直流电机及其控制系统

第三章直流电机及其控制系统第一节直流电机的基本原理•直流电机电刷间的感应电势为：•式中：φ：一个磁极的磁通；n：电枢转速；KE：KE=pN/60a是与电机结构有关的常数。a：电枢绕组并联支路数。•如将图3-1中与电刷相连的负载去掉，使之通入直流电源，电流流入电枢线圈，再将原动机作为机械负载。•两个有效边导体受到的电磁力方向一致，电枢因产生扭矩而转动，此时，图3-1就变成了直流电动机。•当电枢在磁场中转动时，线圈也要产生感应电动势，该电动势的方向与电流的方向相反——反电动势•发电机的电动势——电源电动势•直流电机电枢绕组中的电流（电枢电流Ia）•Ia与磁通φ相互作用产生电磁力和电磁转矩，直流电动机电磁转矩可表示为：•式中：φ：一个磁极的磁通；•Ia：为电枢电流。•KT=pN/2πa是与电机结构有关的常数。•KT=9.55KE•p：磁极对数；•a：电枢绕组并联支路数。•N：切割磁通的电枢总导体数。•发电机的电磁转矩为阻转矩，它与电枢转动的方向（原动机的驱动转矩方向）相反。•在等速转动时，原动机的驱动转矩T1与发电机的电磁转矩T和空载损耗转矩T0相平衡。•直流电动机的电磁转矩是使电枢转动的驱动转矩。•在等速转动时，电动机的电磁转矩T需与电机轴输出的机械负载转矩T2及空载损耗转矩T0相平衡。•在电机轴上的负载转矩变化时，则电动机的转速、电动势、电枢电流及转矩将自动进行调整，以适应负载的变化。第二节直流电机的构造第三节直流发电机的分类和运行特性•一、按励磁方法分类•直流发电机内的磁通是在主磁极的励磁绕组内通以直流电产生的。——励磁电流。•励磁电流如果由独立的直流电源供给——他励直流发电机。•励磁电流若由发电机本身供给——自励直流发电机。•自励直流发电机——并励、串励、复励二、直流发电机的运行特性•㈠他励发电机•上图中：•RL——负载电阻•IL——负载电流•Rf——励磁调节电阻•Ra——电枢电阻•Ia——电枢电流•E——发电机电动势•U——发电机输出端电压•根据电路原理，可得：•当发电机空载时：•⒈空载特性：当发电机空载运行时，转速n为常数时，发电机电动势与励磁电流的关系——空载特性曲线。•⒉外特性：转速和励磁电流不变电压变动百分数：•⒊调节特性：当转速n为常数时，同时保持U=UN为常数时，励磁电流If与电枢电流Ia之间的关系曲线。•㈡并励发电机•并励发电机的电压、电流的关系为：•式中：U为发电机端电压、Rf为包括电位器在内的励磁回路的总电阻。•⒈空载特性（n不变）•⒉外特性（n不变、Rf不变）•对并励发电机，当负载增加时（即外电路电阻减小），负载电流IL增加，当负载增加到一定程度，电流达到最大ILm。若负载电阻继续减小，电流则不在增加，反而减小，当负载短路时，仅有不大的短路电流Ia。•并励发电机输出短路的危险性比他励发电机小。•⒊调节特性•并励发电机的调节特性与他励发电机的调节特性相似。•并励发电机的电压变动百分数ΔU%较他励大。㈢串励发电机•发电机空载时，由于Ia=If=IL=0，所以空载特性无法画出。•对串励发电机的外特性：•当IL=0时，U=E’为剩磁电动势。•接入负载后，负载电流增加，励磁电流亦增加，电动势升高。当电压上升到一定限度后，由于磁路趋于饱和，磁通及电势增加不大。•当负载电流再增加时，由于电枢反应及电枢电阻压降增大，使输出电压反而降低。•由上可知，串励发电机的端电压U在负载变动时，极不稳定。㈣复励发电机•复励发电机在磁极上有两个励磁绕组：一个绕组与电枢并联，导线细匝数多——并励绕组；另一个绕组与电枢串联，导线粗而匝数少——串励绕组。•发电机空载时，串励绕组中没有电流，故空载特性与并励发电机相同。•和复励、差复励•对和复励发电机，当负载电流增加时，由于电枢反应、电枢电阻与串励绕组所引起的电压降落，可由串励绕组的磁动势增强来补偿。•所以，和复励发电机在任何负载下，其端电压U几乎可以保持不变。•对差复励发电机，由于其串励绕组磁动势与并励绕组磁动势相反。当有负载时，使它的磁通大为削弱，端电压急剧下降。•和复励发电机主要应用于负载变动激烈，或负载距发电机距离较远，而又需要保持端电压相对平稳的场合。第四节直流电动机的分类和运行特性•直流电动机的基本结构与直流发电机结构完全一样。励磁方式也分为他励、并励、串励和复励四种。•在控制系统中，常用他励电动机和复励电动机。•一、他励直流电动机运行特性•㈠稳态运行的基本方程•⒈电动势平衡方程•式中：U为电动机外加直流电压、Ea为反电动势、Ia为电枢电流、If为励磁电流、φ为主磁通。•⒉转矩平衡方程•式中，•T：电磁转矩；•T0：空载转矩；•T2：负载阻转矩。•⒊功率平衡方程•式中：P1=U*Ia是电源对电机输入的功率；•Pe=Ea*Ia是电机向机械负载转换的电功率；•Pcua=Ia2*Ra是电枢回路总的铜损耗。•式中：Pe=T*Ω为电磁功率；•P2=T2*Ω为转轴输出的机械功率；•P0=T0*Ω为包括机械摩擦损耗Pm和铁损耗PFe在内的空载损耗。•总损耗PΣ=Pcua+Pcuf+Pm+PFe•㈡工作特性•直流电动机的工作特性是指U=UN、If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩T以及效率与电枢电流Ia之间的关系。•IfN的条件是：当电动机加额定电压UN，拖动额定负载，使Ia=IaN，转速也为nN时的励磁电流。•⒈转速特性：当U=UN、If=IfN时，n=f（Ia）的关系曲线——转速特性•上式表明：当Ia增加时，转速n要下降，但因Ra较小，转速n下降不多。•随着电枢电流的增加，由于电枢反应的去磁作用又使每极下的气隙磁通减小，反而使转速增加。•一般情况下，电枢电阻压降IaRa的影响大于电枢反应的去磁作用的影响。•故：转速特性是一条略有下倾的直线。•⒉转矩特性：当U=UN、If=IfN时，T=f（Ia）的关系曲线——转矩特性T=KTφIa•当每极气隙磁通Φ=ΦN时，电磁转矩与电枢电流成正比，考虑到电枢反应的去磁作用，当Ia增加时，T略有下降。•⒊效率特性：当U=UN、If=IfN时，η=f（Ia）的关系曲线——效率特性•电动机总损耗PΣ中，可以分为不变损耗和可变损耗两部分。•不变损耗Pm+PFe=Po•可变损耗Pcua与Ia的平方成正比•所以：当Ia从零开始增加时，效率η逐步增加，但当Ia增加到一定程度后，效率η又逐步减小。直流电动机的效率约在0.75~0.94之间。•㈢他励直流电动机的机械特性•机械特性：U=常数、If=常数以及电机电枢回路电阻也为常数时，电动机的电磁转矩T与转速n的关系，即n=f（T）。•⒈机械特性方程式•将Ia=T/（KTΦ）带入转速公式：•式中，n0=U/（KEΦ）为理想空载转速；•β=（Ra+R）/（KEKTΦ2）为机械特性的斜率；•Δn=（Ra+R）T/（KEKTΦ2）为转速降。•上式为机械特性的一般方程。从该式可看出：•当磁通Φ为常数时，机械特性是一条随着T的增加n略有下降的直线。•电机空载运行时，机械负载转矩为零，但作用于电动机轴上的空载转矩不为零而应为T0，将T0带入，可得到电机的实际空载转速为：•⒉固有机械特性•当U=UN、φ=φN，电枢回路没有串电阻R时的机械特性——固有机械特性。•固有机械特性的特点：•①T=0时，n=n0=UN/（KEΦN）为理想空载转速。此时，Ia=0，Ea=UN。•②T=TN时，n=nN=n0-ΔnN为额定转速，其中ΔnN=RaTN/（KEKTΦN2）为额定转速降，一般nN约为0.95n0，ΔnN=0.05n0。•③特性斜率为βN=Ra/（KEKTΦN2），由于Ra很小，因此βN较小。表明他励直流电机的固有机械特性较硬。•④n=0时，即起动时，Ea=KEΦN=0，此时电枢电流Ia=UN/Ra=Ist——起动电流。•起动时刻的电磁转矩T=KTφNIst——起动转矩。•由于Ra很小，所以Ist比额定值大得多，若ΔnN=0.05n0，则起动电流Ist=20TN，这样大的起动电流和起动转矩会烧坏换相器。一般的大、中型电机不允许在额定电压和额定输出功率下直接起动。•⒊人为机械特性•他励直流电机，当电枢端电压U、励磁电流If和电枢回路电阻改变时的机械特性——人为机械特性。•⑴电枢回路串电阻R的机械特性：保持U=UN、φ=φN，电枢回路串电阻R，此时：•电枢回路串电阻R的机械特性与固有机械特性相比有下面特点：•①理想空载转速n0=UN/（KEΦN）保持不变。•②机械特性斜率β=(Ra+R)/(KEKTΦN2)，由于增加了R，则β随R的增加而增加。不同的R值，可得到不同的人为机械特性。•③当T=TN时，n＜nN，电动机随电阻R的增加，机械特性变软。•⑵改变电枢电压时的人为机械特性：保持If=IfN、即φ=φN，电枢回路不串电阻R，改变电枢电压U时的人为机械特性为：•电动机运行时，通常以额定工作电压为上限。因此，电枢电压只能在U＜UN范围内改变。有以下特点：•③当负载转矩保持不变时，降低电枢电压时，电动机的稳定转速随之降低。•⑶减小励磁磁通时的人为机械特性：保持U=UN，电枢回路不串电阻R，改变励磁电流If时的人为机械特性为：•与固有机械特性相比较，减小Φ时的人为机械特性的特点是：•①理想空载转速n0=UN/（KEΦ）与Φ成反比。•②机械特性斜率β=（Ra+R）/（KEKTΦ2）与Φ的平方成反比。•③减小Φ的人为机械特性为一簇随Φ减小，理想空载转速n0升高，同时机械特性斜率加大的直线。二、他励直流电动机的起动、调速和反转运行特性•㈠他励直流电动机的起动特性直流电动机从静止状态到稳定运行状态的过程——直流电动机的起动过程（起动）。①起动电流Ia的大小②起动转矩Tst的大小③起动时间t的长短④起动过程的平稳程度⑤起动过程的经济性电机拖动负载起动的一般条件是：Ist≤（2~2.5）INTst≥（1.1~1.2）TN•他励直流电动机的起动方式有：•直接起动、电枢串电阻起动、降压起动。•⒈直接起动•起动前应先接通励磁回路，以建立励磁磁场，然后接通电枢回路。•这种起动方式，起动瞬间，电机转速n=0，反电动势Ea=0。起动电流为：Ist=UN/Ra•由于电枢电阻Ra很小，Ist很大，可达IN的10~50倍。该电流对电网的冲击很大。因而，除了小容量电机可采用直接起动外，对大、中容量的电动机不能直接起动。•⒉降压起动•起动瞬间，把加于电枢两端的电源电压降低，以减少起动电流Ist的起动方法。为了获得足够的起动转矩Tst，一般将起动电流限制在（2~2.5）IN以内。•因此，在起动时，把电源电压降低到U=（2~2.5）IN×Ra。•随着转速的上升，电枢电势Ea逐渐加大，电枢电流Ia相应减小。此时，再将电源电压不断升高。•⒊电枢回路串电阻起动•电枢回路串电阻R，起动电流为：•为了保持起动过程的平稳性，希望串入电阻平滑调节，一般采用分段切除的方法。•㈡他励直流电动机的调速特性•⒈调速方法•他励直流电动机的电枢电路电压平衡方程式为：•电枢电动势方程为：•由上两式可得转速公式为：•由上式可知，调速方式有三种：•⑴电枢串电阻调速：保持电枢电压U=UN、Φ=ΦN。•①R=0时，电动机运行于固有机械特性的“基速”上，•“基速”——运行于固有机械特性上的转速。•随着串入电阻的增加，转速降低——串电阻调速为从基速下调。•②串电阻调速时，如果负载为恒转矩的，电动机运行于不同的转速n1、n2、n3时，电动机的电枢电流Ia是不变的，这时，电磁转矩为：•T=TL时，电枢电流为：•当TL为常数时，Ia为常数，与转速无关。•③串电阻调速时，由于R上流过很大的电枢电流Ia，R上将有较大的损耗，转速越低，损耗越大。•④串电阻调速，电机工作于一组机械特性上，各条特性经过相同的理想空载点n0，而斜率不同。R越大，斜率越大，特性越软，电机在低速运行稳定性差。•⑵降低电枢电压调速——Φ不变、R=0•改变电枢电压，可得到一簇与固有机械特性平行的且低于固有机械特性的人为机械特性。•降低电源电压，电动机的机械特性斜率不变，即硬度不变。与串电阻调速相比较，降低电源电压调速在低速范围运行时，转速稳定性要好得多。对