毕业设计他励直流电动机串电阻起动的设计报告.docx
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毕业设计他励直流电动机串电阻起动的设计报告
指导教师评定成绩:
审定成绩:
重庆邮电大学移通学院
自动化系
课程设计报告
设计题目:
他励直流电动机串电阻起动的设计
学生姓名:
无
专业:
电气工程及其自动化
班级:
05111202
学号:
20122222
指导教师:
设计时间:
2014年12月
重庆邮电大学移通自动化系制
课程设计任务书
一、设计题目
他励直流电动机串电阻启动的设计
二、设计任务
某工厂有一台他励直流电动机,已知参数如下:
Pan=200kw;Uan=440v;Ian=497A;nN=1500r/min;Ra=0.076Ω;采用分级启动,启动电流最大不超过2IaN,,求各段电阻值,并且求出切除电阻时的瞬时转速和电动势,并作出机械特性曲线,对启动特性进行分析。
三、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:
时间:
2014年12月
摘要
他励直流电动机起动时由于电枢感应电动势
,最初起动电流
若直接起动,由于Ra很小,
会十几倍甚至几十倍于额定电流, 无法换向,同时也会过热,因此不能直接起动。
要限制起动电流
的大小可以有两种方法:
降低电枢电压和电枢回路串接附加电阻。
本文仅以他励直流电动机的串电阻起动为主题进行详细的阐述。
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,同时可以做到平滑起动,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。
关键词:
他励直流电动机;起动电流;串电阻起动;
引言
他励直流电动机的起动时间虽然很短,但是如果不能采用正确的起动方法,电动机就不能正常地投入运行。
为此,应对电动机的起动过程和方法进行必要的分析。
直接起动时,他励直流电动机电枢加额定电压UN,电枢回路不串任何电阻,此时由于
,
,所以起动电流
,由于电枢回路总电阻Ra较小,所以
可以达到额定电流IN的十几甚至几十倍。
这样大的电流也可以造成电机换向严重不良,产生火花,甚至正、负电刷间出现电弧,烧毁电刷及换向器。
另外,过大的起动电流使起动转矩
过大,会使机械撞击,也会引起供电电网电波动,从而引起其他接于同一电网上的电气设备的正常运行,因此是不允许的。
一般只有微型直流电动机,由于自身电枢电阻大,转动惯量小,起动时间短,可以直接起动,其他直流电机都不允许直接起动。
在拖动装置要求不高的场合下,可以采用降低起动电压或在电枢回路串电阻的方法。
他励直流电动机在电枢回路中串电阻,具有良好的起动特性、较大的起动转矩和较小的起动电流,可以满足生产机械需要的要求。
本文借助图像对整个过程被各个变量与时间的相互关系进行了描绘,对更加清楚地了解和设计他励直流电机起动的特点具有重要意义。
第一章直流电动机
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
直流电动机的工作原理:
上图所示为最简单的直流电动机工作原理示意图。
直流电动机换向器是由二片互相绝缘的半圆铜环(换向片)构成的,每一换向片都与相应的电枢绕组连接,与电枢绕组同轴旋转,并与电刷A、B相接触。
若电刷A是正电位,B是负电位,那么在N极范围内的转子绕组ab中的电流从a流向b,在S极范围内的转子绕组cd中的电流从c流向d。
转子载流导体在磁场中要受到电磁力的作用,根据磁场方向和导体中的电流方向,利用电动机左手定则判断,如图中ab边受力方向是向左,而cd则向右。
由于磁场是对称的,导体中流过的又是相同的电流,所以ab边和cd边所受的电磁力的大小相等。
这样转子线圈上受到的电磁力f的作用而按逆时针方向旋转。
当线圈转到磁极的中性面时,线圈中的电流为零。
因此,电磁力也等于零。
但由于惯性的作用,线圈继续转动。
线圈转过半圈之后,虽然ab与cd的位置调换了,ab转到S极范围内,cd转到N极范围内,但是由于电刷和换向片的作用,转到N极下的cd边中的电流方向也变了,是从d流向c,在S极下的ab边中的电流,则从b流向a。
因此,电磁力f的方向仍然不变,转子线圈仍按逆时针方向转动。
可知,分别在N,S极范围内的导体中的电流方向总是不变的。
由此,线圈二边受力方向也不变。
这样,线圈就可以按照受力方向不停地旋转。
1.2直流电动机的分类
根据励磁方式的不同,直流电机可分;他励直流电机、并励直流电机、串励直流电机、复励直流电机。
1.3他励直流电机工作原理
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,接线如图1.3所示。
图中M表示电动机,若为发电机,则用G表示。
永磁直流电机也可看作他励直流电机。
图1.3他励直流电机工作原理图
第二章他励直流电动机的起动
2.1他励直流电动机串电阻起动
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,同时可以做到平滑快速起动,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。
下面仅以直流他励电动机电枢回路串电阻起动为例说明起动过程。
(1)起动过程分析
如图2.1(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,电枢串入了全部附加电阻RK1+RK2,电枢回路总电阻为Ral=Ra+RK1+RK2。
这是起动电流为
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2.1(b)中的曲线1所示。
(a)电路图(b)特性图
图2.1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式
式中T——电动机的电磁转矩;
TL——由负载作用所产生的阻转矩;
J——电动机的转动惯量;
由于起动转矩T1大于负载转矩TL,电动机受到加速转矩的作用,转速由零逐渐上升,电动机开始起动。
在图2.1(b)上,由a点沿曲线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。
b点所对应的电枢电流
称为切换电流,其对应的电动机的转矩T2称为切换转矩。
切除
后,电枢回路总电阻为
。
这时电动机对应于由电阻Ra2所确定的人为机械特性,见图2.1(b)中曲线2。
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,其相应的电动机转矩也突增。
适当地选择所切除的电阻值
,使切除
后的电枢电流刚好等于
,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
。
同理,由d点过度到e点,而且e点正好在固有机械特性上。
电枢电流又由
突增到
,相应的电动机转矩由T2突增到T1。
T1>TL,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
(或相应的最大转矩T2)及切换电流
(或与之相应的切换转矩T2)都是不变的,这样,使得起动过程有较均匀的加速。
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。
下面讨论应该如何计算起动电阻。
(2)起动电阻的计算
在图2.1(b)中,对a点,有
即
当从曲线1(对应于电枢电路总电阻
转换得到曲线2(对应于总电阻
)时,亦即从点转换到点时,由于切除电阻RK1进行很快,如忽略电感的影响,可假定nb=nc,即电动势Eb=Ec,这样在点有
在c点
两式相除,考虑到Eb=Ec,得
同样,当从d点转换到e点时,得
这样,如图2.1所示的二级起动时,得
推广到m级起动的一般情况,得
=
=…
=
式中
为最大起动电流
与切换电流
之比,称为起动电流比(或起动转矩比),它等于相邻两级电枢回路总电阻之比。
由此可以推出
式中m为起动级数。
由上式得
=
如给定
求m,可将式
=
取对数得
m=
由式
=
=
=…=
=
可得每级电枢回路总电阻进而求出各级起动电阻为:
起动最大电流
及切换电流
按生产机械的工艺要求确定,一般
=
=
2.2直流电动机电枢串电阻起动设计方案
(1)选择起动电流
和切换电流
=(1.5~2.0)
=(1.5~2.0)×497A=(745.5~994)A
=(1.1~1.2)
=(1.1~1.2)×497A=(546.7~596.4)A
选择
=840A,
=560A。
(2)求出起切电流比
=
=1.5
(3)求出起动时电枢电路的总电阻Ram
=0.524
(4)求出起动级数m
m=
=4.76取m=5
(5)重新计算
,校验
=
=1.47
=
=571
在规定范围之内。
(6)求出各级总电阻
=1.475
0.076
=0.52
(7)求出各级起动电阻
2.3多级起动的规律
(1)不同加速级的机电常数是不同的,电枢电路的电阻越大,则TM越大。
(2)不同加速级的起始转速与稳定转速是不同的,这是由于不同的机械特性与恒切换转矩T2(或切换电流I2)特性及恒负载转矩TL(或负载电流IL)特性的交点是不同的。
(3)起动级数的选取:
取决于负载的大小与对起动平滑性的要求。
级数越多起动平滑性越好,但是起动设备与控制装置庞杂,投资大。
一般取
级,空载或轻载取
,重载或满载取
。
第三章设计小结
根据以上的设计实践,他励直流电动机串电阻起动计算方法可归结如下:
(1)选择起动电流
和切换电流
=(2.0~2.5)IN
=(1.1~1.2)IL
起动电流为
对应的起动转矩T1;
T1=(1.5~2.0)TN
切换电流为
对应的起动转矩T2;
T2=(1.5~2.0)TN
(2)出起切电流(转矩)比
;
=
/
(3)出电动机的电枢电路电阻ra;
(4)出起动时的电枢总电阻Rm;
(5)出起动级数m;
选取m=3
(6)重新计算
,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
;
=
再根据得出的
重新求出
,并校验
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
和
,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
这便是他励直流电动机电枢串电阻起动的大体思路与过程。
第四章设计体会
在本次的设计中,让我学到了很多东西。
学会了细心做好每一个步奏,每一个步奏都关系到后面的设计。
还有要多多的向同学学习,学如何运用课本中的知识,这次的课程设计让我真正的认识到要学以致用还是有一定的难度。
我要更加的努力学习并且加以致用,并且加强综合的应用及综合应用能力。
深刻的认识到自己与实际要求的差距还是有很大的距离。
我必须为将来踏进社会做充足的准备!
致谢
感谢张强老师一直严谨细致、一丝不苟对待学问,是我学习中的榜样;在老师启发下,我们有了大概的思路;这次课程设计的每个实验细节与数据,都离不开老师指导。
正因为老师讲解,才让我更快写出课程设计的思路,让我更加顺利地完成了这次课程设计。
同时感谢对我帮助过的同学们,谢谢你们对我的帮助和支
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