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直流电动机的起动与调速

2014-11-4 15:56| 编辑:电工学习网| 查看: 44049| 评论: 0

直流电动机的使用主要包括起动、调速、反转和制动等。这里首先讨论直流电动机的电磁特性,然后以并励直流电动机为例讨论其起动和调速情况。

1、直流电动机的电磁特性

直流电动机的电枢绕组电流Ia与磁通Φ相互作用,产生电磁力和电磁转矩。电磁转矩T的大小为:

T=KT×Φ×Ia

式中:KT-与电机结构有关的常数;Φ-磁极磁通量,单位是韦伯(Wb);Ia-电枢电流,单位是安(A);T-电磁转矩。

在这个电磁转矩T作用下电枢转动,这时电枢因切割磁力线而产生电动势E。

E=KE×Φ×·n

式中:Φ-磁极磁通量,单位韦伯(Wb);n-电枢转速,单位是r/min;KE-与电机结构有关的常数;E-感生电动势,单位是伏特(V)。

显然这个电动势E是一反电动势,故加在电枢绕组的端电压分为两部分:其一是用来平衡反电动势;其二为电枢绕组的电压降,如图1所示。

图1 直流电动机的电枢

因此直流电动机电枢的电压平衡方程式为:

U=E+IaRa

式中:U-电枢外加电源电压;Ra,Ia-电枢绕组的电阻和电流。

电动机的电磁转矩是驱动转矩。因此,电动机的电磁转矩T必须与机械负载矩及空载损耗转矩相平衡。当轴上的机械负载转矩发生变化时,则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整,以适应负载的变化,保持新的平衡。例如,当负载增加时,电动机的电磁转矩便暂时小于阻转矩,所以转速下降。当磁通Φ不变时,反电动势E必将减小,而电枢电流Ia将增加,于是电磁转矩也随着增加。直到电磁转矩达到新的平衡后转速不再下降,而电动机则以较原先更低的转速运行。在电源电压U和励磁电路的电阻Rf不变的情况下,电动机的转速n与转矩T的关系n=f(T)称为电动机的机械特性。

由上面讨论的电磁关系可知:

n=E/KEΦ=(U-IaRa)/KEΦ=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T=n0-△n

在上式中,n0=E/KEΦ,是T=0时的转速,实际上是不存在的,因为即使电动机轴上没有加机械负载,电动机的输出转矩也不可能为零,它还要平衡空载损耗转矩。所以n0称为理想空载转速。

式中的△n=Ra/KTKEΦ·T是转速降。它表示:当负载增加时,电动机的转速下降。转速降是电枢电阻Ra引起的。当负载增加时,Ia增大,IaRa增大,由于电源电压U是一定的,这就使反电动势E减小,也就是转速n降低了。

并励电动机的机械特性曲线如图2所示。由于Ra很小,在负载变化时,转速的变化不大。因此并励电动机具有硬的机械特性。

图2 并励电动机的机械特性曲线

2、并励电动机的起动

电动机接通电源,转子从静止状态开始转动起来最后达到稳定运行。由静止状态到稳定状态这段过程称为起动过程。

并励电动机在稳定运行时,其电枢电流为:

Ia=(U-E)/Ra

因为电枢电阻Ra很小,所以电源电压U和反电动势E极为接近。

在电动机起动的初始瞬间,n=0,E=KE×Φ·n=0。这时的电枢电流为:Iast=U/Ra

由于Ra很小,起动电流将达到额定电流的10-20倍,这是不允许的。因为并励电动机的转矩正比电枢电流,所以它的起动转矩也太大,会产生机械冲击,使传动机械(例如齿轮)遭受损坏,因此,必须限制起动电流。限制起动电流的方法是起动时在电枢电路中串接起动电阻Rst(图3)。这时电枢中的起动电流初始值为:

Iast=U/(Ra+Rst

而起动电阻则可由上式确定,即:Rst=R/Iast-Ra

图3  电枢电路串入电阻起动

一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5-2.5倍。起动时,应将起动电阻放在最大值处,待起动后,随着电动机转速的上升,将它逐段切除。起动电阻是按短期使用设计的,不能长期接在电枢电路中。

例如1 Z2-61型并励电动机,Pn=10kW,U=220V,In=53.8A,nn=1500r/min,Ra=0.3Ω,最大励磁功率Pfm=260W。试求(1)直接起动时起动电流为额定电枢电流的几倍;(2)起动电限制在额定电枢电流2倍时的起动电阻值。

解:

起动时励磁电流为最大值:

Ifm=Pfm/U=260/220=1.18(A)

电枢额定电流:

Ian=In-Ifm=53.8-1.18=52.6(A)

直接起动时起动电流为:

Is=U/Ra=220/0.3=733(A)

起动电流为额定电枢电流的倍数=Is/Ian=733/52.6=13.9

若将起动电流限制为额定电枢电流的2倍,即:

U/(Ra+Rs)=2Ian

则起动电阻值为:

Rs=U/2Ian-Ra=220/2×52.6-0.3=1.79(Ω)

这种电阻起动法广泛应用于小型直流电动机,较大容量和经常起动的电动机常采用降压起动去,依靠降低电动机端电压来限制起动电流。降压起动需要一套调压供电装置作为电动机电源,常用于他励电动机,只降低电枢两端电压,励磁电压保持不变。

需注意的是,直流电动机在起动或工作时,励磁电路必须保持接通装态,不能让它断开(起动时要满励磁)。否则,由于磁路中只有很小的剩磁,可能发生下述事故。

(1)如果电动机是静止的,因转矩太小(T=KTΦIa),不能起动;由于反电动势为零,电枢电流很大,电枢绕组有被烧坏的危险。

(2)如果电动机在有载运行时断开励磁电路,电动势立即减小而使电枢电流增大;同时由于所产生的转矩不能满足负载需要,电动机必将减速而停车,更加促使电枢电流的增大,以致烧毁电枢和换向器。

(3)如果电动机空载运行,它的转速可能上升到很高的值(这种事故叫“飞车”),使电机遭受严重的机械损伤,而且还会因电枢电流过大将绕组烧毁。

3、直流电动机的调速

并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比,虽然结构复杂,价格高,维修也不方便,但是在调速性能上有其独特的优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的,更不能无级调速,因此,对调速要求高的设备,均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速,机械传动机构比较简单。

由直流电动机的转速公式:

n=(U-IaRa)/KEΦ

可知,Ra、Φ和U中的任意一个值,都可使转速改变,改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多,电机机械特性软,调速范围小,且只能进行有级调速,故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。

(1)调磁法

即改变磁通量Φ。当保持电源电压U为额定值时,调节Rf,改变励磁电流If以改变磁通量,如图4所示。由于

n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T

可知磁通Φ减少时,n0升高,转速降△n增大,但后者与Φ2成反比,所以磁通愈小,机械特性曲线愈陡,但仍具有一定硬度,如图5所示。在一定负载下,Φ愈小,则n愈高。由于电动机在额状态运行时,它的磁路已接近饱和,所以通常都是减小磁通(Φ<Φn),将转速往上调(n>nn)。

图4 改变电动机磁通调速

图5 改变磁通量Φ时的机械特性曲线

调速的过程是:当电压U保持恒定时,减小磁通Φ。由于机械惯性,转速产立即发生变化,于是反电动势E=KE·Φ·n就减小,Ia随之增加。由于Ia增加的影响超过Φ减小的影响,所以转矩T=KTΦIa也就增加。如果阻转矩Tc未变,则T>Tc转速n上升。随着n的升高,反电动势E增大,Ia和T也着减小,直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来升高了。

必须指出,若电动机在额定状态下运行,则电枢电流Ia为额定值,如果调速时负载转矩仍旧保持不变(为额定值),由于T=KTΦIa,故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值,因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变(恒功率调速)的场合。

这种调速方法有3个优点:

  • 调速平滑,可无级调速;

  • 调速经济,控制方便;

  • 机械特性较硬,稳定性较好。

这种调速方法的局限是转速只能升高,即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多,因此限制了它的调速范围。在实际工作中,这种方法常作为电压调速的一种补充手段。

例如2 有一并励电动机,已知U=110V,E=90V,Ra=20Ω,Ia=1A,n=300r/min,为了提高转速,调节励磁电阻Rf增加,使磁通Φ减小10%,如负载转矩不变,问转速如何变化?

解:令Φ减小10%,即Φ′=0.9Φ,所以电流必须增大到Ia′,以维持转矩不变,即:

KT·Φ′·Ia′=KT·Φ·Ia

Ia′=ΦIa/Φ′=1/0.9=1.11(A)

磁通减小后的转速n′对原来的转速n之比为:

n′/n=(E′/KEΦ′)/(E/KEΦ)=E′Φ/EΦ′=(U-Ia′Ra)Φ/(U-IaRa)Φ′=(110-1.11×20)×1/(110-1×20)×0.9=1.08

即转速增加了8%。

(2)调压法

即改变电压U。当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时,降低电枢电压U,则由

n=U/KT·Φ-Ra/KE·KT·Φ2·T

可见,n0变低了,但△n未改变。因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线。在一定负载下,U愈低,则n愈低。由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变,所以转速将下调(nn)。

调速的过程是:当磁通Φ保持不变时,减小电压U由于转速不立即发生变化,反电动势E便暂不变化,于是电流Ia减小,转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变,则T<Tc,转速n下降。随着n的降低,反电动势E减小,Ia和T增大,直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来降低了。

由于调速时磁通不变,如在一定的额定电流下调速,则电动机的输出转矩便是一定的(恒转矩调速)。

这种调速方法有下列优点:

  • 机械特性较硬,并且电压降低后硬度不变,稳定性较好;

  • 调速幅度大;

  • 可均匀调节电枢电压;得到平滑的无级调速。

这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备,投资较高。近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速,使这种方法得到了广泛应用。印刷设备中直流电动机的调速多采用这种方法。

例如3 有一他励电动机,已知:U=220V,I=53.8A,n=1500r/min,Ra=0.7Ω,今将电枢电压降低一半,而负载转矩不变,问转速降低多少?设励磁电流保持不变。

解:由T=KT·Φ·Ia可知,在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下,电流也保持不变。电压降低后的转速n′对原来的转速n之比

n′/n=(E′/KE·Φ)/(E/KE·Φ)=E′/E=(U-Ia·Ra)/U-Ia·Ra)=(110-53.8×0.7)/(220-53.8×0.7)=0.4

即在保持负载转矩不变的条件下,转速降低到原来的40%。

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