他励直流电动机串电阻的设计

淮阴工学院

课程设计说明书

作者: 学号：

学院: 机械工程学院

专业: 机械电子工程

题目: 他励直流电动机串电阻启动的设计指导者：

绪论 (1)

1直流电动机 (2)

1.1直流电动机的工作原理 (2)

1.2直流电动机的分类 (2)

1.3直流电动机的工作原理 (2)

2他励直流电动机 (4)

2.1他励直流电动机的机械特性 (4)

2.2他励直流电动机的启动 (5)

2.21对启动的要求 (5)

2.22电枢回路串电阻启动 (5)

2.3直流电动机电枢串电阻启动设计方案 (8)

2.31分级启动主回路和控制回路以及相关电器元件 (10)

2.32启动特性曲线 (10)

3设计体会 (11)

4参考文献 (12)

绪论

直流他励电动机控制器的优点是，线路无需切换即可实现牵引与制动的转换，带载能力强，防空转性能好。但是，如果不能掌握正确的启动方法，电机还是不能正常运行的。下面，我们就要对电机的启动过程和方法做一些必要的分析。

由于启动瞬间n=0，电枢电动势0=Φ=n K E e ，而电枢电阻有很小，所以启

动电流R U

n

=st

I 将达到很大的数值。过大的启动电流，会引起电网电压的波动，影响其他用户的正常用电，并且会使电动机轴上受到很大的冲击。这种不采取任何措施就直接把电动机加上额定电压的启动办法，称为直接启动。处个别容量很小的电动机可以直接采用外，一般直流电动机不允许直接启动【1】。

在拖动装置要求不高的场合下，可以采用降低启动电压或在电枢回路串电阻的方法【2】。本文对他励直流电机进行细致的介绍，用图片与文字相结合的方式

对他励直流电机工作时过程中的变量与时间的关系进行描绘，使我们更加清楚的了解他励直流电机的工作原理。

1直流电动机

1.1直流电动机的工作原理

图1.1直流电动机的工作原理

如图1.1所示为一台最简单的两极直流发电机的模型，N、S为定子磁极，绕组线圈放置在可旋转导磁圆柱体上（称为电枢铁心），线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈首末分别连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换相片上。电枢线圈与外电路的连接是通过放置在环线片上固定不动的电刷进行

的，在此我们把正极电刷称为B

1，负极电刷称为B

2

。外电源从电刷B

1、

B

2

输入直流

电源，使电流从正电刷B

1流入，从负电刷B

2

流出，则此时N极下的线圈电流总

是由手段流向末端，S极下的线圈电流总是由末端流向首端。利用左手定则，可知N级下导体受到的电磁力的方向向左，S极下导体受到的电磁力方向向右，那么产生的电磁转矩就使得线圈逆时针旋转。由此可见，N极下和S极下的线圈受到的电磁力的方向始终不变的，它们产生转矩的方向也就不变，这个转矩使电枢始终沿一个方向旋转，就把电能变成机械能，使之成为一台直流电动机而带动生产机械工作【3】。

1.2直流电动机的分类

直流电机的励磁电流都是由外电源供给的，立此方式不同会使直流电动机的运行性能产生很大差异。按照励磁方式的不同，直流电动机可以分为：他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机、复励直流电动机。

1.3他励直流电动机的工作原理

图1.2他励直流电动机接线图

上图1.2是他励直流电动机的电路接线图，其中M为电机，若为发电机，则用G

表示。R

f 是励磁调节电阻，R

a

是电枢电阻，I

a

是电枢电流，E为电动机的电动势。

他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励直流电机，永磁直流电机也可看作他励直流电机【4】。

2他励直流电动机

2.1他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢总电阻为恒指的条件下，电动机转速n 与电磁转矩T e 的关系曲线n=f(T e )或电动机转速n 与电枢电流I a 的关系曲线n=f(I a ），后者也就是转速调整特性。

电枢回路的电压平衡方程式为：

R I E U a +=（I ）

式中，U 为电源电压；E 为电动机的反电动势；I a 为电枢电流；R 为电枢回路总电阻。

直流电动机电枢回路反电动势E 为：

n Φ=e K E （II ）

将（II ）带入（I ）中，可得转速表达式：

a

e e I K R

K U Φ-Φ=

n （III ）

电动机的电磁转矩为：

a m I K Φ=e T （IV ）

式中，Km 是与电机结构有关的常数，e

e K K 55.930K m ==π 利用电磁转矩T e 表示的机械特性方程式为：

n n T n T K K R

K U e e

m e e ?-=-=Φ

-Φ=

002n β（V ） 从（V ）中可知：

Φ=

e K U

n 0（VI ）

n 0称为理想空载转速，表示当T e =0时电动机的转速n=n 0 电机转速降为：

e e

m e T T K K R

n β=Φ=

?2（VII ）

n ?的本质是，电动机有载运行时，电枢回路电阻上的损耗以速度这一参量

表示出的结果。

机械特性曲线斜率为：

2e K R

Φ=

m K β（VIII ）

β越大，n ?越大，机械特性就越软。通常称β小的机械特性为硬特性，β大的机械特性为软特性【5】。

在分析机械特性是需要注意：

⑴实际空载转速'0n 和理想空载转速0n 的区别。0n 指T e =0时的转速，'

0n 是电动机空载时的转速，这是电动机必须克服空载转矩T 0，因此电动机实际空载转速为：

2'

0T K K R

K U n m e e Φ

-Φ=

⑵电枢反应对机械特性的影响。当电动机负载加大时，电磁转矩T e 电枢电流

I a 加大，电枢反应产生的去磁作用加大，使每极磁通Ф减小，转速n 将回升，因此，机械特性在转矩加大时会出现上翘现象。上翘的机械特性会使系统不稳定，因此往往在主磁极上加一个匝数很少的串励绕组，其磁动势可以抵消电枢反应的去磁作用，但又不改变他励直流电动机的机械特性。

2.2他励直流电动机的启动

直流电动机从接入电源开始，一直达到稳定的运行速度的整个过程称为直流电动机的启动过程或启动。

2.21对启动的要求

要使电动机的转速从零逐步加速到稳定的运行速度，在启动时，电动机要克服负载转矩才能完成启动过程，电动机必须要陈胜足够大的电磁转矩。电动机在启动瞬间（n=0）的电磁转矩，称为启动转矩，即：

st m st I K Φ=T

式中，st I 为启动电流，是n=0时的电视电流。

由于启动瞬间n=0，电枢电动势0K E e =Φ=n ，而电枢电阻又很小，所以启动电流R U N st =I 将很难达到很大的数值。过大的启动电流，会引起电网电压的波动，影响其他用户的正常用电

，并且会使电动机轴上受到很大的冲击。这种

不采取任何措施就直接把电动机加上额定电压的启动办法，称为直接启动，除个别容量很小的电动机可以直接采用外，一般直流电机不允许直接启动【6】。

对直流电动机的启动，一般提出以下基本要求：①要有足够大的启动转矩st T ；②启动电流st I 不能超过允许值；③启动设备要简单可靠。最根本的原则是确保有足够大的启动转矩和限制电流。

直流电机蝉蛹的启动发发有电枢串电阻启动和减压启动两种，不论采用哪种启动方式，启东市都应该保证电动机的磁通量达到最大值，因为a m e I K T Φ=，所以在相同的电流下，Ф大则T e 也会增大【7】。

2.22电枢回路串电阻启动

㈠启动特性

电枢回路串电阻可以有效的降低启动电流。

电机启动时，励磁电路的调节电阻0R =f ，使励磁电流f i 达到最大。电动机

上加额定电压N U ，启动电流st

a

N

st

R R U

I +=，st R 应使st I 不大于容许值。由启动电

流产生的启动转矩使电动机开始转动并逐渐加速，随着转速的升高，电枢反电动势E 也逐渐增大，使电枢电流逐渐减小，这样，转速上升的加速度就逐渐降低下来了。为了缩短启动时间，保证电动机在启动过程中的加速度不变，要求在启动过程中维持电枢电流不变，因此，随着电动机转速的增加，应该将启动电阻平滑的切除，最后调节电动机转速达到运行值【8】。

一般讲启动电阻st R 分若干段，逐段加以切除。通常是利用接触器来切除启动电阻，由于每一段电阻的切除都需要一个接触器控制，因此启动技术不宜过多，一般分为2到5级。图2.1a 所示电动机就是采用三级启动。启动开始瞬间，电枢回路串接全部启动电阻，这是电枢回路总电阻为3213st st st a R R R R R +++=，启

动电流3I R U N

st =，达到最大值。图2.1b 中，1I st 称为尖峰电流，一般电动机容量N P <150KW 时，1I st ≤2.5N I ；N P >150KW 时，1I st ≤2N I 。接入全部启动电阻时的人为机械特性如图2.1b 中的曲线1所示。随着电动机开始加速，电枢电流和电磁转矩将逐步减小，将沿着曲线1的箭头指向变化。

当转速提高至1n ，电流降至2I st （图2.1b 中的b 点）时，接触器3KM 触点闭合，将3R st 从电枢回路切除，2I st 称为切换电流，一般取2I st =（1.1-1.2）N I 。此时电枢回路电阻将减小为122R R st st a R R ++=，与之对应的人为机械特性如图2.1b 中曲线2所示。在切除电阻的瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，仍为1n ，但电机的工作点将由b 点水平越至曲线2上的c 点，选择恰当的3R st 值，可使c 点的电流值恰好为尖峰电流1I st 。这样，电动机又进一步加速，电流和转速便沿着曲线2的箭头指向变化。当变化到d 点、电流又降到2I st 时，接触器2KM 的触点闭合，将2R st 切除，电动机工作点由d 点水平移到曲线3上的e 点。曲线3是电枢总电阻为1a 1R R st R +=时的人为机械特性，e 点电流仍为尖峰电流1I st ，电流和转速就沿着曲线3变化，当变化到f 点、电流又降到2I st 时，接触器1KM 的触点闭合，最后一级电阻1R st 切除，电动机将过渡到固有机械特性曲线4上，并沿固有机械特性加速。当达到w 点时，电磁转矩额与负载转矩相等，电动机便在w 点所对应的转速上稳定运行，启动过程结束【9】。

图2.1电枢串电阻启动电路和启动过程

(a)启动电路 (b)启动过程

㈡启动电阻的计算

电动机在启动过程中，当切除第一级电阻是，运行点将由b 移至c ，因为b 、c 两点转速相等，则c b E =E 。这样：

在b 点有：

32I R E U b

st -=

在c 点有：

21I R E U c

st -=

上两式相除得： 23

21I R R I st st =

同样，当运行点由d 点移至e 点时，有：12

21I R R I st st =

而从f 点移到g 点时有： a st st R R I 1

21I =

这样，3级启动时就有： β

====a st st R R R R R R I 1

122321I 设2

1

I st st I =β

，称为启动电流比（或启动转矩比），则各级启动总电阻为：

a st st st a a

st st a a

st a R R R R R R R R R R R R R R 31233212211R βββ=+++==++==+= （i ）

每极启动电阻为相邻两极的总启动电阻之差，即：

12

2

3

2331

212211)()()1(R st a st st a st a

a st R R R R R R R R R R R R R βββββββ=-=-==-=-=-=-= （ii ） 启动电流倍数β为：

3

3

R a R =β （iii ）

推广到启动级数为m 的一般情况，则：

a m stm st st a m R R R R R β=+???+++=21R （iv ）

11

11stm )(R st m a m m m m R R R R ---=-=-=βββ （v ）

m

a m

R R =β （vi ）

β

lg lg

a

m R R m = （vii ）

在具体计算是，可能有下述两种情况：

1.启动级数m 未知。此时可按尖峰电流1I st 、切换电流2st I 的规定范围，初选1I st 、2st I 及β值，并用公式（vii ）求出m ，式中R M =U/I st1，若求得m 为分数，则将其加大至相近的整数，然后将m 的整数值带入（vi ）中，求新的β值，用新的β值带入（ii ）中求各部分启动电阻。

2.启动级数m 已知。先选定尖峰电流1I st ，算出R M =U/I st1，将m 及m R 带入（vi ）中，算出β值，然后由式（ii ）求各级启动电阻【10】。

2.3直流电动机电枢串电阻启动设计方案

选取的他励直流电动机的铭牌数据为：P N =29KW ，U N =440V,I N =76A ，n N =1000r/min,R a =0.377Ω，飞轮转矩2205.49GD m N ?=。

⑴选择启动电流I s t1和切换电流I st2

I st1=（1.5~2.0）I N =（1.5~2.0）×76A=（144~152）A I st2=（1.1~1.2）I N =（1.1~1.2）×76A=(83.6~91.2)A 选择I st1=152A ，I st2=91.2A

⑵求出起切电流比β

667.1I 21

==

st st I β

⑶求出启动时点数电路的总电阻R m

Ω=Ω==

895.2152440

R 1st N m I U

⑷求出启动级数m

989

.3lg lg

==β

a

m R R m

取m=4

⑸重新计算β，校验I st2。

664.1377.0895.244

==a m R R β A ==29.91I 12β

st st I I 2在规定范围之内。 ⑹各级启动总电阻为：

Ω=Ω?==627.0377.0664.1R 1a R β Ω=Ω?==043.1627.0664.112R R β Ω=Ω?==736.1043.1664.1R R 23β Ω=Ω?==889.2736.1664.1R R 34β 各级启动电阻为：

Ω=Ω-Ω=-=250.0377.0627.0R 11a st R R Ω=Ω-Ω=-=416.0627.0043.1R 122R R st Ω=Ω-Ω=-=693.0043.1736.1R 233R R st Ω=Ω-Ω=-=153.1736.1889.2R 344R R st

min)

//(411.0min)//(1000377

.076440r V r V n U K N N e =?-=

Φ

A m N e m /93.3411.055.9K 55.9K ?=?=Φ=Φ 615.193.3411.0K 2

=?=Φm e K

各级启动时间常数T m1、T m2、T m3、T m4、T m5分别为：

s K K R R R R R GD m e st st st st a m 234.0375)

(T 2

432121=++++=φ

s

K K R R R R GD e m st st st a st 141.0375(T 2

)

32122=+++=

φ

s

K K R R R GD m e st st a m 084.0375(T 2

)

2123=++=

φ

s K K R R GD e m st a 051.0375)(T 2124

m =+=φ

s K K R GD m e a

m 031.0375T 2

25==φ

设A =A ?==1527622I 11N st I I ，A =A ?===2.91762.12.12N st x I I I ，

A ==76N L I I ，则

61

.15ln )762.9176

152ln()_ln(

21==--=-L st L st I I I I

各级启动时间如下 第一级启动时间为：

s

s I I I I T t L st st st m 3767.061.1234.0)ln(

22

111=?=--= 第二级启动时间为：s s I I I I T t L

st L

st m 227.061.1141.0)ln(

2122=?=--=

第三级启动时间为：

s

s I I I I T t L st L

st m 1352.061.1084.0)ln(

2133=?=--= 第四级启动时间为：

s

s I I I I T t L st L

st m 0821.061.1051.0)ln(

2144=?=--=

电阻全部切除后电动机达到稳定的时间为：s s T t m 124.0031.04455=?==

总启动时间为：

s s t t t t t t 945.0)124.00821.01352.0227.03767.0(54321=++++=++++=

2.3.1分级起动主回路和控制回路以及相关电气元件

2.3.2启动特性曲线

3设计体会

刚刚拿到这个课题的时候，我们一头雾水毫无思路可言。但是在我们去过图书馆翻阅相关资料后，我们的思路渐进明了。首先，在分级启动中，只要知道最大启动电流和切换电流，我们即可以计算出分级启动电阻以及启动过程中的电阻切换时刻。

然后我们要注意的是，我们必须注意所串联电阻并不是越大越好，太大可能导致无法启动。另外，要得到更大的启动转矩，必须增加启动级数，这样所需设备多，透投资大，维修不便。

接着，此设计忽略了电电感的影响，在电阻切除时刻，电流有个跃变，若是考虑电枢电感阻碍电流跃变的作用，实际的启动特性中电流由切换电流变化到最大会稍慢，对整个过程影响小【11】。

最后此次课程设计让我掌握了电机的基本结构、工作原理和性能参数，电力托动系统的一种运行方式、动静态分析，电机的选择和实验方法，以及直流电动机的调速控制系统的基本原理和典型应用的分析和设计，为进一步学习相关专业课及今后工作做必要的知识和技能准备，使我们能够从工程使用的角度提出问题、分析问题和解决问题，通过此次课程设计的学习，能胜任对电气传动系统的使用、维护和管理工作。

4参考文献

【1】丁学文.电力拖动运行控制系统 [M].北京：机械工业出版社，2007 【2】冯清秀、邓星钟著，机电传动控制，华中科技大学出版社，2014

【3】李发海，朱东起. 电机学 [M].北京：科学出版社，2001

【4】许实章.电机学 [M].北京：机械工业出版社，1983

【5】杨耕，罗应立.电机与运动控制系统 [M].北京：清华大学出版社，2006 【6】周绍英.电力拖动 [M].北京：冶金工业出版社，2000

【7】王兆安，黄俊.电力电子技术 [M].4版.北京：机械工业出版社，2000 【8】阮毅，陈博时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统 [M].4版.北京：机械工业出版社

【9】杨长能.电力拖动基础 [M].重庆：重庆大学出版社，2000

【10】张红莲.电机与电力拖动—控制系统 [M].北京：机械工业出版社，2013 【11】汤天浩著，电机与拖动基础，机械工业出版社，2008