【文章內(nèi)容簡介】 和摩擦系數(shù)有關(guān)，而與運動速度無關(guān)。 圖 122 阻力性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 圖 123位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 (2)位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性 位能性恒轉(zhuǎn)矩負載的特點是工作機構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對值是恒定的，而且方向不變 (與運動方向無關(guān) )，總是沿重力作用方向。如圖 124所示的起重機械，當 n0時， TL0，是阻礙運動的制動轉(zhuǎn)矩；當 n0時， TL0，是幫助運動的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，其機械特性如圖 123所示，位于第 I、第 Ⅳ 象限。起重機提升和下放重物就屬于這個類型。 2．恒功率負載特性 某些車床，在粗加工時，切削量大，切削阻力大，這時工作在低速狀態(tài)；而在精加工時，切削量小，切削阻力小，往往工作在高速狀態(tài)。因此，在不同轉(zhuǎn)速下，負載轉(zhuǎn)矩基本上與轉(zhuǎn)速成反比，而機械功率 PL∝ n TL=常數(shù)，稱為恒功率負載，其負載轉(zhuǎn)矩特性如圖 125所示。軋鋼機軋制鋼板時，工件尺寸較小則需要高速度低轉(zhuǎn)矩，工件尺寸較大則需要低速度高轉(zhuǎn)矩，這種工藝要求也是恒功率負載。 圖 124 起重機和電動葫蘆 圖 125 車床與恒功率負載特性 3．通風機型負載特性 水泵、油泵、鼓風機、電風扇和螺旋槳等，其轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即 TL∝ n2，此類稱之為通風機型負載，其負載特性如圖 126所示。 圖 126 鼓風機與通風機型負載特性 上述恒轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載以及通風機型負載，都是從各種實際負載中概括出來的典型的負載形式，實際上的負載可能是以某種典型負載形式為主，或某幾種典型負載形式的結(jié)合。例如，水泵主要是通風機型負載特性，但是軸承摩擦力又是阻力性的恒轉(zhuǎn)矩負載特性，只是運行時后者數(shù)值較小而已。再例如起重機在提升和下放重物時，主要是位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性，但各個運動部件的摩擦力又是阻力性恒轉(zhuǎn)矩負載特性。 三、他勵直流電動機的機械特性 他勵直流電動機的機械特性是指在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，轉(zhuǎn)速 n與電磁轉(zhuǎn)矩 T之間的關(guān)系特性，即 n=f（ T），或轉(zhuǎn)速 n與電樞電流 Ia的關(guān)系 n=f（ Ia），后者也就是轉(zhuǎn)速特性。機械特性將決定電動機穩(wěn)定運行、啟動、制動以及調(diào)速的工作情況。 1．固有機械特性 固有機械特性是指當電動機的工作電壓和磁通均為額定值時，電樞電路中沒有串入附加電阻時的機械特性，其方程式為 aNeaNeN IC RCUn ????固有機械特性如圖 127中 R=Ra的曲線所示，由于 Ra較小，故他勵直流電動機的固有機械特性較硬。圖中 n0為 T=0時的轉(zhuǎn)速，稱為理想空載轉(zhuǎn)速。 Δ nN為額定轉(zhuǎn)速降。 圖 127 他勵直流電動機固有機械特性 及串電阻時人為機械特性 圖 128 他勵直流電動機降壓時的人為機械特性 2．人為機械特性 人為機械特性是指人為地改變電動機參數(shù) (U、 R、 Φ) 而得到的機械特性，他勵電動機有以下三種人為機械特性。 (1)電樞串接電阻的人為機械特性 此時 U=UN， Φ=Φ N， R=Ra+Rpa。人為機械特性與固有特性相比，理想空載轉(zhuǎn)速 n0不變，但轉(zhuǎn)速降 Δ n相應增大， Rpa越大， Δ n越大，特性越“軟”，如圖 127中曲線 2所示?？梢?，電樞回路串入電阻后，在同樣大小的負載下，電動機的轉(zhuǎn)速將下降，穩(wěn)定在低速運行。 (2)改變電樞電壓時的人為機械特性 此時 Rpa=0， Φ=Φ N。由于電動機的電樞電壓一般以額定電壓 UN為上限，因此改變電壓，通常只能在低于額定電壓的范圍變化。 與固有機械特性相比，轉(zhuǎn)速降 Δ n不變，即機械特性曲線的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速 n0隨電壓成正比減小，因此降壓時的人為機械特性是低于固有機械特性曲線的一組平行直線，如圖 128所示。 (3)減弱磁通時的人為機械特性 減弱磁通可以在勵磁回路內(nèi)串接電阻 Rf或降低勵磁電壓 Uf，此時 U=UN，Rpa=0。因為 Φ是變量，所以 n=f（ Ia）和 n=f（ T）必須分開表示，其特性曲線分別如圖 129(a)和 (b)所示。 圖 129 他勵直流電動機減弱磁通時的人為機械特性 當減弱磁通時，理想空載轉(zhuǎn)速 n0增加，轉(zhuǎn)速降 Δ n也增加。通常在負載不是太大的情況下，減弱磁通可使他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速升高。 四、電動機的穩(wěn)定運行條件 電動機帶上某一負載，假設原來運行于某一轉(zhuǎn)速，由于受到外界某種短時干擾，如負載的突然變化或電網(wǎng)電壓的波動等，而使電動機的轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，離開原來的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)在新的條件下仍能達到新的平衡或者當外界干擾消失后，系統(tǒng)能自動恢復 到原來的轉(zhuǎn)速，就稱該拖動系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，否則就稱不能穩(wěn)定運行。不能穩(wěn)定運行時，即使外界干擾己經(jīng)消失，系統(tǒng)的速度也會一直上升或一直下降直到停止轉(zhuǎn)動。 為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，電動機的機械特性和負載特性必須配合得當。為了便于分析，將電動機的機械特性和負載特性畫在同一坐標圖上，如圖 130所示。 圖 130 電動機穩(wěn)定運行條件分析 設電動機原來穩(wěn)定工作在 A點， T=TL=TA。在圖 130(a)所示情況下，如果電網(wǎng)電壓突然波動，使機械特性偏高，由曲線 1轉(zhuǎn)為曲線 2，在這瞬間電動機的轉(zhuǎn)速還來不及變化，而電動機的電磁轉(zhuǎn)矩則增大到 B點所對應的值，這時電磁轉(zhuǎn)矩將大于負載轉(zhuǎn)矩，所以轉(zhuǎn)速將沿機械特性曲線 2由 B點上升到 C點。隨著轉(zhuǎn)速的升高，電動機電磁轉(zhuǎn)矩變小，最后在 C點達到新的平衡。當干擾消失后，電動機恢復到機械特性曲線 1運行，這時電動機的轉(zhuǎn)速由 C點過渡到 D點，由于電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速下降，最后又恢復到 A點，在原工作點達到新的平衡。 反之，如果電網(wǎng)電壓波動使機械特性偏低，由曲線 1轉(zhuǎn)為曲線 3，則電動機將經(jīng)過 A→ B180?！?C180。，在 C180。點取得新的平衡。擾動消失后，工作點將由 C180?！?D180。→ A，恢復到原工作點 A運行。 圖 130(b)所示則是一種不穩(wěn)定運行的情況，分析方法與圖 130(a)相同，讀者可自行分析。 由于大多數(shù)負載轉(zhuǎn)矩都是隨轉(zhuǎn)速的升高而增大或保持恒定，因此只要電動機具有下降的機械特性，就能穩(wěn)定運行。而如果電動機具有上升的機械特性，一般來說不能穩(wěn)定運行，除非拖動像通風機這樣的特殊負載，在一定的條件下，才能穩(wěn)定運行。 五、他勵直流電動機的調(diào)速 在現(xiàn)代工業(yè)中，由于生產(chǎn)機械在不同的工作情況下，要求有不同的運行速度，因此需要對電動機進行調(diào)速。調(diào)速可以用機械的、電氣的或機電配合的方法。電氣調(diào)速就是在同一負載下，人為地改變電動機的電氣參數(shù)，便轉(zhuǎn)速得到控制性的改變。調(diào)速是為了生產(chǎn)需要而人為地對電動機轉(zhuǎn)速進行的一種控制，它和電動機在負載變化時而引起的轉(zhuǎn)速變化是兩個不同的概念。調(diào)速是通過改變電氣參數(shù)，有意識地使電動機工作點由一種機械特性轉(zhuǎn)換到另一種機械特性上，從而在同一負載下得到不同的轉(zhuǎn)速。而因負載變化引起的轉(zhuǎn)速變化則是自動進行的，電動機工作在同一種機械特性上。 當負載不變時，他勵直流電動機可以通過改變 U、 Φ、 R三個參數(shù)進行調(diào)速。 1．調(diào)速指標 直流電動機具有極可貴的調(diào)速性能，可在寬廣范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟地調(diào)速，特別適用于調(diào)速要求較高的電氣傳動系統(tǒng)中。電動機調(diào)速性能的好壞，常用下列各項技術(shù)指標來衡量 : (1)調(diào)速范圍 D 調(diào)速范圍是指電動機驅(qū)動額定負載時，所能達到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。不同的生產(chǎn)機械要求不同的調(diào)速范圍，例如軋鋼機 D=3～120，龍門刨床 D=l0～ 140，車床進給機構(gòu) D=5～ 200等。 (2)調(diào)速的平滑性 電動機相鄰兩個調(diào)速擋的轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速的平滑性，其比值 φ 稱為平滑系數(shù)。在一定的范圍內(nèi)，調(diào)速擋數(shù)越多，相鄰級轉(zhuǎn)速差越小， φ 越接近于 1，平滑性越好。 φ =l時稱為無級調(diào)速。 (3)調(diào)速的穩(wěn)定性 調(diào)速的穩(wěn)定性是指負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，電動機轉(zhuǎn)速隨之變化的程度。工程上常用靜差率 δ 來衡量，它是指電動機在某一機械特性上運轉(zhuǎn)時，由理想空載至額定負載時的轉(zhuǎn)速降 Δ nN對理想空載轉(zhuǎn)速的百分比， %10000 ??? n nn N?。 (4)調(diào)速的經(jīng)濟性 調(diào)速的經(jīng)濟性由調(diào)速設備的投資及電動機運行時的能量消耗來決定。 (5)調(diào)速時電動機的允許輸出 在電動機得到充分利用的情況下 (一般是指電流為額定值 )，調(diào)速過程中電動機所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。主要有恒功率調(diào)速方式和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式兩大類。 2．電樞串電阻調(diào)速 圖 131 電樞串電阻調(diào)速 圖 132 減弱磁通調(diào)速 如圖 131所示，他勵直流電動機原來工作在固有特性 a點，轉(zhuǎn)速為 n1，當電樞回路串入電阻后，工作點轉(zhuǎn)移到相應的人為機械特性上，從而得到較低的運行速度。整個調(diào)速過程如下：調(diào)整開始時，在電樞回路中串入電阻 Rpa，電樞總電阻 R1= Ra+Rpa這時因轉(zhuǎn)速來不及突變，電動機的工作點由 a點平移到 b點。此后由于 b點的電磁轉(zhuǎn)矩 T180。 TL，使電動機減速，隨著轉(zhuǎn)速 n的降低， Ea減小，電樞電流 Ia和電磁轉(zhuǎn)矩 T相應增大，直到工作點移到人為機械特性 c點時， T=TL,電動機就以較低的速度 n2穩(wěn)定運行。 電樞串入的電阻值不同，可以保持不同的穩(wěn)定速度、串入的電阻值越大，最后的穩(wěn)定運行速度就越低。串電阻調(diào)速時，轉(zhuǎn)速只能從額定值往下調(diào)，因此nmax=nN。在低速時由于特性很軟，調(diào)速的穩(wěn)定性差，因此 nmin不宜過低。另外，一般串電阻時，電阻分段串入，故屬于有級調(diào)速，調(diào)速平滑性差。從調(diào)速的經(jīng)濟性來看，設備投資不大，但能耗較大。 需要指出的是，調(diào)速電阻應按照長期工作設計，而啟動電阻是短時工作的，因此不能把啟動電阻當做調(diào)速電阻使用。 這是一種改變電動機磁通大小來進行調(diào)速的方法。為了防止磁路飽和，一般只采用減弱磁通的方法。小容量電動機多在勵磁回路中串接可調(diào)電阻，大容量電動機可采用單獨的可控整流電源來實現(xiàn)弱磁調(diào)速。 圖 132中曲線 1為電動機的固有機械特性曲線，曲線 2為減弱磁通后的人為機械特性曲線。調(diào)速前電動機運行在 a點，調(diào)速開始后，電動機從 a點平移到 c點，再沿曲線 2上升到 b點?？紤]到勵磁回路的電感較大以及磁滯現(xiàn)象，磁通不可能突變，電磁轉(zhuǎn)矩的變化實際如圖 132中的曲線 3所示。 弱磁調(diào)速的速度是往上調(diào)的，以電動機的額定轉(zhuǎn)速 nN為最低速度，最高速度受電動機的換向條件及機械強度的限制。同時若磁通過弱，電樞反應的去磁作用顯著，將使電動機運行的穩(wěn)定性受到破壞。 在采用弱磁調(diào)速時，由于在功率較小的勵磁電路中進行調(diào)節(jié)，因此控制方便，能量損耗低，調(diào)速的經(jīng)濟性比較好，并且調(diào)速的平滑性也較好，可以做到無級調(diào)速。 4．降壓調(diào)速 采用這種調(diào)速方法時，電動機的工作電壓不能大于額定電壓。從機械特性方程式可以看出，當端電壓 U降低時，轉(zhuǎn)速降 Δ n和特性曲線的斜率不變，而理想空載轉(zhuǎn)速 n0隨電壓成正比例降低。降壓調(diào)速的過程可參見降壓時的人為機械特性曲線。 通常降壓調(diào)速的調(diào)速范圍可達 ～ 12。隨著晶閘管技術(shù)的不斷發(fā)展和廣泛應用，利用晶閘管可控整流電源可以很方便地對電動機進行降壓調(diào)速，而且調(diào)速性能好，可靠性高，目前正得到廣泛應用。 技能訓練 訓練項目 直流電動機機械特性的測試及調(diào)速方法的操作 一、任務目標 1．學會測試直流電動機的機械特性。 2．學會直流電動機三種調(diào)速方法的接線和操作。 二、工具、儀器和設備 1．直流電動機勵磁電源和可調(diào)電樞電源。 2．他勵直流電動機一臺，直流發(fā)電機一臺。 3．勵磁調(diào)節(jié)電阻兩個，電樞調(diào)節(jié)電阻一個，負載電阻一個。 4．電壓表一塊，電流表兩塊，轉(zhuǎn)速表一塊。 5．導線若干。 三、實訓過程 1．繪制并連接他勵直流電動機的工作電路 測試他勵直流電動機機械特性和調(diào)速方法的參考電路如圖 133所示。電路的接線如圖 134所示，圖中他勵直流電動機 M的額定功率 PN=185W，額定電壓UN=220V，額定電流 IN=，額定轉(zhuǎn)速 nN=1600r/min，額定勵磁電流 IfN。RPf1選用 1800Ω 阻值的變阻器作為他勵直流電動機勵磁回路串接的電阻， RPa選用 180Ω 阻值的變阻器作為他勵直流電動機的啟動電阻。直流發(fā)電機 MG按他勵發(fā)電機連接，作為直流電動機 M的負載。直流發(fā)電機 MG的勵磁調(diào)節(jié)電阻 RPf，選用 1800Ω 阻值的變阻器，負載電阻 RL選用兩個 900Ω 并聯(lián)。電樞回路電流表PA和 PA3的量程均選用 5A，勵磁回路的電流表 PAl和 PA2均選用 1000mA的量程。轉(zhuǎn)速表選用 l800r/min量程。按圖進行接線，接好線后，檢查 M、 MG之間是否用聯(lián)軸器直接連接好。 圖 133 他勵直流電動機技能訓練參考電路 圖 134 他勵直流電動機測試電路接線圖 2．測試他勵直流電動機的固有機械特性 (1)將他勵直流電動機 M的勵磁調(diào)節(jié)電阻 RPf1調(diào)至最小值，電樞串聯(lián)的啟動電阻 RPa調(diào)至最大值。直流發(fā)電機 MG的勵磁調(diào)節(jié)電阻 RPf調(diào)至最大值，負載電阻 RL調(diào)至最大值。先接通直流勵磁電源開關(guān) S1，再接通電樞電源開關(guān) S2，啟動直流電動機。其旋轉(zhuǎn)方向應符合轉(zhuǎn)速表正向旋轉(zhuǎn)的要求。 (2)電動機 M啟動正常后，將其電樞串聯(lián)電阻 RPa調(diào)至零，調(diào)節(jié)電樞電源的電壓為額定值 220V，調(diào)節(jié)直流發(fā)電機 MG的勵磁電流 If為 l00mA，閉合負載開關(guān) S，再調(diào)節(jié)其負載電阻 RL和電動機的勵