直流电动机电枢串电阻起动设计 引言 直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。直流电机可作为电动机用，也可作 为发电机用。滞留电动机是将直流电转换成机械能的而带动生产机械运转的电器设备。 与交流电动机相比，直流机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展， 但是它具有良好的启动、调速和制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和启动频 繁或多个单元同步协调运转的生产机械上，仍广泛采用直流电动机拖动。在工业领域直 流电动机仍占有一席之地。因此有必要了解直流电动的运行特性。在四种直流电动机中， 他励电动机应用最为广泛。 1 直流电动机电枢串电阻起动设计 一、 直流电动机的工作原理 如图1—1所示，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， 这是便有电流从电源正极流出，经电刷A 流入电枢绕组，然后经过电刷B 流回电源的 负极。在图（a）所示位置，在N 级下面导线电流是由a 到b，根据左手定则可知导线 ab受力的方向向左，而cd 的受力方向是向右的。当两个电磁力对转轴所形成的电磁转 矩大于阻转矩是，电动机逆时针旋转。当线度时，这是导线的电流方向变为 由d到c和b到a，因此电磁转矩的方向仍然是逆时针的 。这样就使得电机一直旋转下 去。 图1—1 直流电动机的工作原理图 2 直流电动机电枢串电阻起动设计 二、 直流电动机的结构 直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 2.1、转子 电枢铁心 —— 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕 组就嵌放在电枢铁心的槽内。 电枢绕组——电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电 机的电路部分，也是感生电动势，产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。 换向器—在直流发电机中，换向器起整流作用，在直流电动机中，换向器起逆变作 用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。 2.2、定子 主磁极 ——主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久 磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的 励磁绕组构成。 机座 ——机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。 换向极 ——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直 流电机的换向情况，使电机运行时不产生有害的火花。 端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。 同时端盖对电机内部还起防护作用。 3 直流电动机电枢串电阻起动设计 三、直流电动机的分类 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的直流电机又可细分为： 他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。 （a）他励电动机 (b) 并励电动机 （c）串励电动机 （d）复励电动机 图3—1直流电动机的四种类型 4 直流电动机电枢串电阻起动设计 四、他励直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的 条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系： 在他励电动机中，当U 、R 和I 保持不变时，电动机的转速n 与电磁转矩T 之间 a a f 的关系称为他励电动机的机械特性。 图4—1 直流他励电动机的基本接线图 电枢回路的内阻为R ，附加电阻R ，则电枢回路的电阻总值R = R +R 励磁回路 a1 k a a1 k 励磁绕组的电阻为r ，此外也包括附加电阻R 。根据图4—1 所示的电路，可以写出电 f f 枢回路的电压平衡方程 恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关机械 特性硬度为α=1/β 斜率β越小，硬度α越大，机械特性越硬。直流电动机的机械特性 是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为系： 5 直流电动机电枢串电阻起动设计 由电机的电路原理图可得机械特性的表达式： Φ)—R Φ —∆n=n—βT2 n=U/(C T/(C C )=n a E a E T 0 0 如下图： n n 0 n 0 n N T em T T 0 N 2 4—2直流电动机的机械特性 1）、 固有特性 固有机械特性是指外加额定电压U 、电枢回路中没有串接附加电阻，且励磁电流 N 为额定电流I 。时的机械特性，其方程式为 fN U R n N  a M C CC  2 （4-1） e N e M N 上式中，Ф 为额定励磁电流I 时的每极磁通(忽略电枢反应的影响)。根据方程式 N fN (4-1)可以绘出他励直流电动机的固有机械特性，如 4—2所示。由于电枢回路电阻较 小，所以他励直流电动机的固有机械特性较硬。 2）、 人为特性 人为机械特性是指人为地改变电动机的参数或电源电压而得到的机械特性。他励直 流电动机有以下三种人为机械特性： （一）电枢回路串接电阻时的人为机械特性 6 直流电动机电枢串电阻起动设计 当电动机外加额定电压U 、励磁电流为额定电流I 时，在电枢回路串联附加电阻 N fN R ，此时的人为机械特性方程式为 ad U R R n N  a ad M C CC 2 (4-2) e N e M N 将人为机械特性方程(4-1)与固有机械特性方程(4-2)相比，可以看出，电枢回路串电 阻时人为机械特性的理想空载转速n 与固有机械特性的理想空载转速n 相同，但其特 0 0 性曲线的斜率β随串联附加电阻的增大而增大，使得人为机械特性变软，如图4—3中 的直线所示。从图中可知，在相同的负载条件下，电动机在稳定运行时的转 速降△n随串联电阻的增大而增大。所以，电枢回路串电阻的人为机械特性是一族通过 理想空载转速点n 而斜率不同的直线直电枢回路串接电阻时的人为机械特性 （二）降低电源电压时的人为机械特性 当电枢回路中没有串接附加电阻，且励磁电流为额定电流I 时，降低外加电源电 fN 压U，此时的人为机械特性方程式为 U R n  a M C CC 2 (4-3) e N e M N 将人为机械特性方程式(4-3)与固有机械特性方程式(4-1)相比，可以看出，降低电源 电压时的人为机械特性曲线的斜率β与固有机械特性曲线的斜率β相同，即人为机械特 性曲线的硬度与固有机械特性曲线的硬度相同，但其理想空载转速n 随外加电压的降低 0 而减小，如图4—4 中的直线所示。 在实际电动机中，降低电源电压一般是从额定电源电压向下调节，从而得到不同的 人为机械特性。从图4—4 中可知，在相同的负载条件下，电动机在稳定运行时的转速 降Δn不随外加电压的变化而变化。所以，降低外加电源电压的人为机械特性是一族斜 率相同的平行线 直流电动机电枢串电阻起动设计 n n 0 1 n 01 2 n 02 3 O T 图4—4改变电源电压时的人为机械特性 （三）减小励磁电流时的人为机械特性 当外加额定电压U 、电枢回路中没有串接附加电阻时，改变励磁电流(其相应的每 N 极磁通为Φ)的大小，此时的人为机械特性方程式为 U R n N  a M C CC 2 (4-4) e e M 将人为机械特性方程(4-4)与固有机械特性方程式(4-1)相比，可以看出，改变励磁电 流(即每极磁通Ф)时，人为机械特性曲线的斜率β随每极磁通Ф 的减弱而增大，即人为 机械特性曲线变软；人为机械特性的理想空载转速n 随每极磁通Ф的减弱而增大。减 0 弱磁通时的人为机械特性如图4—5 中的直线所示。 在实际电动机中，由于电机磁场存在饱和现象，所以改变磁通一般是从额定磁通向 下调节，从而得到减弱磁通的人为机械特性。从图4—5 中可知，在相同的负载条件下， 电动机在稳定运行时的转速降Δn随每极磁通的减小而增大，并且理想空载转速也随每 极磁通的减小而增大，所以减弱磁通时的人为机械特性是一族理想空载转速点逐渐增大 而斜率也逐渐增大的直线减小励磁电流时的人为机械特性 8 直流电动机电枢串电阻起动设计 五、他励直流电动机的起动方法 电动机转子从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的过程称 为启动。电动机在启动过程中，电枢电流、电磁转矩、转速n都随时间变化，是一个过 渡过程。开始启动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为启动电流，对应的电磁 转矩称为启动转矩。一般对直流电动机的启动有如下要求： （1）启动转矩足够大，电动机才能顺利启动； （2）启动电流要限制在一定的范围内； （3）启动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉。 一）直接起动： 直接启动是指接通励磁电源后，将电动机的电枢直接投入额定电压的电源上启动。 直接启动又称为全压启动。由于启动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势 E Cn0 a e 则启动电流为 U E U I  N a  N st R R a a 由于电枢绕组的电阻R 很小，所以启动电流 很大，可达到额定电流的十几倍。I st a 该电流对电网的冲击很大。因而，除了小容量电机可采用直接起动外，对大中、容量的 电动机不能直接起动。 二）降电压起动 降低电枢电压启动，即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启 I 动电流 st ，电动机启动后，再逐渐提高电源电压，使启动电磁转矩维持在一定数值， 保证电动机按需要的加速度升速。这种启动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流 小，启动转矩容易控制，启动平稳，启动能耗小，是一种较好的启动方法。 三）电枢串电阻启动 9 直流电动机电枢串电阻起动设计 在实际中，如果能够做到适当选用各级启动电阻，那么串电阻启动由于其启动设备 简单、经济和可靠，同时可以中道平滑快速情动，因而得到广泛应用。但对于不同类型 和规格的直流电动机，对启动电阻的级数要求也不尽相同。 下面所以直流他励电动机电枢电路串电阻二级启动为例说明启动过程。 （1）启动过程分析 如图5—1 （a）所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路家电源电压U。出点K 、 M1 K 均断开，电枢传入了全部附加电阻 R +R 电枢回路总电阻为R =r +R +R 。这时启动 M2 k1 k2 a a k1 k2 电流为： 与启动电流所对应的启动转矩为T 。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图5— 1 1 （b）中的曲线所示。 + U - n h 0 g m R R M k1 k2 f 3 r a d e K K 2 m1 m2 R a2 r b c a r 1 a2 R r a a1 I I2 I O L α T T T L 2 （a）电路图 （b）特性图 图5—1直流塔里电动机分二级启动的电路和特性 根据电力拖动系统的基本运动方程： 式中： T ——电动机的电磁转矩； T 由负载作用所产生的阻转矩； L ———— J错误！未找到引用源。 ——电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。 由于启动转矩T 大于负载转矩T ,电动机收到加速转矩的作用，转矩有零逐渐上升， 1 L 电动机开始启动。在图5—1 （b）中，由a 点沿着曲线 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K 闭合，切除一段启动电阻R 后，b 点所对应的电枢电流I 成 M1 k1 2 为切换电流，其对应的电动机的转矩 T 成为切换转矩。切除 R 后 ,电枢回路总电阻为 2 K1 R =r +R 。这时电动机对应于由电阻R 确定的人为机械特性，见图4—2 （b）中曲线 在切除启动电阻R 的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为n ，其反电动势亦不变。 K1 b 因此，电枢电流突增，其相应的电动势转矩也突增。适当的选择切除的电阻值R ，使切 k1 除R 后的电枢电流刚好等于I ,所对应的转矩为T ，即在曲线 上的c 点。又有T T , k1 1 2 1 2 电动机在加速转矩作用下，由c 点沿曲线 上升到 d 点。控制点K 闭合，又切除一切 M2 10 直流电动机电枢串电阻起动设计 启动电阻R 。同理，由d点过度到e点，而且e点正好在固定的机械特性上。电枢电流 k2 又由I 突增到I相应的电动机转矩由T 突增到T 。TT，沿固有特性加速到T=T， 2 1 2 1 1 2 L n=n 电动机稳定运行，启动过程结束。 g 在分级启动过程中，各级的最大电流 I （或者相应的最大转矩T ）及切换电流 I 1 2 2 （或者与之对应的切换转矩T ）都是不变的，这样，使得启动过程中有均匀的加速。 2 要满足以上电枢回路串接电阻分级启动的要求，前提是选择合适的各级启动电阻。 下面讨论如何计算启动电阻。 （2）启动电阻的计算 在图4—2 （b）中，对点a，有 即： 当从曲线转换到曲线 时，亦即从点b切换到点 c 的时候，由于切除电阻R k1 进行的很快，如忽略电感的影响，可假定n=n，即电动势E=E，这样的点有 b c b c 在c点 两式相除，考虑到E=E，得 b c 同样，当从d点转换到e点时，得 这样，如图4所示的二级启动，得 推广到m级启动的一般情况，得 错误！未找到引用源。=…… 错误！未找到引用源。 式中 λ为最大启动电流I 与切换电流I之比，成为启动电流比（或启动转矩比）， 1 2 它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。 由此可以推出 11 直流电动机电枢串电阻起动设计 式中m为启动级数。由上式得 如给定 λ，求m，可将式 取对数得 由式 错误！未找到引用源。=…… 错误！未找到引用源。 可得每级电枢回路总电阻 ： 各级启动电阻为： 12 直流电动机电枢串电阻起动设计 ： 启动最大电流I 及切换电流I 按生产机械的工艺要求确定，一般 1 2 I = （1.5～2.0）I 1 N I = （1.1～1.2）I 2 N 以及电动机相应的转矩 T = （1.5～2.0）I 1 N T = （1.1～1.2）I 2 N 六、直流电动机电枢串电阻起动设计 1、选择启动电流I 1 13 直流电动机电枢串电阻起动设计 I = （1.5~2.0）I = （1.5~2.0）×20.4A=(30.6~40.8)A 1 N 选择I =40A 1 2、求出电动机的电枢电路的电阻Ra 错误！未找到引用源。Ω=3.55Ω 3、求出启动时电枢电路的电阻Ram R = 错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。Ω=11Ω am 4、求出起切电流比β 错误 未找到引用源。= 错误 未找到引用源。=错误 未找到引用源。 =1.76 5、求出I2校验I2 I = 错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。A=22.73A 2 I在规定范围之内。 2 6、求出各级总电阻 R =R=3.55Ω a3 a R =βR=1.76×3.55Ω=6.25Ω a2 a R =β2R=1.762×3.55Ω=11Ω a1 a 7、求出各级启动电阻 14 直流电动机电枢串电阻起动设计 P =R -R = （11-6.25）Ω=4.75Ω K1 a1 a2 R =R -R = （6.25-3.55）=2.7Ω K2 a2 a3 七、结论 他励直流电动机串电阻启动计算方法 ①选择启动电流I 和切换电流I 1 2 15 直流电动机电枢串电阻起动设计 启动电流为 I = （1.5~2.0）I 1 N 切换电流为 I = （1.~11.2）I 2 N 对应的启动转矩 T = （1.1~1.2）I 2 N ②求出起切电流（转矩）比β ③求出电动机的电枢电路电阻ra ④求出启动时的电枢总电阻Rm ⑤求出启动级数m ⑥重新计算β，校验I2是否在规定范围内 16 直流电动机电枢串电阻起动设计 若m是取相近整数，则需重新计算I 2 错误！未找到引用源。 再根据得出的β重新求出I ，并校验I 是否在规定范围内。若不在规定范围内，2 2 需加大启动级数m重新计算β和I ，直到符合要求为止。2 ⑦求出各级总电阻 R =βR =βmr a1 a2 a R =βR =βm-1r a2 a3 a ︰ R =βr am a ⑧求出各级启动电阻 电枢回路串电阻启动方法比较简单，经济和可靠，同时可做到平滑快速起动。缺点 就是起动条件非常严格。降压启动平稳，启动过程能量损耗小，容易实现自动化。降压 启动的缺点就是初期投资大，启动设备复杂，要求有单独的可调压直流电源。 八、体会 这是我第一次进行课程设计，在同学们的齐心努力下顺利完成了这一周的直流电动 机电枢串电阻启动设计，以下是我经过这次课程设计之后的几点心得体会： 1、在设计之前，务必要仔细阅读书本对直流电动机的结构有一个系统的了解，对 17 直流电动机电枢串电阻起动设计 其工作原理要熟悉掌握这样设计起来才会得心应手。 2、在设计时，不能妄想一次就将整个程序设计好，“反复修改,不断改进”是设计的 必经之路。 3、电路机启动的设计采用什么方式是非常重要的，因为它关系到你要用的什么样 的电路图，而且要有一个清晰的思路和一个合理的电路图。 4、第一次设计在过程中遇到问题是很正常的，我们通过认真仔细查阅参考文献和 老师的细心指导找到问题的原因，解决问题。 5、最后，通过这次课程设计我收获了很多，为以后的设计积累了宝贵的经验。 九、参考文献 [1] 唐介：电机与拖 高等教育出版社 2005 年 [2] 孟宪芳：电机与拖 西安电子科技大学出版社，2006 年 18 直流电动机电枢串电阻起动设计 [3] 汤天浩：电机与拖动基 机械工业出版社，2004 年 [4] 许建国：电机与拖动基 高等教育出版社，2004 年 [5] 林瑞光：电机与拖动基 浙江大学出版社，2002 年 19

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