1、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)課題： 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng) 系 別： 電氣與信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 學(xué) 號： 姓 名： 指導(dǎo)教師： 河南城建學(xué)院2015年 1月 4日成績評定一、指導(dǎo)教師評語（根據(jù)學(xué)生設(shè)計(jì)報(bào)告質(zhì)量、答辯情況及其平時(shí)表現(xiàn)綜合評定）。 二、評分課程設(shè)計(jì)成績評定成績： （五級制）指導(dǎo)教師簽字 年 月 日目 錄一、設(shè)計(jì)目的1二、設(shè)計(jì)要求1 三、設(shè)計(jì)內(nèi)容1 3.1、直流電動(dòng)機(jī)1 3.1.1直流電動(dòng)機(jī)13.1.2直流電動(dòng)機(jī)的分類2 3.1.3他勵(lì)直流電機(jī)工作原理2 3.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3 3.2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)3 3.2.2 直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)方案 6 3.2.3 多級

2、啟動(dòng)的規(guī)律 7 3.3 結(jié)論7 3.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)特性分析8四、設(shè)計(jì)體會(huì)10五、參考文獻(xiàn)10一、設(shè)計(jì)目的通過對一個(gè)實(shí)用控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，綜合運(yùn)用科學(xué)理論知識，提高工程意識和實(shí)踐技能，使學(xué)生獲得控制技術(shù)工程的基本訓(xùn)練，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、分析解決實(shí)際問題的初步應(yīng)用能力。二、設(shè)計(jì)要求完成所選題目的分析與設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)、論證和選擇；系統(tǒng)單元主電路和控制電路的設(shè)計(jì)、元器件的選擇和參數(shù)計(jì)算；課程設(shè)計(jì)報(bào)告的整理工作。三、設(shè)計(jì)內(nèi)容 有一臺他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，已知參數(shù)如下Pan=200kw ；Uan=440v ；Ian=497A ； Nn=1500r/min；Ra=0.076；采用分級啟

3、動(dòng)，啟動(dòng)電流最大不超過2IA,，求出各段電阻值，并作出機(jī)械特性曲線，對啟動(dòng)特性進(jìn)行分析。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間雖然很短，但是如果不能采用正確的啟動(dòng)方法，電動(dòng)機(jī)就不能正常地投入運(yùn)行。為此，應(yīng)對電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)過程和方法進(jìn)行必要的分析。直接啟動(dòng)時(shí)，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞加額定電壓Un，電樞回路不串任何電阻，此時(shí)由于n=0，Ea=0，所以啟動(dòng)電流Ist=Un/Ra，由于電樞回路總電阻Ra較小，所以Ist可以達(dá)到額定電流In的十幾甚至幾十倍。這樣大的電流 可能造成電機(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(dòng)電流使啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst過大，會(huì)使機(jī)械撞擊，也會(huì)引起供電電網(wǎng)電

4、波動(dòng)，從而引起其他接于同一電網(wǎng)上的電氣設(shè)備的正常運(yùn)行，因此是不允許的。一般只有微型直流電動(dòng)機(jī)，由于自身電樞電阻大，轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，啟動(dòng)時(shí)間短，可以直接啟動(dòng)，其他直流電機(jī)都不允許直接啟動(dòng)。在拖動(dòng)裝置要求不高的場合下，可以采用降低啟動(dòng)電壓或在電樞回路串電阻的方法。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在電樞回路中串電阻，具有良好的啟動(dòng)特性、較大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩和較小的啟動(dòng)電流，可以滿足生產(chǎn)機(jī)械需要的要求。本文借助圖像對整個(gè)過程及各個(gè)變量與時(shí)間的相互關(guān)系進(jìn)行了描繪，對更加清楚地了解和設(shè)計(jì)他勵(lì)直流電機(jī)啟動(dòng)的特點(diǎn)具有重要意義。3.1直流電動(dòng)機(jī)3.1.1直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 下圖所示為最簡單的直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖。圖3.1直流電動(dòng)機(jī)的

5、工作原理直流電動(dòng)機(jī)換向器是由兩片互相絕緣的半圓銅環(huán)（換向片）構(gòu)成的，每一換向片都與相應(yīng)的電樞繞組連接，與電樞繞組同軸旋轉(zhuǎn)，并與電刷A、B相接觸。若電刷A是正電位，B是負(fù)電位，那么在N極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組ab中的電流從a流向b，在S極范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)子繞組cd中的電流從c流向d。轉(zhuǎn)子載流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動(dòng)機(jī)左手定則判斷，圖中ab邊受力方向是向左，而cd邊則向右。由于磁場是對稱的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以ab邊和cd邊所受的電磁力的大小相等，這樣轉(zhuǎn)子線圈上受到電磁力F的作用而按逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面時(shí)，線圈中的電流為零，因此，電

6、磁力也等于零，但由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。線圈轉(zhuǎn)過半圈之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是由于電刷和換向片的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中的電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab邊中的電流，則從b流向a，因此，電磁力F的方向仍然不變，轉(zhuǎn)子線圈仍按逆時(shí)針方向轉(zhuǎn)動(dòng)。由此可知，分別在N，S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩邊受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停地旋轉(zhuǎn)。3.1.2直流電動(dòng)機(jī)的分類根據(jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為：他勵(lì)直流電機(jī)、并勵(lì)直流電機(jī)、串勵(lì)直流電機(jī)、復(fù)勵(lì)直流電機(jī)。3.1.3他勵(lì)直流電機(jī)工作原理他勵(lì)直流電機(jī)

7、的勵(lì)磁繞組與電樞繞組無連接關(guān)系，而由其他直流電源對勵(lì)磁繞組供電的直流電機(jī)稱為他勵(lì)直流電機(jī)，接線如圖1.2所示。圖中M表示電動(dòng)機(jī)，若為發(fā)電機(jī)，則用G表示。永磁直流電機(jī)也可看作他勵(lì)直流電機(jī)。圖3.2他勵(lì)直流電機(jī)工作原理圖3.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)3.2.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)在實(shí)際中，如果能夠做到適當(dāng)選用各級起動(dòng)電阻，那么串電阻起動(dòng)由于其起動(dòng)設(shè)備簡單、經(jīng)濟(jì)和可靠，同時(shí)可以做到平滑快速起動(dòng)，因而得到廣泛應(yīng)用。但對于不同類型和規(guī)格的直流電動(dòng)機(jī)，對起動(dòng)電阻的級數(shù)要求也不盡相同。 (1) 啟動(dòng)過程分析如圖3.3（a)所示，當(dāng)電動(dòng)機(jī)已有磁場時(shí)，給電樞電路加電源電壓U，觸點(diǎn)KM1、KM2均斷開,電樞串

8、入了全部附加電阻Rk1+Rk2 ,電樞回路總電阻為Ral=ra+Rk1 +Rk2,這時(shí)啟動(dòng)電流為 =，與啟動(dòng)電流所對應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為T1，此時(shí)由電阻所確定的人為機(jī)械特性如圖2.1(b)中的曲線1所示。 (a) 電路圖 (b) 特性圖圖3.3 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)分二級起動(dòng)的電路和特性根據(jù)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的基本運(yùn)動(dòng)方程式 T-TL=J 式中 T電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩； TL由負(fù)載作用所產(chǎn)生的阻轉(zhuǎn)矩； J電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；由于起動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，電動(dòng)機(jī)受到加速轉(zhuǎn)矩的作用，轉(zhuǎn)速由零逐漸上升，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。在圖2.1(b)上，由a點(diǎn)沿曲線1上升，反電動(dòng)勢亦隨之上升，電樞電流下降，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩亦隨之下降，加速

9、轉(zhuǎn)矩減小。上升到b點(diǎn)時(shí)，為保證一定的加速轉(zhuǎn)矩，控制觸點(diǎn)KM1閉合，切除一段起動(dòng)電阻Rk1。b點(diǎn)所對應(yīng)的電樞電流I2稱為切換電流，其對應(yīng)的電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T2稱為切換轉(zhuǎn)矩。切除Rk1后，電樞回路總電阻為Ra2=ra+Rk2。這時(shí)電動(dòng)機(jī)對應(yīng)于由電阻Ra2所確定的人為機(jī)械特性，見圖2.1(b)中曲線2。在切除起動(dòng)電阻RK1的瞬間，由于慣性電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，仍為nb，其反電動(dòng)勢亦不變。因此，電樞電流突增，其相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩也突增。適當(dāng)?shù)剡x擇所切除的電阻值Rk1，使切除Rk1后的電樞電流剛好等于，所對應(yīng)的轉(zhuǎn)矩為T2，即在曲線2上的c點(diǎn)。又有T1T2，電動(dòng)機(jī)在加速轉(zhuǎn)矩作用下，由c點(diǎn)沿曲線2上升到d點(diǎn)?？刂泣c(diǎn)K

10、M2閉合，又切除起動(dòng)電阻Rk2。同理，由d點(diǎn)過度到e點(diǎn)，而且e點(diǎn)正好在固有機(jī)械特性上。電樞電流又由突增到，相應(yīng)的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩由T2突增到T1。T1 TL，沿固有特性加速到g點(diǎn)T=TL，n=ng電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，起動(dòng)過程結(jié)束。在分級起動(dòng)過程中，各級的最大電流 (或相應(yīng)的最大轉(zhuǎn)矩T2)及切換電流 (或與之相應(yīng)的切換轉(zhuǎn)矩T2)都是不變的，這樣，使得起動(dòng)過程有較均勻的加速，要滿足以上電樞回路串接電阻分級起動(dòng)的要求，前提是選擇合適的各級起動(dòng)電阻。 (2) 起動(dòng)電阻的計(jì)算 在圖2.1(b)中，對a點(diǎn)，有=，即Ra1=，當(dāng)從曲線1(對應(yīng)于電樞電路總電阻 Ra1=ra+Rk1+Rk2)轉(zhuǎn)換得到曲線2(對應(yīng)于總電阻

11、Ra2=ra+Rk2)時(shí)，亦即從點(diǎn)b轉(zhuǎn)換到點(diǎn)c時(shí)，由于切除電阻RK1進(jìn)行很快，如忽略電感的影響，可假定nb=nc，即電動(dòng)勢Eb=Ec，這樣在b點(diǎn)有=，在c點(diǎn)=，兩式相除，并考慮到Eb=Ec，得 ，同樣，當(dāng)從d點(diǎn)轉(zhuǎn)換到e點(diǎn)時(shí)，得 = 這樣，如圖2.1所示的二級起動(dòng)時(shí)，得 =推廣到m級起動(dòng)的一般情況，得=式中為最大起動(dòng)電流與切換電流之比，稱為起動(dòng)電流比(或起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比)，它等于相鄰兩級電樞回路總電阻之比。由此可以推出 =式中m為起動(dòng)級數(shù)。由上式得 =如給定 ,求m,可將式=取對數(shù)得 m=由式=可得每級電樞回路總電阻，進(jìn)而求出各級啟動(dòng)電阻為： =Ra1-Ra2 =Ra2-Ra3 =Ra3-Ra4 R(

12、m-1)= Ra(m-1)- Ram Rm= Ram-ra起動(dòng)最大電流及切換電流按生產(chǎn)機(jī)械的工藝要求確定，一般 =(1.52.0) =(1.11.2) 3.2.2 直流電動(dòng)機(jī)電樞串電阻起動(dòng)設(shè)計(jì)方案（1）選擇啟動(dòng)電流和切換電流=(1.52.0)=(1.52.0)497=(745.5994)A=(1.11.2)=(1.11.2)497=(546.7596.4)選擇=840，=560。（2）求出起切電流比 =1.5（3）求出啟動(dòng)時(shí)電樞電路的總電阻Ram Ram=0.524（4）求出啟動(dòng)級數(shù)m m=4.76 取m=5（5）重新計(jì)算，校驗(yàn) =1.47 =571 在規(guī)定范圍之內(nèi)。（6）求出各級總電阻 =r

13、a=1.4750.076=0.52 =ra =1.4740.076=0.35 =ra=1.4730.076=0.24 =ra=1.4720.076=0.16 =ra=1.470.076=0.11 =Ra=0.076（7）求出各級啟動(dòng)電阻 Rst1=-=(0.11-0.076)=0.034 Rst2=-=(0.16-0.11)=0.05 Rst3=-=(0.24-0.16)=0.08 Rst4=-=(0.35-0.24)=0.11 Rst5=-=(0.52-0.35)=0.273.2.3 多級啟動(dòng)的規(guī)律不同加速級的機(jī)電常數(shù)是不同的，電樞電路的電阻越大，則TM越大。不同加速級的起始轉(zhuǎn)速與穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是

14、不同的，這是由于不同的機(jī)械特性與恒切換轉(zhuǎn)矩T2（或切換電流I2）特性及恒負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL（或負(fù)載電流IL）特性的交點(diǎn)是不同的。啟動(dòng)級數(shù)的選?。喝Q于負(fù)載的大小與對啟動(dòng)平滑性的要求。級數(shù)越多啟動(dòng)平滑性越好，但是啟動(dòng)設(shè)備與控制裝置龐雜，投資大。一般取m=24級，空載或輕載取m=12，重載或滿載取m=34。3.3 結(jié)論根據(jù)以上的設(shè)計(jì)分析，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)計(jì)算方法可歸結(jié)如下：(1)選擇啟動(dòng)電流和切換電流 =（2.02.5）In =(1.11.2)IL啟動(dòng)電流為，對應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1 T1=(1.52.0) TN切換電流為，對應(yīng)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2 T2=（1.52.0）TN(2)求出起切電流（轉(zhuǎn)矩）比 =

15、/(3)求出電動(dòng)機(jī)的電樞電路電阻Ra Ra=（1/22/3）UnIn-Pn*1000/In*In(4)求出啟動(dòng)時(shí)的電樞總電阻Rm Rm=Uan/Ian(5)求出啟動(dòng)級數(shù)m m=（lgRm/Ra）/lg 選取m=3(6)重新計(jì)算，校驗(yàn)I2是否在規(guī)定范圍內(nèi)；若m是取相近整數(shù)，則需重新計(jì)算，=， 再根據(jù)得出的重新求出，并校驗(yàn)是否在規(guī)定范圍內(nèi)。若不在規(guī)定范圍內(nèi)，需加大啟動(dòng)級數(shù)m重新計(jì)算和，直到符合要求為止。(7)求出各級總電阻(8)求出各級啟動(dòng)電阻3.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻起動(dòng)特性分析直流電動(dòng)機(jī)在電樞回路中串聯(lián)電阻起動(dòng)是限制起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的有效方法之一。建立他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞串聯(lián)三級電阻起動(dòng)的仿真

16、模型，仿真分析其串聯(lián)電阻起動(dòng)過程，獲得起動(dòng)過程的電樞電流、轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩的變化曲線。（1）建立仿真模型他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)起動(dòng)電阻的仿真模型原理圖如下圖所示，和直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)仿真模型相比圖中主要增加了電阻控制子模塊圖3.4他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串電阻啟動(dòng)仿真模型原理圖（2）設(shè)置仿真參數(shù)及仿真仿真時(shí)間設(shè)定為10s。直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過程中的轉(zhuǎn)速、電樞電流、勵(lì)磁電流、電磁轉(zhuǎn)矩的變化如下圖所示。圖3.5仿真結(jié)果（3）結(jié)果分析從仿真結(jié)果中可以看出，通過設(shè)定合適的串聯(lián)起動(dòng)電阻的投入時(shí)間，起動(dòng)電流可以控制在一定的范圍內(nèi)，同時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩也能夠得到有效的降低，轉(zhuǎn)速需要在較長的時(shí)間內(nèi)才能達(dá)到穩(wěn)定。四、設(shè)計(jì)體會(huì) 在分級啟動(dòng)中，只要知道最大啟動(dòng)電流和切換電流，我們即可以計(jì)算出分級啟動(dòng)電阻以及啟動(dòng)過程中的電阻切換時(shí)刻。我們必須注意所串聯(lián)電阻并不是越大越好，太大可能導(dǎo)致無法啟動(dòng)，另外，要得到更大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，必須增加啟動(dòng)級數(shù)，這樣所需設(shè)備多，透投資大，維修不便。此設(shè)計(jì)忽略了電樞