直流电动机电枢串电阻起动设计

1、直流电动机电枢串电阻起动设计1 直流电机的基本结构直流电动机由静止的定子和旋转的转子两大部分组成。定转子之间有一定的间隙，称为气隙。定子的作用是产生磁场和对电机的支撑，主要由主磁极，换向极，机座，端盖，电刷装置等部件组成。转子的作用是产生感应电枢感应电动势或者电磁转矩，主要由电枢铁心，电枢绕组，换向器，转轴和风扇等部件组成，如图1-1。图11 直流电动机结构图直流电机的额定值一般都标注在铭牌上，铭牌固定在机座的外表面上。额定值是用户选择和用好电机的重要依据，根据国家标准，直流电机的额定数据有:(1)额定功率 ；（2）额定电压；（3）额定电流；（4）额定转速；（5）励磁方式和额定励磁电流。还有的

2、额定值比如额定效率，额定转矩和额定温度等不一定都在铭牌上标注出来。2 直流电机的工作原理直流电动机的工作原理用一句话来概括：带电导体在磁场中受力，产生电磁转矩，继而带动负载转动。具体分析如下，如图1-2。图21 直流电机的工作原理图电流从电源正极流入电刷A经过导体ab到cd从电刷B流出回到电源负极。由电磁力定律可知导体ab，cd受力的大小为，式中i为导体中流过的电流。由左手定则可判断瞬间导体ab，cd受力方向相反，力f乘以转子的半径就是电磁转矩，若电磁转矩能够克服电枢上的阻转矩，电枢便逆时针旋转起来了。当电枢转过180°时，cd转到N极下，ab转到S极下，电流仍然从电刷A流入，经过导

3、体dcba，由电刷B流出，两导体上受力仍然相反，产生的电磁转矩方向不变仍然为逆时针方向。3 直流电动机的基本理论3.1 直流电动机的参数（1）电枢感应电动势；（2）为电势常数，为每极磁通，n为转速，对于成品直流电机，电枢感应电势与每极磁通和转速的乘积成正比。（3）电磁转矩。 为转矩常数，为每极磁通，为电枢电流，对成品电机，电磁转矩的大小与每极磁通与电枢电流的乘积成正比。若每极磁通的单位为Wb，电流的单位为A，侧电磁转矩单位为电磁转矩的大小与每级磁通和转速n的乘积成正比。比较电势常数和电磁转矩常数可得二者关系为， 。3.2 他励直流电动机的基本方程式电枢回路电势平衡方程式为：式中，为电枢回路总电

4、阻，它包括电枢绕组电阻、换向极绕组电阻、补偿绕组电阻、电刷与换向器表面的接触电阻等。励磁回路中，对他励或并励电动机有式中，在他励时为给定值，在并励时为；为励磁回路总电阻。直流电动机以转速n稳定运行时，作用在电枢上的砖具有三个：一个是电磁转矩，是拖动性质的；一个是转轴上的输出转矩，是制动性质的；还有一个是电机的机械摩擦、铁芯损耗等引起的转矩,因为转矩空载时也存在（只是大小略有变化），因此把它称为空载转矩，是制动性质的。由能量守恒原理得转矩平衡方程式为：由以上分析可得直流电动机稳定运行的基本方程式如下4 直流电动机的机械特性在他励直流电动机中，当，和保持不变时，电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系

5、称为他励直流电动机的机械特性。他励直流电动机的转速与转矩之间有，如下关系：式中，式电动机的理想空载转速，其值为：时转速差，其值为是机械特性的斜率，其值为=机械特性的硬度为斜率越小，硬度越大，机械特性越硬。当和保持为额定值，而且电枢电路中无外接电阻时的机械特性称为固有特性，否则称为人为特性。4.1 固有特性由他励直流电动机转速与转矩的关系式得到他励直流电动机的固有特性如图所示。由于电枢电路电阻很小，所以机械特性的斜率很小，硬度很大，固有特性为硬特性。图31 直流电机的固有特性固有特性上的N点对应于电动机的额定状态。这使电动机的电压、电流、功率和转速都等于额定值。额定状态说明了电动机的长期运行能力

6、。固有特性上的M点对应于电动机的临界状态。这时的电枢电流Ia等于换向所允许的最大电枢电流。对应的转矩是电动机所允许的最大转矩。临界状态说明了电动机的短时过载能力。直流电动机的短时过载能力可用表示。4.2 人为特性4.2.1 增加电枢电路电阻时的人为特性若在电枢电路中串入一外接电阻，相当于将式中的电枢电路电阻增加。这时理想空载转速不变，增加，机械特性硬度减小，机械特性如图所示。传入的电阻越大，人为特性的斜率越大，硬度减小。图41 增加电枢电路电阻时的人为特性4.2.2 降低电枢电压时的人为特性图42 降低电枢电压时的人为特性降低时，减小，不变，不变，人为特性如图所示，机械特性向下平移。4.2.3

7、 减小励磁电流时的人为特性图43 减小励磁电流时的人为特性减小励磁电流，侧磁通减小，n增加，增加，减小，人为特性如43图所示。5 他励直流电机的启动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。他励电动机在起动瞬间，转速n=0，电动势E=0，由式，=0时可知，起动电流在额定电压下直接起动时，由于很小，很大，一般可达电枢电流额定值的1020倍。这样大的电流是换向所不允许的。同时有式可知，起动转矩也能达到额定转矩的1020倍。起动转矩过大会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以至损坏传

8、动机构（如齿轮）和生产机械。由此可见，除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻大、转动惯量又比较小、可以直接起动外，一般的直流电动机是不允许直接启动的。为此，必须将起动电流限制在允许范围之内。由式可以看出，方法有两个：降低和增加。5.1 降低电枢电压起动此方法需要有一个可以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，保持励磁电流为额定值不变，电枢电压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。5.2 增加电枢电阻起动5.2.1 无级起

9、动额定功率较小的电动机可采用在电枢内串联起动变阻器的无级起动方法起动。起动前先把起动电阻调到最大值，再加上励磁电压，保持励磁电流为额定值不变。在接通点数电源，电动机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动班组气的电阻，直到全部切除。起动变阻器的最大阻值为，设要求的起动电流值为Is，该值不得超过，由于这时因此求得 可以通过实测或者通过铭牌上提供的额定值进行估算，由于在忽略的情况下，因此，在额定转态下运行时，由欲与上市是在忽略的情况下得到的，因此用上式估算出的值要比实际值略大一些。5.2.2 有级起动额定功率较大的电动机一般采用有级（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，又使起动电流

10、不会超过允许值。现以两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图所示图51 6 起动过程分析6.1 串联起动电阻和起动。起动前开关Q1和Q2断开，使得电枢电路中串入电阻和，加上电枢电路自身的电阻，电枢电路的总电阻为加上励磁电压，保持励磁电流为额定值不变，然后加上电枢电压，这时电动机的机械特性为图中的人为特性。由于起动转矩远大于负载转矩，电动机拖动生产机械开始动，工作点沿人为特性曲线由a1点向a2点移动。6.2 切除起动电阻当工作点到达a2点，即电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关Q2，切除起动电阻，电枢电路的总电阻为这时电动机的机械特性变为人为特性，切除的瞬间，转速来不及改变

11、，工作点由特性上的a2点平移到特性上的b1点，使这时的电磁转矩T仍为T1，电动机继续加速，工作点沿特性由b1点向b2点移动。6.3 切除起动电阻当工作点到达b2点，即电磁转矩T又等于切换转矩T2时，合上开关Q1，切除起动电阻，电枢电路的总电阻变为机械特性变为固有特性,工作点由b2点平移至c1点，使得这时的电磁转矩T仍正好等于T1，电动机继续加速，工作点沿固有特性由c1点经c2点，最后稳定运行在p点。整个起动过程结束。6.4 起动电阻的计算6.4.1 选择启动电流和切换电流为保证与起动转矩T1对应的起动电流不会超过允许的最大电枢电流，选择对应的起动转矩为保证一定的加速转矩，减少起动时间，一般选择

12、切换转矩为若未知，可用代替。对应的切换电流为是与对应的稳态电枢电流。若未知，可用代替求出起切电流（转矩）比6.4.2 确定起动级数m的计算公式为式中，为m级起动时的电枢起动总电阻该公式的推导过程如下：由于，故，即由于，故，即可见，若为级起动，则起动时的电枢总电阻为两边取对数得到若求得的m不是整数，可取相近证书。若m已知，上述步骤中除求外，其余都可省略6.4.3 重新计算，校验是否在规定的范围内若是取相近整数，则需重新计算。由式可知计算的公式为根据重新求得的由式重新求出，并校验是否在所规定的范围内。若不在规定的范围内，需要调整或加大起动级数，重新计算和，直到满足要求为止求出各级起动电阻.根据前面

13、的分析可知，计算各级起动电阻的一般公式为。例一台并励直流电动机，=3Kw，当额定负载时，电枢电流为17A，电枢电路铜损耗站点及总损耗的一半。现采用电枢回路串接变阻器起动，设定起动电流上下限为。求起动变阻器的级数及每级的电阻值。解： 即接入电网时，电流第一次冲击达到值时，n=0，起动变阻器电阻总值为随着n上升，电流减至时的电势为此时切除第一级电阻，起动变阻器电阻总值变为同理，随着n继续上升，电流减至时的电势为此时切除第二级电阻，起动变阻器电阻总值变为所以，该起动变阻器分为两级，每级阻值分别为串接变阻器启动所需要设备少，故广泛用于各种直流电动机中。但对大容量电动机，变阻器极为笨重，且频繁起动时电能

14、小好多。7 结论直流电动机在起动的时候，转子产生的感应电动势为零，导致起动电流很大，不仅会对电动机产生很大危害，而且对负载也会形成较大冲击。在解决这个问题的时候，采用了技术比较成熟的串电阻器起动的方式进行起动。起动后，再将电阻一一进行切除。给出他励直流电机在不同功率等参数下，所需要串电阻的级数和电阻的阻值大小。最大电枢电流，选择，选择切换转矩为，起切电流（转矩）比级数m的计算公式为，取相近整数，则需重新计算。由可知计算的公式为，计算各级起动电阻的一般公式。8 心得体会这次的电机与拖动课程设计是我们大学里第一个课程设计项目，是一次尝试，更是一次锻炼。任务布置经过选题后，确定做他励直流电动机串电阻

15、起动的简易制作。我去图书馆找了相关书籍从本质上对该制作过程进行理解。结合电机与拖动课所学知识，仔细选择不同方法，按照对电动机起动的理解，将其运用于自己的设计中。一步步列出大纲，逐步完善内容，分析各个部分功能及原理，使之能够尽量完成预定的要求。课程设计不仅是对所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的提高，它将理论与实际联系在一起。通过课程设计，让我更加明白学习是一个长期的积累过程，经后的工作、生活中应该不段的学习，努力，只有理论知识是不行的，还要有实践能力。设计过程中，我查阅了大量的有关资料，并与同学交流，收获很多。在设计中培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。为自己今后的工作奠定良好的基础。参考文献1胡崇岳.现代交流调速技术.第一