他励直流电动机串电阻起动的设计

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：

P an =200kw ；U an =440v ；I an =497A ； nN =1500r/min；R a =0.076Ω；采用分级

启动，启动电流最大不超过2I aN , ，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

他励直流电动机起动时由于电枢感应电动势E a =C e Φn =0，最初起动电流

I St =U /R a , 若直接起动, 由于R a 很小, I St 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I St 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................................................................ 1

第一章 直流电动机................................................... 2

1.1直流电动机的工作原理 .......................................... 2

1.2直流电动机的分类 .............................................. 3

1.3他励直流电机工作原理 .......................................... 3

第二章 他励直流电动机的起动......................................... 4

2.1 他励直流电动机串电阻起动 . ..................................... 4

2.2 直流电动机电枢串电阻起动设计方案 . ............................. 7

2.3 多级起动的规律 . ............................................... 8

第三章 设计小结.................................................... 10

第四章 设计体会.................................................... 12

参考文献........................................................... 13

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n =0，E a =0，所以起动电流I st =U N /R a ，由于电枢回路总电阻Ra 较

小，所以I st 可以达到额定电流I N 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T st 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

错误！未找到引用源。

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 T -T L =J d dt

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T 1大于负载转矩T L ，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I 2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R 1后，电枢回路总电阻为R a 2=R a +R 2。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R K1的瞬间，由

于惯性电动机的转速不变，仍为n b ，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R 1，使切除R 1后的电枢电流刚好等于I 1，所对应的转矩为T 2，即在曲线2上的c 点。又有T 1>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R 2。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I 2突增到I 1，相应的电动机转矩由T 2突增到T 1 。T 1> 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I 2 (或相应的最大转矩T 2) 及切换电流

I 2 (或与之相应的切换转矩T 2) 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I 1 =U R a 1

U I 1即 R a1=

当从曲线1(对应于电枢电路总电阻错误！未找到引用源。转换得到曲线2(对应于总电阻R a2=R a +R 2 ) ) 时，亦即从点转换到点时，由于切除电阻R K1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 I 2=U U b R a 1

在c 点 I 1 =U -U c R a 2

I 1R a 1=两式相除，考虑到Eb=Ec，得 I 2R a 2

同样，当从d 点转换到e 点时，得 I 1R a 2 =I 2r a

I 1R a 1R a 2== I 2R a 2r a 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β=I 1R a 1R a 2R a (m -1) R am ===…== r a I 2R a 2r a R am

式中λ为最大起动电流I 1与切换电流I 2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 R a 1=βm r a

式中m 为起动级数。由上式得

β=如给定λ ,求m, 可将式R a 1 r a R a 1=βm 取对数得 r a

⎛R a 1⎫lg ⎪r a ⎭ m=⎝

lg β

由式β=I 1R a 1R a 2R a (m -1) R am ===…==可得每级电枢回路总电阻进而求出R am r a I 2R a 2r a

各级起动电阻为：

R 1=R a 1-R a 2

R 2=R a 2-R a 3

R 3=R a 3-R a 4

R (m -1) = R a (m -1) - R am

R m = R am -R a

起动最大电流I 1及切换电流I 2按生产机械的工艺要求确定，一般

I 1=错误！未找到引用源。I aN

I 2=错误！未找到引用源。I aN

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I 1和切换电流I 2

I 1=(1.5～2.0) I aN =(1.5～2.0)×497A=(745.5～994)A

I 2=(1.1～1.2) I aN =(1.1～1.2)×497A=(546.7～596.4)A

选择I 1=840A，I 2=560A。

（2）求出起切电流比β

β=I 1=1.5 I 2

（3）求出起动时电枢电路的总电阻Ram

R am =U aN =0.524Ω I 1

（4）求出起动级数m ⎛R am ⎫lg ⎪r a ⎭=4.76 取m=5 m=⎝

lg β

（5）重新计算β，校验I 2

β=R am =1.47 r a

I 2=I 1=571A β

I 2在规定范围之内。

（6）求出各级总电阻

错误！未找到引用源。=1.475⨯0.076Ω=0.52Ω

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。

（7）求出各级起动电阻

R st1=R 1 -R 0=(0.11-0.076) =0.034Ω

R st2= R 2-R 1 =(0.16-0.11) =0.05 Ω

R st3= R 3-R 2 =(0.24-0.16) =0.08 Ω

R st4=R 4 -R 3 =(0.35-0.24) =0.11 Ω

R st5= R 5-R 4 =(0.52-0.35) =0.27Ω

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T M 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T 2（或切换电流I 2）特性及恒负载转矩T L （或负载电流I L ）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。一般取错误！未找到引用源。级，空载或轻载取错误！未找到引用源。，重载或满载取错误！未找到引用源。。

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I 1和切换电流I 2

I 1=（2.0～2.5）I N

I 2=(1.1～1.2)I L

起动电流为I 1, 对应的起动转矩T 1；

T 1=(1.5～2.0) TN

切换电流为I 2, 对应的起动转矩T 2；

T 2=（1.5～2.0）T N

（2）出起切电流（转矩）比β；

β=I 1/I 2

（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 ；

R m =U aN /I aN

（5）出起动级数m ；

错误！未找到引用源。 选取m=3

（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I 2；

β=R am 再根据得出的β重新求出I 2，并校验I 2是否在规定范围内。若r a

不在规定范围内，需加大起动级数m 重新计算β和I 2，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持，同时也感谢你们在空闲的时候跟我讨论，为我解惑，让我感受到朋友的力量。

由于我的设计能力不高，在设计过程中出现的错误，恳请老师们多多指教, 我十分乐意接受你们的批评与指正，本人将万分感谢。

参考文献

【1】李晓竹. 电机与拖动[M].中国矿业大学出版社.

【2】姚舜才. 电机学与电力拖动技术[M]北京：机械工业出版社,1997.

【3】彭鸿才. 点击原理及拖动 [M]. 北京 ：机械工业出版社,1997.

【4】吴云. 系统仿真技术及其应用[J].

【5】姚舜才. 电机学与电力拖动技术[M].北京 ：机械工业出版社,1997.

【6】吴云. 系统仿真技术及其应用[J].