2_直流电机的拖动[1].ppt

2直流电动机的拖动 电动机主要分为直流电动机和交流电动机两大类 直流电动机具有过载能力强 起动转矩和制动转矩大 易于在较广范围实现平滑调速等优点 但因其结构复杂 价格高 维修比较困难等 使它的应用受到限制 随着电力电子技术的发展 配以电力电子装置的交流电动机在许多场合已取代了直流电动机 尽管如此 在一些对起动和调速性能较高的生产机械上 仍然采用直流电动机来作为拖动动力 2 1直流电动机的运行原理 2 1 1直流电动机的基本运行原理和结构 直流电动机的工作原理 直流电动机的工作原理 使用换向器 结论 换向器能自动改变线圈中的电流方向 从而使线圈能不停地转动下去 从基本电磁定律到工程实际应用中必须解决 如何把运动的线圈与静止的电路连接上 如何给线圈供应上交变的电流 即如何把外面的直流电变成线圈中的交流电 如何用最少的材料获得最大的电磁转矩 直流发电机的工作原理 电机内交变的电流如何变成所需的直流电流 电机中运动的导体如何与外部静止的电路相联 如何获得足够的感应电动势 电机的可逆原理直流电机的工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律 无论在发电机还是电动机中两个定律都要用到 只不过它们发挥的作用不同 同一台电机 在不同的外部条件下 既能作电动机运行又能作发电机运行 这叫做电机的可逆原理 直流电机的结构直流电机可以分为静止和转动两大部分 静止部分称为定子 转动部分称为转子 这两部分之间称为气隙 定子主磁极 产生主磁场 为机电能量转换提供介质 机座 电机的支撑 并用于闭合磁路 机座部分的磁路称为磁轭 换向极 用于改善换向 消除电机带负载时换向器产生的有害火花 装在两个主磁极之间 换向极绕组与电枢绕组串联 电刷装置 保持与换向器滑动接触 将直流电压 直流电流引入或引出电枢绕组 是定子与转子相联系的定子侧部件 1刷握 2铜丝辫 3压紧弹簧 4电刷图2 6电刷装置 端盖 装在电机机座两侧的端面上 保护电机内部免受外界的侵害并保护工作人员的安全 防止触电 转子 转子是直流电机的重要部件 由于感应电势和电磁转矩都在转子绕组中产生 是机械能与电能相互转换的枢纽 因此称为电枢 电枢铁芯 电机磁路的主要部分 用硅钢片叠制而成 电枢绕组 电机电路的主要部分 由许多按一定规律连接的线圈组成的 换向器 由金属片组成 它分别与线圈的两端相联 并随线圈一起转动 直流电机的气隙在静止的主磁极与电枢之间 有一空气间隙 由于空气的磁阻较大 因而它在电机的磁路中有重要的影响 小型电机的气隙约为1 3mm 大型电机的约为10 12mm 直流电机的铭牌数据标注着额定数据和使用条件 额定数据是电机制造厂按照国家标准的要求 对电机的一些电量或机械量所规定的数据 该条件下可保证设备安全 高效 长期地使用 应尽量使电机工作于额定状态 额定功率 N它指电机在额定条件下工作时所能输出的功率 对发电机是指其出线端输出的电功率 有PN UNIN对电动机是指由轴上输出的机械功率有PN UNIN N额定电压 N指电机在额定条件下运行时电机出线端的电压值 额定电流 N对应额定电压 额定输出功率时的电流值 额定转速nN是指在电压 电流和输出功率都为额定值时的转速 单位为r min转 分 电机在实际应用时处于什么运行状态 要由负载大小来决定 一般不允许电机超过额定值运行 这会降低电机的使用寿命 甚至损坏电机 但若长期处于低负载下工作 电机的容量得不到充分利用 使得电机的效率降低 不经济 所以应根据负载情况选用电机 使电机接近于额定状态运行 2 1 2直流电动机的基本方程式和工作特性励磁方式 电机励磁绕组 定子 的供电方式 主要分成他励 并励 串励和复励四种 运行特性随励磁方式的不同有很大差异 图2 10直流电动机各种励磁方式接线图 a 他励 b 并励 c 串励 d 复励 空载时的气隙磁场主磁通 磁极N 气隙 电枢齿 电枢铁芯 电枢齿 气隙 磁极S 机座磁轭 形成回路 漏磁通 不穿过电枢 直接通过相邻的主磁极或定子磁轭形成回路 通路中空气间隙较大 磁阻也较大 所以漏磁通较小 约为主磁通的20 左右 图2 11四极电机空载磁场示意图 主磁通各条回路所包围的导体电流数是相同的 所以每一条回路中所消耗的磁势是相同的 由于气隙中空气的导磁系数比铁磁材料的导磁系数小得多 所以气隙磁阻在磁路总磁阻中占了相当大的比重 因此可以这样认为 主磁极励磁磁势FL除以气隙磁阻 即可大体确定磁通量 也就是说气隙各处的磁密与该处的气隙长度成反比 由于各点的磁势是相同的 而极掌中部的气隙是均匀的 所以极掌中部的磁密是均匀分布的 在极尖处 气隙增大 磁阻增大 气隙磁密下降 在极尖外 气隙迅速增大 气隙磁密急剧下降 并在两个极的几何中性线上下降为零 物理中心线和几何中心线重合 物理中心线 磁场的对称轴线 几何中心线 磁极间的平分线 负载时的气隙磁场与电枢反应直流电机带上负载后 电枢绕组中有电流 电枢绕组也会产生磁动势 建立电枢磁场 因此 当直流电机带上负载工作时 气隙磁场应由主磁极的磁动势和电枢磁动势共同建立的 电枢反应对气隙磁场的影响是 使气隙磁场发生畸变 在每个磁极下 气隙磁场一半被加强 另一半被削弱 气隙磁场畸变成尖顶波 呈现去磁作用 由于电机空载时磁路已经进入饱和状态 所以被削弱的部分大于被加强的部分 使物理中性线偏离几何中性线一个不大的角度 当电机空载时物理中性线和几何中性线是重合的 物理中心线 磁场的对称轴线 几何中心线 磁极间的平分线 感应电动势和电磁转矩感应电动势 只要电枢转动 电枢导体就切割气隙磁场 从而产生感应电势 感应电势的产生与直流电机是发电机还是电动机无关 下面采用平均磁密的方法来分析感应电势 式中 l m 为电枢导体的有效长度 v m s 为导体切割气隙磁场的速度 b k T或Wb m2 为该导体所在处的气隙磁密 某导体在k位置处的感应电势为 整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路 直流电机的电枢绕组是由许多导体通过一定的连接方式所构成 设电枢绕组由a对并联支路组成 电枢圆周上总的导体数为Na 则每条支路的导体数为Na 2a 因此 电枢绕组的电动势Ea V 即为每一条支路中各串联导体感应电动势之和 为电机每极磁通量 Wb 直流电机电刷间感应电势Ea的大小与磁通 转速及电机的结构参数都有关 称为电动势常数 电磁转矩称为转矩常数 Ia为电枢电流 A 可见 直流电机电磁转矩的大小与磁通 电枢电流及电机的结构参数都有关 基本方程式电压平衡方程式 转矩平衡方程式 如果忽略电动机空载转矩 则T TL 由式 2 11 可见 电枢电流取决于负载的大小 随负载转矩的增加而增加 功率关系主要通过功率流图来理解 记忆 为什么 T还可以怎样求 工作特性转速特性 当U UN If IfN 电枢回路不外串任何电阻时 电动机的转速与输出功率之间的关系 即n f Ia 转矩特性 电动机的电磁转矩与输出功率之间的关系 即T f Ia T2 CT Ia 效率特性 1 电动机损耗通常可以分为不变损耗和可变损耗PCu两部分 不变损耗P0主要由摩擦性的机械损耗与铁损组成 也称空载损耗 可变损耗主要由铜耗组成 其大小与Ia2成正比 当电机的可变损耗等于不变损耗时 电机的效率达最高值 直流电动机的效率 约在0 75 0 94之间 2 2他励直流电动机的机械特性 在直流电动机的电枢电压和励磁条件不变的情况下 其电磁转矩和转速的关系 即称为直流电动机的机械特性 即 2 2 1固有特性 当电压和磁通为额定值 即U UN和 N时 n f T 的关系称为固有机械特性 理想空载转速 斜率 额定运行点 实际空载运行点 理想空载运行点 机械特性的硬度 越大 机械特性越硬 2 2 2人为机械特性 改变电动机的机械特性U Ra中的任意一个参数 得到的特性n f T 称作电机的人为机械特性 通过改变直流电动机电枢回路的电阻 励磁电流以及电枢电压三种途径来调节它的机械特性 以满足带动不同生产机械的需要 电枢串电阻时的人为特性理想空载转速n0不变 特性的硬度随外串电阻Rr的增加而减小 特性变软 这种方式由于机械特性较软 负载变化时转速不平稳 另外在相同负载时会增加较大的铜耗 因此并不常用 降低电压时的人为特性理想空载转速n0随电枢电压U成正比 机械特性的硬度不变 是一系列平行的直线 由于电机绝缘的限制电枢电压只能下降不能上升 这种方式由于机械特性较硬 负载变化时转速变化不大 性能较好 另外不会增加额外的损耗 目前有较方便的手段来调节直流电压 因此这种方法是直流电动机中最常用到的 减弱磁通时的人为特性 理想空载转速n0随磁通减弱而增加 机械特性变软 由于磁路饱和特征 磁场不可能再增强 而只能减弱 尽管这种方式由于机械特性较软 负载变化时转速波动也较大 性能不好 但它能获得额定转速以上的运行速度 因此常和降压人为特性一起配合使用 也是比较常用的 机械特性的求取 他励直流电动机的固有特性和人为特性都是直线 只要找出特性上的任意两点 就可以画出特性曲线 固有特性曲线求取 一般选择理想空载点 n n0 T 0 和额定工作点 n nN T TN UN IN nN都可以从铭牌上获取 Ra可通过实验直接测取 也可以用经验公式估算 电机的效率达最高值 此时铜耗约占整个损耗的1 2 2 3 2 3他励直流电动机的起动 起动时的要求较快的起动 足够的起动转矩 平稳的起动 较小的电网冲击和较小机械冲击 经济的起动 设备简单 经济 可靠启动时的问题启动时转速n 0 没有反电势Ea 起动电流较大 一般情况下能达到其额定电流的 10 20 倍 造成很大的电冲击和机械冲击 不允许直流电动机直接起动 即在启动时必须设法限制电枢电流 例如普通的Z型直流电动机 规定电枢的起动瞬时电流不得大于额定电流的1 5 2倍 2 3 1电枢回路串电阻起动 限制直流电动机的起动电流 一般有降压起动和电枢回路串电阻起动两种方式 起动过程先合上接触器KMf 保证励磁先接通 合上接触器KMa 电动机开始起动 随着转速上升 依次合上KM1 KM2 KM3 逐次切除起动电阻Rst1 Rst2和Rst3 使电动机达到稳定转速 为了限制起动电流在一定的范围 必须保证起动过程中每次冲击电流都不超过电动机容许的最大电流Istmax 一般为 1 8 2 5 IN 为了使起动过程平稳和有较快的起动速度 必须保证起动过程中的最小电流Istmin 一般为 1 1 1 2 IN 起动电阻的计算 可得 进而有 则 综上所述 起动电阻计算方法归纳如下 选择Istmax 1 8 2 5 IN计算总电阻R1 UN Istmax计算起动电流切换比 计算各级总电阻和分段电阻 虽然启动级数愈多 愈与平均转矩接近 启动过程快而平稳 但所需的控制设备也就愈多 我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的 一般启动电阻为 3 4 段 2 3 2降压起动 当直流电源可调时 可以采用降压方法起动 起动时 电枢电压从零开始逐渐升高 电动机在限流情况下转速升高直至起动过程结束 降压的起动方式常常应用在调压调速系统中 2 4他励直流电动机的调速 调速 就是指用人为的方法改变电动机串联电枢电路中的电阻 电枢电压以及主磁通 得到不同的转速 有三种方法进行调速 由于负载变动引起的转速变化不是调速 而应该看成是一种扰动 与速度变化是两个完全不同的概念 2 4 1调速指标 调速范围与静差率 调速范围 电动机额定负载调速时 最大转速与最低转速之比 其中 最高转速受电动机的换向及机械强度限制 最低转速受生产机械对转速相对稳定性要求 即静差率要求 的限制 静差率 电动机在某一机械特性上运行时 电动机由理想空载到满载时 转速差与理想空载转速的比值 静差率越小 转速的相对稳定性越好 负载波动时 转速变化越小 调速范围与静差率的关系 分子分母同时乘以 采用同一种方法调速时 较大 静差率要求较低 时 可以得到较大的调速范围 静差率 一定时 降低电源电压调速比电枢串电阻调速的调速范围大 调速的平滑性相邻两级转速之比称为平滑性 当 1时 称为无级调速 即转速可以连续调节 调速的经济性初投资运行时的费用 2 4 3调速方法 电枢串电阻调速基速以下调速 调速范围有限 有级调速 能耗大 设备简单 应用范围有限 降低电压调速基速以下调速 调速的平滑性好 稳定性好 调速范围宽 损耗较小 可以同时采用降压起动 需要一套专门的调压电源 设备费用高 调压调速系统多用于调速性能要求较高的生产机械目前常用的调压调速系统主要是可控硅调速系统 弱磁调速基速以上调速 但要注意防止失磁飞车 平滑调速 损耗小 调速范围小 与降压调速配合使用 2 4 3调速方式与负载类型的配合 配合的基本原则实现对电动机的充分利用 电机的发热在许可范围内 即电动机的电枢电流Ia保持为额定电流IN 电动机的最大允许输出与负载的实际需要相一致 串电阻和降压调速磁通保持为 N 如果在不同转速下使Ia IN不变 电动机的容量就得到了充分利用 此时电动机输出的转矩T2 CT NIN是个常数 这种调速称为恒转矩调速方式 弱磁调速磁通 是变化的 欲充分使用电动机 要求保持Ia IN不变 电动机输出的转矩和功率分别为可知 弱磁调速过程中 电动机容许输出的转矩与转速成反比 而容许输出的功率为一常数 故弱磁调速称为恒功率调速方式 恒转矩调速方式电机允许输出的最大转矩不变 与恒转矩负载配合使用 恒功率调速方式电机允许输出的最大功率不变 与恒功率负载配合使用 表2 2他励直流电动机三种调速方法的一些调速性能比较 2 5他励直流电动机的制动 在电力拖动系统中 为了满足生产上的技术经济和安全要求 往往需要使电机尽快停转或由高速转为低速 为此需对电机进行制动 此外对位能负载 利用制动还可以获得稳定的下降速度 因此制动是电机一个很重要的运行状态 制动可以采用机械制动 也可以采用电气制动 我们这里只讨论电气制动电气制动 能耗制动 反接制动 回馈制动 2 5 1能耗制动 制动方法电机先处于电动工作状态制动时保持励磁电流不变 将电枢两端从电网断开 并接到一个电阻上 M U E 由于磁通与转速都未变 因此电枢电势E也未变 因U 0 Ea将在电枢回路产生电流的方向与电动时电流方向相反 电磁转矩反向 变为与转速反向 成为制动转矩 M U M 电动运行 能耗制动 机械特性能耗制动时 电枢电压U 0 电枢回路总电阻为Ra RB 所以它的机械特性方程式为 B C 如果负载是反抗性负载 当转速为零时 负载转矩为零 电机电磁转矩也为零 所以电机停转 能耗制动时 如果电机拖动的是位能性负载 当转速制动到零时 在位能负载的作用下 电机将反向加速 B C 能耗制动的特点能耗制动的线路比较简单 比较安全 经济 制动过程中 电动机脱离电源 不吸收电功率