《新能源汽车电机及传动系统拆装与检测》课件-资讯三 直流电机的控制技术

资讯三直流电机的控制技术1.直流电机的机械特性电机带动负载，其作用归根结底就是给工作机构发出一定的转矩T，并使它得到一定的转速n。T和n是生产机械对电机提出的两项最基本要求。在电机内部，电磁转矩T和转速n并非互相孤立的。在一定条件下，它们之间存在一定的关系，这个关系就称为机械特性。他励直流电机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流和电枢总电阻均为恒值的条件下，电机转速n与电磁转矩T的关系曲线n=f(T)。2.直流电机的起动与反转1）起动要求直流电机的转速从零增加到稳定运行速度的整个过程称为起动。要使电机起动过程达到最优的要求，应考虑的问题包括：起动电流IS的大小；起动转矩TS的大小；起动时间的长短；起动过程是否平滑。直流电机在起动最初，起动电流IS一般都较大，因为此时n=0，E=0。若电枢电压为额定电压UN，因Ra很小，则起动电流可达到额定电流的10～20倍。同时，电机要能起动，起动时的电磁转矩应大于它的负载转矩。从公式TS=CTΦNIS来看，当起动电流降低时，起动转矩会下降。要使TS足够大，励磁磁通就要尽量大。资讯三直流电机的控制技术

2）起动的方法（1）电枢回路串电阻起动。图6-12（a）所示为他励电机的起动接线图，图中KM1、KM2、KM3为短接起动电阻R1、R2、R3的接触器，KM为接通电枢电源的接触器。起动时先接通励磁电源，保证满励磁起动；接触器KM接通电枢电路的电源。起动开始瞬间的起动转矩TS1＞TL，否则不能起动。资讯三直流电机的控制技术图6-12电枢回路串电阻起动知识拓展1因起动过程中电枢回路串接电阻不同，它们的机械特性有两个特点：一是理想空载转速n0与固有机械特性的相同，即电枢回路串入的电阻R改变时，n0不变；二是特性斜率β与电枢回路串入的电阻有关，R增大，β也增大。故电枢回路串不同电阻时的机械特性是通过理想空载点的一簇放射形直线。起动过程的机械特性如图6-12（b）所示。资讯三直流电机的控制技术知识拓展1当TS1＞TL时，电机开始起动。工作点由起动点Q沿电枢总电阻为RS1的人为机械特性上升，电枢电动势随之增大，电枢电流和电磁转矩则随之减小。当转速升至n1时，起动电流和起动转矩下降至IS2和TS2（图中A点），为了保持起动过程中电流和转矩有较大的值，以加速起动过程，此时闭合KM1，切除R1。此时的电流IS2称为切换电流。当R1被切除后，电枢回路总电阻变为RS2=Ra+R2+R3。由于机械惯性，转速和电枢电动势不能突变，电枢电阻减小将使电枢电流和电磁转矩增大，电机的机械特性由图中A点平移到B点。起动过程中，起动电阻上有能量耗损。这种起动方法广泛应用于中小型直流电机。资讯三直流电机的控制技术

（2）降压起动。当他励直流电机的电枢回路由专用的可调压直流电源供电时，可以采用降压起动的方法。降低电枢电压时的机械特性特点：一是理想空载转速n0与电枢电压U成正比，即n0∝T，且U为负时，n0也为负；二是特性斜率不变，与固有机械特性相同。故而改变电枢电压的人为机械特性是一组平行于固有机械特性的直线。降压起动的机械特性如图6-13所示。资讯三直流电机的控制技术图6-13降压起动的机械特性知识拓展2在降压起动过程中，起动电流将随电枢电压降低的程度成正比地减小。起动前先调好励磁，然后把电源电压由低向高调节，当最低电压所对应的人为机械特性上的起动转矩TS1＞TL时，电机就开始起动。起动后随着转速上升，可相应提高电压，以获得需要的加速转矩。降压起动过程中能量损耗很少，起动平滑，但需要专用电源设备，多用于要求经常起动的场合和大中型电机的起动。资讯三直流电机的控制技术3）直流电机的反转电力拖动系统工作过程中，经常需要改变电机的转动方向，为此需要电机反方向起动和运行，即需要改变电机产生的电磁转矩的方向。由电磁转矩公式T=CTΦIa可知，要改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢电流方向即可。所以，改变直流电机转向的方法有两个：一是保持电枢绕组两端极性不变，将励磁绕组反接；二是保持励磁绕组极性不变，将电枢绕组反接。资讯三直流电机的控制技术3.直流电机的制动控制电机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称电机处于制动状态。制动的方法有机械的和电磁的。由于电磁制动的制动转矩大，且制动强度比较容易控制，一般的电力拖动系统多采用这种方法，或者与机械制动配合使用。电机的电磁制动分为能耗制动、反接制动和回馈制动三种。资讯三直流电机的控制技术

1）能耗制动如图6-14所示，开关合向1的位置时，电机为电动状态。电枢电流Ia、电磁转矩T、转速n及电动势Ea的方向如图6-14（a）所示。如果将开关从电源断开，迅速合到2的位置，电机被切断电源并接到一个制动电阻RZ上，如图6-14（b）所示。在拖动系统机械惯性作用下，电机继续旋转，转速n的方向来不及改变。由于励磁保持不变，因而电枢仍具有感应电动势Ea，其大小和方向与处于电动状态相同。由于U=0，所以电枢电流Ia=U-EaR=-EaR。这种制动是把储存在系统中的动能变换成电能，并消耗在制动电阻中，故称为能耗制动。资讯三直流电机的控制技术图6-14电机的运行状态

2）反接制动反接制动分两种：电枢反接制动和倒拉反接制动。（1）电枢反接制动。图6-15所示为电枢反接制动的接线图。当电机正转运行时，KM1闭合（KM2断开），电动势Ea和转速n的方向如图所示，这时的电枢电流Ia和电磁转矩T方向用图中虚线箭头表示。当KM2闭合（KM1断开）时，加到电枢绕组两端的电压极性与电机正转时相反。因旋转方向未变，磁场方向未变，感应电动势方向也不变，电枢电流为Ia=（-UN-Ea）/Ra=-（UN+Ea）Ra（6-1）电流为负值，表明其方向与正转时相反。资讯三直流电机的控制技术图6-15电枢反接制动的接线图（2）倒拉反接制动。当电机被外力拖动向着与它接线应有的旋转方向的反方向旋转时，称为倒拉反接制动。以电机提升重物为例，电枢电流Ia、电磁转矩T、转速n的方向如图6-16（a）中的箭头所示。它的接线使电机逆时针方向旋转，此时电机稳定运行于固有机械特性曲线的A点，如图6-17所示。若在电枢回路串入大电阻RZ，使电枢电流大大减小，电机将过渡到对应的串电阻的人为机械特性曲线上的B点。此时电磁转矩小于负载转矩，电机的转速沿人为机械特性曲线下降。随着转速的下降，反电动势减小，电枢电流和电磁转矩又回升。如图6-16（b）所示，反转后感应电动势方向也随之改变，变为与电源电压方向相同。资讯三直流电机的控制技术资讯三直流电机的控制技术图6-17倒拉反接制动机械特性图图6-16倒拉反接制动原理图资讯三直流电机的控制技术图6-18回馈制动的机械特性图3）回馈制动（再生发电制动）当电机在电动状态运行时，由于某种因素，如用电机拖动机车下坡，使电机的转速高于理想空载转速，此时n＞n0,使得Ea＞U，电枢电流为Ia=（U-Ea）/R=-（Ea-U）/R（6-2）可见，电枢中的电流与电动状态时电流相反，因磁通方向未变，则电磁转矩T的方向随着Ia的反向而反向，对电机起到制动作用。回馈制动的机械特性与电动状态完全相同。由于回馈制动时n＞n0，Ia和T均为负值，因而其机械特性曲线是电动状态的机械特性曲线向第二象限的延伸，如图6-18中的曲线1所示。电枢回路串电阻将使机械特性曲线的斜率增大，如图6-18中的曲线3所示。回馈制动不需要改接线路即可从电动状态转化到制动状态，同时电能可回馈给电网，使电能获得应用，较为经济。4.直流电机的调速控制1）调速及其指标负载不变时，人为地改变生产机械的工作速度称为调速。调速可以采用机械的、电气的或机电配合的方法来实现。电气调速是指通过改变电机的参数来改变转速。电气调速可以简化机械结构，提高传动效率，便于实现自动控制。电机调速性能的好坏，常用下列指标来衡量。资讯三直流电机的控制技术（5）调速时电机的容许输出。容许输出是指在电机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的最大功率和转矩。（3）调速的平滑性。在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数（φ）。（4）调速的经济性。经济性是指调速所需设备投资和调速过程中的能量耗损情况。（1）调速范围（D）。调速范围是指电机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比。（2）静差率（δ）。静差率又称相对稳定性，是指负载转矩变换时电机的转速随之变化的程度，用理想空载增加到额定负载时电机的转速降nN与理想空载转速n0之比来衡量。资讯三直流电机的控制技术2）调速方法根据他励直流电机的转速公式n=[U-Ia（Ra+R）]/（CeΦ)（6-3）可知，当电枢电流Ia不变时，只要电枢电压U、电枢回路串入附加电阻R和励磁磁通Φ三个量中任意一个发生变化，都会引起转速变化（Ce为电机常数）。因此，他励直流电机有三种调速方法：电枢串电阻调速、降低电枢电压调速和减弱磁通调速。资讯三直流电机的控制技术资讯三直流电机的控制技术图6-19电枢串电阻调速的机械特性（1）电枢串电阻调速。以他励直流电机拖动恒转矩负载为例，保持电源电压和励磁磁通为额定值不变，在电枢回路串入不同的电阻时，电机将运行于不同的转速。电枢串电阻调速的机械特性如图6-19所示。电枢回路没有串入电阻时，工作点为自然机械特性曲线与负载特性的交点A，转速为nA。在电枢回路串入调速电阻R1的瞬间，因转速和电动势不能突变，电枢电流相应地减少，工作点由A过渡到A′。电枢串电阻调速时，所串电阻越大，稳定运行转速越低，所以，这种方法只能在低于额定转速的范围内调速。电枢串电阻调速设备简单，但串入电阻后机械特性变软，转速稳定性较差，电阻上的功率损耗较大。资讯三直流电机的控制技术图6-20降低电枢电压调速的机械特性（2）降低电枢电压调速（降压调速）。以他励直流电机拖动恒转矩负载为例，保持励磁磁通Φ为额定值不变，电枢回路不串电阻，降低电枢电压U时，电机将运行于较低的转速。降低电枢电压调速的机械特性如图6-20所示。电压由UN开始逐级下降时，工作点的变化情况如图中箭头所示，即A—A′—B……。知识拓展3降低电枢电压调速，需要有单独的可调压的直流电源，加在电枢上的电压不能超过额定电压UN，所以也只能在低于额定转速的范围内调节。降低电枢电压时，电机机械特性的硬度不变，因此运行在低速范围的稳定性较好。电压连续可调时，可进行无级调速，调速平滑性好。与电枢串电阻调速相比，降压调速时电枢回路中没有附加的电阻耗损，电机的效率高。这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。资讯三直流电机的控制技术资讯三直流电机的控制技术图6-21减弱磁通调速的机械特性（3）减弱磁通调速（弱磁调速）。减弱磁通调速的特点是理想空载转速随磁通的减弱而上升，机械特性斜率β则与励磁磁通的平方成反比。随着磁通Φ的减弱β增大，机械特性变软。减弱磁通调速的机械特性如图6-21所示。以他励直流电机拖动恒转矩负载为例，保持电枢电压不变，电枢回路不串电阻，减小电机的励磁电流使励磁磁通Φ降低，可使电机的转速升高。如果忽略磁通变化的电磁过渡过程，那么励磁电流逐级减小时，工作点的变化过程如图6-21中箭头所示，即A—A′—B……。