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  • 電力拖動(dòng)與控制
  • 李響初 章建林主編 黃金波 張微 余雄輝 彭琨編著
  • 2243字
  • 2019-07-01 11:07:59

課題二 認(rèn)識(shí)直流電動(dòng)機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)是通以直流電流的旋轉(zhuǎn)電機(jī),是將直流電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的設(shè)備。與交流電動(dòng)機(jī)相比,其優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速性能好,啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大,過載能力強(qiáng),在啟動(dòng)和調(diào)速要求較高的場合應(yīng)用廣泛;不足之處是直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高,運(yùn)行維護(hù)困難。

一、直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理

直流電動(dòng)機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子兩個(gè)基本部分組成,如圖1-9所示。

定子是靜止不動(dòng)的部分,主要由主磁極、換向磁極、機(jī)座、端蓋與電刷等裝置組成。其中主磁極由磁極鐵芯和勵(lì)磁繞組組成,磁極鐵芯由1~1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓鉚接而成。當(dāng)在勵(lì)磁繞組中通入直流電流后,便產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。主磁極可以有一對、兩對或更多對,它用螺栓固定在機(jī)座上。換向磁極也是由鐵芯和繞組組成,位于兩主磁極之間,其作用是產(chǎn)生附加磁場,以改善電機(jī)的換向條件,減少電刷與換向片之間的火花。

電樞是直流電動(dòng)機(jī)中的轉(zhuǎn)動(dòng)部分,故又稱為轉(zhuǎn)子,主要由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸和風(fēng)扇等組成。電樞由硅鋼片疊成,并在表面嵌有繞組(電樞繞組)(為直觀,圖中只畫出了一匝)。繞組的首端和末端接在與電樞鐵芯同軸轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)換向片上,同固定在機(jī)座上的電刷連接,而后者與外加的電樞電源相連。

圖1-9 直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和模型圖

直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理是建立在電磁感應(yīng)和電磁力的基礎(chǔ)上的。當(dāng)電樞繞組中通過直流電流時(shí),在定子磁場的作用下就會(huì)產(chǎn)生帶動(dòng)負(fù)載旋轉(zhuǎn)的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩,驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩由下式表示:

T=KmΦId

式中,T——電磁轉(zhuǎn)矩,N·m;

Φ——一對磁極的磁通量,Wb;

Id——電樞電流,A;

Km——與電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)(稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)),Km=PN/2πα,其中,P為磁極對數(shù),N為切割磁通的電樞總導(dǎo)體數(shù),α為電樞繞組并聯(lián)支路數(shù)。

二、直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式

直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組的供電方式稱為勵(lì)磁方式。按直流電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接方式的不同分為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)與復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)4種,如圖1-10所示。

圖1-10 直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式

其中圖1-10(a)為他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),勵(lì)磁繞組與電樞繞組分別用兩組獨(dú)立的直流電源供電;圖1-10(b)為并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),勵(lì)磁繞組和電樞繞組并聯(lián),由同一直流電源供電;圖1-10(c)為串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián),由同一直流電源供電;圖1-10(d)為復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),既有并勵(lì)繞組,又有串勵(lì)繞組。

一般情況下,直流電動(dòng)機(jī)并勵(lì)繞組的電流較小,導(dǎo)線較細(xì),匝數(shù)較多;串勵(lì)繞組的電流較大,導(dǎo)線較粗,匝數(shù)較少:因而不難辨別。

三、直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)和主要系列

1. 直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)

直流電動(dòng)機(jī)產(chǎn)品種類繁多,銘牌樣式也各不相同。圖1-11是我國使用較多的Z4系列直流電動(dòng)機(jī)銘牌。

圖1-11 Z4系列直流電動(dòng)機(jī)銘牌

銘牌中各數(shù)據(jù)的含義與異步電動(dòng)機(jī)銘牌相似,讀者可參照進(jìn)行識(shí)讀。

2. 直流電動(dòng)機(jī)主要系列

直流電動(dòng)機(jī)主要系列有:

Z4系列:一般用途的小型直流電動(dòng)機(jī);

ZT系列:廣調(diào)速直流電動(dòng)機(jī);

ZJ系列:精密機(jī)床用直流電動(dòng)機(jī);

ZTD系列:電梯用直流電動(dòng)機(jī);

ZZJ系列:起重冶金用直流電動(dòng)機(jī);

ZD2ZF2系列:中型直流電動(dòng)機(jī);

ZQ系列:直流牽引電動(dòng)機(jī);

Z-H系列:船用直流電動(dòng)機(jī);

ZA系列:防爆安全用直流電動(dòng)機(jī);

ZLJ系列:力矩直流電動(dòng)機(jī)。

四、直流電動(dòng)機(jī)的選用

正確選用直流電動(dòng)機(jī)是構(gòu)建直流電動(dòng)機(jī)電氣控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。下面介紹選用直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)遵循的一般原則。

1. 直流電動(dòng)機(jī)額定功率的選擇

額定功率選擇的原則:所選額定功率要能滿足生產(chǎn)機(jī)械在拖動(dòng)的各個(gè)環(huán)節(jié)(啟動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等)對功率和轉(zhuǎn)矩的要求并在此基礎(chǔ)上使直流電動(dòng)機(jī)得到充分利用。

額定功率選擇的方法:根據(jù)生產(chǎn)機(jī)械工作時(shí)負(fù)載(轉(zhuǎn)矩、功率、電流)大、小變化特點(diǎn),預(yù)選直流電動(dòng)機(jī)的額定功率,再根據(jù)所選直流電動(dòng)機(jī)額定功率校驗(yàn)過載能力和啟動(dòng)能力。

2. 直流電動(dòng)機(jī)種類的選擇

直流電動(dòng)機(jī)種類選擇時(shí)應(yīng)考慮的主要內(nèi)容有以下幾項(xiàng)。

(1)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性應(yīng)與所拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性相匹配。

(2)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速性能應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械要求。對調(diào)速性能的要求在很大程度上決定了直流電動(dòng)機(jī)的種類、調(diào)速方法以及相應(yīng)控制方法。

(3)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能應(yīng)滿足生產(chǎn)機(jī)械對直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)性能的要求,直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)性能主要是啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩的大小,同時(shí)還應(yīng)注意電網(wǎng)容量對直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)電流的限制。

(4)經(jīng)濟(jì)性:一是直流電動(dòng)機(jī)及其相關(guān)設(shè)備(如啟動(dòng)設(shè)備、調(diào)速設(shè)備等)的經(jīng)濟(jì)性;二是直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性,主要是要效率高,節(jié)省電能。

3. 直流電動(dòng)機(jī)額定電壓的選擇

直流電動(dòng)機(jī)的額定電壓一般為110V、220V、440V,最常用的電壓等級為220V。

4. 直流電動(dòng)機(jī)額定轉(zhuǎn)速

(1)對不需要調(diào)速的高、中速生產(chǎn)機(jī)械,可選擇相應(yīng)額定轉(zhuǎn)速的直流電動(dòng)機(jī),從而省去減速傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。

(2)對不需要調(diào)速的低速生產(chǎn)機(jī)械,可選用相應(yīng)的低速直流電動(dòng)機(jī)或者傳動(dòng)比較小的減速機(jī)構(gòu)。

(3)對經(jīng)常啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的生產(chǎn)機(jī)械,選擇額定轉(zhuǎn)速時(shí)則應(yīng)主要考慮縮短啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間以提高生產(chǎn)率。啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間的長短主要取決于直流電動(dòng)機(jī)的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速。應(yīng)選擇較小的飛輪矩和額定轉(zhuǎn)速。

(4)對調(diào)速性能要求不高的生產(chǎn)機(jī)械,可選用多速直流電動(dòng)機(jī)或者選擇額定轉(zhuǎn)速稍高于生產(chǎn)機(jī)械的直流電動(dòng)機(jī)配以減速機(jī)構(gòu),也可以采用電氣調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)系統(tǒng)。在可能的情況下,應(yīng)優(yōu)先選用電氣調(diào)速方案。

(5)對調(diào)速性能要求較高的生產(chǎn)機(jī)械,應(yīng)使直流電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速與生產(chǎn)機(jī)械的最高轉(zhuǎn)速相適應(yīng),直接采用電氣調(diào)速。

思考與練習(xí)

1. 簡述直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。

2. 直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式有哪幾種?請畫出其電路。

3. 直流電動(dòng)機(jī)一般為什么不允許采用全壓啟動(dòng)?

4. 簡述直流電動(dòng)機(jī)的選用原則。

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