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            直流電機的結構和控制原理
            更新時間:[2012-05-25] 瀏覽次數:6166次
            一、 直流電機的結構和控制原理
                1、直流電機的工作原理概述:
            在電力拖動領域,隨著變頻器的出現形成交流調速技術的日漸成熟和低成本化,在不斷侵蝕著直流調速的“地盤”,但直到今天,直流調速仍固守著日漸縮小的“陣地”。直流電機具有調速性能好、調速方便平滑,調速裝置簡單、調范圍廣等特點,能承受頻繁沖擊負載、過載能力強(由變頻器和交流電機構成的交流調速系統,還有一定差距),能實現頻繁速啟、制動及逆向旋轉,能滿足各種機械負載的特性要求。直流電機的最大缺點,是因碳刷換向器的滑動電接觸方式和整體結構交流電動機更為復雜等原因造成的維護工作量較大,需定期更換碳刷等。
             
             
            直流電機的結構比交流電動機復雜得多,主要由:
            1)主磁極。由主磁極鐵芯及套裝在鐵芯上的勵磁線圈構成,作用是建立主磁場;
            2)機座。為主磁路的一部分,同時構成電機的結構框架,由厚鋼板或鑄鋼件構成;
            3)電樞鐵芯。為電樞繞組的支撐部件,也為主磁路的一部分,由硅鋼片疊壓而成;
            4)電樞繞組。直流電機的電路部分,由絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成;
            5)換向器。由許多鴿形尾的換向片排列成一個圓筒、片間用V形云母絕緣,兩端再用兩個形環夾緊而構成。用作直流發電機時,稱整流子,起整流作用;用于直流電動機時,用于(逆變)換向;
            6)電刷裝置。由電刷、刷盒、刷桿和連線等構成,是電樞電路的引出(或引入)裝置。
            7)換向極。由鐵芯和繞組構成,起改善換向,氣隙磁場勻稱等作用。
            直流電機是將電源電能轉變為軸上輸出的機械能的電磁轉換裝置。由定子繞組通入直流勵磁電流,產生勵磁磁場,主電路引入直流電源,經碳刷(電刷)傳給換向器,再經換向器將此直流電轉化為交流電,引入電樞繞組,產生電樞電流(電樞磁場),電樞磁場與勵磁磁場合成氣隙磁場,電樞繞組切割合成氣隙磁場,產生電磁轉矩。這是直流電機的基本工作原理。
             
            上圖為簡單的兩極直流電機模型,由主磁極(勵磁線圈)、電樞(電樞線圈)、電刷和換向片等組成。固定部分(定子)上,裝設了一對直流勵磁的靜止的主磁級N、S,主磁級由勵磁線圈的磁場產生;旋轉部分(轉子)上,裝調電樞鐵芯與電樞繞組。電樞電流由外供直流電源所產生。定子和轉子之間有一氣隙。電樞線圈的首、末端分別連接于兩個圓弧型的換向片上,換向片之間互相絕緣,由換向片構成的整體稱為換向器。換向片固定在轉軸上,與轉軸也是絕緣的。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1、B2,當電樞旋轉時,電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接觸(引入外供直流電源)。因為主磁極的磁場方向是固定不變的(由接入勵磁電源極性所決定),要使電樞受到一個方向不變的電磁轉矩,關鍵在于:當線圈邊在不同極性的磁極下,如何將流過線圈中的電流方向極時地加以變換,即進行所謂“換向”,線圈中的電流所隨所處磁極極性的改變同時改變其方向,以確保線圈在不同磁極下的電流保持一個方向,從而使電磁轉矩的方向始終保持不變。
            一臺直流電機原則上既可以作為電動機運行,也可以作為發電機運行。這種原理在電機理論中被稱為可逆原理。當轉軸為原動機所拖動,電機繞組中產生交流電勢,經電刷輸出至外部負載電路,此時的換向器(換向器另一名稱又叫整流子),恰恰具有了“整流器的特性”,輸出電壓為直流電壓。本章內容只涉及到直流電動機。
            直流電機的實際構成比模型要復雜一些,比如增設了換向磁極(繞組)來改善換向,換向極繞組與電樞繞組相串聯。增設補償繞組(與電樞繞組相串聯),二者的作用都起到減輕合成氣隙磁場的畸變和減小電刷火花(環火)的作用。
            2、直流電機的勵磁方式:
            直流電動機按勵磁方式分類,有他勵和自勵兩種。他勵指勵磁與電樞回路在電氣上相獨立,自勵則兩者有直接的電氣聯系。自勵多應用于小功率電機,而他勵方式則多應用于中、大功率電機。自勵的勵磁方式又包括:并勵、串勵、復勵等,其中復勵又有積復勵和差復勵之分。直流電機的勵磁方式如下圖所示:
             
            上圖中,Ia為電樞電流,Ea為電樞反電勢;Ff為他勵和并勵方式下勵磁電流;Fs為串勵各復勵方式下的串勵電流。
            圖(a)為他勵方式,勵磁繞組與電樞繞組無聯接關系,用外加電流進行勵磁。其它為自勵方式,與電樞繞組共用電源勵磁。其中(b1)為并勵方式,勵磁繞組與電樞繞組共用同一直流電源,并且勵磁繞組與電樞繞組呈并聯關系。在性能上講,他勵與并勵電機性能接近,具有較硬的機械特性,轉速隨負載變化小,磁通為一常值,轉矩隨電樞電流成正比變化。但起動轉矩小于串勵電機,適用于轉速要求穩定,而對起動轉矩無特別要求的負載。圖(b2)為串勵方式。勵磁線圈與電樞線圈相串聯并共用電源,勵磁電流即為電樞電流。串勵直流電機具有軟的機械特性,轉速隨負載的輕重變化較大,轉矩近乎與電樞電流的平方成正比。起動轉矩較他勵、并勵直流電機大,適用于要求起動轉矩特別大,而對轉速的穩定無要求的負載。圖(b3a)、(b3b)為復勵方式,復勵直流電機有復勵和串勵兩個勵磁繞組,一為與電樞并聯的并勵繞組,一為與電樞串聯的串勵繞組。若串勵繞組產生的磁通勢與并勵繞組產生的磁通勢方向相同稱為積復勵。若相反,稱為差復勵。復勵直流電機具有并勵和串勵電機的“折中或復合”特點,其特性介于并勵和復勵電機之間。
            直流電機的運行注意事項(由運行特性和轉矩特性所決定):
            1)并勵直流電機的勵磁繞組在運行中不能斷開,否則易發生飛車;
            2)它勵直流電機的勵磁電流在運行中不能太小,易超速運行;
            3)串勵電機則不允許空載運行,易發生飛車。
            直流電機的額定值有:
            1)額定功率PN:指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時,電機的輸出功率,以kW為單位。對電動機而言,額定功率并不是指所消耗電功率,而是指輸出(軸)的機械功率;
            2)額定電壓UN:對他勵電機而言,有額定電樞電壓和額定勵磁電壓之分。對自勵電機,對自勵電機而言,指電源電壓,以V為單位;
            3)額定電流IN:對他勵電機而言,有電樞額定電流和勵磁額定電流之分。對自勵電機,則指從電源線進入的電流值,以A為單位;
            4)額定轉速nN:指額定狀態下運行時轉子的轉速。對他勵電機而言,有基速和最高轉速之分。對自勵電機,則為最高轉速,以r/min為單位。
            5)勵磁方式,指電動機勵磁繞組的連接和供電方式,有他勵、自勵等5種連接方式。
            6)其它。如工作方式、溫升、絕緣等級等。
            3、直流電機的出線端標志:
            表 1 直流電動機出線端標志
             
            4、電機旋轉方向的改變方法:
            直流電動機電樞的轉動方向是由電樞導體的電流方向和勵磁繞組電流產生的磁場方向決定的,只要改變其中一個方向,電機的轉向便可改變,因此有以下兩種改變電樞轉向的方法。
            1)電樞繞組中電流方向改變。也就是施加在電樞繞組上的電源極性改變,而保持勵磁磁場方向不變;
            2)勵磁繞組中電流方向改變,使勵磁磁場方向改變,而電樞電流方向不變。
            通常是采用第一種方法,因為在運行中切換勵磁電流方向時,易產生勵磁供電消失,勵磁電流為0而造成飛車的現象。
            5、直流電機的調速方式和調速方法:
            直流電機的調速方法從本質上講,只有兩種,一種為改變電源參數,使電樞電流或勵磁電流變化來實施調速,一種為改變電機參數進行調速,如改變電樞繞組的串、并聯電阻或改變勵磁繞組的匝數等。
            1)串勵電機的調速方法。串勵電機的磁通是由電樞電流決定的,當負載增大時,電樞電流增大,磁通也增加,但電流與磁通不是正關系。這是因為當電流大至一定程度時,因鐵芯磁飽合,電流雖繼續上升,但磁通量不再上升的緣故。
            a、改變電源電壓進行調速,將供電電壓調低時,電機轉速下降,為向下調速。
            b、改變電樞串聯電阻進行調速,串聯電阻阻值增大,電樞電流減小,速度下降。為向下調速。
            2)復勵直流電機的調速方法。復勵直流電動機有兩套勵磁繞組,一套為串勵繞組,一套為并勵繞組,根據兩套繞組不同的連接和不同匝數,可以得到不同的工作特性。其調速方法不四種:
            a、改變電源電壓,向下調速;
            b、改變勵磁繞組磁通(如調節勵磁線圈匝數),弱磁(向上)調速;
            c、改變電樞串聯電阻的阻值,向下調速;
            d、改變電樞回路并聯電阻的阻值,向下調速。
            廣泛采用降低電源電壓向下調速和減弱磁通向上調速的雙向調速方法。
            3)并勵直流電機的調速方法。要改變電機的轉速,只好改變外施電壓U、改變磁通Φ或發放電樞回路電阻,即可。但第三種方法,因電阻本身的功耗較大,僅適用于小功率直流電機。
            a、使磁通和電樞回路的電阻不變,靠調節電源電壓來調速,即降低額定電壓進行降速調節,電機的轉速與外施電壓成正比,又稱為恒轉矩調速方式,調速范圍大;
            b、電源電壓和電樞回路電阻不變,用改變勵磁磁通進行調速,調節勵磁電流,使磁通變化,是減弱磁通量進行的升速調節,又稱為弱磁調速和恒功率調速,因換向和機械強度等原因,調速(升速)范圍受限,一般允許升速1.2~1.5倍;
            c、電源電壓和磁通不變,在電樞回路中串/并聯電阻進行調速,為調速調節。調速范圍小,功耗大,調速不平滑,采用較少。
            4)他勵直流電機的調速方法。
            他勵直流電機的調速方法,同并勵電機的三種調速方法,但他勵直流電機的勵磁繞組與電樞繞組是獨立的,因而在調節上更具靈活性,可以采用獨立固定或可調勵磁電源。
            常用調速方法有兩種。
            a、固定勵磁電壓/電流為最大并維持恒定,改變電樞回路供電電壓,為恒轉矩(恒磁通)降速運行調節,調速范圍為零速至基速;
            b、固定電樞電源(最大)電壓并維持恒定,降低勵磁電流使電機在基速的基礎上升速運行,又稱為弱磁調速。調速范圍為基速至最高速。
             
             
            圖  4 他勵(并勵)直流電機的調速曲線圖
            6、直流電機的四象限運行:
            直流電機與交流電機一樣,也有兩種運行方式:電動運行和制動運行。如果再以正、反轉來分的話,則分為正轉運行、正轉制動運行和反轉運行、反轉制動運行四種運行方式。如果以坐標形式來表示的話,則稱為電機的四象限運行坐標,見下圖4-5 各種運行方式的機械特性曲線。
            當電機正向運行時,其機械特性是一條橫跨1、2、4象限的直線。其中1象限為電動運行狀態,電磁轉矩方向與旋轉方向相同,第2、4象限為制動運行狀態,在此狀態內是產生一個與轉向方向相反的阻力矩,以使拖動系統迅速停車或限制轉速的升高。制動狀態下轉矩的方向與轉速的方向相反,此時電機從軸上吸收機械能并轉化為電能消耗于電樞回路電路或回饋于電源。第3象限為反向電動運行。

            圖  5 各種運行方式的機械特性曲線
             
            當電磁轉矩TM與轉速n同方向,TM是拖動負載運動的,所以電機運行曲線處于1、3象限,1象限為電機正向運行,3象限為電機反向運行;當TM與轉速n的方向相反時,表示電機機處于制動運行方式,其機械特性曲線在坐標的2、4象限內,2象限內為電機正向制動,包含能耗制動過程(OA線段)、電源反接制動過程(-TMB線段)和正向回饋制動過程(-n0C)線段;處于第四象限時為電機反向制動,也包含能耗制動過程(OD線段)、倒拉反接制動過程(TME線段)和反向回饋過程(-n0F線段)。
            7、直流電機的啟動、停止和制動控制:
            直流電機從接入電源開始,電樞由靜止開始轉動到額定轉速的過程,稱為啟動過程。要求啟動時間短、啟動轉矩大、啟動電流小。啟動的要求是矛盾的,比如,用逐漸提升供電電壓實施軟起動,來降低起動電流,但啟動時間又會加長;加大啟動轉矩,又勢必增大的啟動電流等。因而要根據實際應用和配置情況,對啟動問題綜合考慮。
            1)啟動方式:
            a、直接啟動。只適用于小型直流電機。啟動方法是先給電機加勵磁,并調節勵磁電流達到最大,當勵磁磁場建立后,再使電樞繞組直接加上額定電壓,電機開始啟動。在啟動過程中,電樞中最大沖擊電流,稱為啟動電流。直流啟動,因啟動電流大,電氣和機械沖擊大等缺點,應用較少;
            b、早期采用變阻器啟動,電動機在啟動時在電樞回路中串入變阻器,用接觸器觸點切換電阻只數,限制啟動電流。將啟動電流限制在2位額定電流以內。后期采用晶閘管電子電力技術,用改變電樞電壓的方式實現了軟起動。
            2)停止方式:
            a、自由停車。直流電機的電源關斷后,電機按運轉慣性自由停車;
            b、施加制動(剎車)措施,如機械抱閘剎車、能耗制動、反接制動等使其快速停車。
            3)直流電機的制動方式和方法:
            電動機的電磁轉矩方向與旋轉方向相反時,就稱為電動機處于制動狀態。
            制動的目的:使電動機減速或停車、限制電動機轉速的升高(如電車下坡)。
            機械抱閘制動也是一種制動(剎車)方式,但不屬電機運行特性的范疇。屬于電機運行特性的制動方式和方法有以下四種,有時也統稱為電磁制動方式。
            a、能耗制動。指運行中的直流電機突然斷開電樞電源,然后在電樞回路串入制動電阻,使電樞繞組的慣性能量消耗在電阻上,使電機快速制動。由于電壓和輸入功率都為0,所以制動平衡,線路簡單;
            b、反接制動。為了實現快速停車,突然把正在運行的電動機的電樞電壓反接,并在電樞回路中串入電阻,稱為電源反接制動。制動期間電源仍輸入功率,負載釋放的動能和電磁功率均消耗在電阻上,適用于快速停轉并反轉的場合,對設備沖擊力大。
            c、倒拉反轉反接制動適用于低速下放重物。制動時在電路串入一個大電阻,此時電樞電流變小,電磁轉矩變小。由于串入電阻很大,可以通過改變串入電阻值的大小來得到不同的下放速度。
            反接制動時,切換極性相反的電源電壓,使電樞回路內產生反向電流:反接制動時,從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉變成的電功率一起消耗在電樞回路制動電阻上。
            d、回饋制動。電動狀態下運行的電動機,在某種條件下會出現由負載拖動電機運行的情況,此時出現 n >n0、Ea >U、 Ia 反向,電機由驅動變為制動。從能量方向看,電機處于發電狀態——回饋制動狀態。
            正向回饋:當電機減速時,電機轉速從高到低所釋放的動能轉變為電能,一部分消耗在電樞回路的電阻上,一部分返回電源;
            反向回饋:電機拖位能負載(如下放重物)時,可能會出現這種狀態。重物拖動電機超過給定速度運行,電機處于發電狀態。電磁功率反向,功率回饋電源。
            在實際應用中,很多情況下采用機械(抱閘)制動結合電磁制動的方法來進行制動,即先通過電磁制動將電機轉速降到一個比較低的速度(接近零速),然后再機械抱閘制動,這樣既避免了機械沖擊又有比較好的制動效果。
            二、 直流調速的主電路形式和整機構成
                直流電機需要直流電源的供給,這要求一個能將交流電轉變為直流電的電源裝置。另外,直流電機的起/停、保護、調速等控制,也常常與直流電源集成于一體,稱為直流調速裝置或直流調速器。
            早期對直流電機的調速控制,用直流發電機作直流電機的直流電源,用接觸器配合變阻箱實現直流電機的啟/?刂坪驼{速,系統繁雜、造價高。后期由于晶閘管等電力電子器件的成熟應用,出現了靜止式直流調速裝置,系統配置變得精簡,而控制性能大幅度提升。國內外,有一些專業廠家,專門生產了專用于直流電機調速的系列產品,進口產品如英國歐陸傳動系統有限公司生產的《590+直流數字式調速器》、ABB(瑞典阿西亞公司和瑞士的布朗勃法瑞公司合并而成)集團公司生產的《DCS400晶閘管變流器直流傳動系統》等,國內生產廠家更是林林總總,不下數百家。其產品范圍囊括了大、中、小功率,他勵、自勵直流電機的調速控制。
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