参考直流电机降压启

辽宁工程技术大学

电机与拖动》课程设计

设 计 题 目：他励直流电动机降压启动设计和

院（系、部）： 电气与控制工程学院

专 业 班 级：

姓 名： 冯旭

学 号：

指 导 教 师：刘春喜 王继强 李国华 荣德生

日 期： 2012-6-26 仿真 电气工程系课程设计标准评分模板

课程设计成绩评定表

学期 2011/2012 第 2 学期 姓名 冯旭

专业 电力系统及其自动化 班级 电力 10-01 班

课程名称 《电机与拖动》课程设计

设计题目 他励直流电动机降压启动设计与仿真

成绩

评分项目 优 良 中 及格 不及格

设

计

表

现 1. 设计态度 非常认真 认真 较认真 一般 不认真

2. 设计纪律 严格遵守 遵守 基本遵守 少量违反 严重违反

3. 独立工作能力 强 较强 能独立设计 完成 基本独立设 计完成 不能独立设 计完成

4. 上交设计时间 提早或按时 按时 迟交半天 迟交一天 迟交一天以 上

设

计

说

明

书 5. 设计内容 设计思路清

晰，结构方案

良好， 设计参

数选择正确，

条理清楚， 内

容完整， 结果

正确 设计思路清

晰，结构方案

合理，设计参

数选择正确，

条理清楚， 内

容较完整， 极

少量错误 设计思路较 清晰， 结构方

案基本合理，

设计参数选 择基本正确， 调理清楚， 内

容基本完整，

有少量错误 设计思路基 本清晰， 结构

方案基本合

理，设计参数

选择基本正

确，调理清

楚，内容基本

完整，有些错

误 设计思路不 清晰，结构方 案不合理， 关

键设计参数 选择有错误， 调理清楚， 内

容不完整， 有

明显错误

6. 设计书写、 字体、 排版 规范、整洁、

有条理， 排版

很好 较规范、整

洁、有条理，

个别排版有 问题 基本规范、 整

洁、有条理，

个别排版有 问题 基本规范、 整

洁、有条理，

排版有问题 较多 不规范、 不整

洁、无条理，

排版有问题 很大

7. 封面、目录、参

考文献 完整 较完整 基本完整 缺项较多 不完整

图

纸 8. 绘图效果 很出色 较出色 一般 较差 很差

9. 布局 合理、美观 较合理 基本合理 有些混乱 布局混乱

10. 绘图工程标准 符合标准 较符合标准 基本符合标 准 个别不符合 标准 完全不符合 标准

评定说明： 不及格标准：设计内容一项否决制，即 5为不及格，整个设计不及格，其他 4 项否决； 优、良、中、及格标准：以设计内容为主体，其他项超过三分之一为评定标准，否则评定为下一等级； 如优秀评定，设计内容要符合 5，其余九项要有 4 项符合才能评定为优，否则评定为良好，以此类推。

最终成绩： 评定教师签字： 课程设计任务书

、设计题目 直流电动机串电阻起动分析与设计

二、设计任务

一台 Z4他励直流电动机， PaN=200kW，UaN=440V，IaN =497A ，nN =1500r/min ， Ra=0.2Ω。

采用降低电枢电压起动时，求起动级数和各级切换时电枢回路电

压大小。

三、设计计划 电机与拖动课程设计共计 1 周内完成：

1、第 1～2天查资料 , 熟悉题目；

2、第 3～5天方案分析 , 具体按步骤进行设计及整理设计说明书；

3、第 6 天准备答辩；

4、第 7 天答辩。

四、设计要求

1、设计工作量为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：刘春喜 王继强 李国华 荣德生 教研室主任：李洪珠

时 间： 2012 年 6 月 24 日 摘要

通过降低电枢电压，可以减小他励直流电动机的启动电流和转 矩。分析了他励直流电动机多级降压的启动原理， 给出了多级启动电 压的计算选择方法。 以一个实际他励电动机为例进行分析， 设计了该 电动机电枢五级降压的启动系统， 通过编程画出了该直流电动机五级 降压启动的机械特性图。通过 Matlab

对直流电动机的直接启动和串 电阻启动进行了建模和仿真，仿真结果验证了理论分析的正确性。 关键词：他励直流电动机 降压启动 机械特性 仿真目录

1 引言 ................................................. 1.

2 他励电动机转子串电阻启动原理 ......................... 1..

3 降压启动启动电压的计算选择 ........................... 2..

4 实例分析 ............................................. 3..

5 仿真验证 ............................................. 5..

5.1 他励直流电动机直接启动仿真 ...................... 6.

5.2 他励直流电动机降压启动仿真 ...................... 1. 0

6 结论 ................................................. 1..2.

参考文献 ............................................... 1..2.

1 引言

直流电动机接入电源后， 从静止状态上升到稳定运行状态的过程， 称为启动 过程。

对直流电动机启动时有两条基本要求： 第一，要有足够大的启动转矩 Tst（即 转速为零时的电磁转矩） ，使电动机在负载状态下能够顺利启动，并且启动过程 所需的时间应尽量缩短； 第二，启动电流要尽量小， 应限制在换向允许的最大电 流以内，保证换向良好。

他励直流电动机启动时，为保证有足够大的启动转矩及启动时转速不过高， 应使磁通为额定值，且励磁回路绝对不允许短路。

直接启动时， 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，Ea 0 ，根据式（ 1）得到式（ 2）。

由于电枢回路总电阻 Ra 较小，所以 I st可达额定电流 IN 的十几甚至几十倍。 这样大的电流可造成电机换向严重不良， 产生火花，设置正、负电刷间出现电弧， 烧毁电刷及换向器。另外，过大的启动电流使启动转矩 Tst

过大，会造成机械撞 击，因此事不允许的。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，启动时间短，可以直接启动，其他直流电动机都不允许直接启动。

Ra

(1)

UN

Ist

R(2)

T CT I a (3)

因此，必须将启动电流限制在运行范围之内。由式（ 2）可以看出，要限制 启动电流 Ist的大小，可有两种方法：降低电枢电压 UN 和在电枢回路串接附加电 阻 Ra 。

2 他励电动机转子降压启动原理 （a） 电路图 （b） 机械特性 图1 他励电动机降压分级启动

启动过程分析。启动步骤如下： 启动前双刀双掷开关 S 断开，电枢回路中存在电枢电阻 Ra 。在励磁回路中 加上励磁电压 Uf，保持励磁电流 If 为额定值不变，然后使双刀双掷开关 S 置左， 此时他励直流电动机以电枢回路两端电压为 Ust1启动。这是电动机的机械特性如 图 1(b)中的人为特性 n1Ma 。刚启动时，电压 Ust1比较低，启动电流 Ist 不大。 由于启动转矩 T1 远大于负载转矩 TL，电动机拖动生产机械开始启动，工作点沿 人为特性 n1Ma 由 a1点向 a2 点移动。

②电枢回路电压由 Ust1切换到 Ust2 的过程：

当工作点到达 a2点，即电磁转矩 T 等于切换转矩 T2时，双刀双掷开关 S置 右，将电枢回路电压由 Ust1切换到 Ust2 ，此时电枢回路两端电压为 U st 2 。这时电动 机的机械特性变为人为特性 n2Mb 。切换的瞬间转速来不及改变，工作点由特性 n1Ma 上的 a1点平移到特性 n2Mb上的 b1点，使得这时的电磁转矩 T 仍等于 T1， 电动机继续加速，工作点沿特性 n0Mb由b1点向 b2点移动。

根据以上步骤可逐步升高电枢回路两端电压 Ua ，直至升至额定电压 UN ，启 动过程结束。

在升压的过程中，电枢回路两端电压 Ua 不能升得太快，否则电流还会发生 较大的冲击。现在可以利用控制系统，使电源电压连续升高，启动过程更短，更 平稳。

3 降压启动启动电压的计算选择

① 选择启动电流 I1 和切换电流 I2 为保证与启动转矩 T1 对应的启动电流不会超过运行的最大电枢电流 Iamax， 选择

I 1 (1.5~ 2.0) I aN 对应的启动转矩

T1 (1.5~ 2.0)TN 为保证一定的加速转矩，减小启动时间，一般选择切换转矩为

T 2 (1.1~1.2)TL 若 TL 未知，可用 TN 代替。对应的切换电流 T2 为

I 2 (1.1 ~ 1.2)I L IL是与 TL 对应的稳态电枢电流。若未知，可用 I aN代替。

② 求出起切电流(转矩)差 β β I 2 I1

③ 确定切换电压源次数 m m 的计算公式为

UN Um m βRa 式中， UaM 为 m 级启动时的电枢启动总电阻。

Um Ra I 1 该公式的推导过程如下：由于 nb2

nc1，故 Eb2 Ec1 ，即 (4)

(5)

(6)

(7)

(8