直流电机的串电阻启动过程设计

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重 庆 邮 电 大 学 移 通 学 院

课程设计报告

设计题目：直流电机的串电阻启动过程设计

学 校： 学 生 姓 名： 专 业： 班 级： 学 号： 指 导 教 师：

设计时间： 年 月

重庆邮电大学移通学院

目 录

综述 ································ 3 一、直流电动机的工作原理 ················ 4 二、直流电动机的结构 ··················· 5 三、直流电动机的分类 ··················· 6 四、电动机的机械特性 ··················· 7 五、他励直流电动机起动 ·················· 8 六、直流电动机串电阻起动设计方案 ········· 11 七、设计结论 ························· 13 八、心得体会 ························· 15 参考文献 ···························· 16

综述

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。

一、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1-1 直流电动机的工作原理图

直流电机由定子、转子和机座等部分构成。

图2-1 直流电机结构图

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、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。

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

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。

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、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。

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

四、电动机的机械特性

是指电动机的转速与转矩的关系

。机械特性是电动机机械性能

的主要表现，它与负载的机械特性，运动方程式相

联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。

机械特性中的是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩差一空载转矩

，即：

相比或

很小，所以在一般的工程计算中

是不同的，其间

在一般情况下，

因为空载转矩

可以略去，即：

已知直流电动机的机械特性方程式为

式中为电枢回路总电阻，包括及电枢回路串联电阻，为理想空

载转速记为

当

，，

记为，为机械特性的斜率。

，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机或

或电枢回路串电阻时，其机械特性的

或

将

的固有机械特性。当改变

相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。

若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨I、II、

IV象限的直线。其中第I象限为电动机运行状态，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速的方向）相同，第II、IV象限为制动运行状态。

五、他励直流电动机起动

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

Ist

EaCen0

UNRa

（5-1）

UNEa

Ra



则起动电流为

（5-2）

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。

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。

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5-1（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：

（5-3）

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5-1（b）中的曲线1所示。

n0

gm

f

3

d

2

b

h

ra

e

Ra2

c

1

Ral

IL

I2

I

O

（a）电路图

2TL

（b）特性图

T

图5-1 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：

（5-4）

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错误！未找到引用源。 --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。

六、直流电动机串电阻起动设计方案

1、选择启动电流I1和切换电流I2

I1=(1.5～2.0)IaN

I2=(1.1～1.2)IaN=(1.5～2.0)×116.3=(174.45～232.6)A =(1.1～1.2)×116.3=(127.93～139.56)

选择I1=195，I2=130。

2、求出起切电流比

=I1

I2=1.5

3、求出启动时电枢电路的总电阻Ram

2UIP1012Ra(~)NN2N()= (~)(0.265)Ω2323IN13=0.133～0.177Ω

取Ra=0.161Ω Ram=UaN

I1=1.128

4、求出启动级数m UaN

I1Ra由于βmUaN 得IR1am 再得m=logβRam Ra

则m=RamlgRa

lg=4.801

取m=5

5、重新计算，校验I2

βUaN

I1Ram=mRamRa=1.47

I2=I1

=132.653

故I2在规定范围之内。

6、求出各级总电阻

根据 R3

R2R2R1R1RaI1I2β

得 R0=Ra=0.161Ω

R1 =

R2=Ra=1.470.161=0.237 2Ra=2.1610.161=0.348

Ra=3.1760.161=0.511

Ra =4.6690.161=0.751

Ra =6.8640.161=1.105 R3=R4=34R5=5

7、求出各级启动电阻

Rst1(β1)Ra

Rst2(β1)βRaβRst1

根据 Rst3(β1)β2RaβRst2



Rstm(β1)βm1 RaβRstm1

得Rst1=R1 - R0=(0.237-0.161)=0.076

Rst2=R2-R1 =(0.348-0.237)= 0111

Rst3=R3-R2=(0.511-0.348)=0.163

Rst4=R4-R3=(0.751-0.511)=0.240 

Rst5=R5-R4=(1.105-0.751)=0.354 

8、设计控制直流电机串电阻启动的控制电路原理图（手绘）

七、设计结论

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.~1.2）IL 对应的起动转矩 T1=（1.5~2.0）TN

对应的切换转矩

T2=(1.5-2.0)TN

2、求出起切电流（转矩）比β

I1

I2

3、求出电动机的电枢电路电阻Ra

UaN(

RaIaNPNIaN)

4、求出起动时的电枢总电阻Ram

RamUaNIaN

5、求出起动级数m

lg

mRmRa

lg

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

Ra1

Ra2RRa2rm-1ma aa3r

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。

八、心得体会

电机与拖动课程设计终于圆满结束，在老师的细心指导下和同学们的共同努力中， 我们顺利地完成了课程设计.在这次设计过程中， 我深刻地体会到了科学的严谨，必须要有一个正确的态度去面对设计，努力地为了完成各种 参数的设定而实验，积极地与同学们交流，在配合下完成设计的意识. 通过 整个课程设计，使我对直流电动机的串电阻起动可以说是“刻骨铭心”，不仅 让我深刻地了解到前人在科学研究上态度和方法，而且也让我懂得任何的创新和发现都不是一时一刻可以得到的，必须具有深厚的知识功底，敏锐的洞察力才能告破事情的真相，从根本上理解它，应用它。 通过这次课程设计，我感觉这种设计很好地锻炼了我们的团队合作精神和对知识的应用能力，从本质上为我们揭示了基础理论科学。使我的各方面 的能力得到了充分的锻炼。

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》 刘起新 主编 中国电力出版社 2005年出版

[3]《电机学》 李海发 主编 科学出版社 2001年出版

[4]《电机与拖动》 周绍英 主编 中央广播电视大学出版社 1995年出版

[5]《电机理论与运行》 汤蕴谬 主编 水利电力出版社 2005年出版