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直流电机的结构和控制原理
更新时间:[2012-05-25] 浏览次数:5293次
一、 直流电机的结构和控制原理
    1、直流电机的工作原理概述:
在电力拖动领域,随着变频器的出现形成交流调速技术的日渐成熟和低成本化,在不断侵蚀着直流调速的“地盘”,但直到今天,直流调速仍固守着日渐缩小的“阵地”。直流电机具有调速性能好、调速方便平滑,调速装置简单、调范围广等特点,能承受频繁冲击负载、过载能力强(由变频器和交流电机构成的交流调速系统,还有一定差距),能实现频繁速启、制动及逆向旋转,能满足各种机械负载的特性要求。直流电机的最大缺点,是因碳刷换向器的滑动电接触方式和整体结构交流电动机更为复杂等原因造成的维护工作量较大,需定期更换碳刷等。
 
 
直流电机的结构比交流电动机复杂得多,主要由:
1)主磁极。由主磁极铁芯及套装在铁芯上的励磁线圈构成,作用是建立主磁场;
2)机座。为主磁路的一部分,同时构成电机的结构框架,由厚钢板或铸钢件构成;
3)电枢铁芯。为电枢绕组的支撑部件,也为主磁路的一部分,由硅钢片叠压而成;
4)电枢绕组。直流电机的电路部分,由绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成;
5)换向器。由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒、片间用V形云母绝缘,两端再用两个形环夹紧而构成。用作直流发电机时,称整流子,起整流作用;用于直流电动机时,用于(逆变)换向;
6)电刷装置。由电刷、刷盒、刷杆和连线等构成,是电枢电路的引出(或引入)装置。
7)换向极。由铁芯和绕组构成,起改善换向,气隙磁场匀称等作用。
直流电机是将电源电能转变为轴上输出的机械能的电磁转换装置。由定子绕组通入直流励磁电流,产生励磁磁场,主电路引入直流电源,经碳刷(电刷)传给换向器,再经换向器将此直流电转化为交流电,引入电枢绕组,产生电枢电流(电枢磁场),电枢磁场与励磁磁场合成气隙磁场,电枢绕组切割合成气隙磁场,产生电磁转矩。这是直流电机的基本工作原理。
 
上图为简单的两极直流电机模型,由主磁极(励磁线圈)、电枢(电枢线圈)、电刷和换向片等组成。固定部分(定子)上,装设了一对直流励磁的静止的主磁级N、S,主磁级由励磁线圈的磁场产生;旋转部分(转子)上,装调电枢铁芯与电枢绕组。电枢电流由外供直流电源所产生。定子和转子之间有一气隙。电枢线圈的首、末端分别连接于两个圆弧型的换向片上,换向片之间互相绝缘,由换向片构成的整体称为换向器。换向片固定在转轴上,与转轴也是绝缘的。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1、B2,当电枢旋转时,电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接触(引入外供直流电源)。因为主磁极的磁场方向是固定不变的(由接入励磁电源极性所决定),要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩,关键在于:当线圈边在不同极性的磁极下,如何将流过线圈中的电流方向极时地加以变换,即进行所谓“换向”,线圈中的电流所随所处磁极极性的改变同时改变其方向,以确保线圈在不同磁极下的电流保持一个方向,从而使电磁转矩的方向始终保持不变。
一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行。这种原理在电机理论中被称为可逆原理。当转轴为原动机所拖动,电机绕组中产生交流电势,经电刷输出至外部负载电路,此时的换向器(换向器另一名称又叫整流子),恰恰具有了“整流器的特性”,输出电压为直流电压。本章内容只涉及到直流电动机。
直流电机的实际构成比模型要复杂一些,比如增设了换向磁极(绕组)来改善换向,换向极绕组与电枢绕组相串联。增设补偿绕组(与电枢绕组相串联),二者的作用都起到减轻合成气隙磁场的畸变和减小电刷火花(环火)的作用。
2、直流电机的励磁方式:
直流电动机按励磁方式分类,有他励和自励两种。他励指励磁与电枢回路在电气上相独立,自励则两者有直接的电气联系。自励多应用于小功率电机,而他励方式则多应用于中、大功率电机。自励的励磁方式又包括:并励、串励、复励等,其中复励又有积复励和差复励之分。直流电机的励磁方式如下图所示:
 
上图中,Ia为电枢电流,Ea为电枢反电势;Ff为他励和并励方式下励磁电流;Fs为串励各复励方式下的串励电流。
图(a)为他励方式,励磁绕组与电枢绕组无联接关系,用外加电流进行励磁。其它为自励方式,与电枢绕组共用电源励磁。其中(b1)为并励方式,励磁绕组与电枢绕组共用同一直流电源,并且励磁绕组与电枢绕组呈并联关系。在性能上讲,他励与并励电机性能接近,具有较硬的机械特性,转速随负载变化小,磁通为一常值,转矩随电枢电流成正比变化。但起动转矩小于串励电机,适用于转速要求稳定,而对起动转矩无特别要求的负载。图(b2)为串励方式。励磁线圈与电枢线圈相串联并共用电源,励磁电流即为电枢电流。串励直流电机具有软的机械特性,转速随负载的轻重变化较大,转矩近乎与电枢电流的平方成正比。起动转矩较他励、并励直流电机大,适用于要求起动转矩特别大,而对转速的稳定无要求的负载。图(b3a)、(b3b)为复励方式,复励直流电机有复励和串励两个励磁绕组,一为与电枢并联的并励绕组,一为与电枢串联的串励绕组。若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若相反,称为差复励。复励直流电机具有并励和串励电机的“折中或复合”特点,其特性介于并励和复励电机之间。
直流电机的运行注意事项(由运行特性和转矩特性所决定):
1)并励直流电机的励磁绕组在运行中不能断开,否则易发生飞车;
2)它励直流电机的励磁电流在运行中不能太小,易超速运行;
3)串励电机则不允许空载运行,易发生飞车。
直流电机的额定值有:
1)额定功率PN:指电机在铭牌规定的额定状态下运行时,电机的输出功率,以kW为单位。对电动机而言,额定功率并不是指所消耗电功率,而是指输出(轴)的机械功率;
2)额定电压UN:对他励电机而言,有额定电枢电压和额定励磁电压之分。对自励电机,对自励电机而言,指电源电压,以V为单位;
3)额定电流IN:对他励电机而言,有电枢额定电流和励磁额定电流之分。对自励电机,则指从电源线进入的电流值,以A为单位;
4)额定转速nN:指额定状态下运行时转子的转速。对他励电机而言,有基速和最高转速之分。对自励电机,则为最高转速,以r/min为单位。
5)励磁方式,指电动机励磁绕组的连接和供电方式,有他励、自励等5种连接方式。
6)其它。如工作方式、温升、绝缘等级等。
3、直流电机的出线端标志:
表 1 直流电动机出线端标志
 
4、电机旋转方向的改变方法:
直流电动机电枢的转动方向是由电枢导体的电流方向和励磁绕组电流产生的磁场方向决定的,只要改变其中一个方向,电机的转向便可改变,因此有以下两种改变电枢转向的方法。
1)电枢绕组中电流方向改变。也就是施加在电枢绕组上的电源极性改变,而保持励磁磁场方向不变;
2)励磁绕组中电流方向改变,使励磁磁场方向改变,而电枢电流方向不变。
通常是采用第一种方法,因为在运行中切换励磁电流方向时,易产生励磁供电消失,励磁电流为0而造成飞车的现象。
5、直流电机的调速方式和调速方法:
直流电机的调速方法从本质上讲,只有两种,一种为改变电源参数,使电枢电流或励磁电流变化来实施调速,一种为改变电机参数进行调速,如改变电枢绕组的串、并联电阻或改变励磁绕组的匝数等。
1)串励电机的调速方法。串励电机的磁通是由电枢电流决定的,当负载增大时,电枢电流增大,磁通也增加,但电流与磁通不是正关系。这是因为当电流大至一定程度时,因铁芯磁饱合,电流虽继续上升,但磁通量不再上升的缘故。
a、改变电源电压进行调速,将供电电压调低时,电机转速下降,为向下调速。
b、改变电枢串联电阻进行调速,串联电阻阻值增大,电枢电流减小,速度下降。为向下调速。
2)复励直流电机的调速方法。复励直流电动机有两套励磁绕组,一套为串励绕组,一套为并励绕组,根据两套绕组不同的连接和不同匝数,可以得到不同的工作特性。其调速方法不四种:
a、改变电源电压,向下调速;
b、改变励磁绕组磁通(如调节励磁线圈匝数),弱磁(向上)调速;
c、改变电枢串联电阻的阻值,向下调速;
d、改变电枢回路并联电阻的阻值,向下调速。
广泛采用降低电源电压向下调速和减弱磁通向上调速的双向调速方法。
3)并励直流电机的调速方法。要改变电机的转速,只好改变外施电压U、改变磁通Φ或发放电枢回路电阻,即可。但第三种方法,因电阻本身的功耗较大,仅适用于小功率直流电机。
a、使磁通和电枢回路的电阻不变,靠调节电源电压来调速,即降低额定电压进行降速调节,电机的转速与外施电压成正比,又称为恒转矩调速方式,调速范围大;
b、电源电压和电枢回路电阻不变,用改变励磁磁通进行调速,调节励磁电流,使磁通变化,是减弱磁通量进行的升速调节,又称为弱磁调速和恒功率调速,因换向和机械强度等原因,调速(升速)范围受限,一般允许升速1.2~1.5倍;
c、电源电压和磁通不变,在电枢回路中串/并联电阻进行调速,为调速调节。调速范围小,功耗大,调速不平滑,采用较少。
4)他励直流电机的调速方法。
他励直流电机的调速方法,同并励电机的三种调速方法,但他励直流电机的励磁绕组与电枢绕组是独立的,因而在调节上更具灵活性,可以采用独立固定或可调励磁电源。
常用调速方法有两种。
a、固定励磁电压/电流为最大并维持恒定,改变电枢回路供电电压,为恒转矩(恒磁通)降速运行调节,调速范围为零速至基速;
b、固定电枢电源(最大)电压并维持恒定,降低励磁电流使电机在基速的基础上升速运行,又称为弱磁调速。调速范围为基速至最高速。
 
 
图  4 他励(并励)直流电机的调速曲线图
6、直流电机的四象限运行:
直流电机与交流电机一样,也有两种运行方式:电动运行和制动运行。如果再以正、反转来分的话,则分为正转运行、正转制动运行和反转运行、反转制动运行四种运行方式。如果以坐标形式来表示的话,则称为电机的四象限运行坐标,见下图4-5 各种运行方式的机械特性曲线。
当电机正向运行时,其机械特性是一条横跨1、2、4象限的直线。其中1象限为电动运行状态,电磁转矩方向与旋转方向相同,第2、4象限为制动运行状态,在此状态内是产生一个与转向方向相反的阻力矩,以使拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态下转矩的方向与转速的方向相反,此时电机从轴上吸收机械能并转化为电能消耗于电枢回路电路或回馈于电源。第3象限为反向电动运行。

图  5 各种运行方式的机械特性曲线
 
当电磁转矩TM与转速n同方向,TM是拖动负载运动的,所以电机运行曲线处于1、3象限,1象限为电机正向运行,3象限为电机反向运行;当TM与转速n的方向相反时,表示电机机处于制动运行方式,其机械特性曲线在坐标的2、4象限内,2象限内为电机正向制动,包含能耗制动过程(OA线段)、电源反接制动过程(-TMB线段)和正向回馈制动过程(-n0C)线段;处于第四象限时为电机反向制动,也包含能耗制动过程(OD线段)、倒拉反接制动过程(TME线段)和反向回馈过程(-n0F线段)。
7、直流电机的启动、停止和制动控制:
直流电机从接入电源开始,电枢由静止开始转动到额定转速的过程,称为启动过程。要求启动时间短、启动转矩大、启动电流小。启动的要求是矛盾的,比如,用逐渐提升供电电压实施软起动,来降低起动电流,但启动时间又会加长;加大启动转矩,又势必增大的启动电流等。因而要根据实际应用和配置情况,对启动问题综合考虑。
1)启动方式:
a、直接启动。只适用于小型直流电机。启动方法是先给电机加励磁,并调节励磁电流达到最大,当励磁磁场建立后,再使电枢绕组直接加上额定电压,电机开始启动。在启动过程中,电枢中最大冲击电流,称为启动电流。直流启动,因启动电流大,电气和机械冲击大等缺点,应用较少;
b、早期采用变阻器启动,电动机在启动时在电枢回路中串入变阻器,用接触器触点切换电阻只数,限制启动电流。将启动电流限制在2位额定电流以内。后期采用晶闸管电子电力技术,用改变电枢电压的方式实现了软起动。
2)停止方式:
a、自由停车。直流电机的电源关断后,电机按运转惯性自由停车;
b、施加制动(刹车)措施,如机械抱闸刹车、能耗制动、反接制动等使其快速停车。
3)直流电机的制动方式和方法:
电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时,就称为电动机处于制动状态。
制动的目的:使电动机减速或停车、限制电动机转速的升高(如电车下坡)。
机械抱闸制动也是一种制动(刹车)方式,但不属电机运行特性的范畴。属于电机运行特性的制动方式和方法有以下四种,有时也统称为电磁制动方式。
a、能耗制动。指运行中的直流电机突然断开电枢电源,然后在电枢回路串入制动电阻,使电枢绕组的惯性能量消耗在电阻上,使电机快速制动。由于电压和输入功率都为0,所以制动平衡,线路简单;
b、反接制动。为了实现快速停车,突然把正在运行的电动机的电枢电压反接,并在电枢回路中串入电阻,称为电源反接制动。制动期间电源仍输入功率,负载释放的动能和电磁功率均消耗在电阻上,适用于快速停转并反转的场合,对设备冲击力大。
c、倒拉反转反接制动适用于低速下放重物。制动时在电路串入一个大电阻,此时电枢电流变小,电磁转矩变小。由于串入电阻很大,可以通过改变串入电阻值的大小来得到不同的下放速度。
反接制动时,切换极性相反的电源电压,使电枢回路内产生反向电流:反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路制动电阻上。
d、回馈制动。电动状态下运行的电动机,在某种条件下会出现由负载拖动电机运行的情况,此时出现 n >n0、Ea >U、 Ia 反向,电机由驱动变为制动。从能量方向看,电机处于发电状态——回馈制动状态。
正向回馈:当电机减速时,电机转速从高到低所释放的动能转变为电能,一部分消耗在电枢回路的电阻上,一部分返回电源;
反向回馈:电机拖位能负载(如下放重物)时,可能会出现这种状态。重物拖动电机超过给定速度运行,电机处于发电状态。电磁功率反向,功率回馈电源。
在实际应用中,很多情况下采用机械(抱闸)制动结合电磁制动的方法来进行制动,即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度(接近零速),然后再机械抱闸制动,这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。
二、 直流调速的主电路形式和整机构成
    直流电机需要直流电源的供给,这要求一个能将交流电转变为直流电的电源装置。另外,直流电机的起/停、保护、调速等控制,也常常与直流电源集成于一体,称为直流调速装置或直流调速器。
早期对直流电机的调速控制,用直流发电机作直流电机的直流电源,用接触器配合变阻箱实现直流电机的启/停控制和调速,系统繁杂、造价高。后期由于晶闸管等电力电子器件的成熟应用,出现了静止式直流调速装置,系统配置变得精简,而控制性能大幅度提升。国内外,有一些专业厂家,专门生产了专用于直流电机调速的系列产品,进口产品如英国欧陆传动系统有限公司生产的《590+直流数字式调速器》、ABB(瑞典阿西亚公司和瑞士的布朗勃法瑞公司合并而成)集团公司生产的《DCS400晶闸管变流器直流传动系统》等,国内生产厂家更是林林总总,不下数百家。其产品范围囊括了大、中、小功率,他励、自励直流电机的调速控制。
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