第2章直流電機(jī)的工作原理及拖動(dòng)

第2章直流電機(jī)工作原理及拖動(dòng)范國(guó)偉安徽工業(yè)大學(xué)直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)具有良好的起動(dòng)、制動(dòng)和調(diào)速性能；能夠快速地進(jìn)行起、制動(dòng)，正、反轉(zhuǎn)；能在十分寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)節(jié)速度。因此，在一些要求較高的電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在一些機(jī)床、軋鋼機(jī)、電氣牽引機(jī)車、汽車和起重機(jī)設(shè)備中，都采用了直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)。目前，雖然交流變頻調(diào)速正在發(fā)展，在一些領(lǐng)域中已經(jīng)取代了直流拖動(dòng)系統(tǒng)，但直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用仍占有一定的比例。

2.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)雖然比三相交流異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，因此，對(duì)調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械或者需要較大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機(jī)械往往采用直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用:（1）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床、礦山豎井提升機(jī)以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。（2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。2.1.1.直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子（又稱為電樞）兩大部分組成，直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱為定子，定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由機(jī)座、主磁極、換向級(jí)、端蓋、軸承和電刷裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱為轉(zhuǎn)子，其主要作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱為電樞，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵芯、電樞繞組、換向器和散熱風(fēng)扇等組成。直流電機(jī)裝配結(jié)構(gòu)圖1－換向器2－電刷裝置3－機(jī)座4－主磁極5－換向極6－端蓋7－風(fēng)扇8－電樞繞組9－電樞鐵心2.1.2．直流電機(jī)的分類直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)和復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)四種。

2.1.3．直流電機(jī)的額定值直流電機(jī)的額定值主要有下列幾項(xiàng)：(1)額定功率PN額定功率是指電機(jī)按照規(guī)定工作方式運(yùn)行時(shí)所能提供的輸出功率。對(duì)于電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率；對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，額定功率是指電刷端輸出的電功率。單位為kW(千瓦)。(2)額定電壓UN額定電壓是電機(jī)電樞繞組能夠安全工作的最大外加電壓或輸出電壓，單位為V（伏）。(3)額定電流IN額定電流是電機(jī)按照規(guī)定的工作方式運(yùn)行時(shí)，電樞繞組允許流過(guò)的最大電流，單位為A（安培）。(4)額定轉(zhuǎn)速nN額定轉(zhuǎn)速是指電機(jī)在額定電壓、額定電流和輸出額定功率的情況下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度，單位為r/min（轉(zhuǎn)/分）2.2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)是從電樞端輸入直流電流，將電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能從轉(zhuǎn)軸上輸出。從電樞端輸入直流電流，借助于換向器和電樞的作用，使直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組流過(guò)方向交換變化的電流，載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中將受電磁力的作用，從而使電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變，確保直流電動(dòng)機(jī)朝確定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。直流發(fā)電機(jī)的工作原理同直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也是交變的，而通過(guò)換向器和電刷的整流作用，在電刷A、B上輸出的電動(dòng)勢(shì)是極性不變的直流電動(dòng)勢(shì)。在電刷A、B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給直流電能。這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。電機(jī)的可逆原理一臺(tái)直流電機(jī)原則上可以作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，取決于外界輸入能量的不同條件。將直流電流施加于電刷，輸入電能，電機(jī)能將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械旋轉(zhuǎn)，成為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行；如用原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，輸入機(jī)械能，電樞繞組便能切割磁場(chǎng)的磁磁感應(yīng)線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，電機(jī)能將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，從電刷端引出直流電動(dòng)勢(shì)，作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。2.3直流電機(jī)的感應(yīng)電勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩為何稱直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子為電樞呢？因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的轉(zhuǎn)子是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。直流電動(dòng)機(jī)輸入電能到轉(zhuǎn)子繞組，轉(zhuǎn)換成機(jī)械能從轉(zhuǎn)軸輸出帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械；若是直流發(fā)電機(jī)即是輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子繞組，切割定子磁場(chǎng)的磁感應(yīng)線產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)輸出電能。2.3.1直流電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)當(dāng)電樞通電以后，電動(dòng)機(jī)在電磁轉(zhuǎn)矩作用下逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞上的導(dǎo)體就要切割磁力線。根據(jù)電磁感應(yīng)理論，導(dǎo)體內(nèi)要產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。但是由于電動(dòng)機(jī)內(nèi)各繞組導(dǎo)體分布在氣隙磁場(chǎng)的不同位置，因此各個(gè)導(dǎo)體的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是不同的。為了方便說(shuō)明，應(yīng)先求出氣隙磁場(chǎng)中的平均磁感應(yīng)強(qiáng)度，然后再求出每根導(dǎo)體中的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，進(jìn)而求得電樞電動(dòng)勢(shì)Ea。Ea=Ce

nCe=Np/60a2.3.2直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組中的電流（電樞電流Ia）與磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩公式為：T=CTIaCT=Np/2πa電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡。2.6他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性所謂直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性就是電機(jī)的轉(zhuǎn)速n隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩T的變化情況，研究電機(jī)轉(zhuǎn)速變化能夠有助于更好地控制電機(jī)按照生產(chǎn)工藝的要求拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，高效率、低損耗地運(yùn)行。2.6.1.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程是由感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方程、電磁轉(zhuǎn)矩方程和電壓平衡方程推導(dǎo)出來(lái)的，即：式中：n——直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；Ua——直流電動(dòng)機(jī)電樞端施加的直流電壓；Ra——直流電動(dòng)機(jī)電樞內(nèi)的等值電阻；n0——直流電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速；△n——直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速降；β——轉(zhuǎn)速變化的斜率。2.6.2.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)自然機(jī)械特性若直流電動(dòng)機(jī)滿足以下條件情況時(shí)的機(jī)械特性稱為自然特性或者固有特性。即滿足：①電樞繞組施加的電壓為額定的；即Ua＝UN②定子主極磁通為額定的；即Φ＝ΦN（對(duì)于他勵(lì)電機(jī)勵(lì)磁電流是額定）③電樞回路不外串電阻。2.6.3.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)人為機(jī)械特性若改變上述條件之一帶來(lái)的機(jī)械特性稱為人為的機(jī)械特性。因此分別改變上面三個(gè)條件就得到三種人為的機(jī)械特性，下面我們來(lái)看看這些人為機(jī)械特性的具體情況。1、直流電動(dòng)機(jī)降壓人為機(jī)械特性改變電樞電壓時(shí)，為了不使電機(jī)發(fā)熱，一般只能從額定電壓UN往下降。降低電樞電壓時(shí)只有n0下降，而直線的斜率β不變，因此降壓人為特性是一組平行線。

2、直流電動(dòng)機(jī)串電阻人為機(jī)械特性在直流電動(dòng)機(jī)電樞回路外串電阻后，從直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程中可以看出：理想的空載轉(zhuǎn)速n0不變，只有斜率β發(fā)生變化，大小隨著所串電阻RΩ的阻值大小變化。因此串電阻人為特性是一組射線。3、直流電動(dòng)機(jī)弱磁人為機(jī)械特性改變直流電動(dòng)機(jī)定子主極的磁通也只能從額定磁通往下降低（因?yàn)殡姍C(jī)的額定磁通通常都設(shè)定近飽和區(qū)域），所以稱為弱磁人為機(jī)械特性。同樣，降低磁通后從直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程中可以看出：理想的空載轉(zhuǎn)速n0和斜率β都變大2.7直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)把帶有負(fù)載的電動(dòng)機(jī)從靜止起動(dòng)到某一穩(wěn)定速度的過(guò)程為起動(dòng)過(guò)程。電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，必須先保證有磁場(chǎng)(即先通勵(lì)磁電流)，而后加電樞電壓。2.7.1.直流電動(dòng)機(jī)的直接起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)直接起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流很大，達(dá)到額定電流的10～20倍，因此必須限制起動(dòng)電流。這種情況下電動(dòng)機(jī)的換向情況惡化，在換向器表面產(chǎn)生過(guò)大的火花，嚴(yán)重時(shí)甚至產(chǎn)生“環(huán)火”。過(guò)大的電流沖擊和轉(zhuǎn)矩沖擊，對(duì)電網(wǎng)及拖動(dòng)系統(tǒng)是有害的。因此在起動(dòng)時(shí)，必須設(shè)法限制電樞電流。為了限制起動(dòng)電流，一般采取兩種方法：串電阻起動(dòng)和降低電樞電壓起動(dòng)。2.7.2直流電動(dòng)機(jī)的串電阻起動(dòng)一種方法是在電樞電路內(nèi)串入適當(dāng)?shù)耐饧与娮?，?lái)限制起動(dòng)瞬時(shí)的過(guò)大的起動(dòng)電流，待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速逐漸升高，反電動(dòng)勢(shì)增大，電樞電流相對(duì)減小后再逐級(jí)切除外加電阻，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速。這種電阻專為限制起動(dòng)電流用，又稱為起動(dòng)電阻。要滿足以上電樞回路串接電阻分級(jí)起動(dòng)的要求，需要選擇合適的各級(jí)起動(dòng)電阻。原則上根據(jù)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程可以分段計(jì)算。2.7.3直流電動(dòng)機(jī)降低電樞電壓起動(dòng)另一種方法是降低電樞電壓的降壓起動(dòng)。這種起動(dòng)方法的基本思想是：在起動(dòng)瞬間反電動(dòng)勢(shì)很小，使外加電源電壓很低，這樣可防止產(chǎn)生過(guò)大的起動(dòng)電流。待電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速升高后，反電動(dòng)勢(shì)增大，電流降低，這時(shí)再逐漸增加電樞兩端的外加電壓，直到電動(dòng)機(jī)達(dá)到要求的轉(zhuǎn)速。若采用手工調(diào)節(jié)電壓Ua，電樞電壓不能升得太快，否則電流還會(huì)發(fā)生較大的沖擊。為了保證限制電樞電流，手工調(diào)節(jié)必須小心地進(jìn)行。在自動(dòng)化的系統(tǒng)中，電壓的調(diào)節(jié)及電流的限制靠一些環(huán)節(jié)自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，較為方便。這種方法適用于電動(dòng)機(jī)的直流電源是可調(diào)的。2.8直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的制動(dòng)有機(jī)械制動(dòng)和電氣制動(dòng)。機(jī)械制動(dòng)是利用摩擦產(chǎn)生阻力矩，需要換易損件；而電氣制動(dòng)是沒(méi)有這種情況，也容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)有能耗制動(dòng)、反接制動(dòng)和回饋制動(dòng)3種。2.8.1.直流電動(dòng)機(jī)的能耗制動(dòng)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)原來(lái)處于正向電動(dòng)狀態(tài)下運(yùn)行，若突然將電樞電源斷掉，轉(zhuǎn)而加到制動(dòng)電阻RK上，由于機(jī)械慣性而轉(zhuǎn)速n不變，從而電動(dòng)勢(shì)Ea亦不變。在電樞回路中靠Ea產(chǎn)生電樞電流Ia，其方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，那么電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩T亦與電動(dòng)時(shí)的轉(zhuǎn)矩方向相反，也與轉(zhuǎn)速n方向相反，即T起制動(dòng)作用，使系統(tǒng)減速，系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芟呐c電樞回路的電阻上，即處于能耗制動(dòng)狀態(tài)。能耗制動(dòng)過(guò)程中電動(dòng)機(jī)與電網(wǎng)隔開，所以不需要從電網(wǎng)輸入電功率，而拖動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩的電功率完全由拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能轉(zhuǎn)換而來(lái)，即完全消耗系統(tǒng)本身的動(dòng)能，能耗制動(dòng)的名稱就是由此而來(lái)。2.8.2直流電動(dòng)機(jī)的反接制動(dòng)對(duì)位能負(fù)載而言，反接制動(dòng)有兩種情況：一是轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)，另一是電壓反接的反接制動(dòng)。1、轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)當(dāng)直流電動(dòng)機(jī)原拖動(dòng)位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL正向電動(dòng)運(yùn)行在A點(diǎn)時(shí)，突然在電樞回路中串入電阻RK，此時(shí)電動(dòng)機(jī)由于系統(tǒng)動(dòng)能保持nA的轉(zhuǎn)速不變，從A點(diǎn)平移到B點(diǎn)，順著串電阻人為特性下降轉(zhuǎn)速，直至被位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL拖向反轉(zhuǎn)，至C點(diǎn)后穩(wěn)定運(yùn)行在-nC轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)又稱為倒拉式反接制動(dòng)。制動(dòng)時(shí)從電網(wǎng)輸入的電功率和位能負(fù)載的機(jī)械功率都轉(zhuǎn)換成電磁功率，兩者均消耗在電樞回路的電阻上。由此可見(jiàn)，轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)能耗很大。轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)通常應(yīng)用在起重機(jī)低速地下放重物。2、電樞電壓反接的反接制動(dòng)電樞電壓反接的反接制動(dòng)是在停車時(shí)將電樞繞組接線端從電源上斷開后立即與一個(gè)相反極性的電源相接，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩立即變?yōu)橹苿?dòng)轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)迅速減速至停轉(zhuǎn)。電樞電壓反接的反接制動(dòng)在制動(dòng)過(guò)程中要消耗較大的能量，從技術(shù)的觀點(diǎn)看，制動(dòng)效果較好，在整個(gè)制動(dòng)過(guò)程中制動(dòng)轉(zhuǎn)矩都很大，制動(dòng)時(shí)間比較短。若制動(dòng)到轉(zhuǎn)速n＝0時(shí)立即切斷電源，使得電動(dòng)機(jī)迅速停車。2.8.3.直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)電回饋制動(dòng)在上述電樞電壓反接的反接制動(dòng)到轉(zhuǎn)速n＝0時(shí)，如果不切斷電源，直流電動(dòng)機(jī)就會(huì)進(jìn)入反向起動(dòng)。轉(zhuǎn)速升到同步轉(zhuǎn)速-n0時(shí)，繼續(xù)被位能負(fù)載拖向大于n0的轉(zhuǎn)速，直至與負(fù)載轉(zhuǎn)矩的交點(diǎn)C，才穩(wěn)定運(yùn)行在-nC。在-n0與C點(diǎn)區(qū)域直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩T反向，此時(shí)發(fā)生的制動(dòng)稱為發(fā)電反饋制動(dòng)，又稱為回饋制動(dòng)。發(fā)電反饋制動(dòng)是在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速超過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組內(nèi)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)將高于外加電壓，使電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電狀態(tài)運(yùn)行，電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)分升高。發(fā)電回饋制動(dòng)通常應(yīng)用在起重裝置高速地下放重物。2.9直流電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)為了使產(chǎn)生機(jī)械以最合理的高速進(jìn)行工作，從而提高生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品具有較高的質(zhì)量，大量的生產(chǎn)機(jī)械(如各種機(jī)床，軋鋼機(jī)、造紙機(jī)、紡織機(jī)械等)要求在不同的情況下以不同的速度工作。這就需求采用一定的方法來(lái)改變生產(chǎn)機(jī)械的工作速度，以滿足生產(chǎn)的需要，這種方法通常稱為調(diào)速。2.9.1.調(diào)速的指標(biāo)在選擇和評(píng)價(jià)某種調(diào)速系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮下列指標(biāo)：調(diào)速范圍、調(diào)速的穩(wěn)定性及靜差度、調(diào)速的平滑性、調(diào)速的負(fù)載能力、經(jīng)濟(jì)性等。2.9.2.直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法有以下3種：改變磁通Φ調(diào)速、改變電樞電壓U調(diào)速和電樞串聯(lián)電阻調(diào)速1、電樞回路串接電阻調(diào)速由直流電動(dòng)機(jī)人為機(jī)械特性的可知，電樞回路串接電阻，不能改變理想空載轉(zhuǎn)速n0，只能改變機(jī)械特性的硬度。所串的附加電阻愈大，特性愈軟，在一定負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，轉(zhuǎn)速n也就愈低。電樞回路串接電阻調(diào)速的優(yōu)點(diǎn)是：方法較簡(jiǎn)單。但由于調(diào)速是有級(jí)的，調(diào)速的平滑性很差。一般只用少數(shù)的調(diào)速級(jí)數(shù)。再加上電能損耗較大，所以這種調(diào)速方法近來(lái)在較大容量的電動(dòng)機(jī)上很少使采用，只是在調(diào)速平滑性要求不高，低速工作時(shí)間不長(zhǎng)，采用其他調(diào)速方法又不值得的地方采用這種調(diào)速方法。

2、改變電源電壓調(diào)速采用降低電樞電壓