他励直流电动机降压启动与串电阻启动分析与设计毕业论文Word格式文档下载.docx

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通过降低电枢电压或在电枢回路串电阻，减小了启动电流与启动转矩，达到了平稳启动的目的。

关键词：

他励直流电动机降压启动串电阻启动机械特性

1他励直流电动机的启动方法

直流电动机接入电源后，转速从零达到稳态转速的过程，称为启动过程。

直流电动机启动时有两条要求：

第一，应有足够大的启动转矩Tst，以缩短启动时间，提高生产效率；

第二，启动电流不能过大，一般要小于二倍的额定电流。

第三，启动设备要简单、经济、可靠。

直接启动[1]时，他励直流电动机电枢加额定电压UaN，电枢回路不串任何电阻，此时由于转速n=0，电动势E=0，根据式

（1）得到式

（2）。

显然直接启动时启动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向火花，造成换向困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电网电压的下降，影响其他用户的正常用电；

同时由（3）可知，启动转矩也很大，造成机械冲击，易使设备受损。

因此，除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不允许直接启动的。

因此，必须将启动电流限制在运行范围之内。

由式

（2）可以看出，可以采用降低电枢电压Ua和串接电枢电阻Ra的方法。

2他励电动机降压启动

n

2.1降压启动的原理

（a）电路图（b）机械特性

图1他励直流电动机降压启动

（a）为降压启动电路图，Ua为可变直流电压源装置。

（b）为降压启动的启动特性。

通过降低电压，从而达到减小启动电流的目的。

现进行分析：

①电枢电压为U1的启动

电枢回路中只存在电枢电阻Ra。

在励磁回路中加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，给其一个大小为U1的直流电压。

其机械特性如图1（b）中的人为特性f1（Tem）。

刚启动时，电压低，启动电流不大。

启动转矩T1大于负载转矩TL，沿人为特性由a点向b点移动。

②电枢电压由U1切换到U2

工作点到达b点时，电磁转矩T等于切换转矩T2，将电枢回路电压由U1切换到U2。

此时的机械特性变为f2（Tem）。

切换的瞬间转速不改变，由b点平移到c点，电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，由c点向d点移动。

③电枢电压由U2切换到UaN

到达n1点时，电磁转矩T等于切换转矩T1，将电枢回路电压由U2切换到UaN。

此时的机械特性变为fN（Tem）。

切换的瞬间转速不改变，由d点平移到n1点，电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，由n1点经过n2点，到达nN，启动过程结束。

2.2各级启动的电压

①选择启动电流I1和切换电流I2

为保证与启动转矩T1对应的启动电流不会超过运行的最大电枢电流Iamax，选择

对应的启动转矩

为保证一定的加速转矩，减小启动时间，一般选择切换转矩为

若TL未知，可用TN代替。

对应的切换电流T2为

IL是与TL对应的稳态电枢电流。

若未知，可用IaN代替。

②求出起切电流（转矩）差β

③确定切换电压源次数m

m的计算公式为

式中，

为m级启动时的电枢启动电压。

该公式的推导过程如下：

由于

，故

，即

可见若m级启动，由于

对式（10）（11）（12）求和，可得

式（13）两边进行整理变得到了式（9）。

若式（9）求出的m不是整数，可取相近整数。

若m已知，上述步骤中除求

外，其余都可省略。

④重新计算β，校验

是否在规定范围内

若m是取相近整数，则需重新计算β。

由式（13）可知计算β的公式为

根据重新求得的β，由式（8）重新求出

，并校验

是否在式（7）所规定的范围之内。

若不在规定范围之内，需调整

或加大启动级数m，重新计算β和I2，直到满足要求为止。

⑤求出各级启动电压

根据前面的分析可知，计算各级启动电压的一般公式为

式中，i=1，2，……，m。

2.3降压启动实例与机械特性

一台Z4他励直流电动机PaN=4kW，UaN=160V，IaN=33.7A，nN=990r/min,Ra=0.741Ω。

采用降低电枢电压起动时，求起动级数和各级切换时电枢回路电压大小。

①启动电压计算

（1）选择

和

=（50.55~67.4）A

=（37.07~40.44）A

取

=60A，

=38A。

（2）求出起切电流差

（3）求出切换电压源次数m

取m=7。

（4）重新计算，校验I2

I2在规定的范围之内。

（5）求出各级切换时电枢回路电压大小

②启动特性分析

他励电动机的转速与转矩之间的关系，即机械特性关系式为

已知，PaN=4kW，UaN=160V，IaN=33.7A，nN=990r/min,Ra=0.741Ω。

额定状态时，有

可得

图2他励直流电动机降压启动机械特性图

当电枢回路两端的电压不同时，他励电动机的机械特性也不同。

当电枢电压分别为

时，代入式（16），使用如下指令：

clear

UaN=160;

CEFai=0.137;

CTFai=1.308;

Ra=0.741;

U0=44.5;

U1=61;

U2=77.5;

U3=94;

U4=110.5;

U5=127;

U6=143.5;

I1=60;

I2=37.7;

T=0:

1:

2500;

n=UaN/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;

n0=U0/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;

n1=U1/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;

n2=U2/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;

n3=U3/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）

n4=U4/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;

n5=U5/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;

n6=U6/CEFai-Ra.*T./（CEFai*CTFai）;

plot（T,n,T,n0,T,n1,T,n2,T,n3,T,n4,T,n5,T,n6）

title（'

他励直流电动机启动机械特性图'

）,xlabel（'

电磁转矩T（或电枢电流Ia）'

）,ylabel（'

转速n'

）

holdon

T1=CTFai*I1;

T2=CTFai*I2;

plot（T1,n6,T2,n6）

holdoff

在Matlab运行窗口下运行，可画出他励直流电动机串7级电阻启动时的机械特性，如图2所示。

3他励直流电动机串电阻启动

3.1串电阻启动原理

（c）电路图

（d）机械特性

图3他励直流电动机串电阻启动

（c）为串电阻启动电路图，（d）为串电阻启动的启动特性。

通过在电枢上串联电阻启动，使启动电流不会超过允许值[2]。

①串联电阻R1和R2

启动前开关S1和S2断开，电枢电路中串入电阻R1和R2，则电枢电路的总电阻为

加上励磁电压Uf，保持励磁电流If为额定值不变，加上电枢电压，则机械特性为图1（b）中的人为特性f1（Tem）。

又因启动转矩T1大于负载转矩TL，工作点沿人为特性f1（Tem）由a点向b点移动。

②切除电阻R2

当工作点到达b点，电磁转矩T等于切换转矩T2时，合上开关S2，则电枢电路的总电阻变为

机械特性变为人为特性f2（Tem），合上S2的瞬间，转速不改变，工作点由b点平移到特性c点，电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，沿特性f2（Tem）由c点向d点移动。

③切除电阻R1

工作点到达d点，电磁转矩T又等于切换转矩T2，则合上开关S1，电枢电路的总电阻变为

机械特性变为固有特性fn（Tem），工作点由d点平移到n1点，使得这时的电磁转矩T仍等于T1，电动机加速，工作点沿固有特性fN（Tem）由n1点经n2点，移动到n点，其电磁转矩T等于负载转矩TL，电动机进入稳态运行，整个启动过程结束。

3.2各级电阻的计算

②求出起切电流（转矩）比β

③确定启动级数m

m的计算公式为

式中，Ram为m级启动时的电枢启动总电阻

由于nd=nn1，故Ed=En1，即

由于nb=nc，故Eb=Ec，即

可见，若为m级启动，则启动的总电阻为

两边取对数，便得到了式（22）。

若式（22）求出的m不是整数，可取相近整数。

若m已知，上述步骤中除求I1外，其余都可省略。

④重新计算β，校验I2是否在规定范围之内。

由式（24）可知计算β的公式为

根据重新求得的β，由式（21）重新求出I2，并校验I2是否在式（7）所规定的范围之内。

若不在规定范围之内，需调整I1或加大启动级数m，重新计算β和I2，直到满足要求为止。

⑤求出各级启动电阻。

根据前面的分析可知，计算各级启动电阻的一般公式为

3.3串电阻启动实例与机械特性

以一台Z4系列他励直流电动机为例进行分析计算，PaN=4kW，UaN=160V，IaN=33.7A，nN=990r/min,Ra=0.741Ω。

采用电枢串电阻起动。

求起动级数和各级起动电阻。

①启动电阻计算

（1）选择I1和I2

=58A，

（2）求出起切电流比

（3）求出启动级数m

取m=3。

（4）重新计算，校验I2。

（5）求出各级启动电阻

R1=（β-1）Ra=（1.55－1）×

0.741Ω=0.408Ω

R2=（β2-β）Ra=（1.552－1.55）×

0.741Ω=0.632Ω

R3=（β3-β2）Ra=（1.553－1.552）×

0.741Ω=0.979Ω

额定状态