2_直流電機的拖動[1].ppt

2直流電動機的拖動 電動機主要分為直流電動機和交流電動機兩大類 直流電動機具有過載能力強 起動轉(zhuǎn)矩和制動轉(zhuǎn)矩大 易于在較廣范圍實現(xiàn)平滑調(diào)速等優(yōu)點 但因其結(jié)構(gòu)復(fù)雜 價格高 維修比較困難等 使它的應(yīng)用受到限制 隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展 配以電力電子裝置的交流電動機在許多場合已取代了直流電動機 盡管如此 在一些對起動和調(diào)速性能較高的生產(chǎn)機械上 仍然采用直流電動機來作為拖動動力 2 1直流電動機的運行原理 2 1 1直流電動機的基本運行原理和結(jié)構(gòu) 直流電動機的工作原理 直流電動機的工作原理 使用換向器 結(jié)論 換向器能自動改變線圈中的電流方向 從而使線圈能不停地轉(zhuǎn)動下去 從基本電磁定律到工程實際應(yīng)用中必須解決 如何把運動的線圈與靜止的電路連接上 如何給線圈供應(yīng)上交變的電流 即如何把外面的直流電變成線圈中的交流電 如何用最少的材料獲得最大的電磁轉(zhuǎn)矩 直流發(fā)電機的工作原理 電機內(nèi)交變的電流如何變成所需的直流電流 電機中運動的導體如何與外部靜止的電路相聯(lián) 如何獲得足夠的感應(yīng)電動勢 電機的可逆原理直流電機的工作原理是基于電磁感應(yīng)定律和電磁力定律 無論在發(fā)電機還是電動機中兩個定律都要用到 只不過它們發(fā)揮的作用不同 同一臺電機 在不同的外部條件下 既能作電動機運行又能作發(fā)電機運行 這叫做電機的可逆原理 直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機可以分為靜止和轉(zhuǎn)動兩大部分 靜止部分稱為定子 轉(zhuǎn)動部分稱為轉(zhuǎn)子 這兩部分之間稱為氣隙 定子主磁極 產(chǎn)生主磁場 為機電能量轉(zhuǎn)換提供介質(zhì) 機座 電機的支撐 并用于閉合磁路 機座部分的磁路稱為磁軛 換向極 用于改善換向 消除電機帶負載時換向器產(chǎn)生的有害火花 裝在兩個主磁極之間 換向極繞組與電樞繞組串聯(lián) 電刷裝置 保持與換向器滑動接觸 將直流電壓 直流電流引入或引出電樞繞組 是定子與轉(zhuǎn)子相聯(lián)系的定子側(cè)部件 1刷握 2銅絲辮 3壓緊彈簧 4電刷圖2 6電刷裝置 端蓋 裝在電機機座兩側(cè)的端面上 保護電機內(nèi)部免受外界的侵害并保護工作人員的安全 防止觸電 轉(zhuǎn)子 轉(zhuǎn)子是直流電機的重要部件 由于感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩都在轉(zhuǎn)子繞組中產(chǎn)生 是機械能與電能相互轉(zhuǎn)換的樞紐 因此稱為電樞 電樞鐵芯 電機磁路的主要部分 用硅鋼片疊制而成 電樞繞組 電機電路的主要部分 由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成的 換向器 由金屬片組成 它分別與線圈的兩端相聯(lián) 并隨線圈一起轉(zhuǎn)動 直流電機的氣隙在靜止的主磁極與電樞之間 有一空氣間隙 由于空氣的磁阻較大 因而它在電機的磁路中有重要的影響 小型電機的氣隙約為1 3mm 大型電機的約為10 12mm 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)標注著額定數(shù)據(jù)和使用條件 額定數(shù)據(jù)是電機制造廠按照國家標準的要求 對電機的一些電量或機械量所規(guī)定的數(shù)據(jù) 該條件下可保證設(shè)備安全 高效 長期地使用 應(yīng)盡量使電機工作于額定狀態(tài) 額定功率 N它指電機在額定條件下工作時所能輸出的功率 對發(fā)電機是指其出線端輸出的電功率 有PN UNIN對電動機是指由軸上輸出的機械功率有PN UNIN N額定電壓 N指電機在額定條件下運行時電機出線端的電壓值 額定電流 N對應(yīng)額定電壓 額定輸出功率時的電流值 額定轉(zhuǎn)速nN是指在電壓 電流和輸出功率都為額定值時的轉(zhuǎn)速 單位為r min轉(zhuǎn) 分 電機在實際應(yīng)用時處于什么運行狀態(tài) 要由負載大小來決定 一般不允許電機超過額定值運行 這會降低電機的使用壽命 甚至損壞電機 但若長期處于低負載下工作 電機的容量得不到充分利用 使得電機的效率降低 不經(jīng)濟 所以應(yīng)根據(jù)負載情況選用電機 使電機接近于額定狀態(tài)運行 2 1 2直流電動機的基本方程式和工作特性勵磁方式 電機勵磁繞組 定子 的供電方式 主要分成他勵 并勵 串勵和復(fù)勵四種 運行特性隨勵磁方式的不同有很大差異 圖2 10直流電動機各種勵磁方式接線圖 a 他勵 b 并勵 c 串勵 d 復(fù)勵 空載時的氣隙磁場主磁通 磁極N 氣隙 電樞齒 電樞鐵芯 電樞齒 氣隙 磁極S 機座磁軛 形成回路 漏磁通 不穿過電樞 直接通過相鄰的主磁極或定子磁軛形成回路 通路中空氣間隙較大 磁阻也較大 所以漏磁通較小 約為主磁通的20 左右 圖2 11四極電機空載磁場示意圖 主磁通各條回路所包圍的導體電流數(shù)是相同的 所以每一條回路中所消耗的磁勢是相同的 由于氣隙中空氣的導磁系數(shù)比鐵磁材料的導磁系數(shù)小得多 所以氣隙磁阻在磁路總磁阻中占了相當大的比重 因此可以這樣認為 主磁極勵磁磁勢FL除以氣隙磁阻 即可大體確定磁通量 也就是說氣隙各處的磁密與該處的氣隙長度成反比 由于各點的磁勢是相同的 而極掌中部的氣隙是均勻的 所以極掌中部的磁密是均勻分布的 在極尖處 氣隙增大 磁阻增大 氣隙磁密下降 在極尖外 氣隙迅速增大 氣隙磁密急劇下降 并在兩個極的幾何中性線上下降為零 物理中心線和幾何中心線重合 物理中心線 磁場的對稱軸線 幾何中心線 磁極間的平分線 負載時的氣隙磁場與電樞反應(yīng)直流電機帶上負載后 電樞繞組中有電流 電樞繞組也會產(chǎn)生磁動勢 建立電樞磁場 因此 當直流電機帶上負載工作時 氣隙磁場應(yīng)由主磁極的磁動勢和電樞磁動勢共同建立的 電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響是 使氣隙磁場發(fā)生畸變 在每個磁極下 氣隙磁場一半被加強 另一半被削弱 氣隙磁場畸變成尖頂波 呈現(xiàn)去磁作用 由于電機空載時磁路已經(jīng)進入飽和狀態(tài) 所以被削弱的部分大于被加強的部分 使物理中性線偏離幾何中性線一個不大的角度 當電機空載時物理中性線和幾何中性線是重合的 物理中心線 磁場的對稱軸線 幾何中心線 磁極間的平分線 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩感應(yīng)電動勢 只要電樞轉(zhuǎn)動 電樞導體就切割氣隙磁場 從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢 感應(yīng)電勢的產(chǎn)生與直流電機是發(fā)電機還是電動機無關(guān) 下面采用平均磁密的方法來分析感應(yīng)電勢 式中 l m 為電樞導體的有效長度 v m s 為導體切割氣隙磁場的速度 b k T或Wb m2 為該導體所在處的氣隙磁密 某導體在k位置處的感應(yīng)電勢為 整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路 直流電機的電樞繞組是由許多導體通過一定的連接方式所構(gòu)成 設(shè)電樞繞組由a對并聯(lián)支路組成 電樞圓周上總的導體數(shù)為Na 則每條支路的導體數(shù)為Na 2a 因此 電樞繞組的電動勢Ea V 即為每一條支路中各串聯(lián)導體感應(yīng)電動勢之和 為電機每極磁通量 Wb 直流電機電刷間感應(yīng)電勢Ea的大小與磁通 轉(zhuǎn)速及電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)都有關(guān) 稱為電動勢常數(shù) 電磁轉(zhuǎn)矩稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù) Ia為電樞電流 A 可見 直流電機電磁轉(zhuǎn)矩的大小與磁通 電樞電流及電機的結(jié)構(gòu)參數(shù)都有關(guān) 基本方程式電壓平衡方程式 轉(zhuǎn)矩平衡方程式 如果忽略電動機空載轉(zhuǎn)矩 則T TL 由式 2 11 可見 電樞電流取決于負載的大小 隨負載轉(zhuǎn)矩的增加而增加 功率關(guān)系主要通過功率流圖來理解 記憶 為什么 T還可以怎樣求 工作特性轉(zhuǎn)速特性 當U UN If IfN 電樞回路不外串任何電阻時 電動機的轉(zhuǎn)速與輸出功率之間的關(guān)系 即n f Ia 轉(zhuǎn)矩特性 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與輸出功率之間的關(guān)系 即T f Ia T2 CT Ia 效率特性 1 電動機損耗通?？梢苑譃椴蛔儞p耗和可變損耗PCu兩部分 不變損耗P0主要由摩擦性的機械損耗與鐵損組成 也稱空載損耗 可變損耗主要由銅耗組成 其大小與Ia2成正比 當電機的可變損耗等于不變損耗時 電機的效率達最高值 直流電動機的效率 約在0 75 0 94之間 2 2他勵直流電動機的機械特性 在直流電動機的電樞電壓和勵磁條件不變的情況下 其電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的關(guān)系 即稱為直流電動機的機械特性 即 2 2 1固有特性 當電壓和磁通為額定值 即U UN和 N時 n f T 的關(guān)系稱為固有機械特性 理想空載轉(zhuǎn)速 斜率 額定運行點 實際空載運行點 理想空載運行點 機械特性的硬度 越大 機械特性越硬 2 2 2人為機械特性 改變電動機的機械特性U Ra中的任意一個參數(shù) 得到的特性n f T 稱作電機的人為機械特性 通過改變直流電動機電樞回路的電阻 勵磁電流以及電樞電壓三種途徑來調(diào)節(jié)它的機械特性 以滿足帶動不同生產(chǎn)機械的需要 電樞串電阻時的人為特性理想空載轉(zhuǎn)速n0不變 特性的硬度隨外串電阻Rr的增加而減小 特性變軟 這種方式由于機械特性較軟 負載變化時轉(zhuǎn)速不平穩(wěn) 另外在相同負載時會增加較大的銅耗 因此并不常用 降低電壓時的人為特性理想空載轉(zhuǎn)速n0隨電樞電壓U成正比 機械特性的硬度不變 是一系列平行的直線 由于電機絕緣的限制電樞電壓只能下降不能上升 這種方式由于機械特性較硬 負載變化時轉(zhuǎn)速變化不大 性能較好 另外不會增加額外的損耗 目前有較方便的手段來調(diào)節(jié)直流電壓 因此這種方法是直流電動機中最常用到的 減弱磁通時的人為特性 理想空載轉(zhuǎn)速n0隨磁通減弱而增加 機械特性變軟 由于磁路飽和特征 磁場不可能再增強 而只能減弱 盡管這種方式由于機械特性較軟 負載變化時轉(zhuǎn)速波動也較大 性能不好 但它能獲得額定轉(zhuǎn)速以上的運行速度 因此常和降壓人為特性一起配合使用 也是比較常用的 機械特性的求取 他勵直流電動機的固有特性和人為特性都是直線 只要找出特性上的任意兩點 就可以畫出特性曲線 固有特性曲線求取 一般選擇理想空載點 n n0 T 0 和額定工作點 n nN T TN UN IN nN都可以從銘牌上獲取 Ra可通過實驗直接測取 也可以用經(jīng)驗公式估算 電機的效率達最高值 此時銅耗約占整個損耗的1 2 2 3 2 3他勵直流電動機的起動 起動時的要求較快的起動 足夠的起動轉(zhuǎn)矩 平穩(wěn)的起動 較小的電網(wǎng)沖擊和較小機械沖擊 經(jīng)濟的起動 設(shè)備簡單 經(jīng)濟 可靠啟動時的問題啟動時轉(zhuǎn)速n 0 沒有反電勢Ea 起動電流較大 一般情況下能達到其額定電流的 10 20 倍 造成很大的電沖擊和機械沖擊 不允許直流電動機直接起動 即在啟動時必須設(shè)法限制電樞電流 例如普通的Z型直流電動機 規(guī)定電樞的起動瞬時電流不得大于額定電流的1 5 2倍 2 3 1電樞回路串電阻起動 限制直流電動機的起動電流 一般有降壓起動和電樞回路串電阻起動兩種方式 起動過程先合上接觸器KMf 保證勵磁先接通 合上接觸器KMa 電動機開始起動 隨著轉(zhuǎn)速上升 依次合上KM1 KM2 KM3 逐次切除起動電阻Rst1 Rst2和Rst3 使電動機達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速 為了限制起動電流在一定的范圍 必須保證起動過程中每次沖擊電流都不超過電動機容許的最大電流Istmax 一般為 1 8 2 5 IN 為了使起動過程平穩(wěn)和有較快的起動速度 必須保證起動過程中的最小電流Istmin 一般為 1 1 1 2 IN 起動電阻的計算 可得 進而有 則 綜上所述 起動電阻計算方法歸納如下 選擇Istmax 1 8 2 5 IN計算總電阻R1 UN Istmax計算起動電流切換比 計算各級總電阻和分段電阻 雖然啟動級數(shù)愈多 愈與平均轉(zhuǎn)矩接近 啟動過程快而平穩(wěn) 但所需的控制設(shè)備也就愈多 我國生產(chǎn)的標準控制柜都是按快速啟動原則設(shè)計的 一般啟動電阻為 3 4 段 2 3 2降壓起動 當直流電源可調(diào)時 可以采用降壓方法起動 起動時 電樞電壓從零開始逐漸升高 電動機在限流情況下轉(zhuǎn)速升高直至起動過程結(jié)束 降壓的起動方式常常應(yīng)用在調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)中 2 4他勵直流電動機的調(diào)速 調(diào)速 就是指用人為的方法改變電動機串聯(lián)電樞電路中的電阻 電樞電壓以及主磁通 得到不同的轉(zhuǎn)速 有三種方法進行調(diào)速 由于負載變動引起的轉(zhuǎn)速變化不是調(diào)速 而應(yīng)該看成是一種擾動 與速度變化是兩個完全不同的概念 2 4 1調(diào)速指標 調(diào)速范圍與靜差率 調(diào)速范圍 電動機額定負載調(diào)速時 最大轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比 其中 最高轉(zhuǎn)速受電動機的換向及機械強度限制 最低轉(zhuǎn)速受生產(chǎn)機械對轉(zhuǎn)速相對穩(wěn)定性要求 即靜差率要求 的限制 靜差率 電動機在某一機械特性上運行時 電動機由理想空載到滿載時 轉(zhuǎn)速差與理想空載轉(zhuǎn)速的比值 靜差率越小 轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好 負載波動時 轉(zhuǎn)速變化越小 調(diào)速范圍與靜差率的關(guān)系 分子分母同時乘以 采用同一種方法調(diào)速時 較大 靜差率要求較低 時 可以得到較大的調(diào)速范圍 靜差率 一定時 降低電源電壓調(diào)速比電樞串電阻調(diào)速的調(diào)速范圍大 調(diào)速的平滑性相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比稱為平滑性 當 1時 稱為無級調(diào)速 即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié) 調(diào)速的經(jīng)濟性初投資運行時的費用 2 4 3調(diào)速方法 電樞串電阻調(diào)速基速以下調(diào)速 調(diào)速范圍有限 有級調(diào)速 能耗大 設(shè)備簡單 應(yīng)用范圍有限 降低電壓調(diào)速基速以下調(diào)速 調(diào)速的平滑性好 穩(wěn)定性好 調(diào)速范圍寬 損耗較小 可以同時采用降壓起動 需要一套專門的調(diào)壓電源 設(shè)備費用高 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)多用于調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機械目前常用的調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)主要是可控硅調(diào)速系統(tǒng) 弱磁調(diào)速基速以上調(diào)速 但要注意防止失磁飛車 平滑調(diào)速 損耗小 調(diào)速范圍小 與降壓調(diào)速配合使用 2 4 3調(diào)速方式與負載類型的配合 配合的基本原則實現(xiàn)對電動機的充分利用 電機的發(fā)熱在許可范圍內(nèi) 即電動機的電樞電流Ia保持為額定電流IN 電動機的最大允許輸出與負載的實際需要相一致 串電阻和降壓調(diào)速磁通保持為 N 如果在不同轉(zhuǎn)速下使Ia IN不變 電動機的容量就得到了充分利用 此時電動機輸出的轉(zhuǎn)矩T2 CT NIN是個常數(shù) 這種調(diào)速稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式 弱磁調(diào)速磁通 是變化的 欲充分使用電動機 要求保持Ia IN不變 電動機輸出的轉(zhuǎn)矩和功率分別為可知 弱磁調(diào)速過程中 電動機容許輸出的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比 而容許輸出的功率為一常數(shù) 故弱磁調(diào)速稱為恒功率調(diào)速方式 恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式電機允許輸出的最大轉(zhuǎn)矩不變 與恒轉(zhuǎn)矩負載配合使用 恒功率調(diào)速方式電機允許輸出的最大功率不變 與恒功率負載配合使用 表2 2他勵直流電動機三種調(diào)速方法的一些調(diào)速性能比較 2 5他勵直流電動機的制動 在電力拖動系統(tǒng)中 為了滿足生產(chǎn)上的技術(shù)經(jīng)濟和安全要求 往往需要使電機盡快停轉(zhuǎn)或由高速轉(zhuǎn)為低速 為此需對電機進行制動 此外對位能負載 利用制動還可以獲得穩(wěn)定的下降速度 因此制動是電機一個很重要的運行狀態(tài) 制動可以采用機械制動 也可以采用電氣制動 我們這里只討論電氣制動電氣制動 能耗制動 反接制動 回饋制動 2 5 1能耗制動 制動方法電機先處于電動工作狀態(tài)制動時保持勵磁電流不變 將電樞兩端從電網(wǎng)斷開 并接到一個電阻上 M U E 由于磁通與轉(zhuǎn)速都未變 因此電樞電勢E也未變 因U 0 Ea將在電樞回路產(chǎn)生電流的方向與電動時電流方向相反 電磁轉(zhuǎn)矩反向 變?yōu)榕c轉(zhuǎn)速反向 成為制動轉(zhuǎn)矩 M U M 電動運行 能耗制動 機械特性能耗制動時 電樞電壓U 0 電樞回路總電阻為Ra RB 所以它的機械特性方程式為 B C 如果負載是反抗性負載 當轉(zhuǎn)速為零時 負載轉(zhuǎn)矩為零 電機電磁轉(zhuǎn)矩也為零 所以電機停轉(zhuǎn) 能耗制動時 如果電機拖動的是位能性負載 當轉(zhuǎn)速制動到零時 在位能負載的作用下 電機將反向加速 B C 能耗制動的特點能耗制動的線路比較簡單 比較安全 經(jīng)濟 制動過程中 電動機脫離電源 不吸收電功率