项目二 直流电机类型及其控制技术

项目二直流电机类型及其控制技术,第一节直流电机的类型直流电动机按结构及工作原理可划分：无刷直流电动机和有刷直流电动机。有刷直流电动机可划分：永磁直流电动机和电磁直流电动机。永磁直流电动机划分：稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。直流电机一般是根据励磁方式进行分类：串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。按照直流电动机的磁场与电枢绕组的联结关系不同，电动机的励磁方式可分为他励、串励、并励和复励四种。,根据不同励磁方式，直流电动机稳定运行时的基本方程,(l)电压方程他励电动机I=lf,E=U-I*R并励电动机I=l-lf,E=U-I*R串励电动机I=l=lf，E=U-I*(R+Rf)(2)转矩方程驱动转矩Te必须与机械负载转矩TL乃及空载损耗转矩Tf相平衡，平衡方程式为Te=TL+Tf。(3)电磁功率负载运行时，电磁绕组的感应电动势与电枢电流的乘积，称为电磁功率，用Pe表示：Pe=E*I根据能量守恒定律，对于电动机，电磁功率应等于输出的机械功率，即Pe=E*I=T2*2兀n/60=T,(4)串励电动机工作特性和机械特性机械特性是指在额定电压和电磁绕组不变情况下，转矩与转速之间的关系。由转矩公式可知：（1）产生转矩的条件，必须有励磁磁通和电枢电流，而且与两者的乘积成正比（2）磁通不变时，转矩与电流成正比，只要控制了电枢电流，就可以控制转矩的大小；（3）改变电机旋转的方向可以通过改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向来实现。1)他励电动机他励电机的励磁方式是励磁绕组与电枢绕组分开，外加两个直流电源进行励磁。2)并励电机并励电机的励磁方式，是采用励磁绕组与电枢绕组共用同一直流电源，并且励磁绕组与电枢绕组呈并联关系。3)串励电机串励电机励磁方式是将励磁绕组与电枢绕组串联到同一共用电源上，励磁电流即电枢电流。串励电机的转速随负载的大小变化较大，转矩几乎与电枢电流的平方成正比。4)复励电机复励电机有两个励磁绕组，其中一组为与电枢并联的并励绕组，另外一组为与电枢串联的串励绕组。,第二节直流电机的构造及工作原理,1）直流电机的基本构造。直流电机主要由转子、定子、端盖和电刷架四部分组成。(1）定子定子主要由主磁极、换向磁极、电刷和机座等部分组成。定子的功能是用来产生磁通和进行机械固定。(2）转子转子主要由电枢铁芯、电枢绕组及换向器等部分组成。端盖上装有轴承以支撑电机转子旋转，端盖固定在机座两端。（3）换向器：换向器是由许多换向片组成的整体，装在转子的一端，与换向片间相互绝缘，转动的换向器与固定的电刷滑动接触，使转动的电枢绕组与静止的外电路相连接。（4）电枢绕组：转子绕组是按规律地绕在转子铁芯槽内，与换向器连接，形成闭合回路。其作用是运动中切割磁力线。,2）直流电机工作原理,工作原理：直流电机里边固定有环状永磁体，电流通过转子上的线圈产生安培力，当转子上的线圈与磁场平行时，再继续转动受到的磁场方向将改变，因此此时转子末端的电刷跟转换片交替接触，从而线圈上的电流方向也改变，产生的洛伦兹力方向不变，所以电机能保持一个方向转动。通电线圈在磁场中要受到磁场力的作用。假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源的负极相连，电流经AdcbaB形成回路。根据左手定则，线圈ab受力向右，线圈cd受力向左。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针旋转。当电枢转过90时，此时通电线圈虽然受到电磁力的作用，但转矩为零。由于电枢机械惯性的作用，电枢也能转动一定的角度，这时线圈中电流的方向也发生了改变。当电枢转过180时，这时电流经过AabcdB形成回路，线圈内电流的方向发生了改变，根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力向右，仍然形成一个逆时针转动的转矩，电枢按同一方向继续旋转，这样电动机就可以连续旋转。,第三节直流电机的性能特性及特点,1)直流电动机的机械特性(1）并励电动机机械特性及应用并励电动机具有硬的机械特性，即转速随负载变化较小，负载增大时，转速下降不多；具有恒转速特性；可以空载或轻载运行；主磁通很小时可以造成飞车，并且主磁极绕组不允许开路。与他励电动机性能相近，并励电动机适用于负载变化时要求转速比较稳定的场合。(2）串励电动机机械特性串励电动机具有软的机械特性，负载较小时，转速较高，负载增大时，转速迅速下降；具有恒功率特性；空载或轻载时转速很高，会造成换向困难或离心力过大而使电枢绕组损坏，不允许空载起动及皮带传动。串励电动机适用于恒功率负载和速度变化大的负载。而复励电动机性能介于串励与并励之间。,2)直流电动机的工作特性,在电源电压U为额定电压和励磁电路的电阻Rf为常数的条件下，改变负载后，n，T,分别随P2变化的关系称之为工作特性。其曲线如图2-13所示。其中还包括转速特性、转矩特性和效率特性等。,3.直流电机的驱动特性,电动汽车直流电机驱动系统中的直流电机通常采用串励电机和他励电机。电动汽车驱动电机在很多情况下使用的驱动特性。4.直流电机的特点(1)电枢轴要延长，以便安装用于速度检测的脉冲发生器和推力轴接头。(2)转子直径要设计得小些，轴长要设计得长些以适应高速旋转。(3)为了便于散热，电枢槽要设计得多些。(4)为了换向器片、电刷等的定期检查和维护，检查窥视窗口应制造得大些。(5)由于振动，为了防止电刷的误动作，应提高电刷的预压紧力。(6)和其他电动汽车用电机相同，最大功率值和额定功率记录在铭牌上。,第四节直流电机的控制技术,1）直流电机的调速控制直流电机的物理模型如图2-15所示。直流电机运行过程中符合以下公式。直流电机电磁转矩：Te=KmIa(2-1)式中Te电机的电磁转矩，(Nm)；励磁磁通(Wb)；Ia电枢电流(A)；Km由电机结构参数决定的转矩常数。,常用的可控直流电源有以下三种,（1)旋转变流机组用交流电机和直流发电机组成机组，以获得可调的直流电压。由交流电机（原动机）拖动直流发电机G来实现变流，由G给需要调速的直流电机M供电，调节发电机的励磁电流if的大小，就能够方便地改变其输出电压V，从而调节电机的转速。（2)静止可控整流器用静止的可控整流器，如晶闸管整流装置产生可调的直流电压和旋转变流机组装置相比，晶闸管整流装置不仅在经济性和可靠性上有很大提高，而且在技术性能上也显示出很大的优越性（3)直流斩波器或脉宽调制变换器用恒定直流电源或不控整流电源供电，利用直流斩波器或脉宽调制的方法产生可调的直流平均电压。直流斩波器亦称直流调压器，是利用开关器件来实现通断控制，将直流电源电压断续加到负荷上，通过通、断时间的变化来改变负荷上的直流电压平均值，将固定电压的直流电源变成平均值可调的直流电源。,3）直流电机转速、电流双闭环调速系统,直流电动机的转速、电流双闭环调速系统，如图2-19的所示。当车辆处于加速行驶时，蓄电池提供电能，经DC/DC变换器后输出直流电机运行所需的合适的直流电压；当汽车处于减速行驶时，直流电机将机械能转化为电能，经DC/DC变换器后可向车载蓄电池或超级电容器等储能系统充电，所以DC/DC为功率双向的变换器。,4）直流电机的制动控制,直流电动机的电气制动法主要有以下三种：（1）能耗制动把电枢绕组从电网断开并立即换接到制动电阻上，这时电机作发电机运行，把转子动能转换成电能并消耗在制动电阻和电枢电阻上。因此能耗制动也称为电阻制动。直流电动机的类型不同，制动电路的接