3直流电机转向与转速控制电路的分析

4.2.1他励直流电动机的起动和反转一、他励直流电动机的起动电动机从接入电源开始转动，到达稳定运行的全部过程称为起动过程或起动。电动机在起动的瞬间，转速为零，此时的电枢电流称为起动电流，用stI表示。对应的电磁转矩称为起动转矩，用stT表示。直流电动机的起动性能指标:（1）起动转矩stT足够大(LstTT)；（2）起动电流stI不可太大，一般限制在一定的允许范围之内，一般为(1.5～2)NI；（3）起动时间短，符合生产机械的要求；（4）起动设备简单、经济、可靠、操作简便。直流电动机常用的起动方法有三种：1.直接起动直接起动就是将电动机直接投入到额定电压的电网上起动。他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场，而后加电枢电压，其控制电路如图4-8所示。图4—8直接起动控制电路起动时，先合1Q，然后合2Q。起动瞬间,因机械惯性,电机转子保持静止0n，电枢电势0aE,由电势方程式daaaUIRE可知起动电流和起动转矩为aNstRUI(4—13)stTstICT(4—14)当stT大于拖动系统的总阻力转矩时，电动机开始转动并加速。随着转速升高，stI增大，使电枢电流下降,相应的电磁转矩也减小,但只要电磁转矩大于总阻力转矩，n仍能增加，直到电磁转矩降到与总阻力转矩相等时，电机达到稳定恒速运行，起动过程结束。[例4—2]一台他励直流电动机,VUN220，AIN5.207，min/1500rnN，kWPN40，067.0aR,计算:(1)直接起动时的起动电流为额定电流的几倍?(2)在额定磁通下起动的起动转矩?解:(1)求起动电流倍数)(6.3283067.0220ARUIaNst,)(82.155.2076.3283倍NstII(2)求起动转矩713.01500067.0207.5220NaNNNenRIUCmNICTstNest6.43086.32830137.055.955.9直接起动的优点:直接起动不需要起动设备，操作简单，起动转矩大，但严重的缺点是起动电流大(由上例可知)。过大的起动电流将引起电网电压的下降，影响到其他用电设备的正常工作，对电机自身会造成换向恶化、绕组发热严重，同时很大的起动转矩将损坏拖动系统的传动机构，所以直接起动只限用于容量很小的直流电动机。一般直流电动机在起动时，都必须设法限制起动电流。为了限制起动电流，可以采用降低电源电压和电枢回路串联电阻的起动方法。2.降压起动降压起动,即起动前将施加在电动机电枢两端的电压降低，以限制起动电流，为了获得足够大的起动转矩。起动电流通常限制在(1.5～2)NT内（应是IN），则起动电压应为aNaststRIRIU)2~5.1((4—15)[例4—3]利用[例4—2]题电机参数，如果采用降压起动使起动电流为NI5.1时，电源电压应为多少?解：求电源电压)(85.20067.05.2075.15.1VRIRIUaNastst由以上计算可知，在降压起动的瞬间，由于电源电压较低，起动电流stI不大，且随着转速n的上升。电势aE增大，使起动电流下降，相应的起动转矩也减小。因此在起动过程中，为保证有足够大的起动转矩，需使stI保持在(1.5～2)NI范围内，电源电压dU必须不断升高，直到电压升至额定电压，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。降压起动的优点是:在起动过程中能量损耗小，起动平稳，便于实现自动化，但需要一套可调节电压的直流电源，增加了设备投资。3.电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接起动电阻stR，达到限制起动电流的目的。电枢回路串电阻起动时的起动电流为staNstRRUI(4—16)[例4—4]利用[例4—2]题电机参数。如果采用电枢回路串电阻起动使起动电流为NI5.1时、应串入多大电阻?解：)(64.0067.05.2075.12205.1220aNastNstRIRIUR在电枢回路串电阻起动的过程中，应相应地将起动电阻逐级切除，这种起动方法称为电枢串电阻分级起动。因为在起动过程中，如果不切除电阻，随着转速的增加，电枢电势aE增大。使起动电流下降，相应的起动转矩也减小，转速上升缓慢，使起动过程时间延长，且起动后转速较低。如果把起动电阻一次全部切除，会引起过大的电流冲击。下面以三级起动为例，说明电枢串电阻分级起动的过程。图4—9表示他励电动机分三级起动时的接线图。图4—9他励直流电机串电阻分级起动当合上1Q开关，电动机励磁回路通电后，合上2Q开关，其他接触器触点（1KM，2KM，3KM）断开，此时电枢和三段电阻1stR、2stR及3stR串联接上额定电压，起动电流为3211stststaNstRRRRUI由起动电流1stI产生起动转矩1stT，如图4—10所示。图4—10同时表示了他励直流电动机分三级起动时的机械特性。图4—10他励直流电动机电枢串电阻分级起动的人为机械特性由图4—10可见，由于LstTT1，电动机开始起动，转速上升，转矩下降，电机的工作点从A点沿特性AB上移，加速逐步变小。为了得到较大的加速，到B点3KM闭合，电阻3stR被切除，B点的电流2stI为切换电流。电阻3stR切除后，电机的机械特性变成直线0CDn。电阻切除瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，电势aE也保持不变，因而电流将随3stR的切除而突增，转矩也按比例增加，电机的工作点从B点过渡到特性0CDn上的C点。如果电阻设计恰当，可以保证C点的电流与1stI相等，电机产生的转矩1stT保证电机又获得较大的加速度。电机由C点加速到D点时，再闭合2KM，切除2stR。运行点由D点过渡到特性0EFn上的E点，电动机的电流又从2stI回升到1stI，转矩由2stT增至1stT。电机由E点加速到F点时，1KM闭合，切除电阻1stR，运行点由F点过渡到固有特性上的G点，电动机的电流再一次从2stI回升到1stI，转矩由2stT增至1stT，拖动系统继续加速到W点稳定运行，起动过程结束。必须指出，分级起动时使每一级的2stI（或2stT）与1stI(或1stT)大小一致，可以使电机有较均匀的加速度，并能改善电动机的换向，缓和转矩对传动机构与生产机械的有害冲击。一般取起动转矩NstTT)2~5.1(1，NstTT)3.1~1.1(2。相应的起动电流2stI、1stI也是额定电流的相同倍数。电枢回路串电阻分级起动能有效地限制起动电流，起动设备简单及操作简便，广泛应用于各种中、小型直流电动机。但在起动过程中能量消耗大，不适用经常起动的大、中型直流电动机。二、他励直流电动机的反转——反向电动机运行他励直流电机作反向电动机运行时，必须改变电磁转矩的方向。根据左手定则，电磁转矩的方向由磁场方向和电枢电流的方向决定，所以，只要将磁通和电枢电流aI中任意一个参数的方向改变，电磁转矩即改变方向。所以他励直流电机作反向电动机运行时，其电磁转矩方向改变，即0emT，0n，emT与n仍为同方向，emT仍然是拖动性转矩。在直流拖动系统中，通常采用改变电枢电压极性，即将电枢绕组反接，而保持励磁绕组两端的电压极性不变的方法实现反向电动机运行。但在电动机容量很大时，对于反转速度要求不高的场合，则因励磁电路的电流和功率小，为了减小控制电器的容量，可采用改变励磁绕组极性的方法来实现电动机的反转。4.2.2他励直流电动机的调速绝大多数生产机械都有调速要求。他励直流电动机的机械特性为2demeeTURnTCCC稳态时，电机的电磁转矩emT由负载LT决定，故要调节转速n，可以改变电压dU、改变电枢回路总电阻R、改变磁通三种方法。一、降低电源电压调速降压调速的原理可用图4—11说明。设电动机拖动恒转矩负载LT，在额定电压NU下运4—11他励直流电动机的降压调速行于A点，转速为An，如图4—11中曲线1所示。现将电源电压降为1U,忽略电磁惯性,电动机的机械特性如图4—11中曲线2所示。由于电机的转速不能突变，由特性1变为特性2，转速不变，于是，电动机的运行点由A点变为C点。在C点，对应的电磁转矩为CT，LCTT，电动机将减速。随着转速的下降,反电动势aE减小,电流增加,电磁转矩亦增大，减速过程沿特性2由C点至B点,到达B点以后,LBTT电动机进入新的稳态以转速Bn运行。当将电源电压从1U降为2U，同理，电动机稳定后，在转速Dn下运行。从图4—11中可看出，当逐步降低电源电压时，稳态转速也依次降低。降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可实现转速的平滑调节，即无级调速。二、电枢回路串电阻调速电枢串电阻调速原理可用图4—12来说明。设电动机拖动恒转矩负载，运行于A点，当电枢回路串入电阻1eR，电动机的机械特性变为0nB。由于电动机的转速不能突变，于是，电动机的运行点将由A点变为C点,C点所对应的电磁转矩为CT，显然LCTT，电动机将减速，在到达B点以前，emT始终小于LT，故减速过程沿机械特性0nB由C点向B点进行，在B点LBTT进入新的稳态，于是电动机的转速由An至Bn。图4—12他励直流电动机电枢串接电阻调速当电枢回路串入电阻1eR变为2eR，同理，电动机稳定后，在转速Dn下运行。从图4—12中可看出，当电枢回路串入电阻变大时，稳态转速也依次降低。这种调速方法在低速时电能损耗较大。对于恒转矩负载，调速前后稳态电流不变，故从电网吸收的功率不变，降低转速使输出功率减小，说明损耗增大。所以，串电阻调速在低速时电源提供的功率有较大部分转变为电阻损耗，从而使系统效率降低。从机械特性还可看出，当空载或轻载时，调速范围很小；而速度调的越低，特性越软，转速的稳定性较差。此外，这种调速方法只能实现有级调速，平滑性较差。这种调速方法的优点是设备不太复杂，操作比较简单。三、弱磁调速弱磁调速原理可用图4—13来说明。图4—13他励直流电动机弱磁调速设电动机带恒转矩负载LT，运行于固有特性1上的A点。弱磁后，机械特性变为直线BC，因转速不能突变，电动机的运行点由A点变为C点。由于磁通减小，反电动势也减小，导致电枢电流增大。尽管磁通减小，但由于电枢电流增加很多，使电磁转矩大于负载转矩，电动机将加速，一直加速到新的稳态运行点B点。使电机的转速大于固有特性的理想空载转速，所以一般弱磁调速用于升速。弱磁调速是在励磁回路中调节，因电压较低，电流较小而较为方便，但调速范围一般较小。直流调速一般在额定转速以下用降压调速，而在额定转速以上用弱磁调速。