直流电动机串联电阻启动

直流电动机的分类…………………………………………………… 2

直流电动机特点……………………………………………………… 3

他励直流电动机……………………………………………………… 3

他励直流电动机的机械特性………………………………………… 3

机械特性方程式……………………………………………………… 3

固有机械特性与人为机械特性……………………………………… 4

他励直流电动机的起动……………………………………………… 5

电枢回路串电阻起动………………………………………………… 5

启动过程分析……………………………………………………… 6

起动电阻的计算…………………………………………………… 7

计算分级启动电阻………………………………………………… 9

设计方案……………………………………………………………9

心得及体会…………………………………………………………… 10

参考文献……………………………………………………………… 10

直流电动机串电阻起动

一、直流电动机的基本工作原理

图1 是一台最简单的直流电动机的模型，N和S是一对固定的磁极(一般是电磁铁，也可以是永久磁铁)。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。在换向器上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体称为电枢。

如果将电源正负极分别接电刷A和B,则线圈abcd中流过电流。在导体ab中，电流由a流向b，在导体cd中，电流由c流向d，如图（a）所示。载流导体ab和cd均处于N和S极之间的磁场当中，受到的电磁力的作用。用左手定则可知，载流导体ab受到的电磁力F的方向是向左的，力图使电枢逆时针方向运动，载流导体cd受到的电磁力F的方向是向右的, 也是力图使电枢逆时针方向运动，这一对电磁力形成一个转矩, 即电磁转矩T，其方向为逆时针方向，使整个电枢沿逆时针方向转动。当电枢转过180°, 导体cd转到N极下，ab转到S极上，如图（b）所示。由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，再从电刷B流出。用左手定则判别可知，导体cd受到的电磁力的方向是向左的，ab受到的电磁力的方向是向右的，因而电磁转矩的方向仍是逆时针方向,使电枢沿逆时针方向继续转动。当电枢在转过180°，就又回到图（a）所示的情况。这就是直流电动机的基本工作原理。

图1.  直流电动机的基本工作原理

二、直流电动机的分类

直流电动机因其良好的调速性能而在电力拖动中得到广泛应用。根据励磁方式的不同，直流电动机可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四类。

三、直流电动机特点

(一)调速性能好。所谓“调速性能”，是指电动机在一定负载的条件下，根据需要，人为地改变电动机的转速。直流电动机可以在重负载条件下，实现均匀、平滑的无级调速，而且调速范围较宽。 

(二)起动力矩大。可以均匀而经济地实现转速调节。因此，凡是在重负载下起动或要求均匀调节转速的机械，例如大型可逆轧钢机、卷扬机、电力机车、电车等，都用直流电动机拖动。

四、他励直流电动机

他励直流电动机由励磁绕组和电枢绕组分别由两个的直流电源供电。在励磁电压Uf的作用下，励磁绕组中通过励磁电流If ，从而产生主磁极磁通φ。在电枢电压Ua的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia。电枢电流与磁场相互作用产生机械以某一转速n运转。电枢旋转时，切割磁感线产生电动势E.电动势的方向与电枢电流的方向相反。

他励直流电动机的机械特性

他励直流电动机的机械特性定义为：直流电动机的电枢电压U为常数，励磁电流If为常数，电枢回路电阻Ra+RΩ为常数时，电动机产生的电磁转矩T与转速n之间的函数关系，即n=f(T)。他励直流电动机电路原理图如图2所示。

机械特性方程式

图 2. 他励直流电动机电路原理图 图 3. 他励直流电动机的机械特性

 电枢感应电动势 

 电磁转矩 

 电枢电路电压平衡方程：

 电动机转速特性方程：

由电磁转矩方程可得到，代入转速特性方程式中，就得到电动机机械特性方程式：

式中：。

 若U，，R均为常数，机械特性是一条向下倾斜的直线，如图3所示。

 1)

或  

 由式（1）可知，越大，越大，机械特性曲线越斜，称之为软特性；反之将小、小的特性称硬特性。

固有机械特性与人为机械特性

当电枢上加额定电压、气隙每极磁通为额定磁通、电枢回路不串任何电阻时的机械特性称为他励直流电动机的固有机械特性。

人为地改变电动机的参数，如改变电压U、改变磁电流If（即改变磁通）、电枢回路串电阻所得到的机械特性称为人为机械特性。

电枢回路串电阻使斜率β增大，特性曲线变软，但理想空载转速不变，所以人为机械特性为一簇经过理想空载转速点的放射性直线，如图

变电压时的人为特性是一组平行直线,如上中图;弱磁时的人为特性如上右图。

图4  电枢串电阻时的人为特性 图5 变电压时的人为特性

图6 弱磁时的人为特性

他励直流电动机的起动

电动机的起动是指电机合上电源后，从静止状态加速到所要求的稳定转速时的过程。起动时把电动机电枢直接加上额定电压是不允许的，因为在起动前，电机转速为零，由电枢电势公式可知，也为零，电枢绕组电阻又很小，若此时加上额定电压，会引起过大的起动电流Is，Is = /,其值可达额定值的10～20倍。这样大的启动电流会产生强烈火花，甚至烧毁换向器；还会加剧电网电压的波动，影响同一电网上其他设备的正常运行，甚至可能引起电源开关跳闸。

为起动时过大的起动电流，一般采用降低压起动和电枢回路串电阻起动两种方法。

电枢回路串电阻起动

电枢回路串接电阻，启动电流为Is=Un/Ra+R，负载转矩TL可知，启动过程中要求电动机的电磁转矩必须大于负载转矩,即 T>TL。根据要求，可确定串接电阻的大小，这样有了加速转矩后才能使系统启动，而加速转矩的大小又必须满足生产工艺对加速度的要求。因此他励直流电动机启动时，必须有足够大的负载转矩，又不使启动电流过大，使电动机在满足生产工艺要求的前提下安全启动，但随着转速的升高，应逐级切除电阻，否则电枢回路长期串接较大电阻，将引起较大的能量损耗。

额定功率较小的电动机可采用在电枢电路内串联起动变阻器的方法起动。起动前先把起动变阻器调到最大值，加上励磁电压Uf，保持励磁电流为额定值不变。再接通电枢电源，电机开始起动。随着转速的升高，逐渐减小起动变阻器的电阻，直到全部切除。

额定功率较大的电动机一般采用分级起动的方法以保证起动过程中既有比较大的起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。现以两级起动为例来说明起步骤和起动过程。

下面以直流他励电动机电枢回路串联电阻二级起动为例说明起动过程。 

(1) 启动过程分析

如图4（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。这是启动电流为 

I1==

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(b)中的曲线1所示。

  (a) 电路图                 (b) 特性图 

图4  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 

T-TL=J

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4(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I2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所确定的人为机械特性，见图4(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点正好在固有机械特性上。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> 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I1(或相应的最大转矩T2)及切换电流I2(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4(b)中，对a点，有

I1=

即    Ra1=

当从曲线1(对应于电枢电路总电阻 Ra1=ra+ RK1 +RK2)转换得到曲线2(对应于总电阻Ra2=ra+RK2)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

I2=

在c点

I1=

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4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I1与切换电流I2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 

   Ra1=Ra2=ra

 Ra2=Ra3=ra

  Ra(m-1)=Ram=ra

  Ram=ra

各级启动电阻为

                    RK1=Ra1-Ra2

                    RK2=Ra2-Ra3

                    RK3=Ra3-Ra4

                    RK(m-1)=R a(m-1)-Ram

                    RKm=Ram-ra

起动最大电流I1及切换电流I2按生产机械的工艺要求确定，一般

 I1=(1.5~2.0)IN

                                        I2=(1.1~1.2)IN

及电动机相应的转矩   

 T1=(1.5~2.0)IN

 T2=(1.1~1.2)IN

(3) 计算分级启动电阻，有两种情况：

1、启动级数m未定，初选→Ram=ra→求m，取成整数m→计算值→计算各级电阻或分断电阻。

2、启动级数m已定,选定I1→Rm=→计算值→计算各级电阻或分级电阻。

设计方案

1）选择启动电流I1和切换电流I2

I1=(1.5～2.0)IaN=(1.5～2.0)×497=(745.5～994)A

I2=(1.5 ～1.2)IaN=(1.1～1.2) ×497=(546.7～596.4)

选择I1=840，I2=560。

2）求出起切电流比

==1.5

3）求出启动时电枢电路的总电阻Ram

Ram==0.524

4）求出启动级数m

m==4.76

取m=5

5）重新计算，校验I2

==1.47

I2==571

I2在规定范围之内。

6）求出各级总电阻

R5=5ra=1.4750.076=0.52

R4=4ra =1.4740.076=0.35

R3=3ra=1.4730.076=0.24

R2=ra=1.4720.076=0.16

R1=ra=1.470.076=0.11

R0=Ra=0.076

7）求出各级启动电阻

Rst1=R1-R0=(0.11-0.076)=0.034

Rst2=R2-R1=(0.16-0.11)=0.05

Rst3=R3-R2=(0.24-0.16)=0.08

Rst4=R4-R3=(0.35-0.24)=0.11

Rst5=R5-R4=(0.52-0.35)=0.27

心得及体会

经过两周的努力，课程设计完成了。通过课程设计，让我明白学习是一个长期的积累过程，经后的工作、生活中应该不段的学习，努力提高知识和综合能力。

设计过程中，我查阅了大量的有关资料，并与同学交流，学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获还是很多的。在设计中培养了我工作的能力，树立了对自己工作能力的信心。在设计过程中，我不仅学到了知识，也让我感到了生活的充实和学习的快乐，以及获得知识的满足。

参考文献

[1] 《电机与拖动》 唐介 主编 高等教育出版社 2003年出版；

[2]《电机与拖动基础》 许建国 主编 高等教育出版社2009年出版；

[3]《电机学》 李海发 主编 科学出版社 2001年出版；