直流電動機(jī)與串勵直流電動機(jī)

1、直流電動機(jī)和串勵直流電動機(jī)直流電動機(jī)和串勵直流電動機(jī) 直流電動機(jī)具有電磁轉(zhuǎn)矩控制特性優(yōu)良、調(diào)速方便、控制技術(shù)成熟、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是效率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、維護(hù)麻煩。串勵直流電動機(jī)作為直流電動機(jī)的一種，具有其共性，但由于串勵直流電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩與電樞電流的平方成正比，比其他類型直流電動機(jī)大，廣泛應(yīng)用到鉆井機(jī)械和電力機(jī)車中。1 、直流電動機(jī)工作原理及調(diào)速方式11直流電動機(jī)的工作原理直流電動機(jī)基本結(jié)構(gòu)見圖31所示，主要結(jié)構(gòu)包括定子與轉(zhuǎn)子。定子為一凸極結(jié)構(gòu)，主要結(jié)構(gòu)包括主磁極、換向極、機(jī)座與電刷裝置等，主磁極上繞有勵磁繞組。電動機(jī)在正常工作時，定子保持靜止，勵磁繞組中通入電流，主要作用是產(chǎn)生固定磁場

2、。轉(zhuǎn)子主要由電樞鐵心、電樞繞組、轉(zhuǎn)軸與換向器等組成，旋轉(zhuǎn)的電樞繞組和換向器與靜止的電刷相連接，達(dá)到改變電樞繞組中電流方向的目的。1-1直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖1-2直流電動機(jī)工作原理圖直流電動機(jī)的工作原理見圖12所示。在電刷A、B的兩端施加直流電壓，且電刷A為“+，B為“一，則電樞繞組中電流i的方向?yàn)锳abcdB。主磁極上方為N極，下方為S極，根據(jù)電磁力定律可以得出載流導(dǎo)體ab，cd在磁場中所受到電磁力的大小為： f=Bil 式(31)式中，f為載流導(dǎo)體ab，cd在磁場中所受電磁力的大小，由左手定則來確定電磁力的方向；B為主磁極上勵磁繞組所產(chǎn)生的氣隙磁通的大小；i為電樞繞組內(nèi)直流電流的大小;l為載

3、流導(dǎo)體的有效長度。由圖12可見，通電導(dǎo)體ab與cd所受到的電磁力均為萬由左手定則可以判斷電磁力的方向，得出電磁轉(zhuǎn)矩方向都為順時針，該轉(zhuǎn)矩驅(qū)動電動機(jī)轉(zhuǎn)子克服負(fù)載的作用而旋轉(zhuǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)子上的換向片不與電刷接觸時，電樞繞組即圖中導(dǎo)體ab與cd內(nèi)電流為零，此時，轉(zhuǎn)子憑借機(jī)械慣性轉(zhuǎn)過該點(diǎn)繼續(xù)轉(zhuǎn)動，直到換向片與電刷再次接觸，則電樞繞組中電流f的方向?yàn)锳dcbaB。由電磁力定律可得，通電導(dǎo)體所受電磁轉(zhuǎn)矩的方向還是為順時針。由此可見，當(dāng)電刷A，B兩端所加直流電壓不變時，通過換向器的換向作用，旋轉(zhuǎn)的載流導(dǎo)體ab和cd中的電流方向交替變化，即N極下的電流方向始終為從外到里，S極下的電流方向始終從里到外。直流電動機(jī)所產(chǎn)

4、生電磁轉(zhuǎn)矩始終為順時針方向，從而驅(qū)動直流電動機(jī)正常工作。112直流電動機(jī)的調(diào)速方式及脈寬調(diào)制技術(shù)直流電動機(jī)的調(diào)速方式及脈寬調(diào)制技術(shù)直流電動機(jī)的調(diào)速方式可以由電動機(jī)電壓平衡方程式得到， 式1-2 式中，n為電動機(jī)轉(zhuǎn)速(rmin)；u為電動機(jī)電壓(V)；I為電樞電流(A)；R為電樞回路電阻； 為勵磁磁通(Wb)；Ce為電動機(jī)結(jié)構(gòu)決定的電動勢常數(shù)。在式(12)中，由于Ce是常數(shù)，電流I是由負(fù)載決定的，因此調(diào)節(jié)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速可以有以下三種方式：1)改變勵磁磁通 ；2)調(diào)節(jié)電樞回路電阻R； 3)調(diào)節(jié)電樞電壓U。 改變勵磁磁通能實(shí)現(xiàn)無極平滑調(diào)速，但調(diào)速范圍不大，通常只是配合調(diào)節(jié)電樞電壓方案，減小磁通量，在基

5、速以上小范圍的調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速；改變電阻只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，且屬于耗能型調(diào)速，通常不采用此調(diào)速方式。 調(diào)節(jié)電樞電壓可以實(shí)現(xiàn)電動機(jī)運(yùn)行的無級調(diào)速，且變化范圍較廣，能獲得良好的轉(zhuǎn)矩控制特性，故一般采用該方式實(shí)現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，變壓調(diào)速主要是應(yīng)用脈寬調(diào)制技術(shù)來實(shí)現(xiàn)的。脈寬調(diào)制調(diào)速又稱為斬波調(diào)速，基本原理是在直流電源電壓基本不變的情況下，通過控制信號改變功率開關(guān)器件導(dǎo)通與斷開時間的長短，使施加到電動機(jī)電樞兩端電壓的脈沖寬度得到變化，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電動機(jī)電樞電壓的目的。隨著全控型功率開關(guān)器件技術(shù)的發(fā)展，脈寬調(diào)制技術(shù)在電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中得到普及應(yīng)用。圖1-3 PWM調(diào)速電路示意圖 直流PWM調(diào)速控制電路見圖13所示。S

6、1為全控型功率開關(guān)器件，VDl為續(xù)流二極管，M為直流電動機(jī)。通過控制回路產(chǎn)生可控開關(guān)S1的控制信號，使其以固定的頻率重復(fù)地接通與斷開。當(dāng)開關(guān)閉合時，電壓U將直接施加到直流電動機(jī)兩端，電動機(jī)在電源作用下旋轉(zhuǎn)，同時電動機(jī)電樞電感儲存能量；當(dāng)開關(guān)斷開時，電動機(jī)兩端與電源斷開，此時電樞電感所儲存的能量將得到釋放，通過續(xù)流二極管使電動機(jī)電樞電流繼續(xù)維持，電樞電流仍然產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩使得電動機(jī)繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。由于PWM調(diào)制信號的頻率非常高，功率開關(guān)器件重復(fù)動作時，在電動機(jī)電樞兩端就形成了一系列脈沖幅度較小的電壓脈沖波形，由于機(jī)械部件存在較大的慣性，再影響到電動機(jī)的轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速脈沖幅度就更小，甚至可以忽略。在脈寬調(diào)制

7、調(diào)速控制中，電動機(jī)電樞電壓的平均值由電源電壓、脈沖周期以及開關(guān)管在每個周期內(nèi)所導(dǎo)通的時間所決定的，可以由下式表示，式子1-3式中a為占空比，也就是導(dǎo)通時間與脈沖周期T之比；U為電源電壓。式(13)表明，輸入到電樞繞組兩端的平均電壓由脈沖占空比a及電源電壓U所決定，并且與占空比成正比。改變占空比的大小就可以相應(yīng)地改變施加到電動機(jī)兩端的平均電壓，也就實(shí)現(xiàn)了直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速。 PWM信號產(chǎn)生電路主要有由脈沖寬度調(diào)制指令信號產(chǎn)生電路和恒頻波形發(fā)生器組成。恒頻波形發(fā)生器的作用是產(chǎn)生恒定頻率的振蕩波形作為載波，提供時間比較的基準(zhǔn)，以供指令信號與此波形進(jìn)行比較，該波形可以是鋸齒波，也可以是三角波。脈沖寬

8、度調(diào)制電路實(shí)際上是電壓脈寬轉(zhuǎn)換電路，一般由電壓比較器構(gòu)成。圖14是一個PWM信號產(chǎn)生電路結(jié)構(gòu)示意圖。PWM信號產(chǎn)生電路示意圖 圖1-4中函數(shù)發(fā)生器將產(chǎn)生一個頻率為廠的三角波或鋸齒波，與控制指令信號在比較器中比較后，即產(chǎn)生脈沖寬度變化正比于控制指令信號的調(diào)制開關(guān)信號。該開關(guān)信號即可以控制功率開關(guān)器件按照控制指令信號的變化而導(dǎo)通與關(guān)閉，進(jìn)而調(diào)節(jié)施加到電動機(jī)電樞兩端的電壓的平均值，實(shí)現(xiàn)變壓調(diào)速。12 串勵直流電動機(jī)的運(yùn)行特性及數(shù)學(xué)模型串勵直流電動機(jī)的運(yùn)行特性及數(shù)學(xué)模型121 串勵直流電動機(jī)的運(yùn)行特性串勵直流電動機(jī)的運(yùn)行特性 串勵直流電動機(jī)的運(yùn)行特性包括電動機(jī)的工作特性和機(jī)械特性。在電動機(jī)拖動系統(tǒng)中，

9、當(dāng)負(fù)載發(fā)生改變時，電動機(jī)的輸出機(jī)械功率也會隨負(fù)載的變化而改變。根據(jù)電動機(jī)運(yùn)行的電壓、功率、轉(zhuǎn)矩平衡規(guī)律，電動機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速n、輸出轉(zhuǎn)矩T、電樞電流Ia以及電動機(jī)的效率隨電動機(jī)輸出功率的變化而變化的規(guī)律稱為電動機(jī)的工作特性。串勵電動機(jī)的工作特性主要包括轉(zhuǎn)速特性和轉(zhuǎn)矩特性。下面分別對串勵直流電動機(jī)的三種運(yùn)行特性進(jìn)行分析。1)轉(zhuǎn)速特性串勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)電動機(jī)電壓為額定電壓時，輸出轉(zhuǎn)速n與電樞電流Ia之間的關(guān)系串勵直流電動機(jī)原理圖串勵直流電動機(jī)的電路原理如上圖所示。如果不計(jì)磁路磁通量的飽和，串勵直流電動機(jī)的氣隙磁通與電樞電流和勵磁電流I成正，即：由上式可以看出，串勵直流電動機(jī)的氣隙磁通函隨電

10、樞電流而變化，這是它的主要特點(diǎn)。在電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，如果不計(jì)電刷的接觸壓降，根據(jù)直流電動機(jī)電壓平衡方程式，可得轉(zhuǎn)速特性：式子1-4式子1-5由上式可見，當(dāng)電樞電流I增加時，如果氣隙磁通不變，轉(zhuǎn)速n將隨電樞電流的增加而直線下降。由于他勵直流電動機(jī)電樞回路電阻R的值很小，轉(zhuǎn)速下降不多。如果考慮去磁的電樞反應(yīng)，磁通變小，轉(zhuǎn)速下降會更小些。2)轉(zhuǎn)矩特性串勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性是指電動機(jī)輸出電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系。電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系為：式子1-6將式(1-4)代入轉(zhuǎn)矩公式(1-6)，得豐勵直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程為：式子1-7圖1-6串勵直流電動機(jī)工作特性圖其轉(zhuǎn)矩特性見圖1-6所示。由

11、式(1-7)可知，當(dāng)氣隙磁通量不變時，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流I成正比。實(shí)際上，隨著電樞電流的增加，氣隙磁通必略有減少。因此，轉(zhuǎn)矩特性略有減小。見圖3-6所示，電動機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩正比于電樞電流的平方，即隨著電流的增加，轉(zhuǎn)矩將呈平方倍增加，所以串勵電動機(jī)與其他類型的電動機(jī)相比，在啟動電流一樣的情況下，啟動轉(zhuǎn)矩較大，且過載能力也較強(qiáng)。3)機(jī)械特性串勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性是指當(dāng)電動機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時，電動機(jī)電壓達(dá)到額定電壓，勵磁電流達(dá)到額定電流時，電動機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速與輸出電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即 由電壓平衡方程、轉(zhuǎn)矩方程及電動勢方程 ，得到電動機(jī)轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩的關(guān)系為式子1-8圖37串勵直流電動機(jī)的機(jī)械特性圖由上式可以看出，當(dāng)串勵直流電動機(jī)的勵磁磁通為額定磁通時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速與輸出轉(zhuǎn)矩成反比關(guān)系，其關(guān)系曲線見圖37所示。由圖示可以看出隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)速下降很快。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩較小時，由于氣隙磁通的減小，轉(zhuǎn)速迅速增大，轉(zhuǎn)矩為零時，理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大，所以串勵直流電動機(jī)不允許空載運(yùn)行。電動機(jī)的機(jī)械特性反映了電動機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)，決定著電動機(jī)拖動系統(tǒng)的動態(tài)過渡過程。122 串勵直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型為了研究串勵直流電動機(jī)的調(diào)速特性，首