第2章直流電機的工作原理及拖動

第2章直流電機工作原理及拖動范國偉安徽工業(yè)大學直流電動機直流電動機具有良好的起動、制動和調速性能；能夠快速地進行起、制動，正、反轉；能在十分寬廣的范圍內平滑而經濟地調節(jié)速度。因此，在一些要求較高的電力拖動系統(tǒng)中，得到了廣泛的應用。例如，在一些機床、軋鋼機、電氣牽引機車、汽車和起重機設備中，都采用了直流電動機拖動。目前，雖然交流變頻調速正在發(fā)展，在一些領域中已經取代了直流拖動系統(tǒng)，但直流電動機的應用仍占有一定的比例。

2.1直流電機的基本結構直流電動機雖然比三相交流異步電動機結構復雜，維修也不便，但由于它的調速性能較好和起動轉矩較大，因此，對調速要求較高的生產機械或者需要較大起動轉矩的生產機械往往采用直流電動機驅動。直流電動機的應用:（1）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備等調速范圍大的大型設備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等。2.1.1.直流電動機的構造直流電機由定子和轉子（又稱為電樞）兩大部分組成，直流電機運行時靜止不動的部分稱為定子，定子的主要作用是產生磁場，由機座、主磁極、換向級、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運行時轉動的部分稱為轉子，其主要作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉軸、電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和散熱風扇等組成。直流電機裝配結構圖1－換向器2－電刷裝置3－機座4－主磁極5－換向極6－端蓋7－風扇8－電樞繞組9－電樞鐵心2.1.2．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、串勵電動機和復勵電動機四種。

2.1.3．直流電機的額定值直流電機的額定值主要有下列幾項：(1)額定功率PN額定功率是指電機按照規(guī)定工作方式運行時所能提供的輸出功率。對于電動機來說，額定功率是指轉軸上輸出的機械功率；對于發(fā)電機來說，額定功率是指電刷端輸出的電功率。單位為kW(千瓦)。(2)額定電壓UN額定電壓是電機電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V（伏）。(3)額定電流IN額定電流是電機按照規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組允許流過的最大電流，單位為A（安培）。(4)額定轉速nN額定轉速是指電機在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運行時，電機的旋轉速度，單位為r/min（轉/分）2.2直流電動機的工作原理直流電動機是從電樞端輸入直流電流，將電能轉換成機械能從轉軸上輸出。從電樞端輸入直流電流，借助于換向器和電樞的作用，使直流電動機電樞繞組流過方向交換變化的電流，載流導體在磁場中將受電磁力的作用，從而使電樞產生的電磁轉矩的方向恒定不變，確保直流電動機朝確定的方向連續(xù)旋轉。直流發(fā)電機的工作原理同直流電動機一樣，直流發(fā)電機電樞線圈中的感應電動勢的方向也是交變的，而通過換向器和電刷的整流作用，在電刷A、B上輸出的電動勢是極性不變的直流電動勢。在電刷A、B之間接上負載，發(fā)電機就能向負載供給直流電能。這就是直流發(fā)電機的基本工作原理。電機的可逆原理一臺直流電機原則上可以作為電動機運行，也可以作為發(fā)電機運行，取決于外界輸入能量的不同條件。將直流電流施加于電刷，輸入電能，電機能將電能轉換為機械能，拖動生產機械旋轉，成為電動機運行；如用原動機拖動直流電機的電樞旋轉，輸入機械能，電樞繞組便能切割磁場的磁磁感應線產生感應電動勢，電機能將機械能轉換為直流電能，從電刷端引出直流電動勢，作發(fā)電機運行。2.3直流電機的感應電勢和電磁轉矩為何稱直流電機的轉子為電樞呢？因為直流電機的轉子是機電能量轉換的樞紐。直流電動機輸入電能到轉子繞組，轉換成機械能從轉軸輸出帶動生產機械；若是直流發(fā)電機即是輸入機械能轉動轉子繞組，切割定子磁場的磁感應線產生感應電動勢輸出電能。2.3.1直流電動機的感應電動勢當電樞通電以后，電動機在電磁轉矩作用下逆時針轉動。當電樞旋轉時，電樞上的導體就要切割磁力線。根據電磁感應理論，導體內要產生感應電動勢。但是由于電動機內各繞組導體分布在氣隙磁場的不同位置，因此各個導體的感應電動勢是不同的。為了方便說明，應先求出氣隙磁場中的平均磁感應強度，然后再求出每根導體中的平均感應電動勢，進而求得電樞電動勢Ea。Ea=Ce

nCe=Np/60a2.3.2直流電動機的電磁轉矩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，產生電磁力和電磁轉矩，直流電機的電磁轉矩公式為：T=CTIaCT=Np/2πa電動機的電磁轉矩T為驅動轉矩，它使電樞轉動。在電機運行時，電磁轉矩必須和機械負載轉矩及空載損耗轉矩相平衡。2.6他勵直流電動機的機械特性所謂直流電動機的機械特性就是電機的轉速n隨著負載轉矩T的變化情況，研究電機轉速變化能夠有助于更好地控制電機按照生產工藝的要求拖動生產機械，高效率、低損耗地運行。2.6.1.他勵直流電動機機械特性方程直流電動機的機械特性方程是由感應電動勢方程、電磁轉矩方程和電壓平衡方程推導出來的，即：式中：n——直流電動機的轉速；Ua——直流電動機電樞端施加的直流電壓；Ra——直流電動機電樞內的等值電阻；n0——直流電動機的理想空載轉速；△n——直流電動機的轉速降；β——轉速變化的斜率。2.6.2.他勵直流電動機自然機械特性若直流電動機滿足以下條件情況時的機械特性稱為自然特性或者固有特性。即滿足：①電樞繞組施加的電壓為額定的；即Ua＝UN②定子主極磁通為額定的；即Φ＝ΦN（對于他勵電機勵磁電流是額定）③電樞回路不外串電阻。2.6.3.他勵直流電動機人為機械特性若改變上述條件之一帶來的機械特性稱為人為的機械特性。因此分別改變上面三個條件就得到三種人為的機械特性，下面我們來看看這些人為機械特性的具體情況。1、直流電動機降壓人為機械特性改變電樞電壓時，為了不使電機發(fā)熱，一般只能從額定電壓UN往下降。降低電樞電壓時只有n0下降，而直線的斜率β不變，因此降壓人為特性是一組平行線。

2、直流電動機串電阻人為機械特性在直流電動機電樞回路外串電阻后，從直流電動機機械特性方程中可以看出：理想的空載轉速n0不變，只有斜率β發(fā)生變化，大小隨著所串電阻RΩ的阻值大小變化。因此串電阻人為特性是一組射線。3、直流電動機弱磁人為機械特性改變直流電動機定子主極的磁通也只能從額定磁通往下降低（因為電機的額定磁通通常都設定近飽和區(qū)域），所以稱為弱磁人為機械特性。同樣，降低磁通后從直流電動機機械特性方程中可以看出：理想的空載轉速n0和斜率β都變大2.7直流電動機的起動把帶有負載的電動機從靜止起動到某一穩(wěn)定速度的過程為起動過程。電動機起動時，必須先保證有磁場(即先通勵磁電流)，而后加電樞電壓。2.7.1.直流電動機的直接起動直流電動機直接起動時的起動電流很大，達到額定電流的10～20倍，因此必須限制起動電流。這種情況下電動機的換向情況惡化，在換向器表面產生過大的火花，嚴重時甚至產生“環(huán)火”。過大的電流沖擊和轉矩沖擊，對電網及拖動系統(tǒng)是有害的。因此在起動時，必須設法限制電樞電流。為了限制起動電流，一般采取兩種方法：串電阻起動和降低電樞電壓起動。2.7.2直流電動機的串電阻起動一種方法是在電樞電路內串入適當的外加電阻，來限制起動瞬時的過大的起動電流，待電動機轉速逐漸升高，反電動勢增大，電樞電流相對減小后再逐級切除外加電阻，直到電動機達到要求的轉速。這種電阻專為限制起動電流用，又稱為起動電阻。要滿足以上電樞回路串接電阻分級起動的要求，需要選擇合適的各級起動電阻。原則上根據他勵直流電動機的機械特性方程可以分段計算。2.7.3直流電動機降低電樞電壓起動另一種方法是降低電樞電壓的降壓起動。這種起動方法的基本思想是：在起動瞬間反電動勢很小，使外加電源電壓很低，這樣可防止產生過大的起動電流。待電動機轉速升高后，反電動勢增大，電流降低，這時再逐漸增加電樞兩端的外加電壓，直到電動機達到要求的轉速。若采用手工調節(jié)電壓Ua，電樞電壓不能升得太快，否則電流還會發(fā)生較大的沖擊。為了保證限制電樞電流，手工調節(jié)必須小心地進行。在自動化的系統(tǒng)中，電壓的調節(jié)及電流的限制靠一些環(huán)節(jié)自動實現，較為方便。這種方法適用于電動機的直流電源是可調的。2.8直流電動機的制動生產機械的制動有機械制動和電氣制動。機械制動是利用摩擦產生阻力矩，需要換易損件；而電氣制動是沒有這種情況，也容易實現自動化控制。直流電動機的制動有能耗制動、反接制動和回饋制動3種。2.8.1.直流電動機的能耗制動直流他勵電動機原來處于正向電動狀態(tài)下運行，若突然將電樞電源斷掉，轉而加到制動電阻RK上，由于機械慣性而轉速n不變，從而電動勢Ea亦不變。在電樞回路中靠Ea產生電樞電流Ia，其方向與電動狀態(tài)時相反，那么電動機轉矩T亦與電動時的轉矩方向相反，也與轉速n方向相反，即T起制動作用，使系統(tǒng)減速，系統(tǒng)的動能轉變?yōu)殡娔芟呐c電樞回路的電阻上，即處于能耗制動狀態(tài)。能耗制動過程中電動機與電網隔開，所以不需要從電網輸入電功率，而拖動系統(tǒng)產生的制動轉矩的電功率完全由拖動系統(tǒng)動能轉換而來，即完全消耗系統(tǒng)本身的動能，能耗制動的名稱就是由此而來。2.8.2直流電動機的反接制動對位能負載而言，反接制動有兩種情況：一是轉速反向的反接制動，另一是電壓反接的反接制動。1、轉速反向的反接制動當直流電動機原拖動位能負載轉矩TL正向電動運行在A點時，突然在電樞回路中串入電阻RK，此時電動機由于系統(tǒng)動能保持nA的轉速不變，從A點平移到B點，順著串電阻人為特性下降轉速，直至被位能負載轉矩TL拖向反轉，至C點后穩(wěn)定運行在-nC轉速。轉速反向的反接制動又稱為倒拉式反接制動。制動時從電網輸入的電功率和位能負載的機械功率都轉換成電磁功率，兩者均消耗在電樞回路的電阻上。由此可見，轉速反向的反接制動能耗很大。轉速反向的反接制動通常應用在起重機低速地下放重物。2、電樞電壓反接的反接制動電樞電壓反接的反接制動是在停車時將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個相反極性的電源相接，電動機的電磁轉矩立即變?yōu)橹苿愚D矩，使電動機迅速減速至停轉。電樞電壓反接的反接制動在制動過程中要消耗較大的能量，從技術的觀點看，制動效果較好，在整個制動過程中制動轉矩都很大，制動時間比較短。若制動到轉速n＝0時立即切斷電源，使得電動機迅速停車。2.8.3.直流電動機的發(fā)電回饋制動在上述電樞電壓反接的反接制動到轉速n＝0時，如果不切斷電源，直流電動機就會進入反向起動。轉速升到同步轉速-n0時，繼續(xù)被位能負載拖向大于n0的轉速，直至與負載轉矩的交點C，才穩(wěn)定運行在-nC。在-n0與C點區(qū)域直流電動機的轉速n與轉矩T反向，此時發(fā)生的制動稱為發(fā)電反饋制動，又稱為回饋制動。發(fā)電反饋制動是在電動機轉速超過理想空載轉速時，電樞繞組內的感應電動勢將高于外加電壓，使電機變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運行，電樞電流改變方向，電磁轉矩成為制動轉矩，限制電機轉速過分升高。發(fā)電回饋制動通常應用在起重裝置高速地下放重物。2.9直流電動機的速度調節(jié)為了使產生機械以最合理的高速進行工作，從而提高生產率和保證產品具有較高的質量，大量的生產機械(如各種機床，軋鋼機、造紙機、紡織機械等)要求在不同的情況下以不同的速度工作。這就需求采用一定的方法來改變生產機械的工作速度，以滿足生產的需要，這種方法通常稱為調速。2.9.1.調速的指標在選擇和評價某種調速系統(tǒng)時，應考慮下列指標：調速范圍、調速的穩(wěn)定性及靜差度、調速的平滑性、調速的負載能力、經濟性等。2.9.2.直流電動機的調速方法直流電動機的調速方法有以下3種：改變磁通Φ調速、改變電樞電壓U調速和電樞串聯(lián)電阻調速1、電樞回路串接電阻調速由直流電動機人為機械特性的可知，電樞回路串接電阻，不能改變理想空載轉速n0，只能改變機械特性的硬度。所串的附加電阻愈大，特性愈軟，在一定負載轉矩TL下，轉速n也就愈低。電樞回路串接電阻調速的優(yōu)點是：方法較簡單。但由于調速是有級的，調速的平滑性很差。一般只用少數的調速級數。再加上電能損耗較大，所以這種調速方法近來在較大容量的電動機上很少使采用，只是在調速平滑性要求不高，低速工作時間不長，采用其他調速方法又不值得的地方采用這種調速方法。

2、改變電源電壓調速采用降低電樞電壓