電機(jī)與拖動課程設(shè)計(jì)--他勵直流電動機(jī)降壓與串電阻啟動分析與設(shè)計(jì)

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1、　　《電機(jī)與拖動》課程設(shè)計(jì) 　　設(shè) 計(jì) 題目：他勵直流電動機(jī)降壓與串電阻啟動分析與設(shè)計(jì) 　　院（系、部）：電氣與控制工程學(xué)院 　　專業(yè) 班級： 　　姓名：

2、 　　學(xué) 號： 　　摘要　　通過降低電樞電壓或在電樞上串聯(lián)多級電阻，可以減小他勵直流電動機(jī)的啟動電流和轉(zhuǎn)矩。分析了他勵直流電動機(jī)多級降壓和串多級電阻的啟動原理給出了多級啟動電壓和多級啟動電阻的計(jì)算選擇方法。以一個實(shí)際

3、他勵電動機(jī)為例進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了該電動機(jī)電樞十四級降壓和電樞串五級電阻的啟動系統(tǒng)，通過MATLAB編程畫出了該直流電動機(jī)十四級降壓和串五級電阻啟動的機(jī)械特性圖。　　關(guān)鍵詞：他勵直流電動機(jī) 電樞降壓啟動電樞串電阻啟動機(jī)械特性 MATLAB　　目錄

4、1 引言1　　2 他勵直流電動機(jī)降壓啟動1　　2.1 他勵直流電動機(jī)降壓啟動原理1　　2.2 啟動電壓的計(jì)算選擇2　　2.3 實(shí)例分析3　　3 他勵電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動6&l

5、t;p>　　3.1 他勵電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動原理6　　3.2 啟動電阻的計(jì)算選擇7　　3.3 實(shí)例分析8　　4結(jié)論11　　參考文獻(xiàn)12&l

6、t;b>　　1 引言　　直流電動機(jī)接入電源后，從靜止?fàn)顟B(tài)上升到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程，稱為啟動過程。　　對直流電動機(jī)啟動時有兩條基本要求：第一，要有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩Tst（即轉(zhuǎn)速為零時的電磁轉(zhuǎn)矩），使電動機(jī)在負(fù)載狀態(tài)下能夠順利啟動，并且啟動過程所需時間應(yīng)盡量縮短；第二，啟動電流要盡量小，應(yīng)限制在換向允許的最大電流以內(nèi)，保證換向良好。

7、　　直接啟動時，他勵直流電動機(jī)電樞加額定電壓UN，電樞回路不串任何電阻，此時由于n=0,Ea=0,所以啟動電流如（1）所示　　(1)　　(2)　　由于電樞回路總電阻Ra較小，所以Ist可達(dá)額定電

8、流IN的十幾甚至幾十倍。這樣大的電流可造成電機(jī)換向嚴(yán)重不良，產(chǎn)生火花，甚至正、負(fù)電刷間出現(xiàn)電弧，燒毀電刷及換向器。另外，過大的啟動電流使起動轉(zhuǎn)矩Tst過大，會造成機(jī)械撞擊，因此是不允許的。一般只有微型直流電動機(jī)，由于自身電樞電阻大，轉(zhuǎn)動慣量小，啟動時間短，可以直接啟動，其他直流電機(jī)都不允許直接啟動。　　要限制啟動電流Ist的大小，可有兩種方法：降低電樞電壓和在電樞回路串接附加電阻[1]。<

9、/p>　　2 他勵直流電動機(jī)降壓啟動　　2.1 他勵直流電動機(jī)降壓啟動原理　　降低電源電壓U時，啟動電流如（3）所示　　(3)　　在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL已知的條件下，根據(jù)啟動條件要求，可以確定電壓U的大小.剛啟動時

10、電壓比較低，啟動電流Ist不大，隨著轉(zhuǎn)速n的不斷升高，電樞感應(yīng)電勢Ea也逐漸加大，啟動電流Ist變小，為保證啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩一直較大，啟動電流一直較小，可以逐漸升高電壓U，指導(dǎo)升至額定電壓UN，啟動過程結(jié)束。在升壓的過程中，電壓U不能升的太快，否則電流還會發(fā)生較大的沖擊。現(xiàn)在可以利用控制系統(tǒng)，使電源電壓連續(xù)升高，啟動過程更短、更平穩(wěn)。降壓啟動過程的機(jī)械特性曲線如圖1所示。　　圖1 降壓啟動機(jī)械

11、特性曲線　　圖2 降壓啟動電路圖　　啟動過程分析：電路圖如圖2所示。　　①電樞回路電壓為的啟動：　　沒加電源時，電樞回路中存在電樞電阻。在勵磁回路中加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變，當(dāng)可調(diào)直流電壓源Ui將電壓調(diào)到U1時。這時電動機(jī)的機(jī)械特性如圖1中的n1。剛

12、啟動時，電壓U1比較低，啟動電流不大。由于啟動轉(zhuǎn)矩T1遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械開始啟動，工作點(diǎn)沿人為特性n1由3點(diǎn)向1點(diǎn)移動。　?、陔姌谢芈冯妷河蒛1切換到U2的過程：　　當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)2點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T2時，將可調(diào)直流電壓源Ui由U1調(diào)到U2，此時電樞回路兩端電壓為U2。這時電動機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)槿藶樘匦詎0。切換的瞬間轉(zhuǎn)速來不

13、及改變，工作點(diǎn)由特性n1上的1點(diǎn)平移到特性n2上的2點(diǎn)，使得這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍等于T1，電動機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿特性n1由2點(diǎn)向4點(diǎn)移動。　　根據(jù)以上步驟可逐步升高電樞回路兩端電壓，直至升至額定電壓，啟動過程結(jié)束。　　在升壓的過程中，電樞回路兩端電壓不能升得太快，否則電流還會發(fā)生較大的沖擊?，F(xiàn)在可以利用控制系統(tǒng)，使電源電壓連續(xù)升高，啟動過程更短，更平穩(wěn)。

14、　　2.2 啟動電壓的計(jì)算選擇　　① 選擇啟動電流I1和切換電流I2　　為保證與啟動轉(zhuǎn)矩T1對應(yīng)的啟動電流不會超過運(yùn)行的最大電樞電流Iamax，選擇　　(4)　　對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)

15、矩　　(5)　　為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，減小啟動時間，一般選擇切換轉(zhuǎn)矩為　　(6)　　若TL未知，可用TN代替。對應(yīng)的切換電流T2為&l

16、t;b>　　(7)　　IL是與TL對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電樞電流。若未知，可用IaN代替。　?、?求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）差β　　(8)　　③ 確定切換電壓源次數(shù)m

17、　　m的計(jì)算公式為　　(9)　　式中，為m級啟動時的電樞啟動總電壓。　　(10)　　該公式的推導(dǎo)過程如下：由于，故，即

18、;　　(11)　　由于，故，即　　(12)　　可見若 m級啟動，由于，故，即　　(13)

19、對式（11）（12）（13）求和，可得　　(14)　　式（14）兩邊進(jìn)行整理變得到了式（9）。　　若式（9）求出的m不是整數(shù)，可取相近整數(shù)。若m已知，上述步驟中除求外，其余都可省略。　?、?重新計(jì)算β，校驗(yàn)是否在規(guī)定范圍內(nèi)</p

20、>　　若m是取相近整數(shù)，則需重新計(jì)算β。由式（13）可知計(jì)算β的公式為　　(15)　　根據(jù)重新求得的β，由式（8）重新求出，并校驗(yàn)是否在式（7）所規(guī)定的范圍之內(nèi)。若不在規(guī)定范圍之內(nèi)，需調(diào)整或加大啟動級數(shù)m，重新計(jì)算β和I2，直到滿足要求為止。<

21、;b>　?、萸蟪龈骷墕与妷?lt;/b>　　根據(jù)前面的分析可知，計(jì)算各級啟動電壓的一般公式為　　(16)　　式中，i=1，2，……，m[2]。　　2.3 實(shí)例分析

22、　　一臺Z4-112/4-1他勵直流電動機(jī)，PN=5.5kW，UaN =160V，IaN =42.5A，nN =1520r/min，Ra =0.38Ω ，采用降低電樞電壓起動時，求起動級數(shù)和各級切換時電樞回路電壓大小。　?、?啟動電阻計(jì)算　　(1) 選擇和&

23、lt;/p>　　=(63.75~85)A　　=(46.75~51)A　　取=74A，=49A。　　(2) 求出起切電流差 　　(3) 求出切換電壓源次數(shù)m　　取m=14。</b&

24、gt;　　重新計(jì)算，校驗(yàn)I2　　I2在規(guī)定的范圍之內(nèi)。　　求出各級切換時電樞回路電壓大小　?、?啟動特性分析　　他勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即機(jī)械特

25、性關(guān)系式為　　(17)　　已知，PN=5.5kW，UaN=160V，IaN=42.5A，nN=1520r/min，Ra=0.38Ω。　　額定狀態(tài)時，有　　(18)</b&g

26、t;　　可得　　當(dāng)電樞回路兩端的電壓不同時，他勵電動機(jī)的機(jī)械特性也不同。當(dāng)電樞電壓分別為時，代入式（17），使用如下指令：　　clear　　UaN=160; CEFai=0.0946; CTFai

27、=0.9034; Ra=0.38; 　　U0=27;U1=36.5;U2=46;U3=55.5;U4=65;U5=74.5;U6=84;U7=93.5;U8=103;U9=112.5;U10=122;U11=131.5;U12=141;U13=150.5; I1=74;I2=49.21;　　T=0:5:100;

28、　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);

29、　　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)

30、;　　n7= U7/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);　　n8= U8/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);　　n9= U9/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);　　n10= U10/CEFai-Ra.*T./

31、( CEFai*CTFai);　　n11= U11/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);　　n12= U12/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);　　n13= U13/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);　　pl

32、ot(T, n, T,n0,T, n1, T, n2, T, n3, T, n4, T, n5, T, n6, T, n7, T, n8, T, n9, T, n10, T, n11, T, n12, T, n13)　　title('他勵直流電動機(jī)啟動機(jī)械特性圖'), xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩T(或電樞電流Ia)'), ylabel('轉(zhuǎn)速n')&

33、lt;/p>　　hold on　　T1= CTFai*I1;　　T2= CTFai*I2;　　plot(T1, n13,T2,n13)　　hold off[3]

34、圖3 他勵直流電動機(jī)降壓啟動機(jī)械特性圖　　3 他勵電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動　　3.1 他勵電動機(jī)轉(zhuǎn)子串電阻啟動原理　　電樞回路串電阻R時，啟動電流為（19）所示　　(19)　　若負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL已知，

35、根據(jù)啟動要求，可以確定所串入電阻R的大小。剛啟動時，電阻R較大，隨著轉(zhuǎn)速n的上升，電樞感應(yīng)電勢Ea逐漸加大，啟動電流Ist逐漸減小，同樣，為保證啟動過程中電磁轉(zhuǎn)矩一直較大，啟動電流一直較小，可以逐段切除啟動電阻，直到全部切除，完成啟動過程。　　為使直流電動機(jī)有較均勻的加速度，并能改善換向，切除電阻時，應(yīng)使每一級的轉(zhuǎn)矩T1與T2大小一致，電樞回路串電阻啟動時的機(jī)械特性曲線如圖4所示。</p&

36、gt;　　圖4 電樞回路串電阻啟動機(jī)械特性曲線　　圖5 電樞回路串電阻啟動電路圖　　啟動過程分析，電路圖如圖5所示。　?、?串聯(lián)啟動電阻R1和R2啟動　　啟動前開關(guān)Q1和Q2斷開，使得電樞電路中串入電阻R1和R2，加上電樞電路自身的電阻Ra，電樞電路

37、的總電阻為　?。?0）　　加上勵磁電壓Uf，保持勵磁電流If為額定值不變，然后加上電樞電壓，這是電動機(jī)的機(jī)械特性如圖4中的認(rèn)為特性a。由于啟動轉(zhuǎn)矩T1遠(yuǎn)大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動機(jī)拖動生產(chǎn)機(jī)械開始啟動，工作點(diǎn)沿人為特性a由1點(diǎn)向2點(diǎn)移動。　　② 切除啟動電阻R2

38、;　　當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)2點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T等于切換轉(zhuǎn)矩T2時，合上開關(guān)Q2，切除起動電阻R2，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p>　?。?1）　　這時電動機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)槿藶樘匦詁，切除R2的瞬間，轉(zhuǎn)速來不及改變，工作點(diǎn)由特性a上的2點(diǎn)平移到特性b上的3點(diǎn)，使得這時的電磁轉(zhuǎn)矩T仍等于T1，電動機(jī)繼續(xù)加速，工作點(diǎn)沿特性

39、b由3點(diǎn)向4點(diǎn)移動。　?、?切除啟動電阻RST1　　當(dāng)工作點(diǎn)到達(dá)4點(diǎn)，即電磁轉(zhuǎn)矩T又等于切換轉(zhuǎn)矩T2時，合上開關(guān)Q1，切除起動電阻R1，電樞電路的總電阻變?yōu)?lt;/p>　　（22）　　這時機(jī)械特性變?yōu)楣逃刑匦詁，通過不斷的切除電阻，最后使電動機(jī)達(dá)

40、到額定轉(zhuǎn)矩，然后電動機(jī)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，整個啟動過程結(jié)束。　　3.2 啟動電阻的計(jì)算選擇　?、?選擇啟動電流I1和切換電流I2　　為保證與啟動轉(zhuǎn)矩T1對應(yīng)的啟動電流不會超過運(yùn)行的最大電樞電流Iamax，選擇　　(23)

41、　　對應(yīng)的啟動轉(zhuǎn)矩　　(24)　　為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，減小啟動時間，一般選擇切換轉(zhuǎn)矩為　　(25)　　若TL未知，可用TN代替。對應(yīng)的

42、切換電流T2為　　(26)　　IL是與TL對應(yīng)的穩(wěn)態(tài)電樞電流。若未知，可用IaN代替。　　② 求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比β　　(27)　?、?/p>

43、確定啟動級數(shù)m　　m的計(jì)算公式為　　(28)　　式中，Ram為m級啟動時的電樞啟動總電阻　　(29)<p&

44、gt;　　該公式的推導(dǎo)過程如下：由于nb2=nc1，故Eb2=Ec1，即　　由于na2=nb1，故Ea2=Eb1，即　　可見，若為m級啟動，則啟動的總電阻為　　(30)　　兩邊取對數(shù)，便得到了式（28）。<

45、;p>　　若式（28）求出的m不是整數(shù)，可取相近整數(shù)。若m已知，上述步驟中除求I1外，其余都可省略。　?、?重新計(jì)算β，校驗(yàn)I2是否在規(guī)定范圍之內(nèi)。　　若m是取相近整數(shù)，則需重新計(jì)算β。由式（30）可知計(jì)算β的公式為　　(31)

46、　　根據(jù)重新求得的β，由式（27）重新求出I2，并校驗(yàn)I2是否在式（26）所規(guī)定的范圍之內(nèi)。若不在規(guī)定范圍之內(nèi)，需調(diào)整I1或加大啟動級數(shù)m，重新計(jì)算β和I2，直到滿足要求為止。　?、?求出各級啟動電阻。　　根據(jù)前面的分析可知，計(jì)算各級啟動電阻的一般公式為　　(32)</

47、p>　　式中，i=1，2，……，m[4]。　　3.3 實(shí)例分析　　一臺Z4-112/4-1他勵直流電動機(jī)，PN=5.5kW，UaN =160V，IaN =42.5A，nN =1520r/min，Ra =0.38Ω ，采用電樞串電阻起動，求起動級數(shù)和各級起動電阻。&l

48、t;p>　?、?啟動電阻計(jì)算　　(1) 選擇和　　=(63.75~85)A　　=(46.75~51)A　　取=74A，=49A。　　(2) 求出起切

49、電流比　　(3) 求出啟動級數(shù)m　　取m=5。　　(4) 重新計(jì)算，校驗(yàn)I2。　　I2在規(guī)定的范圍之內(nèi)。　　(5) 求出各級啟動電阻　　R1=(β-1

50、)Ra=(1.4158－1)×0.38Ω=0.1580Ω　　R2=(β2-β)Ra=(1.41582－1.4158)×0.38Ω= 0.2237Ω　　R3=(β3-β2)Ra=(1.41583－1.41582)×0.38Ω=0.3167Ω　　R4=(β4-β3)Ra=(1.41584

51、－1.41583)×0.38Ω= 0.4484Ω　　R5=(β5-β4)Ra=(1.41585－1.41584)×0.38Ω= 0.6349Ω　　② 啟動特性分析　　他勵電動機(jī)的轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即機(jī)械特性關(guān)系式為<p&g

52、t;　　(33)　　已知，PN=200kW，UaN=440V，IaN=497A，nN=1500r/min，Ra=0.076Ω。　　額定狀態(tài)時，有　　(34)&

53、lt;b>　　可得　　當(dāng)電樞上串聯(lián)不同電阻時，他勵電動機(jī)的機(jī)械特性也不同。當(dāng)電樞電阻分別為Ra1、Ra2、Ra3、Ra4、Ra5時，代入式（17），使用如下指令：　　clear　　UaN=160; CEFai=0.0946; CTFai=0.9034

54、; Ra=0.36; 　　Ra1=0.5380;Ra2=0.7617;Ra3=1.0784;Ra4=1.5268;Ra5=2.1617;I1=74;I2=52.267;　　T=0: 1:100;　　n= UaN/CEFai-Ra.*T./( CEFai*CTFai);

55、n1= UaN/CEFai-Ra1.*T./( CEFai*CTFai);　　n2= UaN/CEFai-Ra2.*T./( CEFai*CTFai);　　n3= UaN/CEFai-Ra3.*T./( CEFai*CTFai);　　n4= UaN/CEFai-Ra4.*T./( CEFai*CTFai);<

56、;/p>　　n5= UaN/CEFai-Ra5.*T./( CEFai*CTFai);　　plot(T, n, T, n1, T, n2, T, n3, T, n4, T, n5)　　title('他勵直流電動機(jī)啟動機(jī)械特性圖'), xlabel('電磁轉(zhuǎn)矩T(或電樞電流Ia)'), ylabe

57、l('轉(zhuǎn)速n')　　hold on　　T1= CTFai*I1;　　T2= CTFai*I2;　　plot(T1, n5,T2,n5)　　hold off[5]</p&g

58、t;　　圖6他勵直流電動機(jī)串電阻啟動機(jī)械特性圖　　4結(jié)論　　本設(shè)計(jì)對他勵直流電動機(jī)的降壓和串電阻啟動進(jìn)行了分析與設(shè)計(jì)，通過分析可知，他勵直流電動機(jī)直接啟動時存在啟動電流大、啟動轉(zhuǎn)矩大的缺點(diǎn)，通過降低電樞回路電壓或在電樞回路中串聯(lián)多級啟動電阻，可有效減小啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩。如果啟動級數(shù)、啟動電阻大

59、小、降壓范圍、切換時刻設(shè)計(jì)合適，可把直流電動機(jī)啟動電流限制在一定范圍內(nèi)，使電動機(jī)既能快速啟動，又能限制啟動電流和啟動轉(zhuǎn)矩。最后實(shí)例分析并用MATLAB得出機(jī)械特性圖，與理論分析相吻合。　　參考文獻(xiàn)　　[1] 李曉竹．電機(jī)與拖動[M]．徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009．　　[

60、2] 唐介．電機(jī)與拖動[M]．北京：高等教育出版社，2007．　　[3] 劉鳳春，孫建忠，牟憲民．電機(jī)與拖動MATLAB仿真與學(xué)習(xí)指導(dǎo)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2008．　　[4] 韓松．基于MATLAB的直流電動機(jī)啟動的仿真研究[J]．科技信息，2011.　　[5] 馬天兵，杜菲．他勵直流電動機(jī)電樞串電阻啟

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