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直流电动机的特性及运用

  直流电动机的特性及运用_物理_自然科学_专业资料。第六章 直流電動機的特性及運用 一、直流電動機的分類: 二、直流電動機的基本概念: 1. 轉矩 T 2. 反電勢 Eb 3. 轉速 n 4. 電樞內生機械功率 Pm 5. 速率調整率 SR% 三、直流

  第六章 直流電動機的特性及運用 一、直流電動機的分類: 二、直流電動機的基本概念: 1. 轉矩 T 2. 反電勢 Eb 3. 轉速 n 4. 電樞內生機械功率 Pm 5. 速率調整率 SR% 三、直流電動機的特性曲線: 1. 轉矩特性曲線:表示輸出轉矩(TL)與負載電流(IL)的關係 2. 轉速特性曲線:表示輸出轉速(n)與負載電流(IL)的關係 (一)外激式的特性及用途: (1) 等效電路: (2) 轉速特性: ○1 無載時:Ia 很小(Eb≒V),故轉速 n= ○2 負載↑,磁通Φ固定不變,Eb=V-IaRa 微微下降,因此轉速稍下降 可視為定速電動機。 (3) 轉矩特性: ∵T=KΦIa,若 Ia↑則 T↑,故轉矩特性為一上升的直線。 (4) 用途: 適用於調速範圍廣且需維持定速場合,如華德黎翁那德控制系統 中的直流電動機。 (二)分激式的特性及用途: (1) 等效電路: (2) 轉速特性:與外激式相似 運轉中若磁場突然斷路,則Φ=0、Eb=0,轉速將增加到極大, 而有飛脫之虞,因此需加裝保護設備。 (3) 轉矩特性:與外激式相似 - 19 - (4) 用途: 分激電動機因轉速下降幅度極小,可視為定速電動機;而且可 利用調整磁場電阻大小來改變轉速,因此又可視為調速電動機。 一般用於印刷機、鼓風機、車床。 (三)串激式的特性及用途: (1) 等效電路: (2) 轉速特性: ○1 無載時:因 Ia=0,Φ=0,轉速相當高有飛脫之虞,故不可在無載 時運轉,且電動機與負載連接必須直接耦合不能使用皮帶,否則 可能因皮帶斷裂而有飛脫之虞。通常會加裝離心開關作保護。 ○2 輕載時: Φ未飽和,ΦαIa 轉速 n=V-Ia(Ra+Rs)/KΦ,nα1/Ia 為一條雙曲線。 ○3 重載時: Φ已飽和,Φ與 Ia 無關為一定值 轉速 n=V-Ia(Ra+Rs)/KΦ,nαV-Ia(Ra+Rs) 為一條下降直線。 (3) 轉矩特性: ○1 輕載時: Φ未飽和,ΦαIa 轉矩 T=KΦIa→TαIa2 為一條拋物線 ○2 重載時: Φ已飽和,Φ與 Ia 無關為一定值 轉矩 T=KΦIa→TαIa 為一條上升直線 (4) 用途: ○1 負載變動時 Ia,隨之改變,使轉速有相當大的變動,是為變速電 動機,速率調整率為正值。 ○2 具有高轉速低轉矩,低轉速高轉矩的特性,因此有向電源取用恒 定功率的特性。 ○3 主要用於需高啟動轉矩或高轉速的場合,如起重機、電車、果汁 機、吸塵器等。 (四)複激式電動機 1.積複激電動機: (1) 等效電路: - 20 - (2) 轉速特性:n= ○1 輕載時:電樞電流 Ia 很小,Φs 亦小,故轉速特性與分激相似。 ○2 負載上升:電樞電流 Ia 上升,Φs 亦上升,因此轉速比分激下降 多,大約介於定速與變速之間。 (3) 轉矩特性:T= ○1 輕載時:電樞電流 Ia 很小,Φs 亦小,故轉矩與分激相似。 ○2 負載上升:電樞電流 Ia 上升,Φs 亦上升,因此轉矩比分激大。 (4) 用途:兼具有串激高啟動轉矩及分激定速的特性,故一般用於突 然施以重載的地方,如鑿孔機、沖床、滾壓機。 2.差複激電動機 (5) 等效電路: (6) 轉速特性:n= ○1 輕載時:電樞電流 Ia 很小,Φs 亦小,故轉速特性與分激相似, 但略比分激高。 ○2 負載上升:電樞電流 Ia 上升,Φs 亦上升,因此轉速上升,速率 調整率為負值。 (7) 轉矩特性:T= ○1 輕載時:電樞電流 Ia 很小,Φs 亦小,故轉矩特性與分激相似, 但略比分激小。 ○2 負載上升:電樞電流 Ia 上升,Φs 亦上升,因此轉矩隨負載增加, 但當Φs 上升到某值時,T 反而會下降,所以轉矩為先升後降。 ○3 若負載持續上升,使Φs=Φf 此時轉矩 T=0,而轉速極高造成電 機不穩的現象;若使Φs﹥Φf 則將使電機產生反向轉矩,因此 差複激在啟動時通常將串激繞組短接,以防止產生反向啟動且 可增加啟動轉矩。 (8) 用途:因有產生反轉矩的可能,故實用上甚少使用。 - 21 - 四、直流電動機的啟動與控制 1.良好的啟動狀態:啟動電流小、啟動轉矩大。 2.啟動電阻之計算: ○1 啟動瞬間:n=0,反電勢 Eb=0,因此電樞電流很大,可利用電樞電路串 聯電阻來降低啟動電流(啟動電流限定約為滿載電流的 1.25~2.5 倍)。 ○2 啟動中轉速愈來愈高,電樞電流愈來愈小,需將串聯的電阻逐步去掉。 ○3 一般 1/3 馬力以下的小型電機,因轉動慣性小可直接啟動。 ○4 直流電動機啟動時,需將場電阻器調至最小值,使轉矩增加,縮短啟動 時間;電樞電阻器調至最大,以限制啟動電流。 3. 直流電動機的啟動器: 可分為: ○1 人工啟動器: 三點式:無場釋放器 四點式:無壓釋放器 ○2 自動啟動器: 反電勢型: 限流型: 限時型: 五、直流電動機的速率控制 由轉速公式 可知,欲控制電動機的轉速其方法有三: 1. 改變磁場強弱來控制轉速,稱為磁場控速法: ○1 分激磁場利用串聯可變電阻來控制磁場大小 ○2 串激磁場利用並聯可變電阻來控制磁場大小 在控制過程中,因磁場只有變小的狀況,因此其轉速只能在基準轉速以 上做調整。 優點:成本低、效率高,電動機控速大都用此法。 缺點:○1 當磁場減小至某範圍以下時,將產生極高的轉速,而有飛脫的危 險,因此只能用於 1.5 倍的基準轉速內。 ○2 只能用於基準轉速以上控制,對於基準轉速以下的控制則無能為 力。 ○3 速率提高,使其換向更困難。 2. 改變電樞電阻大小來控制轉速,稱為電樞電阻控制法: 於電樞電路中插入可變電阻,來改變 IaRa 大小而達到轉速控制的目的。 在控制過程中,因 IaRa 只有變大的狀況,因此其轉速只能在基準轉速以 下做調整。 優點:構造簡單,可在基準轉速下做控制。 缺點:輕載時調速不佳,重載時外加電阻消耗功率大,造成效率差。 3. 利用改變外加電壓來改變轉速,稱為電壓控制法: 此方法只適用於他激式發電機,一般以華德黎翁那德控制系統為代表。 - 22 - 優點:○1 調速範圍廣,可得圓滑的控制。 ○2 運轉效率高 ○3 可得正反轉控制 缺點:設備複雜,價格貴 六、直流電動機之轉向與制動控制 (一) 直流電動機之轉向控制 1. 轉向控制之方法 ○1 改變電樞電流方向:將電樞繞組兩端反接,複激電動機採用此方式。 ○2 改變磁場電流方向:將磁場繞組兩端反接,分激電動機採用此方式。 2. 轉向控制之注意事項 ○1 改變積複激電動機之轉向時,當變化其激磁電流方向時,一定要把分 激場和串激場同時反接,才不會造成差複激電動機。 ○2 附有中間極之電動機,要改變電樞電流方向時,必須把中間極和電樞 同時反接,才不會使中間極之極性錯誤。 ○3 運轉中之自激電動機,若變更外加電壓極性,則因激磁電流和電樞電 流方向同時改變,則電動機的轉向不變,若是他激電動機,則電樞電流 方向改變而磁場電流方向不變,故轉向改變。 (二)直流電動機之制動 直流電動機之制動以電氣制動為主,而以機械制動為輔,電氣制動有下列 方法: ○1 電力制動(發電制動) 運轉中之電動機在被切離電源時,使其磁場繼續維持激磁狀態,並將其 電樞兩端外接可變電阻器。電動機因慣性作用繼續旋轉割切磁場,產生 發電作用並將電能消耗在電阻器,並形成反轉矩,產生制動作用。調整 電阻器值可改變制動力大小,電阻器愈小制動力量愈大。 ○2 逆轉制動(插塞制動) 要停止運轉中的電動機時,先改變接線使電動機電樞電流反向,電動機 便可產生反方向之轉矩,而產生制動力。 ○3 再生制動 此方法常用於電動機負荷下降或電車下坡時,因重力作用使速度增加,此 時配合增加激磁,可使反電勢電源電壓,形成發電機作用,而將動能變 成電能送還電源,並得到制動轉矩,制動時,電源不可切離。 精選範例 1. 有一部 125HP、250V 的直流分激電動機,滿載時電樞電流 500A,電樞電阻 0.05Ω,若欲限制啟動電流為 2 倍滿載電樞電流,則啟動電阻應為多少? 練習有一部 10HP、200V 的直流分激電動機,滿載時電樞電流 25A,電樞電阻 0.5Ω,若欲限制啟動電流為 2 倍滿載電樞電流,則啟動電阻應為多少? - 23 - 2. 220V 分激電動機,電樞電阻 0.2Ω,若磁通為定值,當滿載時電樞電流為 100A,轉速為 1400rpm,則此電動機半載的轉速? 練習一部 200V 直流分激電動機,電樞電阻為 0.5Ω,若磁通為定值,滿載時 電樞電流為 40A,轉速為 1500rpm,若將電源電壓降為 150V,則其滿載 的轉速變為多少 rpm? 3. 200V 直流分激電動機,電樞電阻為 0.5Ω,當負載電流為 50A 時,轉速為 1200rpm,若負載電流變為 80A,且磁通減少 20%,則其轉速變為何? 練習某直流他激電動機,電樞電阻為 0.5Ω,當加 100V 於電樞時,電樞電流 為 20A,電動機轉速為 1100rpm;若磁通加大 10%,而電樞電流變為 38A, 求此時電動機的轉速為若干 rpm? 4. 110V 串激電動機,電樞電阻為 0.2Ω,場電阻為 0.5Ω,滿載的電樞電流為 20A,則其反電勢及電樞功率分別為何? 練習一台 120V 之分激電動機,其電樞電阻為 0.5Ω,分激場電阻為 30Ω,電 刷壓降 2V,滿載時線電流為 40A,若不考慮電樞反應,則滿載的反電勢 為多少伏特? 練習四極 110V、50A 直流電動機,共有四只電刷,其電樞電阻為 0.2Ω,電刷 壓降每只 1V,則其滿載的反電勢為何? 5. 直流電動機滿載的轉速為 1200rpm,已知速率調整率為 5%,則其無載的轉速 為何? 練習直流電動機無載轉速為 2000rpm,滿載的速率調整率為 10%,則其滿載的 轉速? 6. 10HP 的直流電動機,已知滿載時的轉速為 1200rpm,則其滿載的轉矩為何? 練習直流分激電動機,測得電樞的端電壓為 200V,電樞電流為 50A,轉速為 2000rpm,電樞電阻為 0.2Ω,若不考慮電樞反應及電刷壓降,求此電動機 的電磁轉矩為多少 Kg-m? - 24 - 作業 1( )下列何種電動機具有低速時高轉矩及高速時低轉矩之特性 (1)分激電動機 (2)外激電動機 (3)串激電動機 (4)複激電動機。 2( )分激電動機的轉矩特性曲線為 (1)拋物線 (2)直線 (3)雙曲線 (4)不規則曲 線。 3( )負載變動時,那一型電動機的轉速最穩定 (1)分激電動機 (2)串激電動機 (3) 積複激電動機 (4)差複激電動機。 4( )直流串激電動機如將電源極性調反,其結果 (1)轉向不變 (2)反向轉動 (3) 不轉 (4)過速度。 5( )有關直流電動機的敘述,下列何者錯誤 (1)轉速加倍時,反電勢加倍 (2)磁 通加倍時,真钱扑克大全!反電勢加倍 (3)電流加倍,若端電壓一定,則反電勢必上升 (4) 直流電動機的維護較感應機困難。 6( )一般家用果汁機均為 (1)分激電動機 (2)外激電動機 (3)串激電動機 (4)複 激電動機。 7( )可以交直流兩用的電動機為 (1)分激電動機 (2)外激電動機 (3)串激電動機 (4)複激電動機。 8( )直流分激電動機啟動時,應將場電阻器位置調於 (1)最小處 (2)最大處 (3) 中央 (4)均可。 9( )直流電動機的速率控制,若採電樞電阻控制法,則其 (1)功率損失大、速率 調整差 (2)功率損失大、但速率調整佳 (3)功率損失小、速率調整差 (4)功 率損失大、速率調整佳。 10( )某直流電動機於實驗室加載時速度上升,則該機應為 (1)差複激式 (2)分激 式 (3)串激式 (4)積複激式 。 11( )直流分激電動機在運轉中若其磁場線圈突然斷路,則此電動機將 (1)停下 來 (2)產生拌動現象 (3)速度上升 (4)不影響 。 12( )下列有關串激電動機的特性實驗之敘述何者錯誤 (1)在無載時有飛脫的危 險 (2)當磁路飽和後,轉矩與電樞電流的曲線是一個三次曲線 (3)在磁路未 飽和時,轉矩與電樞電流的特性曲線為拋物線 (4)直流串激電動機為一變速 馬達。 13( )直流電動機在啟動時,在電樞串聯電阻器主要的目的 (1)作轉向控制 (2) 減少鐵損 (3)減少銅損 (4)限制啟動電流。 14( )下列直流電動機中,啟動轉矩最大者 (1)差複激 (2)積複激 (3)串激 (4) 分激 。 歷屆考題 1. 串激電動機電樞電流為 30A 時,產生的轉矩為 30NT-M,若電樞電流降至 20A ,則轉矩為 (A)13 (B)20 (C)40 (D)26 NT-M 2. 有一部 10HP、220V 的直流分激電動機,滿載電樞電流為 50A,電樞電阻為 0.5Ω,若欲限制啟動電流為 2 倍滿載電樞電流,則啟動電阻為多少 (A)0.5 (B)1.0 (C)0.8 (D)1.5 Ω 。 - 25 - 3. 某八極、110V、25A 直流電動機有 8 只電刷其電樞電阻 Ra=0.4Ω(不包含電刷 壓降),若電刷壓降以每只 1V 計,則當電樞電流為 25A 時,其反電勢為多少 伏特? (A)92 (B)96 (C)98 (D)102 。 4. 一部 220V 分激電動機,樞電阻為 0.2Ω,若磁通φ為定值,當滿載時,樞電 流為 100A,速率為 1400RPM,將電樞電壓減為 140V 時,滿載速率為多少 RPM? (A)840 (B)890 (C)980 (D)1400 。 5. 某分激式直流電動機之無載轉速 1300RPM,已知其速率調整率為 5%,則滿 載轉速約為多少 RPM (A)1220 (B)1238 (C)1254 (D)1267 。 6. 某分激電動機之電樞電阻為 0.5Ω,場電阻為 100Ω。如將此電動機接於 200V 之電源上,其電源電流為 100A,若忽略電刷壓降,則此電動機的感應電勢為 (A)151 (B)200 (C)220 (D)100 V 。 7. 1HP110V 直流分激電動機,其電樞內阻為 0.1Ω,滿載時電樞電流為 8A,則 滿載的反電勢為 (A)109.2 (B)109.4 (C)110.6 (D)110.8 V 。 8. 電樞電壓 220V,電樞電流 20A,轉速 1510RPM 運轉中等直流他激電動機, 如其負載轉矩變為 2 倍,則其轉速變為多少?但該機電樞電阻 0.2Ω,電刷壓 降及電樞反應可以忽視 (A)1374 (B)1426 (C)1455 (D)1482 RPM。 9. 直流串激電動機,供給電壓是 525V,電樞電流 50A,轉述每分 1500 轉,現 供給電壓減少為 400V(假設電樞線圈及激磁線圈的總電阻是 0.5Ω),對同一 電流而言,轉速為 (A)1315 (B)1215 (C)1125 (D)1075 RPM 。 - 26 -

时间:2020-05-06 02:28