第2章直流电机的工作原理及拖动

第2章直流电机工作原理及拖动范国伟安徽工业大学直流电动机直流电动机具有良好的起动、制动和调速性能；能够快速地进行起、制动，正、反转；能在十分宽广的范围内平滑而经济地调节速度。因此，在一些要求较高的电力拖动系统中，得到了广泛的应用。例如，在一些机床、轧钢机、电气牵引机车、汽车和起重机设备中，都采用了直流电动机拖动。目前，虽然交流变频调速正在发展，在一些领域中已经取代了直流拖动系统，但直流电动机的应用仍占有一定的比例。

2.1直流电机的基本结构直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电动机的应用:（1）轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。（2）用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。2.1.1.直流电动机的构造直流电机由定子和转子（又称为电枢）两大部分组成，直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向级、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，所以通常又称为电枢，由转轴、电枢铁芯、电枢绕组、换向器和散热风扇等组成。直流电机装配结构图1－换向器2－电刷装置3－机座4－主磁极5－换向极6－端盖7－风扇8－电枢绕组9－电枢铁心2.1.2．直流电机的分类直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机四种。

2.1.3．直流电机的额定值直流电机的额定值主要有下列几项：(1)额定功率PN额定功率是指电机按照规定工作方式运行时所能提供的输出功率。对于电动机来说，额定功率是指转轴上输出的机械功率；对于发电机来说，额定功率是指电刷端输出的电功率。单位为kW(千瓦)。(2)额定电压UN额定电压是电机电枢绕组能够安全工作的最大外加电压或输出电压，单位为V（伏）。(3)额定电流IN额定电流是电机按照规定的工作方式运行时，电枢绕组允许流过的最大电流，单位为A（安培）。(4)额定转速nN额定转速是指电机在额定电压、额定电流和输出额定功率的情况下运行时，电机的旋转速度，单位为r/min（转/分）2.2直流电动机的工作原理直流电动机是从电枢端输入直流电流，将电能转换成机械能从转轴上输出。从电枢端输入直流电流，借助于换向器和电枢的作用，使直流电动机电枢绕组流过方向交换变化的电流，载流导体在磁场中将受电磁力的作用，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向连续旋转。直流发电机的工作原理同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A、B之间接上负载，发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。电机的可逆原理一台直流电机原则上可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界输入能量的不同条件。将直流电流施加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，成为电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电枢绕组便能切割磁场的磁磁感应线产生感应电动势，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷端引出直流电动势，作发电机运行。2.3直流电机的感应电势和电磁转矩为何称直流电机的转子为电枢呢？因为直流电机的转子是机电能量转换的枢纽。直流电动机输入电能到转子绕组，转换成机械能从转轴输出带动生产机械；若是直流发电机即是输入机械能转动转子绕组，切割定子磁场的磁感应线产生感应电动势输出电能。2.3.1直流电动机的感应电动势当电枢通电以后，电动机在电磁转矩作用下逆时针转动。当电枢旋转时，电枢上的导体就要切割磁力线。根据电磁感应理论，导体内要产生感应电动势。但是由于电动机内各绕组导体分布在气隙磁场的不同位置，因此各个导体的感应电动势是不同的。为了方便说明，应先求出气隙磁场中的平均磁感应强度，然后再求出每根导体中的平均感应电动势，进而求得电枢电动势Ea。Ea=Ce

nCe=Np/60a2.3.2直流电动机的电磁转矩直流电动机电枢绕组中的电流（电枢电流Ia）与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为：T=CTIaCT=Np/2πa电动机的电磁转矩T为驱动转矩，它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡。2.6他励直流电动机的机械特性所谓直流电动机的机械特性就是电机的转速n随着负载转矩T的变化情况，研究电机转速变化能够有助于更好地控制电机按照生产工艺的要求拖动生产机械，高效率、低损耗地运行。2.6.1.他励直流电动机机械特性方程直流电动机的机械特性方程是由感应电动势方程、电磁转矩方程和电压平衡方程推导出来的，即：式中：n——直流电动机的转速；Ua——直流电动机电枢端施加的直流电压；Ra——直流电动机电枢内的等值电阻；n0——直流电动机的理想空载转速；△n——直流电动机的转速降；β——转速变化的斜率。2.6.2.他励直流电动机自然机械特性若直流电动机满足以下条件情况时的机械特性称为自然特性或者固有特性。即满足：①电枢绕组施加的电压为额定的；即Ua＝UN②定子主极磁通为额定的；即Φ＝ΦN（对于他励电机励磁电流是额定）③电枢回路不外串电阻。2.6.3.他励直流电动机人为机械特性若改变上述条件之一带来的机械特性称为人为的机械特性。因此分别改变上面三个条件就得到三种人为的机械特性，下面我们来看看这些人为机械特性的具体情况。1、直流电动机降压人为机械特性改变电枢电压时，为了不使电机发热，一般只能从额定电压UN往下降。降低电枢电压时只有n0下降，而直线的斜率β不变，因此降压人为特性是一组平行线。

2、直流电动机串电阻人为机械特性在直流电动机电枢回路外串电阻后，从直流电动机机械特性方程中可以看出：理想的空载转速n0不变，只有斜率β发生变化，大小随着所串电阻RΩ的阻值大小变化。因此串电阻人为特性是一组射线。3、直流电动机弱磁人为机械特性改变直流电动机定子主极的磁通也只能从额定磁通往下降低（因为电机的额定磁通通常都设定近饱和区域），所以称为弱磁人为机械特性。同样，降低磁通后从直流电动机机械特性方程中可以看出：理想的空载转速n0和斜率β都变大2.7直流电动机的起动把带有负载的电动机从静止起动到某一稳定速度的过程为起动过程。电动机起动时，必须先保证有磁场(即先通励磁电流)，而后加电枢电压。2.7.1.直流电动机的直接起动直流电动机直接起动时的起动电流很大，达到额定电流的10～20倍，因此必须限制起动电流。这种情况下电动机的换向情况恶化，在换向器表面产生过大的火花，严重时甚至产生“环火”。过大的电流冲击和转矩冲击，对电网及拖动系统是有害的。因此在起动时，必须设法限制电枢电流。为了限制起动电流，一般采取两种方法：串电阻起动和降低电枢电压起动。2.7.2直流电动机的串电阻起动一种方法是在电枢电路内串入适当的外加电阻，来限制起动瞬时的过大的起动电流，待电动机转速逐渐升高，反电动势增大，电枢电流相对减小后再逐级切除外加电阻，直到电动机达到要求的转速。这种电阻专为限制起动电流用，又称为起动电阻。要满足以上电枢回路串接电阻分级起动的要求，需要选择合适的各级起动电阻。原则上根据他励直流电动机的机械特性方程可以分段计算。2.7.3直流电动机降低电枢电压起动另一种方法是降低电枢电压的降压起动。这种起动方法的基本思想是：在起动瞬间反电动势很小，使外加电源电压很低，这样可防止产生过大的起动电流。待电动机转速升高后，反电动势增大，电流降低，这时再逐渐增加电枢两端的外加电压，直到电动机达到要求的转速。若采用手工调节电压Ua，电枢电压不能升得太快，否则电流还会发生较大的冲击。为了保证限制电枢电流，手工调节必须小心地进行。在自动化的系统中，电压的调节及电流的限制靠一些环节自动实现，较为方便。这种方法适用于电动机的直流电源是可调的。2.8直流电动机的制动生产机械的制动有机械制动和电气制动。机械制动是利用摩擦产生阻力矩，需要换易损件；而电气制动是没有这种情况，也容易实现自动化控制。直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动3种。2.8.1.直流电动机的能耗制动直流他励电动机原来处于正向电动状态下运行，若突然将电枢电源断掉，转而加到制动电阻RK上，由于机械惯性而转速n不变，从而电动势Ea亦不变。在电枢回路中靠Ea产生电枢电流Ia，其方向与电动状态时相反，那么电动机转矩T亦与电动时的转矩方向相反，也与转速n方向相反，即T起制动作用，使系统减速，系统的动能转变为电能消耗与电枢回路的电阻上，即处于能耗制动状态。能耗制动过程中电动机与电网隔开，所以不需要从电网输入电功率，而拖动系统产生的制动转矩的电功率完全由拖动系统动能转换而来，即完全消耗系统本身的动能，能耗制动的名称就是由此而来。2.8.2直流电动机的反接制动对位能负载而言，反接制动有两种情况：一是转速反向的反接制动，另一是电压反接的反接制动。1、转速反向的反接制动当直流电动机原拖动位能负载转矩TL正向电动运行在A点时，突然在电枢回路中串入电阻RK，此时电动机由于系统动能保持nA的转速不变，从A点平移到B点，顺着串电阻人为特性下降转速，直至被位能负载转矩TL拖向反转，至C点后稳定运行在-nC转速。转速反向的反接制动又称为倒拉式反接制动。制动时从电网输入的电功率和位能负载的机械功率都转换成电磁功率，两者均消耗在电枢回路的电阻上。由此可见，转速反向的反接制动能耗很大。转速反向的反接制动通常应用在起重机低速地下放重物。2、电枢电压反接的反接制动电枢电压反接的反接制动是在停车时将电枢绕组接线端从电源上断开后立即与一个相反极性的电源相接，电动机的电磁转矩立即变为制动转矩，使电动机迅速减速至停转。电枢电压反接的反接制动在制动过程中要消耗较大的能量，从技术的观点看，制动效果较好，在整个制动过程中制动转矩都很大，制动时间比较短。若制动到转速n＝0时立即切断电源，使得电动机迅速停车。2.8.3.直流电动机的发电回馈制动在上述电枢电压反接的反接制动到转速n＝0时，如果不切断电源，直流电动机就会进入反向起动。转速升到同步转速-n0时，继续被位能负载拖向大于n0的转速，直至与负载转矩的交点C，才稳定运行在-nC。在-n0与C点区域直流电动机的转速n与转矩T反向，此时发生的制动称为发电反馈制动，又称为回馈制动。发电反馈制动是在电动机转速超过理想空载转速时，电枢绕组内的感应电动势将高于外加电压，使电机变为发电状态运行，电枢电流改变方向，电磁转矩成为制动转矩，限制电机转速过分升高。发电回馈制动通常应用在起重装置高速地下放重物。2.9直流电动机的速度调节为了使产生机械以最合理的高速进行工作，从而提高生产率和保证产品具有较高的质量，大量的生产机械(如各种机床，轧钢机、造纸机、纺织机械等)要求在不同的情况下以不同的速度工作。这就需求采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。2.9.1.调速的指标在选择和评价某种调速系统时，应考虑下列指标：调速范围、调速的稳定性及静差度、调速的平滑性、调速的负载能力、经济性等。2.9.2.直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法有以下3种：改变磁通Φ调速、改变电枢电压U调速和电枢串联电阻调速1、电枢回路串接电阻调速由直流电动机人为机械特性的可知，电枢回路串接电阻，不能改变理想空载转速n0，只能改变机械特性的硬度。所串的附加电阻愈大，特性愈软，在一定负载转矩TL下，转速n也就愈低。电枢回路串接电阻调速的优点是：方法较简单。但由于调速是有级的，调速的平滑性很差。一般只用少数的调速级数。再加上电能损耗较大，所以这种调速方法近来在较大容量的电动机上很少使采用，只是在调速平滑性要求不高，低速工作时间不长，采用其他调速方法又不值得的地方采用这种调速方法。

2、改变电源电压调速采用降低电枢电压