【《串励电机特性分析概述》2300字】

串励电机特性分析概述1.1结构特点单相串励电动机是单相交流异步电动机，属于交、直流两用电动机，所以又称为交直流两用串励电动机。由于它转速高、体积小、启动转矩大、转速可调，既可以在直流电源上使用，又可以在单相交流电源上使用，因而在电动工具中得到广泛的应用。串励电机主要由定子、转子及支架三部分组成，定子由凸极铁心和励磁绕组组成，转子由隐极铁心、电枢绕组、换向器及转轴等组成。它的定子铁心由硅钢片叠压形成，励磁绕组与电枢绕组之间通过电刷和换向器连接形成串联回路。由于串励电机自身的独特优点，其得到广泛应用。串励电机的优点有以下几个方面：（1）在家庭用小型跑步机中使用方便，串励电动机虽然具有直流电机的结构，但是能在交流电源下工作，调速方便。（2）转速高、体积小、重量轻、不容易堵转、适用电压范围很广。单相交流电机接入交流50Hz电源运行时，转速最高只能达到3000r/min，而交直流两用电机在交流或直流供电下，其转速可高达20000r/min。由于电机的转速越高，电机中铁磁材料的用量就越少，因此电机的体积重量也相应减小。而且串励电机可以用调压的方法来调速，简单且易于实现。（3）磁通随电枢电流，也就是负载而变化，因此负载转矩变化时，电动机转速变化相当大，串励电机具有“软”的机械特性。在同样的电枢电流下，因为转矩与电枢电流的平方成正比，制动电流所产生的转矩很大，是其他单相交流电机的4到6倍，所以串励电动机有较好的起动能力和过载能力[19]。（a）（b）图10单相串励电机的等效模型单相串励电动机的工作原理，是建立在直流串励电动机的基础上的。图10（a）是串励电机的直流等效模型，在磁极上有励磁绕组用来产生磁通。通过右手定则来判断磁通方向，在图10（a）所示的电流情况下，磁通从下往上，即下面是N极，上面是S极。根据主磁通Φ和电枢电流Ia的方向，通过左手定则判定电磁力，可以决定转子旋转方向，在图示情况下，转子将在电磁力的作用下逆时针转动。当电机在交流电源情况下工作时，电源极性变相，电子电流与转子电流将同时改变方向，即主磁通Φ与电枢电流Ia也都同时改变了方向，根据左手定则，转子转向不变，仍为逆时针方向旋转。由此，串励电机接交流电压后，虽然电源极性在反复变化，但转子始终维持一恒定转向，可以作为交流电动机运行。1.2机械特性图11是串励电动机的接线图，励磁电阻与电枢绕组串联，电枢电流Ia即为励磁电流If，电枢电流Ia变化将引起主磁通Φ变化。图11串励电动机接线图（重画）在Ia较小且磁路未饱和时，Φ与Ia成正比，即ϕ=KI式中K为比例常数，此时电磁转矩T由此可得Ia固有机械特性表达式为n=U将式（1）和式（3）代入到式（4）中，可以得到在请在磁路不饱和时串励直流电动机的机械特性为n=C该式表明转速n与Tem图12串励电动机的固有机械特性（重画）当Ia较大且磁路饱和时，Φ基本保持不变，此时机械特性与他励直流电动机的机械特性相似，为较“硬”的直线特性，如图12中的BC段。由机械特性曲线可以看出：（1）串励电机的特性曲线是一条非线性的软特性，随着负载转矩的增大或减小，转速自动减小或增大，保持功率基本不变，所以有很好的牵引性能，广泛应用于机车类负载的牵引。（2）理想空载转速为无穷大，实际上由于有剩磁磁通存在，n0一般可达（5-6）nN，空载运行会出现“飞车”现象，因此串励电动机是不允许空载或轻载运行。（3）由于Tem与Ia的平方成正比，因此串励电动机的启动转矩大，过载能力强。1.3调速原理单相串励电机的转速方程如下：n=[Ucosφ−I(式中：Ce-电动势常数；φ-相电压和相电流的相位差；R1，从式（6）中可以看出，调节单相交流串励电机的速度方法有调压调速、调磁调速和改变激励线圈两端的电阻调速。单相串励电机的调速大多数采用调节电压的方法。1.3.1可控硅调速采用可控硅调速技术，具有线路简单，元件体积小等特点。可控硅调速是用改变可控硅导通角的方法来改变电动机端电压的波形，从而改变电动机端电压的有效值，达到调速的目的。当可控硅导通角α1=180°时，电动机端电压波形为正弦波，即全导通状态；当可控硅导通角α1<180°时，电动机端电压波形如图实线所示，即非全导通状态，有效值减小，如图13所示。α1越小，导通状态越少，则电压有效值越小，所产生的磁场越小，则电机的转速越低。图13可控硅导通角为α1时的电压波形（重画）单片机控制可控硅调压硬件上涉及三个部分：（1）交流电过零检测电路，其输出应为脉冲信号，接入单片机I/O，目的是使单片机知道交流电相位；（2）按键电路，至少两个按键，目的是加减触发控制角，使单片机根据触发控制角定时发出触发信号；（3）触发及可控硅电路。据可控移相整流的方法，有全波整流和半波整流两种，全波整流使用双向可控硅，可以在一个电源周期内，对电机的速度信号进行两次调节，能够提高系统的反应速度，及时对电机速度进行调节使电机的运行更加平稳，调速范围更广。1.3.2PWM调速PWM是脉冲宽度调制，它是按一定规律改变脉冲序列的脉冲宽度，以调节输出量和波形的一种调制方式，在控制系统中最常用的是矩形波PWM信号，在控制时需要调节PWM波的占空比。如图14所示，占空比是指高电平持续时间在一个周期内的百分比。控制电机转速时，占空比越大，速度越快，如果全为高电平，占空比为100%时，速度达到最快。图14PWM信号占空比（重画）PWM是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是