他励直流电动机电枢串电阻启动设计.doc

课程设计名称： 电机与拖动

题 目：

专 业：
班 级：
姓 名：
学 号：

电气工程系课程设计标准评分模板
课程设计成绩评定表
学期
2011/2012第2学期
姓名
崔彬彬
专业
电气工程及其自动化
班级
电气10-2班
课程名称
电机与拖动课程设计
设计题目
他励直流电动机电枢串电阻启动设计
成绩
评分项目
优
良
中
及格
不及格
设计表现
1.设计态度
非常认真
认真
较认真
一般
不认真
2.设计纪律
严格遵守
遵守
基本遵守
少量违反
严重违反
3.独立工作能力
强
较强
能独立设计完成
基本独立设计完成
不能独立设计完成
4.上交设计时间
提早或按时
按时
迟交半天
迟交一天
迟交一天以上
设计说明书
5.设计内容
设计思路清晰，结构方案良好，设计参数选择正确，条理清楚，内容完整，结果正确
设计思路清晰，结构方案合理，设计参数选择正确，条理清楚，内容较完整，极少量错误
设计思路较清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有少量错误
设计思路基本清晰，结构方案基本合理，设计参数选择基本正确，调理清楚，内容基本完整，有些错误
设计思路不清晰，结构方案不合理，关键设计参数选择有错误，调理清楚，内容不完整，有明显错误
6.设计书写、字体、排版
规范、整洁、有条理，排版很好
较规范、整洁、有条理，个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理，个别排版有问题
基本规范、整洁、有条理，排版有问题较多
不规范、不整洁、无条理，排版有问题很大
7.封面、目录、参考文献
完整
较完整
基本完整
缺项较多
不完整
图纸
8.绘图效果
很出色
较出色
一般
较差
很差
9.布局
合理、美观
较合理
基本合理
有些混乱
布局混乱

10.绘图工程标准
符合标准
较符合标准
基本符合标准
个别不符合标准
完全不符合标准
评定说明：
不及格标准：设计内容一项否决制，即5为不及格，整个设计不及格，其他4项否决；
优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级；如优秀评定，设计内容要符合5，其余九项要有4项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。
最终成绩： 评定教师签字：

课程设计任务书
一、设计题目
他励直流电动机电枢串电阻起动的设计
二、设计任务
1、说明直流电动机的基本结构和工作原理；
2、说明直流电动机的起动方法和起动过程；
3、选择他励直流电动机电枢串电阻方式，按给定参数计算串联电阻值。
三、设计计划
电机与拖动课程设计共计1周内完成。
第l～2天查资料，熟悉题目；
第3～5天方案分析，具体按步骤进行设计及整理设计说明书；
第6天准备答辩；
第7天答辩。
四、设计要求
1、设计工作量为按要求完成设计说明书一份；
2、设计必须根据进度计划按期完成；
3、设计说明书必须经指导教师审查签字方可答辩。

指 导 教师：荣德生 王继强 刘春喜 李国华
时 间：2012年6月23日

摘要
直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。从控制的角度来看，直流调速还是交流拖动系统的基础。早期直流电动机的控制均以模拟电路为基础，采用运算放大器、非线性集成电路以及少量的数字电路组成，控制系统的硬件部分非常复杂，功能单一，而且系统非常不灵活、调试困难，阻碍了直流电动机控制技术的发展和应用范围的推广。随着单片机技术的日新月异，使得许多控制功能及算法可以采用软件技术来完成，为直流电动机的控制提供了更大的灵活性，并使系统能达到更高的性能。采用单片机构成控制系统，可以节约人力资源和降低系统成本，从而有效的提高工作效率。
本设计主要研究了他励直流电动机、并励直流电动机、串励直流电动机和复励直流电动机的运行特性和他励直流电动机的起动，尤其是他励直流电动机串电阻起动的设计方法。
关键词：直流电动机；起动；串电阻；运行特性

辽宁工程技术大学电机与拖动课程设计
目录
绪论 1
1 直流电动机的工作原理 2
2 直流电动机的结构 4
2.1 定子 4
2.2转子 4
3 直流电动机的分类 5
3.1 他励直流电动机 5
3.3 串励直流电动机 5
3.4 复励直流电动机 5
4 他励直流电动机的起动 6
4.1 直接起动 6
4.2 降电压起动 6
4.3 电枢串电阻起动 6
5 他励直流电动机电枢串电阻起动设计 7
6 结论 9
7 心得体会 10
参考文献 11

绪论
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。直流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，但是它具有良好的起动、调速和制动性能，因此在速度调节要求较要、正反转和起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1-1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。当线圈转过180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。

图表 11 直流电动机的工作原理图

2 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 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。
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。
机座 ——机座有两个作用，一是用来固定主磁极、换向级和端盖；另一个是作为磁路的一部分。
电刷装置 ——电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。由电刷、刷握、刷杆座和铜丝辫组成
2.2转子
电枢铁心 —— 电枢铁心也有两个用处，一是作为主磁路的主要部分，二是嵌放电枢绕组。
电枢绕组——电枢绕组由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换的关键部件。
换向器——换向器也是直流电机的重要部件。在直流电动机中，它的作用是将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流；在直流发电机中，它将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势

3 直流电动机的分类
根据励磁线圈和转子绕组的连接关系，励磁式的直流电机又可细分为：
他励直流电动机 并励直流电动机 串励直流电动机和复励直流电动机
3.1 他励直流电动机
他励直流电动机是一种励磁绕组与电枢绕组无连接关系，而由其他直流电源而由其他直流电源对励磁绕组单独供电的直流电动机，如图3-1（a）所示。
3.2并励电直流动机
并励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，如图3-1（b）所示。这种直流电动机的励磁绕组上所加的电压就是电枢电路两端的电压
3.3 串励直流电动机
串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕串联，如图3-1（c）所示。这种直流电动机的励磁电流就是电枢电流，若有调节电阻与励磁绕组并联，其电流则为电枢电流的一部分
3.4 复励直流电动机
这种直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢电路并联，然后再和另一个励磁绕组串联，如图3-1（d）所示。

图（a） 他励直流电动机 图（b） 并励直流电动机

图（c） 串励直流电动机 图（d） 复励直流电动机

图3-1直流电动机的四种类型
4 他励直流电动机的起动
4.1 直接起动
直接起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起动。直接起动又称为全压起动。由于起动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势
（4-1）
则起动电流为 （4-2）

由于电枢绕组的电阻Ra很小，所以起动电流很大，可达到额定电流的十几倍。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。
4.2 降电压起动
降低电枢电压起动，即起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流 ，电动机起动后，再逐渐提高电源电压，使起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。这种起动方法需要专用电源，投资较大，但起动电流小，起动转矩容易控制，起动平稳，起动能耗小，是一种较好的起动方法。
4.3 电枢串电阻起动
在实际中，如果能够做到适当选用各级起动电阻，那么串电阻起动由于其起动设备简单、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，对起动电阻的级数要求也不尽相同。
下面所示直流他励电动机电枢电路串电阻二级起动为例说明起动过程。
起动过程分析：
如图4-1（a）所示，当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U。触点KM1、KM2均断开，电枢传入了全部附加电阻Rk1+Rk2电枢回路总电阻为Ral=ra+Rk1+Rk2。这时起动电流为： （4-3）
与起动电流所对应的起动转矩为T1。对应于由电阻所确定的人为机械特性如图4-1（b）
图2-3光控开关电路

中的曲线1所示。

图表41 直流他励电动机分二级起动的电路和特性
根据电力拖动系统的基本运动方程：
（4-4）
式中： T ——电动机的电磁转矩；
TL —— 由负载作用所产生的阻转矩；
Jdw/dt --电动机转矩克服负载转矩后所产生的动态转矩。
由于起动转矩T1大于负载转矩TL,电动机收到加速转矩的作用，转矩有零逐渐上升，电动机开始起动。在图4-1（b）中，由a点沿着曲线1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KM1闭合，切除一段起动电阻Rk1后，b点所对应的电枢电流I2成为切换电流，其对应的电动机的转矩T2成为切换转矩。切除RK1后 ,电枢回路总电阻为Ra2=ra+Rk2。这时电动机对应于由电阻Ra2确定的人为机械特性。在切除起动电阻RK1的瞬间，由于惯性电动机的转速不变，仍为nb，其反电动势亦不变。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Rk1，使切除Rk1后的电枢电流刚好等于I1,所对应的转矩为T2，即在曲线2上的c点。又有T1>T2,电动机在加速转矩作用下，由c点沿曲线2上升到d点。控制点KM2闭合，又切除一切起动电阻Rk2。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。电枢电流又由I2突增到I1相应的电动机转矩由T2突增到T1。T1>T2，沿固有特性加速到g点T=TL，n=ng电动机稳定运行，起动过程结束。
在分级起动过程中，各级的最大电流I1（或者相应的最大转矩T2）及切换电流I2（或者与之对应的切换转矩T2）都是不变的，这样，使得起动过程中有均匀的加速。
要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，前提是选择合适的各级起动电阻。

5 他励直流电动机电枢串电阻起动设计
一台Z4系列他励直流电动机，PN=2500W，UaN=330V,IaN=10.5A,Ra=2.25,采用电枢电路串电阻起动。
1、选择起动电流I1
I1=（1.5~2.0）IN=（1.5~2.0）×10.5A=(15.75~21.00)A
选择I1=20A
2、求出电动机的电枢电路的电阻Ra
=(330-2500/10.5)/10.5Ω=8.75Ω
3、求出起动时电枢电路的电阻Ram
=330/20Ω=16.5Ω
4、求出起切电流比β

5、求出I2校验I2
I2在规定范围之内
6、求出各级总电阻
Ώ

Ώ
Ώ
7、求出各级起动电阻

6 结论
他励直流电动机串电阻起动计算方法：
1 选择起动电流I1和切换电流I2
起动电流为
I1=（1.5~2.0）IN
切换电流为
I2=（1.~11.2）IN
对应的起动转矩
T2=（1.1~1.2）IN
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 求出起动时的电枢总电阻Rm

5 求出起动级数m

6 重新计算β，校验I2是否在规定范围内
若m是取相近整数，则需重新计算I2

再根据得出的β重新求出I2，并校验I2是否在规定范围内。若不在规定范围内，需加大起动级数m重新计算β和I2，直到符合要求为止。

7 求出各级总电阻

8 求出各级起动电阻
电枢回路串电阻起动方法比较简单，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。降压起动平稳，起动过程能量损耗小，容易实现自动化。降压起动的缺点就是初期投资大，起动设备复杂，要求有单独的可调压直流电源。

7 心得体会
通过本次课程设计，使我对《电机与拖动》这门课程有了更深入的理解。《电机与拖动》是一门实践性较强的课程，为了学好这门课程，必须在掌握理论知识的同时，加强上机实践。在这次课程设计中学到了很多课内学不到的东西，比如独立思考解决问题，出现差错的随机应变，和与人合作共同提高，都受益非浅。一个人的力量是有限的，要想把课程设计做的更好，就要学会参考一定的资料，吸取别人的经验，让自己和别人的思想有机的结合起来，得出属于你自己的灵感。
做课程设计同时也是对课本知识的巩固和加强，由于课本上的知识太多，平时课间的学习并不能很好的理解和运用各个部分的功能，而且考试内容有限，所以在这次课程设计过程中，我了解了很多电机元件的功能，并且对于其在串电阻启动中的使用有了更多的认识。平时看课本时，有时问题老是弄不懂，做完课程设计，那些问题就迎刃而解了。而且还可以记住很多东西。认识来源于实践，实践是认识的动力和最终目的，实践是检验真理的唯一标准。今后的设计应该轻松，自己也都能扛的起并高质量的完成项目。
在这个过程中，我也曾经因为实践经验的缺乏失落过，也曾经仿真成功而热情高涨。生活就是这样，汗水预示着结果也见证着收获。劳动是人类生存生活永恒不变的话题。虽然这只是一次的极简单的课程制作，可是平心而论，也耗费了我不少的心血，这就让我不得不佩服开发技术的前辈，才意识到老一辈对我们社会的付出，为了人们的生活更美好，他们为我们社会所付出多少心血啊！
对我而言，知识上的收获重要，精神上的丰收更加可喜。让我知道了学无止境的道理。我们每一个人永远不能满足于现有的成就，人生就像在爬山，一座山峰的后面还有更高的山峰在等着你。挫折是一份财富，经历是一份拥有。这次课程设计必将成为我人生旅途上一个非常美好的回忆！

参考文献
[1] 顾绳谷：电机与拖动基础[M].第4版 机械工业出版社， 2007年
[2] 汪国梁：电机学[M].北京 机械工业出版社，1988年
[3] 杨渝钦：控制电机[M].第2版.北京 机械工业出版社，1998年
[4] 刘竞成：交流调速系统[M].上海 上海交通大学出版社，1984年
[5] 李晓竹：电机与拖动 中国矿业大学出版社，2002年
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