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他励式直流电动机

  他励式直流电动机_物理_自然科学_专业资料。8.1 概述 与异步电动机相比,直流电动机的结构复杂,使 用和维护不如异步机方便,而且要使用直流电源。 直流电机的优点: (1)调速性能好:调速范围广,易于平滑调节。 (2)起动、制动转矩大,易于快速

  8.1 概述 与异步电动机相比,直流电动机的结构复杂,使 用和维护不如异步机方便,而且要使用直流电源。 直流电机的优点: (1)调速性能好:调速范围广,易于平滑调节。 (2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。 (3)易于控制。 应用: (1)轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速 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。 8.2 工作原理 8.2.1 工作原理 电刷 + U N I I – S 换向片 直流电源 电刷 线圈 换向器 电流方向:上半边向里,下半边向外。如图所示。 电刷 + U F N I F I – S 换向片 注意:换向片和电源固定联接,线圈无论怎样转 动,总是上半边的电流向里,下半边的电流向外。 电刷压在换向片上。 由左手定则,通电线圈在磁场的作用下, 使线圈逆时针旋转。 电刷 FE + N IE U F I – S 换向片 由右手定则,线圈在磁场中旋转,将在线圈中 产生感应电动势,感应电动势的方向与电流的 方向相反。 8.2.2 直流电机的构成 直流电机由定子、转子和机座等部分构成。 励磁 绕组 机座 磁极 转子 励磁式直流电动机结构 1. 转子(又称电枢) 由铁芯、绕组(线. 定子 定子的分类: 永磁式:由永久磁铁做成。 励磁式:磁极上绕线圈,然后在线圈中 通过直流电,形成电磁铁。 励磁的定义:磁极上的线圈通以直流电 产生磁通,称为励磁。 根据励磁线圈和转子绕组的联接关系,励磁式的 直流电机又可细分为: 他励电动机:励磁线圈与转子电枢的电源分开。 并励电动机:励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。 串励电动机:励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。 复励电动机:励磁线圈与转子电枢的联接有串有并,接在 同一电源上。 If Ia If Uf M U U MU MU M 他励 并励 串励 复励 8.3 电枢电动势及电压平衡关系 8.3.1 电枢中的感应电动势 电枢通入电流后,产生电磁转矩,使电机在磁场中转 动起来。通电线圈在磁场中转动,又会在线圈中产生 感应电动势(用E表示)。 电刷 FE + N IE U F I – S 换向片 电刷 FE + N IE U F I – S 换向片 根据右手定则知,E和原通入的电流方向相反, 其大小为: E ? K Φn E KE:与电机结构有关的常数 n:电动机转速 ? :磁通 单位: ? (韦伯),n(转/每分),E(伏) 8.3.2 电枢绕组中电压的平衡关系: 因为E与通入的电流方向相反,所以叫反电势。 U ? E ? Ia Ra U:外加电压 Ra:绕组电阻 + Ra + Ia U ME – – 以上两公式反映的概念: (1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比,若想 改变E,只能改变? 或 n。 (2)若忽略绕组中的电阻Ra,则 U ? E ? K Φn, E 可见,当外加电压一定时,电机转速和磁通成反 比,通过改变? 可调速。 8.4 电磁转矩 8.4.1 电磁转矩 T ? KTΦI a KT:与线圈的结构有关的常数 (与线圈大小,磁极的对数等有关) ? :线圈所处位置的磁通 Ia:电枢绕组中的电流 单位: ? (韦伯),Ia(安培),T(牛顿?米) 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。 (2)改变电机旋转的方向:改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。 8.4.2 转矩平衡关系 电磁转矩T为驱动转矩,在电机运行时,必须和外 加负载和空载损耗的阻转矩相平衡,即 T ? TL ? T0 TL: 负载转矩 T0 :空载转矩 转矩平衡过程:当负载转矩(TL)发生变化时, 通过电机转速、电动势、电枢电流的变化,电磁 转矩自动调整,以实现新的平衡。 例:设外加电枢电压 U 一定,T=TL(平衡),这时, 若TL突然增加,则调整过程为: TL ? n? E? T? Ia ? 最后达到新的平衡点。 与原平衡点相比,新的平衡点:Ia ?、 P入? 8.5 机械特性 机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系, 下边以他励和串励电机为例说明。 8.5.1 他励电动机的机械特性 他励电动机和并励电动机的特性一样。 U ? E ? Ia Ra E ? K Φn E T ? KTΦI a n ? U K Φ E ? Ra KT K Φ E 2 T 即:n ? n0 ? ?n 其中 n0 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ2 E T n ? n0 ? ?n 其中 n0 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ2 E T n0: 理想空载转速,即T=0时的转速。(实际工作 时,由于有空载损耗,电机的T不会为0。) n 根据 n-T 公式 画出特性曲线 ?n TN T 当 T?时n? ,但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小, 所以在负载变化时, 转速 n 的变化不大,属硬机械 特性。 8.5.2 串励电动机的机械特性 串励的特点:励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。 设磁通和电流成正比,即 ? =K? Ia ,则 E ? K Φn E ? KE KΦ I a n T ? KTΦI a ? KT KΦI a 2 n U ? E ? Ia Ra n ? KT U ? Ra T K E KΦT K E KΦ 据此公式做出 T-n 曲线时,在理想情况下,n??。但实际上负 载转矩不会为 0,不会工作在 T=0 的状态, 但空载时 T 很小,n 很高的串励不允许空载 运行,以防转速过高。 (2) 随转矩的增大,n 下降得很快,这种特性属 软机械特性。 直流电动机特性类型的选择: (1) 恒转矩的生产机械(TL一定,和转速无关)要 选硬特性的电动机,如: 金属加工、起重机 械等。 (2) 通风机械负载,机械负载 TL 和转速 n 的平 方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机 拖动。 (3) 恒功率负载(P 一定时,T 和 n 成反比), 要选软特性电机拖动。如:电气机车等。 8.6 直流电动机的调速 与异步电动机相比,直流电动机结构复杂,价 格高,维护不方便,但它的最大优点是调速性能好。 直流电动机调速的主要优点是: (1)调速均匀平滑,可以无级调速。(注:异步 机改变极对数调速的方法叫有级调速)。 (2)调速范围大,调速比可达200 以上(调速比 等于最大转速和最小转速之比),因此机械 变速所用的齿轮箱可大大简化。 下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。 8.6.1 改变磁通(调磁) 一. 原理 n ? n0 ? ?n 其中 n0 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ E 2 T 由该式可知,n 和 ? 有关,在 U 一定的情 况下,改变 ? 可改变 n 。在励磁回路中串 上电阻Rf,改变Rf大小调节励磁电流,从而 改变? 的大小。 n ? n0 ? ?n 其中 n0 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ E 2 T If的调节有两种情况: ? Rf?? If?? ? ?? n? ,但在额定情况下, ? 已接 近饱和,If 再加大,对? 影响不大,所以这种增加 磁通的办法一般不用。 ? Rf?? If?? ? ? ? n? ,减弱磁通是常用的调速方 法。 概念:改变磁通调速的方法— 减小磁通,n只能上调。 二. 特性的变化 n ? n0 ? ?n 其中 n0 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ E 2 T n nn0n00 ( Rf ? 增减 加小 ) TL T 因为: n0 ? 1 Φ 1 , ?n ? Φ 2 所以:磁通减小以后特性上移,而且斜率增加。 n ? n0 ? ?n 其中 n0 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ E 2 T 调速过程: U一定,则 Rf ? ?? E? Ia? Ia ? E? n? 最后达到新的平衡 T? 暂时 T TL 三. 减小? 调速的特点: (1)调速平滑,可做到无级调速,但只能向上调, 受机械本身强度所限,n不能太高。 (2)调的是励磁电流(该电流比电枢电流小得多), 调节控制方便。 使用调磁来调速的方法时,应注意: (1)若调速后 Ia保持不变,则高速运转时负载转矩 必须减小。 (2)这种调速方法只适用于恒功率调速。 8.6.2 改变电枢电压调速 一. 特性曲线 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ E 2 T 由转速特性方程知: 调电枢电压U,n0 变化,斜率不变, 所以调速特性是一 组平行曲线 电 压 降 低 T 二. 改变电枢电压调速的特点 (1)工作时电枢电压一定,电压调节时,不允许超 过UN,,而 n? U,所以调速只能向下调。 (2)可得到平滑、无级调速。 (3)调速幅度较大。 说明:改变电压的调速方法必须有连续可调的大功 率直流电源,这种调速方法适用G - M(发电机-电 动机)系统。G-M 系统通过改变直流发电机的励磁 电流来改变发电机的输出电压,发电机的输出电压 再去控制电动机的电枢电压。这种方法投资大,目 前广泛使用的方法是可控硅整流电路调节电枢电压。 例:已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5? , nN=1500r/min。 求: (1)TL=0.5TN 时, n=? (2)? =0.8 ? N 时, n=? 解:(1) TL=0.5TN 时 E ? K Φn E K Φ E ? E n ?U ? Ia Ra nN ? 220 ? 0.5?12.4 1500 ? 0.143 TN ? 9550 PN nN ? 9550 2.2 1500 ? 14 Nm TN ? KTΦI a KTΦ ? TN Ia ? 14 12.4 ? 1.13 n ? U K Φ E ? Ra KE KTΦ 2 T 2 ? 220 0.143 ? 0.5 ?14 0.143?1.13 2 ? 1538.46 ? 21.66 ? 1516.8(r / min) (2)? =0.8 ? N 时 n ? 220 0.8? 0.143 ? 0.143 0.5 ?1.13 ? 0.82 ?14 ? 1923 ? 33.84 ? 1889 (r / min) 8.6.3 改变转子电阻调速 n ? n0 ? ?n 其中 n0 ? U K Φ E ,?n ? KT Ra K Φ E 2 T 在电枢中串入电阻, 使? n ?、 n0不变,即 电机的特性曲线 (斜率变大),在相 同力矩下,n? Ra Ra + R T 这种调速方法耗能较大,只用于小型直流机。 串励电机也可用类似的方法调速。 8.7 直流电动机的使用和额定值 8.7.1 使用 一. 启动 启动时,n= 0 ? Ea=0,若加入额定电压,则 I ast ? UN Ra ?? IaN Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换 向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。 限制Iast的措施: (1)启动时在电枢回路串电阻。 (2)启动时降低电枢电压。 注意: 直流机在启动和工作时,励磁电路一定要接通, 不能让它断开,而且启动时要满励磁。否则,磁 路中只有很少的剩磁,可能产生以下事故: (1)若电动机原本静止,由于励磁转矩 T = KT? Ia, 而 ? ? 0 ,电机将不能启动,因此,反电动势 为零,电枢电流会很大,电枢绕组有被烧毁 的危险。 (2)如果电动机在有载运行时磁路突然断开, 则 E ? ? ,Ia ? ? ,T 和 ? ? ?,可能不满 足TL的要求,电动机必将减速或停转,使 Ia更大,也很危险。 (3)如果电机空载运行,可能造成飞车。 ? ? ? E ? ?Ia? ?T ? T0 ? n?飞车 二. 反转 电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。 改变直流电机转向的方法: (1)改变励磁电流的方向。 (2)或改变电枢电流的方向。 注意:改变转动方向时,励磁电流和电枢电流两 者的方向不能同时变。 例:串励的单相手电钻,利用励磁电流和电枢 电流两者的方向同时改变时而转向不变的 原理,采用特别的串励电动机,使手电钻 用单相交流电源或直流电源供电均可。 三. 制动 制动的所采用的方法: 反接制动、能耗制动、发电回馈制动 (1)反接制动 +U – 运行 电阻 R 的作用 是限制电源反 R If 接制动时电枢 的电流过大。 M Uf 制动 (2)能耗制动 — 电枢断电后立即接入一个电阻。 –U+ 停车时,电枢从 If Uf K M 运行 制动 电源断开,接到电 阻上,这时:由 于惯性电枢仍保 持原方向运动, R 感应电动势方向 也不变,电动机 变成发电机,电枢电流的方向与感应电动势相 同,从而电磁转矩与转向相反,起制动作用。 (3) 发电回馈制动 特殊情况下,例如汽车下坡时, 在重力的作 用下 n?n0( n0理想空载转速),这时电动 机变成发电机,电磁转矩成为阻转矩,从而 限制电机转速过分升高。 四. 连接 直流电机有四个出线端,电枢绕组、励磁绕组 各两个,可通过标出的字符和绕组电阻的大小 区别。 (1)绕组的阻值范围 ? 电枢绕组的阻值在零点几欧姆到1~2欧姆。 ? 他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。 ? 串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。 (2)绕组的符号 始端 S1 T1 B1 C1 H1 BC1 Q1 末端 S2 T2 B2 C2 H2 BC2 Q2 绕组名称 电枢绕组 他励绕组 并励绕组 串励绕组 换向极绕组 补偿绕组 启动绕组 8.7.2 额定值 1.额定功率PN :电机轴上输出的机械功率 2.额定电压UN :额定工作情况下的电枢上加的直 流电压。(例:18V,220V,440V) 3.额定电流IN : 额定电压下,轴上输出额定功率 时的电流(并励应包括励磁电流和电枢电流) 三者关系:PN=UNIN? ( ?:效率) 4.额定转速nN :在PN,UN,IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直 流电机转速可以做到很低(如:每分钟几转)或 很高(每分钟3000转以上)。 注意:调速时对于没有调速要求的电机,最大转速 不能超过 1.2nN 。

时间:2020-07-18 18:25