電網(wǎng)時(shí)，電流第一次沖擊達(dá)到值時(shí)，n=0，起動(dòng)變阻器電阻總值為隨著n上升，電流減至?xí)r的電勢(shì)為此時(shí)切除第一級(jí)電阻，起動(dòng)變阻器電阻總值變?yōu)橥?，隨著n繼續(xù)上升，電流減至?xí)r的電勢(shì)為此時(shí)切除第二級(jí)電阻，起動(dòng)變阻器電阻總值變?yōu)樗?，該起?dòng)變阻器分為兩級(jí)，每級(jí)阻值分別為串接變阻器啟動(dòng)所需要設(shè)備少，故廣泛用于各種直流電動(dòng)機(jī)中。但對(duì)大容量電動(dòng)機(jī)，變阻器極為笨重，且頻繁起動(dòng)時(shí)電能

14、小好多。7 結(jié)論直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)的時(shí)候，轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為零，導(dǎo)致起動(dòng)電流很大，不僅會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生很大危害，而且對(duì)負(fù)載也會(huì)形成較大沖擊。在解決這個(gè)問題的時(shí)候，采用了技術(shù)比較成熟的串電阻器起動(dòng)的方式進(jìn)行起動(dòng)。起動(dòng)后，再將電阻一一進(jìn)行切除。給出他勵(lì)直流電機(jī)在不同功率等參數(shù)下，所需要串電阻的級(jí)數(shù)和電阻的阻值大小。最大電樞電流，選擇，選擇切換轉(zhuǎn)矩為，起切電流（轉(zhuǎn)矩）比級(jí)數(shù)m的計(jì)算公式為，取相近整數(shù)，則需重新計(jì)算。由可知計(jì)算的公式為，計(jì)算各級(jí)起動(dòng)電阻的一般公式。8 心得體會(huì)這次的電機(jī)與拖動(dòng)課程設(shè)計(jì)是我們大學(xué)里第一個(gè)課程設(shè)計(jì)項(xiàng)目，是一次嘗試，更是一次鍛煉。任務(wù)布置經(jīng)過選題后，確定做他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻

15、起動(dòng)的簡(jiǎn)易制作。我去圖書館找了相關(guān)書籍從本質(zhì)上對(duì)該制作過程進(jìn)行理解。結(jié)合電機(jī)與拖動(dòng)課所學(xué)知識(shí)，仔細(xì)選擇不同方法，按照對(duì)電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的理解，將其運(yùn)用于自己的設(shè)計(jì)中。一步步列出大綱，逐步完善內(nèi)容，分析各個(gè)部分功能及原理，使之能夠盡量完成預(yù)定的要求。課程設(shè)計(jì)不僅是對(duì)所學(xué)知識(shí)的一種檢驗(yàn)，而且也是對(duì)自己能力的提高，它將理論與實(shí)際聯(lián)系在一起。通過課程設(shè)計(jì)，讓我更加明白學(xué)習(xí)是一個(gè)長(zhǎng)期的積累過程，經(jīng)后的工作、生活中應(yīng)該不段的學(xué)習(xí)，努力，只有理論知識(shí)是不行的，還要有實(shí)踐能力。設(shè)計(jì)過程中，我查閱了大量的有關(guān)資料，并與同學(xué)交流，收獲很多。在設(shè)計(jì)中培養(yǎng)了我獨(dú)立工作的能力，樹立了對(duì)自己工作能力的信心。為自己今后的工作奠定良好的基礎(chǔ)。參考文獻(xiàn)1胡崇岳.現(xiàn)代交流調(diào)速技術(shù).第一