第八章-直流電動機

第8章直流電動機 8 1直流電機的構(gòu)造 8 2直流電機的基本工作原理 8 4并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn) 8 3直流電動機的機械特性 8 5并勵 他勵 電動機的調(diào)速 8 5并勵 他勵 電動機的制動 第8章直流電動機 1 了解直流電動機的基本構(gòu)造和工作原理 2 掌握他勵 并勵 和串勵直流電動機的電壓與電流的關(guān)系式 接線圖 機械特性 3 掌握他勵 并勵 和串勵直流電動機的起動 反轉(zhuǎn)和調(diào)速 制動的基本原理和基本方法 本章要求 8 1直流電機的構(gòu)造 直流電動機雖然比三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜 維修也不便 但由于它的調(diào)速性能較好和起動轉(zhuǎn)矩較大 因此 對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械或者需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械往往采用直流電動機驅(qū)動 直流電機的優(yōu)點 1 調(diào)速性能好 調(diào)速范圍廣 易于平滑調(diào)節(jié) 2 起動 制動轉(zhuǎn)矩大 易于快速起動 停車 3 易于控制 應(yīng)用 軋鋼機 電氣機車 中大型龍門刨床 礦山豎井提升機以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備 8 1 1直流電動機的構(gòu)造 極掌 極心 勵磁繞組 機座 轉(zhuǎn)子 直流電動機的磁極和磁路 直流電機由定子 磁極 轉(zhuǎn)子 電樞 和機座等部分構(gòu)成 2 轉(zhuǎn)子 電樞 由鐵心 繞組 線圈 換向器組成 1 磁極 勵磁 磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通 稱為勵磁 用來在電機中產(chǎn)生磁場 1 他勵電動機勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電 8 1 2直流電機的分類 直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機 并勵電動機 串勵電動機和復(fù)勵電動機 2 并勵電動機勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián) 由一個直流電源供電 4 復(fù)勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并 接在同一電源上 3 串勵電動機勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上 8 2直流電機的基本工作原理 8 2直流電機的基本工作原理 直流電從兩電刷之間通入電樞繞組 電樞電流方向如圖所示 由于換向片和電源固定聯(lián)接 無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動 總是S極有效邊的電流方向向里 N極有效邊的電流方向向外 電動機電樞繞組通電后中受力 左手定則 按順時針方向旋轉(zhuǎn) 電刷 換向片 換向器作用 將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的交流電 以保持轉(zhuǎn)矩方向不變 線圈在磁場中旋轉(zhuǎn) 將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢 由右手定則 感應(yīng)電動勢的方向與電流的方向相反 1 電樞感應(yīng)電動勢 E EK n 由圖可知 電樞感應(yīng)電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反 所以稱反電勢 式中 U 外加電壓Ra 繞組電阻 2 電樞回路電壓平衡式 3 電磁轉(zhuǎn)矩 單位 韋伯 Ia 安 T 牛頓 米 直流電動機電樞繞組中的電流 電樞電流Ia 與磁通 相互作用 產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為 4 轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系 電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 它使電樞轉(zhuǎn)動 在電機運行時 電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡 即 T KT Ia 當(dāng)電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時 通過電動機轉(zhuǎn)速 電動勢 電樞電流的變化 電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整 以適應(yīng)負載的變化 保持新的平衡 轉(zhuǎn)矩平衡過程 例 設(shè)外加電樞電壓U一定 T T2 平衡 此時 若T2突然增加 則調(diào)整過程為 達到新的平衡點 Ia P入 T2 n Ia T E 8 3直流電動機的運行特性 直流電動機在正常運行時 雖然電源電壓U和勵磁電阻保持不變 但隨著勵磁方式不同 電動機的轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)速和機械特性有很大的區(qū)別 一 并勵電動機 1 轉(zhuǎn)矩特性 由圖可求得 由上分析可知 當(dāng)電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時 勵磁電流If和磁通 不變 即 常數(shù) 則 T KT Ia KTIa 即 并勵電動機的磁通 常數(shù) 轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比 n 0 T Ia 2 轉(zhuǎn)速特性 8 3直流電動機的運行特性 由以下公式 求得 n 0 T Ia 式中 8 3直流電動機的機械特性 求得 3 機械特性 式中 n f T 特性曲線 并勵電動機在負載變化時 轉(zhuǎn)速n的變化不大 硬機械特性 自然特性 動畫 nN很小 大約為3 8 8 3直流電動機的運行特性 二 串勵電動機 1 轉(zhuǎn)矩特性 當(dāng)Ia較小時 鐵心不飽和 特點 當(dāng)Ia較大時 鐵心飽和 與并勵類似 2 轉(zhuǎn)速特性 當(dāng)Ia較小時 可得 根據(jù) 當(dāng)Ia較大時 鐵心飽和 與并勵類似 從上式可見 當(dāng)輕載時串勵電動機的轉(zhuǎn)速急劇上升 將導(dǎo)致電動機的損壞 所以串勵電動機不允許輕載運行 一般最低負載不小于額定負載的30 8 3直流電動機的機械特性 求得 3 機械特性 串勵電動機在負載變化時 轉(zhuǎn)速n的變化大 軟機械特性 自然特性 適合于拖動啟動頻繁 負載變化大的負載 當(dāng)負載增加時 轉(zhuǎn)速快速下降 當(dāng)負載減小時 轉(zhuǎn)速快速上升 這樣不僅可以確保安全 而且可以提高生產(chǎn)效率 8 3直流電動機的運行特性 三 復(fù)勵電動機 他的工作特性介于并勵和串勵之間 如果并勵繞組磁通勢起主要作用 其工作特性與并勵電動機工作特性接近 如果串勵繞組磁通勢起主要作用 其工作特性與串勵電動機工作特性接近 但因為有并勵繞組磁通勢的存在 磁通 不會趨近于零 所以空載或輕載時 仍能正常運行 例 有一并勵電動機 其額定數(shù)據(jù)如下 P 22KW UN 110V nN 1000r min 0 84 并已知Rf 27 5 Ra 0 04 試求 1 額定電流I 額定電樞電流Ia及額定勵磁電流If 2 損耗功率 PaCu 及 PO 3 額定轉(zhuǎn)矩T 4 反電動勢E 解 1 P2是輸出功率 額定輸入功率為 額定電流 額定勵磁電流 額定電樞電流 2 電樞電路銅損 勵磁電路銅損 總損失功率 空載損耗功率 3 額定轉(zhuǎn)矩 4 反電動勢 8 4并勵電動機的人為機械特性 1 電樞回路串聯(lián)電阻R 根據(jù) 2 降低電樞電壓U 3 減弱磁通 例 有一他勵電動機 其額定數(shù)據(jù)如下 P 22KW UN 220V nN 1500r min IN 115ARa 0 125 試求 1 電樞回路串聯(lián)電阻R 0 75 2 電樞電壓降低為U 150V 3 磁通減弱為 0 8 的人為機械特性 解 根據(jù)額定數(shù)據(jù)可得 例 有一他勵電動機 其額定數(shù)據(jù)如下 P 22KW UN 220V nN 1500r min IN 115ARa 0 125 試求 1 電樞回路串聯(lián)電阻R 0 75 2 電樞電壓降低為U 150V 3 磁通減弱為 0 8 的人為機械特性 解 根據(jù)額定數(shù)據(jù)可得 1 當(dāng)R 0 75 T TN時 2 電樞電壓降低為U 150V 3 磁通減弱為 0 8 的人為機械特性 2 當(dāng)電樞電壓降低為U 150V T TN時 3 磁通減弱為 0 8 T TN時 8 5并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn) 起動 直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動 Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴重的火花 燒壞換向器 起動時 n 0 1 起動問題 1 起動電流大 2 起動轉(zhuǎn)矩大 起動時 起動轉(zhuǎn)矩為 10 20 TN 造成機械沖擊 使傳動機構(gòu)遭受損壞 一般Iast限制在 1 5 2 5 IN 2 起動方法 1 電樞串電阻起動法 在滿磁下將Rst置最大處 逐漸減小Rst使n升高 n n0 T 電阻增大 TL T2 T1 此啟動方法 啟動設(shè)備簡單 操作方便 但啟動能耗大 3 注意事項 2 降壓起動法 直流電動機在起動和工作時 勵磁電路一定要接通 不能讓它斷開 而且起動時要滿勵磁 否則 磁路中只有很少的剩磁 可能產(chǎn)生事故 目前基本采用可控硅整流電源作為調(diào)壓電源 此啟動方法 啟動電流小 啟動平穩(wěn) 啟動能耗小 1 如果電動機是靜止的 由于轉(zhuǎn)矩太小 T KT Ia 電機將不能起動 這時反電動勢為零 電樞電流很大 電樞繞組有被燒壞的危險 2 如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路 反電動勢E立即減小而使電樞電流增大 同時由于所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩不滿足負載的需要 電動機必將減速而停轉(zhuǎn) 更加促使電樞電流的增大 以至燒毀電樞繞組和換向器 3 如果電機在空載運行 可能造成飛車 使電機遭受嚴重的機械損傷 而且因電樞電流過大而將繞組燒壞 2 反轉(zhuǎn) 電磁轉(zhuǎn)矩 T KT Ia 1 改變勵磁電流的方向 2 改變電樞電流的方向 注意 改變轉(zhuǎn)動方向時 勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變 改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法有兩種 8 6并勵 他勵 電動機的調(diào)速 并勵 他勵 電動機與異步電動機相比 雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜 價格高 維護也不方便 但在調(diào)速性能上由其獨特的優(yōu)點 1 調(diào)速均勻平滑 可以無級調(diào)速2 調(diào)速范圍大 調(diào)速比可達D 8 10以上3 調(diào)速靜差率 小 主要優(yōu)點 由轉(zhuǎn)速公式 可見直流電機調(diào)速方法有三種 8 6 1弱磁調(diào)速 保持電樞電壓U不變 減小勵磁電流If 調(diào)Rf 以減小磁通 由式 TL T n O 動畫 調(diào)速過程 直至T TC達到新的平衡 在高于n的轉(zhuǎn)速下運行 弱磁調(diào)速時 減小 但Ia保持不變 所以轉(zhuǎn)矩隨調(diào)速的升高而下降 而允許輸出的功率恒定 所以屬于恒功率調(diào)速 且轉(zhuǎn)速n只能上調(diào) 1 調(diào)速平滑 可得到無級調(diào)速 但只能向上調(diào) 受機械本身強度所限 n不能太高 2 調(diào)速設(shè)備簡單 經(jīng)濟 電流小 便于控制 3 機械特性較硬 穩(wěn)定性較好 4 對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動機 其D可達 一般D 2 減小 調(diào)速的特點 8 6 2降壓調(diào)速 由轉(zhuǎn)速公式知 調(diào)電壓U n0變化 但斜率不變 所以調(diào)速特性是一組平行曲線 特性曲線 改變電壓調(diào)速的特點 1 工作時電壓不允許超過UN 而n U 所以調(diào)速只能向下調(diào) 2 機械特性較硬 并且電壓降低后硬度不變 穩(wěn)定性好 4 均勻調(diào)節(jié)電樞電壓 可得到平滑無級調(diào)速 5 調(diào)速范圍較大 一般D 8 10 調(diào)速過程 保持If為額定 減小電樞電壓 改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備 投資費用較高 近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)磁 以改變它的轉(zhuǎn)速 3 屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速 8 6 3電樞回路串電阻調(diào)速 電樞回路串電阻調(diào)速時 和Ia保持不變 所以屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速而允許輸出的功率隨轉(zhuǎn)速下降 且轉(zhuǎn)速n只能下調(diào) 特點 1 設(shè)備簡單 操作方便 2 機械特性軟 穩(wěn)定性差 4 能量損耗大 只用于小型直流機 TL 3 調(diào)速范圍較小 一般D 2 2 5 例 有一他勵電動機 已知U 220V Ia 53 8A n 1500r minRa 0 7 今將電樞電壓降低一半 而負載轉(zhuǎn)矩不變 問轉(zhuǎn)速降低多少 解 由T KT Ia可知 在保持負載轉(zhuǎn)矩和勵磁電流不變的條件下 電流也保持不變 電壓降低后的轉(zhuǎn)速n 對原來的轉(zhuǎn)速n之比為 例 有一他勵電動機 已知 Ia 68 5A PN 13KWnN 1500r minRa 0 225 UN 220V 1 采用電樞串電阻調(diào)速 使n 1000r min 應(yīng)串入多大的電阻 2 采用降壓調(diào)速 使n 1000r min 電源電壓應(yīng)降為多少 3 采用弱磁調(diào)速 0 85 N 電動機的轉(zhuǎn)速為多少 能否長期運行 4 如要求靜差率 30 分別采用 1 2 種調(diào)速方法能達到的調(diào)速范圍有多大 1 采用電樞串電阻調(diào)速時 當(dāng) N T TN時Ia 68 5A 根據(jù) 2 降壓調(diào)速時 當(dāng) N T TN時Ia 68 5A 根據(jù) 2 弱磁調(diào)速時 當(dāng) 0 85 N T TN時 根據(jù) 電動機不能長期運行 4 額定條件下 固有特性 根據(jù) 額定負載允許的轉(zhuǎn)速降為 允許的最低轉(zhuǎn)速為 調(diào)速范圍為 允許的最低轉(zhuǎn)速為 調(diào)速范圍為 8 7他勵直流電動機的制動 7 7 1能耗制動 制動方法 能耗制動反接制動發(fā)電反饋制動 能耗制動時 電動機勵磁電流不變 電樞電壓U 0 因為電樞電流方向改變 所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變 為制動轉(zhuǎn)矩 8 7他勵直流電動機的制動 7 7 1能耗制動 此時機械特性方程為 可見T 0時 n 0 T 0時 n0 所以 機械特性應(yīng)在二 四象限 并通過原點 n 制動過程 能耗制動特點 1 設(shè)備簡單 運行可靠 且不需從電網(wǎng)輸入電能 2 能準確停車 3 低速時制動效果較差 8 7 2反接制動 1 電樞電壓反接制動 此時電樞電流 由 變?yōu)?同樣因為電樞電流方向改變 所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變 為制動轉(zhuǎn)矩 此時機械特性方程為 n0 制動過程 反接制動特點 U Ia反向 T反向為制動轉(zhuǎn)矩 C點時 n 0 n T 1 設(shè)備簡單 制動轉(zhuǎn)矩大 常用于反抗性負載的快速停車和快速反向運行 2 能量損耗大 8 7 2反接制動 2 倒拉反轉(zhuǎn)反接制動 只能適用于電動機拖動位能性負載 實現(xiàn)勻速下放重物 此時機械特性方程為 當(dāng)K閉合時 電動機為正向電動運行 提升重物 為使重物下放 斷開K 此時n反向為負值 E也為負值 所以電樞電流方向不變 所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也不變 但與n的方向相反 為制動轉(zhuǎn)矩 電樞電流 在電樞串入較大的電阻 使 n 0時的電磁轉(zhuǎn)矩T 小于負載轉(zhuǎn)矩TL 這樣在位能負載轉(zhuǎn)矩TL的作用下 時電動機反轉(zhuǎn) n為負 下放重物 一直到D點穩(wěn)定運行 8 7 3回饋制動 當(dāng)位能性負載快速下放物體時 當(dāng)n n0時 使E U 由原來的電動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài) 電樞電流 同樣電樞電流方向改變 所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變 為制動轉(zhuǎn)矩 因為此時P1 UIa 0 將位能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng) 稱回饋制動 8 8串勵電動機的啟動 調(diào)速及制動 啟動 串勵電動機的啟動方法與他勵電動機一樣 采用電樞串電阻和降壓啟動 串勵電動機的調(diào)速方法與他勵電動機一樣 采用電樞串電阻和降壓啟動和弱磁調(diào)速 其原理與他勵電動機相同 調(diào)速 制動 串勵電動機由于理想空載轉(zhuǎn)速無窮大 所以沒有回饋制動運行狀態(tài) 只能進行能耗和反接制動 1 額定功率PN 電機軸上輸出的機械功率 2 額定電壓UN 額定工作情況下的電樞上加的直流電壓 例 110V 220V 440V 3 額定電流IN 額定電壓下軸上輸出額定功率時的電流 并勵包括勵磁和電樞電流 三者關(guān)系 PN UNIN 效率 4 額定轉(zhuǎn)速nN 在PN UN IN時的轉(zhuǎn)速 直流電機的轉(zhuǎn)速一般在500r min以上 特殊的直流電機轉(zhuǎn)速可以做到很低 如每分鐘幾轉(zhuǎn) 或很高 每分鐘3000轉(zhuǎn)以上 注意 調(diào)速時對于沒有調(diào)速要求的電機 最大轉(zhuǎn)速不能超過1 2nN 直流電動機的額定值 3 恒功率