直流電動(dòng)機(jī)電樞串聯(lián)電阻調(diào)速過程設(shè)計(jì)

1、指導(dǎo)教師評(píng)定成績(jī)：審定成績(jī)：湖南交通工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告設(shè)計(jì)題目：直流電機(jī)的串電阻調(diào)速過程設(shè)計(jì)院系：電氣與信息工程系學(xué)生姓名：張?zhí)N專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化班級(jí)：14級(jí)電氣工程及其自動(dòng)化（1）班學(xué)號(hào)：144139240471指導(dǎo)教師：陳海義設(shè)計(jì)時(shí)間：2017 年 11 月課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、設(shè)計(jì)題目直流電機(jī)的串電阻調(diào)速過程設(shè)計(jì)二、設(shè)計(jì)任務(wù)和要求1. 熟練直流電機(jī)的機(jī)械特性和電氣特性；2. 根據(jù)圖片提示，綜合運(yùn)用知識(shí)分析直流電機(jī)的運(yùn)行過程；3. 計(jì)算每個(gè)階段變化過程中的阻值對(duì)系統(tǒng)的影響；4. 推導(dǎo)出每個(gè)速度變化過程中電阻值的公式；5. 根據(jù)以下直流電動(dòng)機(jī)特性Pn=85KWUan=380VIan=17

2、6ANn=1450r/min欲用電樞串電阻啟動(dòng)，啟動(dòng)級(jí)數(shù)初步為3 級(jí)1）選擇啟動(dòng)電流11,切換電流I2和切換電流I32）求生起切電流比3）求生啟動(dòng)時(shí)電樞電路的總電阻 Ram4）求生啟動(dòng)級(jí)數(shù)m5）重新計(jì)算，校驗(yàn)12,136）求生各級(jí)總電阻7）求生各級(jí)啟動(dòng)電阻8）結(jié)論9）提交整個(gè)設(shè)計(jì)報(bào)告和測(cè)試報(bào)告目錄一、直流電動(dòng)機(jī)的綜述4二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)5三、設(shè)計(jì)內(nèi)容42四、結(jié)論1-4五、心得體會(huì)16六、參考文獻(xiàn)17綜述直流電動(dòng)機(jī)因其良好的調(diào)速性能而在電力拖動(dòng)中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)按勵(lì)磁方式分為永磁、他勵(lì)和自勵(lì)3類，其中 自勵(lì)又分為弁勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì) 3種。直流電動(dòng)機(jī)-特點(diǎn)：（一）調(diào)速性能好。所謂“調(diào)速性能”

3、，是指電動(dòng)機(jī)在一定負(fù)載 的條件下，根據(jù)需要，人為地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電動(dòng)機(jī)可 以在重負(fù)載條件下，實(shí)現(xiàn)均勻、平滑的無級(jí)調(diào)速，而且調(diào)速范圍 較寬。（二）起動(dòng)力矩大?？梢跃鶆蚨?jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。因此， 凡是在重負(fù)載下起動(dòng)或要求均勻調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的機(jī)械，例如大型可逆軋鋼機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)、電力機(jī)車、電車等，都用直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)-工作原理：（a）導(dǎo)體ab處于N極下（M導(dǎo)體封處于巾橫卜如上圖（a）所示，則有直流電流從電刷A流入，經(jīng)過線圈abcd ,從電刷B流出，根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體ab和cd 收到電磁力的作用，其方向可由左手定則判定， 兩段導(dǎo)體受到的 力形成了一個(gè)轉(zhuǎn)矩，使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。如果轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)

4、到如上圖（b）所示的位置，電刷A和換向片2接觸，電刷B和換向片1 接觸， 直流電流從電刷A 流入， 在線圈中的流動(dòng)方向是dcba ， 從電刷 B 流出。此時(shí)載流導(dǎo)體ab 和 cd 受到電磁力的作用方向同樣可由左手定則判定，它們產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩仍然使得轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。這就是直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。外加的電源是直流的，但由于電刷和換向片的作用，在線圈中流過的電流是交流的，其產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩的方向卻是不變的。實(shí)用中的直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子上的繞組也不是由一個(gè)線圈構(gòu)成，同樣是由多個(gè)線圈連接而成，以減少電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，繞組形式同發(fā)電機(jī)。二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)由勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)獨(dú)立的直流電源供電。在

5、勵(lì)磁電壓Uf的作用下，勵(lì)磁繞組中通過勵(lì)磁電流If,從而產(chǎn)生主磁極磁通在電樞電壓 Ua的作用下，電樞繞組中通過電樞電流 Ia。 電樞電流與磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生機(jī)械以某一轉(zhuǎn)速n 運(yùn)轉(zhuǎn)。 電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，切割磁感線產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E.電動(dòng)勢(shì)的方向與電樞電流的方向相反。2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性2.1.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有特性圖2-1他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有特性特性(Un<U i)2.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)2.2.1 降低電樞電壓起動(dòng)這種方法需要有一個(gè)可改變電壓的直流電源專供電樞電路之用。例如利用直流發(fā)電機(jī)、晶閘管可控整流電源或直流斬波電源等。 起動(dòng)時(shí)，加上勵(lì)磁電壓Uf,保持勵(lì)磁電流If為額定值不變，電樞電

6、壓 Ua 從零逐漸升高到額定值。這種起動(dòng)方法的優(yōu)點(diǎn)是起動(dòng)平穩(wěn)，起動(dòng)過程中能量損耗小，易于 實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。缺點(diǎn)是初期投資大。2.2.2 增加電樞電阻起動(dòng)在實(shí)際中，如果能夠做到適當(dāng)選用各級(jí)起動(dòng)電阻，那么串電阻起動(dòng)由于其起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)和可靠，同時(shí)可以做到平滑快速起動(dòng)， 因而得到廣泛應(yīng)用。但對(duì)于不同類型和規(guī)格的直流電動(dòng)機(jī)， 對(duì)起動(dòng)電 阻的級(jí)數(shù)要求也不盡相同。下面以直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)電樞回路串聯(lián)電阻二級(jí)起動(dòng)為例說明起動(dòng)過程。(1)啟動(dòng)過程分析如圖4(a)所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)已有磁場(chǎng)時(shí)，給電樞電路加電源電壓 U。觸 點(diǎn)KM1、KM2均斷開，電樞串入了全部附加電阻 Rki+Rk2，電樞回路 總電阻為Ral = ra

7、 + RK1 +RK2。這是啟動(dòng)電流為, UU11=Rai ra RK1 RK2與起動(dòng)電流所對(duì)應(yīng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為T1。對(duì)應(yīng)于由電阻所確定的人為機(jī)械特性如圖 4(b)中的曲線1所示。(a)電路圖(b)特性圖圖4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)分二級(jí)起動(dòng)的電路和特性根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式T-Tl=J ddt式中 T電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩；Tl由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩；Jd- 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩后所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩。 dt由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ti大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tl,電動(dòng)機(jī)受到加速轉(zhuǎn)矩的作用， 轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。 在圖4(b)上，由a點(diǎn)沿曲線1 上升，反電動(dòng)勢(shì)亦隨之上升，電樞電流下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨之下 降，

8、加速轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點(diǎn)時(shí)，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸 點(diǎn)KM1閉合，切除一段起動(dòng)電阻 Rki。b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電樞電流I2稱 為切換電流，其對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩 T2稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除Rki后， 電樞回路總電阻為Ra2 = ra+RK2。這時(shí)電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)于由電阻 Ra2所確定 的人為機(jī)械特性，見圖4(b)中曲線2。在切除起動(dòng)電阻Rki的瞬間， 由于慣性電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，仍為 nb,其反電動(dòng)勢(shì)亦不變。因此， 電樞電流突增，其相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)剡x擇所切除的電 阻值Rki,使切除Rki后的電樞電流剛好等于Ii,所對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2, 即在曲線2上的c點(diǎn)。又有Ti>T2,電動(dòng)機(jī)在加速轉(zhuǎn)矩作

9、用下，由c 點(diǎn)沿曲線2上升到d點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)KM2閉合，又切除一切起動(dòng)電阻 Rk2。同理，由d點(diǎn)過度到e點(diǎn)，而且e點(diǎn)正好在固有機(jī)械特性上。電樞電流又由I2突增到Ii,相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由T2突增到。 Tl, 沿固有特性加速到g點(diǎn)T=TL,n=n g電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)過程結(jié)束。在分級(jí)起動(dòng)過程中，各級(jí)的最大電流Ii（或相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2）及 切換電流12（或與之相應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2）都是不變的，這樣，使得起動(dòng) 過程有較均勻的加速。要滿足以上電樞回路串接電阻分級(jí)起動(dòng)的要求，前提是選擇合適的各級(jí)起動(dòng)電阻。下面討論應(yīng)該如何計(jì)算起動(dòng)電阻。（2）起動(dòng)電阻的計(jì)算在圖4（b）中，對(duì)a點(diǎn)，有 UIi=Rai即Rai =

10、Ii當(dāng)從曲線1（對(duì)應(yīng)于電樞電路總電阻 Ra1=ra+ RK1 +RK2）轉(zhuǎn)換得到 曲線2（對(duì)應(yīng)于總電阻Ra2 = ra + RK2）時(shí),亦即從點(diǎn)轉(zhuǎn)換到點(diǎn)時(shí)，由于切 除電阻Rki進(jìn)行很快，如忽略電感的影響，可假定 nb=nc,即電動(dòng)勢(shì) Eb=Ec,這樣在點(diǎn)有12 =U UbRai在c點(diǎn),U UcIi=Ra2兩式相除，考慮到Eb=Ec,得Ii Rai同樣，當(dāng)從d點(diǎn)轉(zhuǎn)換到e點(diǎn)時(shí)，得Il Ra2 =一 I 2 a這樣，如圖4所示的二級(jí)起動(dòng)時(shí)，得U Rai _ Ra2 I 2 Ra2 ra推廣到m級(jí)起動(dòng)的一般情況，得I 1 Rai Ra2Ra(m 1)Ram=一=-=一I 2 Ra 2r aRama式中

11、 為最大起動(dòng)電流1l與切換電流I2之比，稱為起動(dòng)電流比(或起 動(dòng)轉(zhuǎn)矩比)，它等于相鄰兩級(jí)電樞回路總電阻之比。由此可以推出Rai式中m為起動(dòng)級(jí)數(shù)。由上式得如給定 ，求m,可將式R1 = m取對(duì)數(shù)得m=ig由式=U 包=弛=.=典口=旦可得每級(jí)電樞回路總電阻 I 2Ra2raRamaRai =Ra2 ='aFaRa2 =Ra3 =m 1Ra(m-1) =Ram =aRam = ra各級(jí)啟動(dòng)電阻為RK1=Ra1-Ra2RK2 = Ra2-Ra3RK3 = Ra3-Ra4RK(m-1) =R a(m-1) -RamRKm =R am -a起動(dòng)最大電流1l及切換電流I2按生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求確定，

12、一般Ii=(1.52.0)I nl2 = (1.11.2)I N及電動(dòng)機(jī)相應(yīng)的轉(zhuǎn)矩Ti=(1.52.0)I nT2=(1.11.2)I n(3)計(jì)算分級(jí)啟動(dòng)電阻，有兩種情況：1、啟動(dòng)級(jí)數(shù)m未定，初選 Ram= ma-求m,取成整數(shù)m T計(jì) 算 值一計(jì)算各級(jí)電阻或分?jǐn)嚯娮琛?、啟動(dòng)級(jí)數(shù)m已定，選定Ii-Rm= U-計(jì)算 值-計(jì)算各級(jí)電阻或分II級(jí)電阻三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1)選擇啟動(dòng)電流Il和切換電流I2Ii=(1.5 2.0)IaN=(1.5 2.0)X497 =(745.5 994)AI2=(1.5 1.2)IaN=(1.1 1.2) X497 =(546.7 596.4)選擇 Ii=840, 12=

13、560。2)求出起切電流比11=1.5I 23）求出啟動(dòng)時(shí)電樞電路的總電阻RamRam= UN =0.524 Ii(4)求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)mRamlg -m= ra =4.76lg取m=55）重新計(jì)算，校驗(yàn)I2=m Ram =1.47I2= "=571I2在規(guī)定范圍之內(nèi)。6）求出各級(jí)總電阻R5= 5ra=1.47 5 0.076 =0.52R4= 4ra =1.47 4 0.076 =0.35R3= 3ra=1.47 3 0.076 =0.24R2= 2ra=1.47 2 0.076 =0.16R1= ra=1.47 0.076 =0.11R0=Ra=0.0767)求出各級(jí)啟動(dòng)電阻Rst1

14、 =R1-R0=(0.11-0.076)=0.034Rst2=R2-R1=(0.16-0.11)=0.05Rst3=R3-R2=(0.24-0.16)=0.08Rst4=R4-R3=(0.35-0.24)=0.11Rst5=R5-R4=(0.52-0.35)=0.27四、結(jié)論1) 額定功率較小的電動(dòng)機(jī)可采用在電樞電路內(nèi)串起動(dòng)變阻器的方法起動(dòng)。起動(dòng)前先把起動(dòng)變阻器調(diào)到最大值，加上勵(lì)磁電壓Uf， 保持勵(lì)磁電流為額定值不變。在接通電樞電源，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)速的升高，逐漸減小起動(dòng)變阻器的電阻，直到全部切除。額定功率比較大的電動(dòng)機(jī)一般采用分級(jí)方法以保證起動(dòng)過程中既有比較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，又使起動(dòng)電流不

15、會(huì)超過允許值。2) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)計(jì)算方法選擇啟動(dòng)電流I1 和切換電流I2啟動(dòng)電流為I1=(1.52.0)I n對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ti=(1.52.0)I n切換電流為I2 = (1.11.2)I N對(duì)應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2=(1.11.2)I N求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比_ I1 =I 2求出電動(dòng)機(jī)的電樞電路電阻ra.PnUaNIaNra=一I aN求出啟動(dòng)時(shí)的電樞總電阻 RmUNRam =11求出啟動(dòng)級(jí)數(shù)mRamm=lglg 一 ra重新計(jì)算，校驗(yàn)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(jì)算I2mRam再根據(jù)得出的 重新求出I2,并校驗(yàn)I2是否在規(guī)定范 . ra圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需

16、加大啟動(dòng)級(jí)數(shù)m重新計(jì)算 和I2, 直到符合要求為止。求出各級(jí)總電阻Ra1Ra2m raRa2Ra3m 1raRamra求出各級(jí)啟動(dòng)電阻五、心得體會(huì)說實(shí)話，課程設(shè)計(jì)真的有點(diǎn)累然而，當(dāng)我一著手清理自己的設(shè)計(jì)成果，回味這1 周的心路歷程，一種少有的成功喜悅即刻使倦意頓消雖然這是我剛學(xué)會(huì)走完的第一步，也是人生的一點(diǎn)小小的勝利，然而它令我感到自己的很多不足。通過課程設(shè)計(jì)，使我深刻的感受到，干任何事都必須耐心細(xì)致，課程設(shè)計(jì)過程中，有些計(jì)算就是因?yàn)樽约旱牟患?xì)致算錯(cuò)了好幾次只得重算，我終于感受到了科學(xué)的嚴(yán)謹(jǐn)性，我不禁時(shí)刻提醒自己，一定要養(yǎng)成一種高度負(fù)責(zé)，認(rèn)真對(duì)待的良好習(xí)慣這次課程設(shè)計(jì)使我在工作作風(fēng)上得到了一次難得的磨練短短一周的課程設(shè)計(jì)，使我發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識(shí)是真正如此的缺乏，自己綜合應(yīng)用所學(xué)的專業(yè)知識(shí)能力是如此的不足，幾年來的學(xué)習(xí)了那么多的課程，今天才知道自己并不會(huì)用在做課程設(shè)計(jì)過程中我要感謝程安宇老師，由于我們學(xué) 的電機(jī)與拖動(dòng)知識(shí)并不多，有很多地方我們都不懂，程老師 在百忙之余抽出時(shí)間