直流電機(jī)調(diào)速方法

直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)姓名：李相鋒班級(jí)：電氣自動(dòng)化2班學(xué)號(hào)：111102094直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)摘要：直流電動(dòng)機(jī)是實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和直流電能相互轉(zhuǎn)換的設(shè)備，直流電動(dòng)機(jī)具有可逆性，既可作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。要認(rèn)真學(xué)習(xí)直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。一什么是直流發(fā)電機(jī)，直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能的發(fā)電機(jī)。一般有永磁、他勵(lì)、并勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種類型。用電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞使之逆時(shí)針方向恒速轉(zhuǎn)動(dòng)，線圈邊ab和cd分別切割不同極性磁極下的磁力線，感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢。直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的交變電動(dòng)勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢因?yàn)殡娝通過換向片所引出的電動(dòng)勢始終是切割N極磁力線的線圈邊中的電動(dòng)勢。所以電刷A始終有正極性，同樣道理，電刷B始終有負(fù)極性。所以電刷端能引出方向不變但大小變化的脈動(dòng)電動(dòng)勢。2.直流電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)（1） 定子包括：主磁極：產(chǎn)生恒定的氣隙磁通，由鐵心和勵(lì)磁繞組構(gòu)成換向磁極：改善換向。電刷裝置：與換向片配合,完成直流與交流的互換機(jī)座和端蓋：起支撐和固定作用。（2） 轉(zhuǎn)子包括：電樞鐵心：主磁路的一部分，放置電樞繞組。電樞繞組：由帶絕緣的導(dǎo)線繞制而成，是電路部分。換向器：與電刷裝置配合,完成直流與交流的互換。轉(zhuǎn)軸和軸承二直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。

下圖為直流發(fā)電機(jī)的物理模型，N、S為定子磁極，abed是固定在可旋轉(zhuǎn)導(dǎo)磁圓柱體上的線圈，線圈連同導(dǎo)磁圓柱體稱為電機(jī)的轉(zhuǎn)子或電樞。線圈的首末端a、d連接到兩個(gè)相互絕緣并可隨線圈一同旋轉(zhuǎn)的換向片上。轉(zhuǎn)子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動(dòng)的電刷進(jìn)行的。換向需當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)ASB電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)同，線圈abed將感應(yīng)電動(dòng)勢。如圖，導(dǎo)體ab在換向需當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)ASB電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)同，線圈abed將感應(yīng)電動(dòng)勢。如圖，導(dǎo)體ab在N極下，a點(diǎn)高電位，b點(diǎn)低電位；導(dǎo)體ed在S極下,e點(diǎn)高電位,d點(diǎn)低電位；電刷A極性為正，電刷B極性為負(fù)。當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)后，導(dǎo)體ab在S極下，a點(diǎn)低電位，b點(diǎn)高電位；導(dǎo)體ed在N極下，e點(diǎn)低電位，d點(diǎn)高電位；電刷A極性仍為正，電刷B極性仍為負(fù)。與電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，與電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下，電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負(fù)的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動(dòng)勢。實(shí)際直流發(fā)電機(jī)的電樞是根據(jù)實(shí)際需要有多個(gè)線圈。線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置，按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機(jī)的電樞繞組。磁極也是根據(jù)需要N、S極交替旋轉(zhuǎn)多對(duì)。二、直流電動(dòng)機(jī)工作原理直流電動(dòng)機(jī)是將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能的旋轉(zhuǎn)機(jī)械。把電刷A、B接到直流電源上，電刷A接正極，電刷B接負(fù)極。此時(shí)電樞線圈中

將電流流過。在磁場作用下，N極性下導(dǎo)體ab受力方向從右向左，S極下導(dǎo)體cd受力方向從左向右。該電磁力形成逆時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖:三直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法及調(diào)速過程：直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為式中Ua 電樞供電電壓（V）；Ia——電樞電流（A）；e—?jiǎng)?lì)磁磁通(wb)；Ra 電樞回路總電阻(Q)；J旦CE 電勢系數(shù)， ，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，N為導(dǎo)體數(shù)。由式1可以看出，式中Ua、Ra、e三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：改變電樞回路總電阻Ra；；(2)改變電樞供電電壓Ua；(3)改變勵(lì)磁磁通e。改變電樞回路電阻調(diào)速各種直流電動(dòng)機(jī)都可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速，如圖1(a)所示。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為廠久-血(此+弘)(2)式中Rw為電樞回路中的外接電阻(Q)。圖1(a)改變電樞電阻調(diào)速電路圖1(b)改變電樞電阻調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻Rw的增大，電樞回路總電阻R=(Ra+Rw)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低。其機(jī)械特性如圖1(b)所示。Rw的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般約為2：1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。改變電樞電壓調(diào)速連續(xù)改變電樞供電電壓，可以使直流電動(dòng)機(jī)在很寬的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。如前所述，改變電樞供電電壓的方法有兩種，一種是采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電的調(diào)速系統(tǒng)；另一種是采用晶閘管變流器供電的調(diào)速系統(tǒng)。介紹這兩種調(diào)速系統(tǒng)：1.采用發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速方法圖2(a)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)調(diào)速電路(b)發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速時(shí)的機(jī)械特性如圖2(a)所示，通過改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流IF來改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓Ua,從而改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n。在不同的電樞電壓Ua時(shí)，其得到的機(jī)械特性便是一簇完全平行的直線，如圖2(b)所示。由于電動(dòng)機(jī)既可以工作在電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，又可以工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)，所以改變發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流的方向，如圖2(a)中切換接觸器ZC和FC，就可以使系統(tǒng)很方便地工作在任意四個(gè)象限內(nèi)。由圖可知，這種調(diào)速方法需要兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)和另一臺(tái)容量小一些的勵(lì)磁發(fā)電機(jī)(LF)，因而設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、安裝需打基礎(chǔ)、運(yùn)行噪聲大、維護(hù)不方便。為克服這些缺點(diǎn)，50年代開始采用水銀整流器(大容量)和閘流管這樣的靜止交流裝置來代替上述的旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組。目前已被更經(jīng)濟(jì)、可靠的晶閘管變流裝置所取代。2.采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法圖3(a)晶閘管供電的調(diào)速電路(b)晶閘管供電時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性有晶閘管變流器供電的調(diào)速電路如圖3(a)所示。通過調(diào)節(jié)觸發(fā)器的控制電壓來移動(dòng)觸發(fā)脈沖的相位，即可改變整流電壓，從而實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。在此調(diào)速方法下可得到與發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組調(diào)速系統(tǒng)類似的調(diào)速特性。其開環(huán)機(jī)械特性示于圖3(b)中。圖3(b)中的每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較硬，改變延遲角a時(shí)，特性呈一簇平行的直線，它和發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電時(shí)的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢負(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。在此方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響(也就是假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]自冷式)，則不論在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá)50:1?150：1,甚至更大。采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史久遠(yuǎn)，但因缺乏高速大功率開關(guān)器件而未能及時(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。今年來，由于大功率晶體管(GTR),特別是IGBT功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過幾十兆瓦數(shù)量級(jí)。改變勵(lì)磁電流調(diào)速當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式1可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通e(也就是勵(lì)磁電流)成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩Te是磁通e和電樞電流Ia的乘積(即Te=CTela)，電樞電流不變時(shí)，隨著磁通e的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通e的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基速以上調(diào)速時(shí)才采用這種調(diào)速方法。采用弱磁調(diào)速時(shí)的范圍一般為1.5:1?3:1,特殊電動(dòng)機(jī)可達(dá)到5:1。這種調(diào)速電路的實(shí)現(xiàn)很簡單，只要在勵(lì)磁繞組上加一個(gè)獨(dú)立可調(diào)的電源供電即可實(shí)現(xiàn)?！?.32】他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)為PN=30kW,UN=220V,IN=NNN158.5A,n=1000rmin,R=0.10,T=0.8T,求:(1)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)NaLN速;(2)電樞回路串入0.30電阻時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速；(3)電壓降至188V時(shí)，降壓瞬間的電樞電流和降壓后的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速;(4)將磁通減弱至80%0n時(shí)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速。解:(1)C0N(URI)/n=0.204eN= URI Nnann=(U-RI)/C0=(U-0.8RI)/C0=1016rminNaa eN N aN eN(2)n=(UN-0.8(Ra+RS)IN)/Ce0

220-0.8x(0.1+0.3)x158.5=830rmin0.204(3)降壓瞬間n不突變,E不突變，電流突變?yōu)?I=(U-I=(U-E)/R=(U-C0aaaen)/R=Na188-0.204x10160.1A=-193A穩(wěn)態(tài)后電流I恢復(fù)到原來值(0.8I),穩(wěn)態(tài)后轉(zhuǎn)速為：aNn=(U-RI)/C0=188-0?8x0-1x158-5r