【正文】 流裝置代替，但直流電動 機具有良好的啟動、調(diào)速和正反轉(zhuǎn)特性，能滿足生產(chǎn)過程中的各種特殊要求，因而在需要寬廣調(diào)速的場合及特殊要求的自動化控制系統(tǒng)中占有一定得應(yīng)用地位。 1997 年我國電機產(chǎn)量約為 55288MW， 1998年約為 72505MW， 1999 年約為 62021MW?？梢钥闯?1998 年較 1997 年電機產(chǎn)量有較大的提高，到 1999 年電機產(chǎn)量略有下降，企業(yè)負債持續(xù)攀升，效益不斷下滑，行業(yè)整體形勢有所下降。我國 500 多個電機企業(yè)大多集中在沿海地區(qū)，西部地區(qū)的企業(yè)寥寥無幾，在國家開發(fā)西部的大好機遇里，對電機行業(yè)的發(fā)展提供了一個發(fā)展的機會。 在國際市場上，電機是機電產(chǎn)品的重要組成部分之一，每年的 貿(mào)易 額約第 1 章 緒 論 3 35 億美元。 由上述可以看到電機的發(fā)展還是有很大發(fā)展空間的。要開拓市場、擴大出口，今后電機行業(yè)的發(fā)展必須向以下幾方面努力： 1． 電機的多用途、多品種 隨著電機行業(yè)的不斷發(fā)展，電機產(chǎn)品的外延和內(nèi)涵也不斷拓展，電機產(chǎn)品也廣泛應(yīng)用于能源、交通、石油、化工、建筑等各個領(lǐng)域，并且電機的通用性逐漸向?qū)Ｓ眯苑较虬l(fā)展，打破了過去同一類電機分別用于不同性質(zhì)、場合的局面。 2． 可靠性高、壽命長、噪聲低、重量輕、外形美觀 改革的不斷深入，市場的全面開放，市場競爭的日漸激烈，用戶對產(chǎn)品高性能的要求，使得產(chǎn)品的生產(chǎn)者為了適應(yīng)市場及用戶的需求，不斷地改進工藝，提高技術(shù)水平，采用新材料，設(shè)計出符合市場需求的電機產(chǎn)品。自從有了逆變器之后，電源的變頻變壓變得更加容 易，從而可以調(diào)節(jié)異步電機在最佳工作點上運行，保證出力不變的情況下，可用最大效率和高功率因數(shù)代替額定效率和額定功率因數(shù)，減小了電機尺寸，減輕其重量和降低成本。但我國的電機產(chǎn)品要擴大國內(nèi)、國際市場份額除了要滿足以上的要求外，我們還要強化市場競爭意識、市場服務(wù)意識，在未來的電機行業(yè)大發(fā)展中獨占鰲。直流電機定子部分主要由主磁極、電刷裝置和換向極等組成，轉(zhuǎn)子部分主要由電樞繞組、換向器和轉(zhuǎn)軸等構(gòu)成。 圖 21 直流電機結(jié)構(gòu)圖 1電刷； 2磁軛； 3永久磁鋼； 4極靴； 5電 樞繞組； 6內(nèi)磁軛 1． 定子部分 （ 1）主磁極 : 其作用是產(chǎn)生磁場。在磁極鐵心上繞有勵磁繞組，整個磁極利用螺桿固定在磁軛上。換向極也是由鐵心及繞組組成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。磁軛的作用是固定主磁極和換向極，是磁路的一部分。機座一般式用鑄鋼鐵第 2 章 直流電動機的概述 5 制造或鋼板焊接而成。 （ 2）電樞繞組 :電樞繞組由許多按一定規(guī)則連接起來的線圈組成，是通過電流和產(chǎn)生電動勢的關(guān)鍵性部件。嵌放在電樞鐵心表面的槽內(nèi)直流電機采用雙層繞組，每槽內(nèi)的線圈邊分上、下兩層，上下層之間及線圈于鐵心之間都是要可靠絕緣。 直流電動機的工作原理 電動機是一種把電能轉(zhuǎn)變?yōu)?機械能的機械。電動機結(jié)構(gòu)主要包括兩部分：轉(zhuǎn)子和定子。 絕大多數(shù)的電動機都須作連續(xù)的轉(zhuǎn)運動的電磁力形成一種方向不變的轉(zhuǎn)矩，才能構(gòu)成電動機。當線圈中通入直流電流時，線圈邊上受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向。這種交變的電磁轉(zhuǎn)矩只能使電樞來回搖擺，而不能使電樞連續(xù)轉(zhuǎn)動。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉(zhuǎn)。裝了這種換向器以后，若將直流電 壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這就是直流電機的工作原理。 1． 電磁式直流電動機： 電磁式 直流電動機由定子磁極、轉(zhuǎn)子 (電樞 )、換向器 (俗稱整流子 )、電刷、機殼、軸承等構(gòu)成。根據(jù)其勵磁 (舊標準稱為激磁 )方式的不同又可分為串勵直流電動機、并勵直流電動機、他勵直流電動機和復(fù)勵直流電動機。 串勵直流電動機的勵磁繞組與轉(zhuǎn)子繞組之間通過電刷和換向器相串聯(lián)，勵磁電流與電樞電流成正比，定子的磁通量隨著勵磁電流的增大而增大 ，轉(zhuǎn)矩近似與電樞電流的平方成正比，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩或電流的增加而迅速下降?？赏ㄟ^用外用電阻器與串勵繞組串聯(lián) (或并聯(lián) )、或?qū)⒋畡罾@組并聯(lián)換接來實現(xiàn)調(diào)速。轉(zhuǎn)速則隨電流及轉(zhuǎn)矩的增大而略有下降，短時過載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩的 倍。可通過削弱磁 場的恒功率來調(diào)速。轉(zhuǎn)速變化也為 5％ 15％。 復(fù)勵直流電動機的定子磁極上除有并勵繞組外，還裝有與轉(zhuǎn)子繞組串聯(lián)的串勵繞組 (其匝數(shù)較少 )。轉(zhuǎn)速變化率為 25％ ~30％ (與串聯(lián)繞組有關(guān) )。 換向器的換向片使 用銀銅、鎘銅等合金材料，用高強度塑料模壓成。電磁式直流電動機的電刷一般采用金屬石墨電刷或電化石墨電刷。 2． 永磁式直流電動機： 永磁式直流電動機也由定子磁極、轉(zhuǎn)子、電刷、外殼等組成。按其結(jié)構(gòu)形式可分為圓筒型和瓦塊型等幾種。 轉(zhuǎn)子一般采用硅鋼片疊壓而成，較電磁式直流電動機轉(zhuǎn)子的槽數(shù)少。漆色線在轉(zhuǎn)子鐵心的兩槽之間 (三槽即有三個繞組 )，其各接頭分別焊在換向器的金屬片上。永磁電動機的電刷使用單性金屬片或金屬石墨電刷、電化石墨電刷。 3． 無刷直流電動機： 無刷直流電動機是采用 半導(dǎo)體永磁體轉(zhuǎn)子 多極繞組定子 位置傳感器定子開關(guān)器件來實現(xiàn)電子換向的，即用電子開關(guān)器件代替?zhèn)鹘y(tǒng)的接觸式換向器和電刷。 第 2 章 直流電動機的概述 8 無刷直流電動機由永磁體轉(zhuǎn)子、多極繞組定子、位置傳感器等組成。定子繞組 的工作電壓由位置傳感器輸出控制的電子開關(guān)電路提供。采用磁敏式位置傳感器的無刷直流電動機，其磁敏傳感器件 (例如霍爾元件、磁敏二極管、磁敏三極管、磁敏電阻器或?qū)Ｓ眉呻娐返?)裝在定子組件上，用來檢測永磁體、轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的磁場變化。轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，由于遮光板的作用，定子上的光敏元器件將會按一定頻率間歇產(chǎn)生脈沖信號。 直流電動機運行原理 直流電動機的勵磁方式 直流電動機的主極磁場由勵磁繞組通以直流勵磁電流產(chǎn)生。主勵磁場的極性由勵磁電流方向決定，場強由勵磁電流大小決定。勵磁方式一般有，他勵、并勵、串勵、復(fù)勵，四種。 1． 他勵電動機 此類電動機的勵磁繞組 F 和 電樞繞組 S 由兩個不同的直流電源供電 ， 勵磁回路與電樞回路相對獨立，采用永久磁鐵作為主極的永磁直流電動機亦屬于此類。 3． 串勵電動機 勵磁繞組 C 和電樞繞組 S 串聯(lián)，其勵磁電流與電樞電流相等與負載大小有關(guān)。若串勵磁場對并勵磁場助磁，稱之為積復(fù)勵；串磁磁場對并勵磁場去磁時，則稱之為差復(fù)勵。 勵磁繞組存在電阻，電動機在工作時勵磁回路要消耗一定的功率，稱之為勵磁損耗，這就使得直流電動機的效率相對其他電動機要低。 直流電動機的基本方程 1． 電動勢平衡方程式： 根據(jù)基爾霍夫第二定律，對任一有源的閉合回路，所有電動勢之和等于所有壓降和，有： （ 21） （ 22） 2． 轉(zhuǎn)矩平衡方程式： 直流發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，電機的轉(zhuǎn)速為 n,作用在電樞上的轉(zhuǎn)矩共有三個：一個是原動機輸入給發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 1T ；一個是電磁轉(zhuǎn)矩 T；還有一個是電機的機械摩擦、風阻以及鐵損耗引起的轉(zhuǎn)矩，叫空載轉(zhuǎn)矩，用0T表示 ,空載轉(zhuǎn)矩是一個制動性轉(zhuǎn)矩 ,永遠與轉(zhuǎn)速 n 的方向相反。 由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式： （ 24） 通常稱 ? 大的機械特性為軟特性， ? 小的機械特性為硬特性。 圖 22 固有機械特性曲線 nnTnTCC RC Un emTee ????????? 002 ?emNTe aNe N TCC RCUn 2????第 2 章 直流電動機的概述 11 人為機械特性是指人為地改變電動機電路中的某個參數(shù)或電動機的電樞電壓值，而得到的機械特性，即改變式中的機械特性方程中的某些參數(shù)所獲得的機械特性： (26) 我們來研究只改變電樞電壓、磁通或附加電阻的一個參數(shù)，求出直流電動機有下列三種人為機械特性： 1）電樞串電阻時的人為特性： 當電動機的 paaNN RRRUU ?????? , 時，其人為機械特性的方程式為： (27) 圖 23 電樞串電阻時特性曲線 與固有特性相比， NENCUn ??0 不變， b.? 增大，轉(zhuǎn)速降 n?增大，附加電阻 paR 越大， n? 也越大，特性越 “軟 ”，如圖 23 中曲線 2 所示?？梢?，當負載轉(zhuǎn)矩enNTe paaNe N TCC RRCUn 2?????emTRUn 2Tee CCC ?? ??第 2 章 直流電動機的概述 12 不變時，只改變電阻 paR 的大小，可以改變電動機的轉(zhuǎn)速，因此，電樞回路串電阻的方法，可用于直流電動機調(diào)速。由于受到絕緣強度的限制，電動機的額定電壓是工作電壓的上限，因此改變電壓時，只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)變化。 3）減弱勵磁磁通時的人為特性： 可以在勵磁回路中串接上電阻 pfR ，或降低勵磁電壓 fU 來減弱磁通，保持 0, ?? paN RUU 時，減弱磁通的人為特性方程式為： (29) emNTe aNe TCC RC Un 2????emTe ae N TCC RCUn 2????第 2 章 直流電動機的概述 13 圖 25 減弱勵磁磁通時特性曲線 由于磁通 ? 的減少，使得理想空載轉(zhuǎn)速 0n 和機械特性斜率 ? 都增大，其特性曲線如圖所示。第 3 章 設(shè)計任務(wù)與要求 14 第 3 章 設(shè)計任務(wù)與要求 設(shè)計任務(wù) 隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人類社會的不斷進步，人們 對生活產(chǎn)品的需求要不斷趨向多樣化，這就要求生產(chǎn)設(shè)備必須具有良好的動態(tài)性能，在不同的進行不同的操作，完成不同的任務(wù)。特別是大型的鋼鐵行業(yè)和材料生產(chǎn)行業(yè)，為達到很高的控制精度，速度的穩(wěn)定性，調(diào)速范圍等要求，又由于交流調(diào)速在當時尚未解決好調(diào)速控制問題，調(diào)速范圍不大，控制精度低，快速性差等性能指標不滿足生產(chǎn)工藝的要求，所以當時大量使用的是直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，尤其是直流無級調(diào)速系統(tǒng)，它具有調(diào)速性能好，范圍寬，動態(tài)性能好等優(yōu)點，特別是設(shè)計簡單方便，雖然隨著控制技術(shù)以及電力 電子技術(shù)的的發(fā)展，制造工藝技術(shù)的提高，大量出現(xiàn)交流調(diào)速的傳動系統(tǒng)，但直流傳動所具有的優(yōu)點特征，至今仍大量廣泛地使用直流調(diào)速。 設(shè)計要求與性能指標 要求設(shè)計要使得電動機轉(zhuǎn)速可以由零平滑調(diào)至額定轉(zhuǎn)速，能實現(xiàn)高速起動，具有較高的調(diào)速精度。 3． 電機有關(guān)參數(shù) ： kwPNOM 125? VUNOM 220? AINOM 640? m in/750 rN N O M ? 第 3 章 設(shè)計任務(wù)與要求 15 ?? ，電樞回路總電阻 ?? ， 22 . MNGD ? ，電流過載倍數(shù) λ=第 4 章 方案比較論證與選擇 16 第 4章 方案比較論證與選擇 調(diào)速指標簡介 為了評價各種調(diào)速方法的優(yōu)缺點，對調(diào)速方法提出了一定的技術(shù)經(jīng)濟指標，通常稱為調(diào)速指標。 1． 靜態(tài)指標 (1)調(diào)速范圍 ： 生產(chǎn)機械要求電動機提供的最高轉(zhuǎn)速和最低轉(zhuǎn)速之比叫做調(diào)速范圍，用字母 D表示，即 maxminDnn? (31) (2)靜差率 ： 負載由理想空載增加到額定值時，對應(yīng)的轉(zhuǎn)速降落 Nn? ，與理想空載轉(zhuǎn)速 0n 之比，稱作靜差率 s ，即 N0ns n?? (32) 調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍、靜差率和額定速降之間所應(yīng)滿足的關(guān)系。因此一個調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍，是指在最低速時還能滿足所需靜差率的轉(zhuǎn)速可調(diào)范圍。改變電阻只能有級調(diào)速；