他勵直流電動機啟動

1、運動控制系統(tǒng)課程設(shè)計課題： 他勵直流電動機啟動 系 別： 電氣與信息工程學院 專 業(yè)： 學 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 河南城建學院2015年 1月 4日成績評定一、指導(dǎo)教師評語（根據(jù)學生設(shè)計報告質(zhì)量、答辯情況及其平時表現(xiàn)綜合評定）。 二、評分課程設(shè)計成績評定成績： （五級制）指導(dǎo)教師簽字 年 月 日目 錄一、設(shè)計目的1二、設(shè)計要求1 三、設(shè)計內(nèi)容1 3.1、直流電動機1 3.1.1直流電動機13.1.2直流電動機的分類2 3.1.3他勵直流電機工作原理2 3.2 他勵直流電動機的啟動3 3.2.1 他勵直流電動機串電阻啟動3 3.2.2 直流電動機電樞串電阻起動設(shè)計方案 6 3.2.3 多級

2、啟動的規(guī)律 7 3.3 結(jié)論7 3.4他勵直流電動機串電阻起動特性分析8四、設(shè)計體會10五、參考文獻10一、設(shè)計目的通過對一個實用控制系統(tǒng)的設(shè)計，綜合運用科學理論知識，提高工程意識和實踐技能，使學生獲得控制技術(shù)工程的基本訓練，培養(yǎng)學生理論聯(lián)系實際、分析解決實際問題的初步應(yīng)用能力。二、設(shè)計要求完成所選題目的分析與設(shè)計，進行系統(tǒng)總體方案的設(shè)計、論證和選擇；系統(tǒng)單元主電路和控制電路的設(shè)計、元器件的選擇和參數(shù)計算；課程設(shè)計報告的整理工作。三、設(shè)計內(nèi)容 有一臺他勵直流電動機，已知參數(shù)如下Pan=200kw ；Uan=440v ；Ian=497A ； Nn=1500r/min；Ra=0.076；采用分級啟

3、動，啟動電流最大不超過2IA,，求出各段電阻值，并作出機械特性曲線，對啟動特性進行分析。他勵直流電動機的啟動時間雖然很短，但是如果不能采用正確的啟動方法，電動機就不能正常地投入運行。為此，應(yīng)對電動機的啟動過程和方法進行必要的分析。直接啟動時，他勵直流電動機電樞加額定電壓Un，電樞回路不串任何電阻，此時由于n=0，Ea=0，所以啟動電流Ist=Un/Ra，由于電樞回路總電阻Ra較小，所以Ist可以達到額定電流In的十幾甚至幾十倍。這樣大的電流 可能造成電機換向嚴重不良，產(chǎn)生火花，甚至正、負電刷間出現(xiàn)電弧，燒毀電刷及換向器。另外，過大的啟動電流使啟動轉(zhuǎn)矩Tst過大，會使機械撞擊，也會引起供電電網(wǎng)電

4、波動，從而引起其他接于同一電網(wǎng)上的電氣設(shè)備的正常運行，因此是不允許的。一般只有微型直流電動機，由于自身電樞電阻大，轉(zhuǎn)動慣量小，啟動時間短，可以直接啟動，其他直流電機都不允許直接啟動。在拖動裝置要求不高的場合下，可以采用降低啟動電壓或在電樞回路串電阻的方法。他勵直流電動機在電樞回路中串電阻，具有良好的啟動特性、較大的啟動轉(zhuǎn)矩和較小的啟動電流，可以滿足生產(chǎn)機械需要的要求。本文借助圖像對整個過程及各個變量與時間的相互關(guān)系進行了描繪，對更加清楚地了解和設(shè)計他勵直流電機啟動的特點具有重要意義。3.1直流電動機3.1.1直流電動機的工作原理 下圖所示為最簡單的直流電動機工作原理示意圖。圖3.1直流電動機的

5、工作原理直流電動機換向器是由兩片互相絕緣的半圓銅環(huán)（換向片）構(gòu)成的，每一換向片都與相應(yīng)的電樞繞組連接，與電樞繞組同軸旋轉(zhuǎn)，并與電刷A、B相接觸。若電刷A是正電位，B是負電位，那么在N極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組ab中的電流從a流向b，在S極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組cd中的電流從c流向d。轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，圖中ab邊受力方向是向左，而cd邊則向右。由于磁場是對稱的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以ab邊和cd邊所受的電磁力的大小相等，這樣轉(zhuǎn)子線圈上受到電磁力F的作用而按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面時，線圈中的電流為零，因此，電

6、磁力也等于零，但由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。線圈轉(zhuǎn)過半圈之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是由于電刷和換向片的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中的電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流，則從b流向a，因此，電磁力F的方向仍然不變，轉(zhuǎn)子線圈仍按逆時針方向轉(zhuǎn)動。由此可知，分別在N，S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩邊受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停地旋轉(zhuǎn)。3.1.2直流電動機的分類根據(jù)勵磁方式的不同，直流電機可分為：他勵直流電機、并勵直流電機、串勵直流電機、復(fù)勵直流電機。3.1.3他勵直流電機工作原理他勵直流電機

7、的勵磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其他直流電源對勵磁繞組供電的直流電機稱為他勵直流電機，接線如圖1.2所示。圖中M表示電動機，若為發(fā)電機，則用G表示。永磁直流電機也可看作他勵直流電機。圖3.2他勵直流電機工作原理圖3.2 他勵直流電動機的啟動3.2.1 他勵直流電動機串電阻啟動在實際中，如果能夠做到適當選用各級起動電阻，那么串電阻起動由于其起動設(shè)備簡單、經(jīng)濟和可靠，同時可以做到平滑快速起動，因而得到廣泛應(yīng)用。但對于不同類型和規(guī)格的直流電動機，對起動電阻的級數(shù)要求也不盡相同。 (1) 啟動過程分析如圖3.3（a)所示，當電動機已有磁場時，給電樞電路加電源電壓U，觸點KM1、KM2均斷開,電樞串

8、入了全部附加電阻Rk1+Rk2 ,電樞回路總電阻為Ral=ra+Rk1 +Rk2,這時啟動電流為 =，與啟動電流所對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩為T1，此時由電阻所確定的人為機械特性如圖2.1(b)中的曲線1所示。 (a) 電路圖 (b) 特性圖圖3.3 直流他勵電動機分二級起動的電路和特性根據(jù)電力拖動系統(tǒng)的基本運動方程式 T-TL=J 式中 T電動機的電磁轉(zhuǎn)矩； TL由負載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩； J電動機的轉(zhuǎn)動慣量；由于起動轉(zhuǎn)矩T1大于負載轉(zhuǎn)矩TL，電動機受到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，電動機開始起動。在圖2.1(b)上，由a點沿曲線1上升，反電動勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動機的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速

9、轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點時，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點KM1閉合，切除一段起動電阻Rk1。b點所對應(yīng)的電樞電流I2稱為切換電流，其對應(yīng)的電動機的轉(zhuǎn)矩T2稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除Rk1后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+Rk2。這時電動機對應(yīng)于由電阻Ra2所確定的人為機械特性，見圖2.1(b)中曲線2。在切除起動電阻RK1的瞬間，由于慣性電動機的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動勢亦不變。因此，電樞電流突增，其相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)矩也突增。適當?shù)剡x擇所切除的電阻值Rk1，使切除Rk1后的電樞電流剛好等于，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2，即在曲線2上的c點。又有T1T2，電動機在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點沿曲線2上升到d點?？刂泣cK

10、M2閉合，又切除起動電阻Rk2。同理，由d點過度到e點，而且e點正好在固有機械特性上。電樞電流又由突增到，相應(yīng)的電動機轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1 TL，沿固有特性加速到g點T=TL，n=ng電動機穩(wěn)定運行，起動過程結(jié)束。在分級起動過程中，各級的最大電流 (或相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2)及切換電流 (或與之相應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2)都是不變的，這樣，使得起動過程有較均勻的加速，要滿足以上電樞回路串接電阻分級起動的要求，前提是選擇合適的各級起動電阻。 (2) 起動電阻的計算 在圖2.1(b)中，對a點，有=，即Ra1=，當從曲線1(對應(yīng)于電樞電路總電阻 Ra1=ra+Rk1+Rk2)轉(zhuǎn)換得到曲線2(對應(yīng)于總電阻

11、Ra2=ra+Rk2)時，亦即從點b轉(zhuǎn)換到點c時，由于切除電阻RK1進行很快，如忽略電感的影響，可假定nb=nc，即電動勢Eb=Ec，這樣在b點有=，在c點=，兩式相除，并考慮到Eb=Ec，得 ，同樣，當從d點轉(zhuǎn)換到e點時，得 = 這樣，如圖2.1所示的二級起動時，得 =推廣到m級起動的一般情況，得=式中為最大起動電流與切換電流之比，稱為起動電流比(或起動轉(zhuǎn)矩比)，它等于相鄰兩級電樞回路總電阻之比。由此可以推出 =式中m為起動級數(shù)。由上式得 =如給定 ,求m,可將式=取對數(shù)得 m=由式=可得每級電樞回路總電阻，進而求出各級啟動電阻為： =Ra1-Ra2 =Ra2-Ra3 =Ra3-Ra4 R(

12、m-1)= Ra(m-1)- Ram Rm= Ram-ra起動最大電流及切換電流按生產(chǎn)機械的工藝要求確定，一般 =(1.52.0) =(1.11.2) 3.2.2 直流電動機電樞串電阻起動設(shè)計方案（1）選擇啟動電流和切換電流=(1.52.0)=(1.52.0)497=(745.5994)A=(1.11.2)=(1.11.2)497=(546.7596.4)選擇=840，=560。（2）求出起切電流比 =1.5（3）求出啟動時電樞電路的總電阻Ram Ram=0.524（4）求出啟動級數(shù)m m=4.76 取m=5（5）重新計算，校驗 =1.47 =571 在規(guī)定范圍之內(nèi)。（6）求出各級總電阻 =r

13、a=1.4750.076=0.52 =ra =1.4740.076=0.35 =ra=1.4730.076=0.24 =ra=1.4720.076=0.16 =ra=1.470.076=0.11 =Ra=0.076（7）求出各級啟動電阻 Rst1=-=(0.11-0.076)=0.034 Rst2=-=(0.16-0.11)=0.05 Rst3=-=(0.24-0.16)=0.08 Rst4=-=(0.35-0.24)=0.11 Rst5=-=(0.52-0.35)=0.273.2.3 多級啟動的規(guī)律不同加速級的機電常數(shù)是不同的，電樞電路的電阻越大，則TM越大。不同加速級的起始轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是

14、不同的，這是由于不同的機械特性與恒切換轉(zhuǎn)矩T2（或切換電流I2）特性及恒負載轉(zhuǎn)矩TL（或負載電流IL）特性的交點是不同的。啟動級數(shù)的選?。喝Q于負載的大小與對啟動平滑性的要求。級數(shù)越多啟動平滑性越好，但是啟動設(shè)備與控制裝置龐雜，投資大。一般取m=24級，空載或輕載取m=12，重載或滿載取m=34。3.3 結(jié)論根據(jù)以上的設(shè)計分析，他勵直流電動機串電阻啟動計算方法可歸結(jié)如下：(1)選擇啟動電流和切換電流 =（2.02.5）In =(1.11.2)IL啟動電流為，對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩T1 T1=(1.52.0) TN切換電流為，對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩T2 T2=（1.52.0）TN(2)求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比 =

15、/(3)求出電動機的電樞電路電阻Ra Ra=（1/22/3）UnIn-Pn*1000/In*In(4)求出啟動時的電樞總電阻Rm Rm=Uan/Ian(5)求出啟動級數(shù)m m=（lgRm/Ra）/lg 選取m=3(6)重新計算，校驗I2是否在規(guī)定范圍內(nèi)；若m是取相近整數(shù)，則需重新計算，=， 再根據(jù)得出的重新求出，并校驗是否在規(guī)定范圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大啟動級數(shù)m重新計算和，直到符合要求為止。(7)求出各級總電阻(8)求出各級啟動電阻3.4他勵直流電動機串電阻起動特性分析直流電動機在電樞回路中串聯(lián)電阻起動是限制起動電流和起動轉(zhuǎn)矩的有效方法之一。建立他勵直流電動機電樞串聯(lián)三級電阻起動的仿真

16、模型，仿真分析其串聯(lián)電阻起動過程，獲得起動過程的電樞電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。（1）建立仿真模型他勵直流電動機串聯(lián)起動電阻的仿真模型原理圖如下圖所示，和直流電動機直接起動仿真模型相比圖中主要增加了電阻控制子模塊圖3.4他勵直流電動機串電阻啟動仿真模型原理圖（2）設(shè)置仿真參數(shù)及仿真仿真時間設(shè)定為10s。直流電動機在起動過程中的轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩的變化如下圖所示。圖3.5仿真結(jié)果（3）結(jié)果分析從仿真結(jié)果中可以看出，通過設(shè)定合適的串聯(lián)起動電阻的投入時間，起動電流可以控制在一定的范圍內(nèi)，同時電磁轉(zhuǎn)矩也能夠得到有效的降低，轉(zhuǎn)速需要在較長的時間內(nèi)才能達到穩(wěn)定。四、設(shè)計體會 在分級啟動中，只要知道最大啟動電流和切換電流，我們即可以計算出分級啟動電阻以及啟動過程中的電阻切換時刻。我們必須注意所串聯(lián)電阻并不是越大越好，太大可能導(dǎo)致無法啟動，另外，要得到更大的啟動轉(zhuǎn)矩，必須增加啟動級數(shù)，這樣所需設(shè)備多，透投資大，維修不便。此設(shè)計忽略了電樞