第六章直流電動機的特性及運用
一、直流電動機的分類:
二、直流電動機的基本概念:
1.轉矩T
2.反電勢E b
3.轉速n
4.電樞內生機械功率P m
5.速率調整率SR%
三、直流電動機的特性曲線:
1.轉矩特性曲線:表示輸出轉矩(T L)與負載電流(I L)的關係
2.轉速特性曲線:表示輸出轉速(n)與負載電流(I L)的關係
(一)外激式的特性及用途:
(1)等效電路:
(2)轉速特性:
○1無載時:I a很小(E b≒V),故轉速n=
○2負載↑,磁通Φ固定不變,E b=V-I a R a微微下降,因此轉速稍下降可視為定速電動機。
(3)轉矩特性:
∵T=KΦI a,若I a↑則T↑,故轉矩特性為一上升的直線。
(4)用途:
適用於調速範圍廣且需維持定速場合,如華德黎翁那德控制系統
中的直流電動機。
(二)分激式的特性及用途:
(1)等效電路:
(2)轉速特性:與外激式相似
運轉中若磁場突然斷路,則Φ=0、E b=0,轉速將增加到極大,而有飛脫之虞,因此需加裝保護設備。
(3)轉矩特性:與外激式相似
(4)用途:
分激電動機因轉速下降幅度極小,可視為定速電動機;而且可利用調整磁場電阻大小來改變轉速,因此又可視為調速電動機。
一般用於印刷機、鼓風機、車床。
(三)串激式的特性及用途:
(1)等效電路:
(2)轉速特性:
○1無載時:因I a=0,Φ=0,轉速相當高有飛脫之虞,故不可在無載
時運轉,且電動機與負載連接必須直接耦合不能使用皮帶,否則
可能因皮帶斷裂而有飛脫之虞。通常會加裝離心開關作保護。
○2輕載時:
Φ未飽和,ΦαI a
轉速n=V-I a(R a+R s)/KΦ,nα1/I a為一條雙曲線。
○3重載時:
Φ已飽和,Φ與I a無關為一定值
轉速n=V-I a(R a+R s)/KΦ,nαV-I a(R a+R s) 為一條下降直線。
(3)轉矩特性:
○1輕載時:
Φ未飽和,ΦαI a
轉矩T=KΦI a→TαI a2為一條拋物線
○2重載時:
Φ已飽和,Φ與I a無關為一定值
轉矩T=KΦI a→TαI a為一條上升直線
(4)用途:
○1負載變動時I a,隨之改變,使轉速有相當大的變動,是為變速電
動機,速率調整率為正值。
○2具有高轉速低轉矩,低轉速高轉矩的特性,因此有向電源取用恒
定功率的特性。
○3主要用於需高啟動轉矩或高轉速的場合,如起重機、電車、果汁
機、吸塵器等。
(四)複激式電動機
1.積複激電動機:
(1)等效電路:
(2)轉速特性:n=
○1輕載時:電樞電流I a很小,Φs亦小,故轉速特性與分激相似。
○2負載上升:電樞電流I a上升,Φs亦上升,因此轉速比分激下降多,大約介於定速與變速之間。
(3)轉矩特性:T=
○1輕載時:電樞電流I a很小,Φs亦小,故轉矩與分激相似。
○2負載上升:電樞電流I a上升,Φs亦上升,因此轉矩比分激大。
(4)用途:兼具有串激高啟動轉矩及分激定速的特性,故一般用於突
然施以重載的地方,如鑿孔機、沖床、滾壓機。
2.差複激電動機
(5)等效電路:
(6)轉速特性:n=
○1輕載時:電樞電流I a很小,Φs亦小,故轉速特性與分激相似,但略比分激高。
○2負載上升:電樞電流I a上升,Φs亦上升,因此轉速上升,速率調整率為負值。
(7)轉矩特性:T=
○1輕載時:電樞電流I a很小,Φs亦小,故轉矩特性與分激相似,但略比分激小。
○2負載上升:電樞電流I a上升,Φs亦上升,因此轉矩隨負載增加,
但當Φs上升到某值時,T反而會下降,所以轉矩為先升後降。
○3若負載持續上升,使Φs=Φf此時轉矩T=0,而轉速極高造成電
機不穩的現象;若使Φs﹥Φf則將使電機產生反向轉矩,因此
差複激在啟動時通常將串激繞組短接,以防止產生反向啟動且
可增加啟動轉矩。
四、直流電動機的啟動與控制
1.良好的啟動狀態:啟動電流小、啟動轉矩大。
2.啟動電阻之計算:
○1啟動瞬間:n=0,反電勢E b=0,因此電樞電流很大,可利用電樞電路串聯電阻來降低啟動電流(啟動電流限定約為滿載電流的1.25~2.5倍)。
○2啟動中轉速愈來愈高,電樞電流愈來愈小,需將串聯的電阻逐步去掉。
○3一般1/3馬力以下的小型電機,因轉動慣性小可直接啟動。
○4直流電動機啟動時,需將場電阻器調至最小值,使轉矩增加,縮短啟動時間;電樞電阻器調至最大,以限制啟動電流。
3.直流電動機的啟動器:
可分為:
○1人工啟動器:
三點式:無場釋放器
四點式:無壓釋放器
○2自動啟動器:
反電勢型:
限流型:
限時型:
五、直流電動機的速率控制
由轉速公式可知,欲控制電動機的轉速其方法有三:
1.改變磁場強弱來控制轉速,稱為磁場控速法:
○1分激磁場利用串聯可變電阻來控制磁場大小
○2串激磁場利用並聯可變電阻來控制磁場大小
在控制過程中,因磁場只有變小的狀況,因此其轉速只能在基準轉速以上做調整。
優點:成本低、效率高,電動機控速大都用此法。
缺點:○1當磁場減小至某範圍以下時,將產生極高的轉速,而有飛脫的危險,因此只能用於1.5倍的基準轉速內。
○2只能用於基準轉速以上控制,對於基準轉速以下的控制則無能為力。
○3速率提高,使其換向更困難。
2.改變電樞電阻大小來控制轉速,稱為電樞電阻控制法:
於電樞電路中插入可變電阻,來改變I a R a大小而達到轉速控制的目的。
在控制過程中,因I a R a只有變大的狀況,因此其轉速只能在基準轉速以
下做調整。
優點:構造簡單,可在基準轉速下做控制。
缺點:輕載時調速不佳,重載時外加電阻消耗功率大,造成效率差。
3.利用改變外加電壓來改變轉速,稱為電壓控制法:
此方法只適用於他激式發電機,一般以華德黎翁那德控制系統為代表。
優點:○1調速範圍廣,可得圓滑的控制。
○2運轉效率高
○3可得正反轉控制
缺點:設備複雜,價格貴
六、直流電動機之轉向與制動控制
(一) 直流電動機之轉向控制
1. 轉向控制之方法
○1改變電樞電流方向:將電樞繞組兩端反接,複激電動機採用此方式。
○2改變磁場電流方向:將磁場繞組兩端反接,分激電動機採用此方式。
2. 轉向控制之注意事項
○1改變積複激電動機之轉向時,當變化其激磁電流方向時,一定要把分
激場和串激場同時反接,才不會造成差複激電動機。
○2附有中間極之電動機,要改變電樞電流方向時,必須把中間極和電樞
同時反接,才不會使中間極之極性錯誤。
○3運轉中之自激電動機,若變更外加電壓極性,則因激磁電流和電樞電
流方向同時改變,則電動機的轉向不變,若是他激電動機,則電樞電流
方向改變而磁場電流方向不變,故轉向改變。
(二)直流電動機之制動
直流電動機之制動以電氣制動為主,而以機械制動為輔,電氣制動有下列
方法:
○1電力制動(發電制動) 運轉中之電動機在被切離電源時,使其磁場繼續維持激磁狀態,並將其
電樞兩端外接可變電阻器。電動機因慣性作用繼續旋轉割切磁場,產生
發電作用並將電能消耗在電阻器,並形成反轉矩,產生制動作用。調整
電阻器值可改變制動力大小,電阻器愈小制動力量愈大。
○2逆轉制動(插塞制動) 要停止運轉中的電動機時,先改變接線使電動機電樞電流反向,電動機
便可產生反方向之轉矩,而產生制動力。
○3再生制動
此方法常用於電動機負荷下降或電車下坡時,因重力作用使速度增加,此
時配合增加激磁,可使反電勢>電源電壓,形成發電機作用,而將動能變
成電能送還電源,並得到制動轉矩,制動時,電源不可切離。
精選範例
1.有一部125HP、250V的直流分激電動機,滿載時電樞電流500A,電樞電阻
0.05Ω,若欲限制啟動電流為2倍滿載電樞電流,則啟動電阻應為多少?
<練習>有一部10HP、200V的直流分激電動機,滿載時電樞電流25A,電樞電阻
2.220V分激電動機,電樞電阻0.2Ω,若磁通為定值,當滿載時電樞電流為
100A,轉速為1400rpm,則此電動機半載的轉速?
<練習>一部200V直流分激電動機,電樞電阻為0.5Ω,若磁通為定值,滿載時電樞電流為40A,轉速為1500rpm,若將電源電壓降為150V,則其滿載
的轉速變為多少rpm?
3.200V直流分激電動機,電樞電阻為0.5Ω,當負載電流為50A時,轉速為
1200rpm,若負載電流變為80A,且磁通減少20%,則其轉速變為何?
<練習>某直流他激電動機,電樞電阻為0.5Ω,當加100V於電樞時,電樞電流為20A,電動機轉速為1100rpm;若磁通加大10%,而電樞電流變為38A,求此時電動機的轉速為若干rpm?
4.110V串激電動機,電樞電阻為0.2Ω,場電阻為0.5Ω,滿載的電樞電流為
20A,則其反電勢及電樞功率分別為何?
<練習>一台120V之分激電動機,其電樞電阻為0.5Ω,分激場電阻為30Ω,電刷壓降2V,滿載時線電流為40A,若不考慮電樞反應,則滿載的反電勢為多少伏特?
<練習>四極110V、50A直流電動機,共有四只電刷,其電樞電阻為0.2Ω,電刷壓降每只1V,則其滿載的反電勢為何?
5.直流電動機滿載的轉速為1200rpm,已知速率調整率為5%,則其無載的轉速
為何?
<練習>直流電動機無載轉速為2000rpm,滿載的速率調整率為10%,則其滿載的轉速?
6.10HP的直流電動機,已知滿載時的轉速為1200rpm,則其滿載的轉矩為何?
<練習>直流分激電動機,測得電樞的端電壓為200V,電樞電流為50A,轉速為2000rpm,電樞電阻為0.2Ω,若不考慮電樞反應及電刷壓降,求此電動機的電磁轉矩為多少Kg-m?
作業
1( )下列何種電動機具有低速時高轉矩及高速時低轉矩之特性(1)分激電動機
(2)外激電動機(3)串激電動機(4)複激電動機。
2( )分激電動機的轉矩特性曲線為(1)拋物線(2)直線(3)雙曲線(4)不規則曲線。
3( )負載變動時,那一型電動機的轉速最穩定(1)分激電動機(2)串激電動機(3)積複激電動機(4)差複激電動機。
4( )直流串激電動機如將電源極性調反,其結果(1)轉向不變(2)反向轉動(3)不轉(4)過速度。
5( )有關直流電動機的敘述,下列何者錯誤(1)轉速加倍時,反電勢加倍(2)磁通加倍時,反電勢加倍(3)電流加倍,若端電壓一定,則反電勢必上升(4)直流電動機的維護較感應機困難。
6( )一般家用果汁機均為(1)分激電動機(2)外激電動機(3)串激電動機(4)複激電動機。
7( )可以交直流兩用的電動機為(1)分激電動機(2)外激電動機(3)串激電動機
(4)複激電動機。
8( )直流分激電動機啟動時,應將場電阻器位置調於(1)最小處(2)最大處(3)中央(4)均可。
9( )直流電動機的速率控制,若採電樞電阻控制法,則其(1)功率損失大、速率調整差(2)功率損失大、但速率調整佳(3)功率損失小、速率調整差(4)功率損失大、速率調整佳。
10( )某直流電動機於實驗室加載時速度上升,則該機應為(1)差複激式(2)分激式(3)串激式(4)積複激式。
11( )直流分激電動機在運轉中若其磁場線圈突然斷路,則此電動機將(1)停下來(2)產生拌動現象(3)速度上升(4)不影響。
12( )下列有關串激電動機的特性實驗之敘述何者錯誤(1)在無載時有飛脫的危險(2)當磁路飽和後,轉矩與電樞電流的曲線是一個三次曲線(3)在磁路未飽和時,轉矩與電樞電流的特性曲線為拋物線(4)直流串激電動機為一變速馬達。
13( )直流電動機在啟動時,在電樞串聯電阻器主要的目的(1)作轉向控制(2)減少鐵損(3)減少銅損(4)限制啟動電流。
14( )下列直流電動機中,啟動轉矩最大者(1)差複激(2)積複激(3)串激(4)分激。
歷屆考題
1.串激電動機電樞電流為30A時,產生的轉矩為30NT-M,若電樞電流降至20A
,則轉矩為(A)13 (B)20 (C)40 (D)26 NT-M
2.有一部10HP、220V的直流分激電動機,滿載電樞電流為50A,電樞電阻為
0.5Ω,若欲限制啟動電流為2倍滿載電樞電流,則啟動電阻為多少(A)0.5
(B)1.0 (C)0.8 (D)1.5 Ω。
3.某八極、110V、25A直流電動機有8只電刷其電樞電阻R a=0.4Ω(不包含電刷
壓降),若電刷壓降以每只1V計,則當電樞電流為25A時,其反電勢為多少伏特?(A)92 (B)96 (C)98 (D)102 。
4.一部220V分激電動機,樞電阻為0.2Ω,若磁通φ為定值,當滿載時,樞電
流為100A,速率為1400RPM,將電樞電壓減為140V時,滿載速率為多少RPM?(A)840 (B)890 (C)980 (D)1400 。
5.某分激式直流電動機之無載轉速1300RPM,已知其速率調整率為5%,則滿
載轉速約為多少RPM (A)1220 (B)1238 (C)1254 (D)1267 。
6.某分激電動機之電樞電阻為0.5Ω,場電阻為100Ω。如將此電動機接於200V
之電源上,其電源電流為100A,若忽略電刷壓降,則此電動機的感應電勢為
(A)151 (B)200 (C)220 (D)100 V 。
7.1HP110V直流分激電動機,其電樞內阻為0.1Ω,滿載時電樞電流為8A,則
滿載的反電勢為(A)109.2 (B)109.4 (C)110.6 (D)110.8 V 。
8.電樞電壓220V,電樞電流20A,轉速1510RPM運轉中等直流他激電動機,
如其負載轉矩變為2倍,則其轉速變為多少?但該機電樞電阻0.2Ω,電刷壓降及電樞反應可以忽視(A)1374 (B)1426 (C)1455 (D)1482 RPM。
9.直流串激電動機,供給電壓是525V,電樞電流50A,轉述每分1500轉,現
供給電壓減少為400V(假設電樞線圈及激磁線圈的總電阻是0.5Ω),對同一電流而言,轉速為(A)1315 (B)1215 (C)1125 (D)1075 RPM 。
实验一直流并励电动机 一.实验目的 1.掌握用实验方法测取直流并励电动机的工作特性和机械特性。 2.掌握直流并励电动机的调速方法。 二.预习要点 1.什么是直流电动机的工作特性和机械特性? 答:工作特性:当U = U N , R f + r f = C时,η, n ,T分别随P 2 变; 机械特性:当U = U N , R f + r f = C时, n 随 T 变; 2.直流电动机调速原理是什么? 答:由n=(U-IR)/Ceφ可知,转速n和U、I有关,并且可控量只有这两个,我们可以通过调节这两个量来改变转速。即通过人为改变电动机的机械特性而使电动机与负载两条特性的交点随之改变,从而达到调速的目的。 三.实验项目 1.工作特性和机械特性 保持U=UN和If=IfN不变,测取n=f(Ia)及n=f(T2)。 2.调速特性 (1)改变电枢电压调速 保持U=UN、If=IfN=常数,T2=常数,测取n=f(Ua)。 (2)改变励磁电流调速 保持U=UN,T2 =常数,R1 =0,测取n=f(If)。 (3)观察能耗制动过程 四.实验设备及仪器 1.MEL-I系列电机教学实验台的主控制屏。 2.电机导轨及涡流测功机、转矩转速测量(MEL-13)、编码器、转速表。 3.可调直流稳压电源(含直流电压、电流、毫安表) 4.直流电压、毫安、安培表(MEL-06)。
I S :涡流测功机励磁电流调节,位于MEL-13。 (2)测取电动机电枢电流I a 、转速n和转矩T 2 ,共取数据7-8组填入表1-8中 表1-8U=U N=220V I f=I f N=K a=Ω 2.调 速 特 性 (1) 改变 电枢 端电 压的调速 f fN2 (2)改变励磁电流的调速 2= 一7接线 MEL-09) MEL-03中两只900Ω电阻 MEL-05) .直流电动机起动前, 测功机加载旋钮调至零. 实验做完也要将测功机负载钮调到零,否则电机起动时,测功机会受到冲击。 2.负载转矩表和转速表调零.如有零误差,在实验过程中要除去零误差。 3.为安全起动, 将电枢回路电阻调至最大, 励磁回路电阻调至最小。 4.转矩表反应速度缓慢,在实验过程中调节负载要慢。 5.实验过程中按照实验要求, 随时调节电阻, 使有关的物理量保持常量, 保证实验数据的正确性。 七.实验数据及分析
他励、串励、并励、复励直流电动机的机械 特性,及其工作特性与应用领域 一、他励直流电动机的机械特性,及其工作特性与应用领域 图中:n0为理想空载转速 n’0是实际空载转速。 他励电机的机械特性曲 线斜率小,机械硬度高。 他励直流电动机工作特性 1. 转速特性 2. 转矩特性 T T C C '=Φ 3. 效率特性 a a e e R U n I C C = + Φ Φ e T a T a T C I C I '==Φ2Fe mec Cuf a a a c 21a f 2Δ100%1() p p p I R I U P P U I I ??++++η= ?=- ?? +? ?
应用领域 他励电动机常用于转速不受负载影响又便于在大范围内调速的生产机械。如大型车床、龙门刨床。 二、串励直流电动机的机械特性, 串励电动机的机械特性为双曲线, 转速随转矩的增加而下降速率很快,称为软特性 Rj=0为自然机械特性 Rj不等于零为人工机械特性 工作特性
电动势平衡方程式 电动势公式 转矩平衡方程式 转矩公式 (其中,R fc 为串励绕组电阻) 应用领域 串励电机因转速可调范围广,启动扭矩大的特点被广泛的应用于电动工具,厨房用品,地板护理产品领域。 a e a a E C n C I n '==Φe 20 T T T =+2e T a T a T C I C I '==Φa e f C C K '=T T f C C K '=2e 200 602πP T T T T n =+=+?
三、并励直流电动机的机械特性 n0为理想空载转速,与端电压有关, 直线斜率k<0,表明n是T的减函数, 其下降速率与调节电阻Rj大小有关。 Rj=0为自然机械特性 Rj不等于零为人工机械特性 Rj=0时,特征曲线接近于水平线,表示硬特性。即硬度高。工作特性
实验一直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性 一、实验目的 测定他励直流电动机的自然机械特性及各种电气参数变化时的人为机械特性。 通过试验掌握直流电动机在各种运行状态时的特点和能量转换的规律。 二、预习要点 1、改变他励直流电动机机械特性有哪些方法? 2、他励直流电动机在什么情况下,从电动机运行状态进入回馈制动状态?他励直流电动机回馈制动时,能量传递关系,电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况? 3、他励直流电动机反接制动时,能量传递关系,电动势平衡方程式及机械特性。 三、实验项目 1、电动及回馈制动状态下的机械特性 2、电动及反接制动状态下的机械特性 3、能耗制动状态下的机械特性 四、实验设备及挂件排列顺序 1、实验设备 序 型号名称数量 号 1 DD01 电源控制屏1台 2 DD0 3 不锈钢电机导轨、测速系统及数显转速表1件 3 DJ15 直流并励电动机1台 4 DJ23 校正直流测功机1台 5 D51 波形测试及开关板1件 2、屏上挂件排列顺序D51 五、实验方法及步骤
按图1-1接线,图中M用编号为DJ15的直流并励电动机(接成他励方式),MG用编号为DJ23的校正直流测功机,直流电压表V1的量程为500V,直流电流表A2、A4的量程为200mA,A1、A3的量程为5A。R2 、R4选用R1、R3上的900Ω电阻分压接法,R1选用R2、R4上4个90Ω串联,R3选用R5上的900Ω并联加上R6上的90Ω串联和实验台面上两个1300Ω并联。开关S1、S2选用D51上的双刀双掷开关。 直流电动机运行于电动及回馈制动状态下的自然机械特性 (一)试验概述: (1)测定被试直流电动机M运行于电动状态的机械特性时,在其轴上可加负载的形式是多种多样的,然而要获得反接、回馈及能耗制动等状态时的机械特性,其最可行的方法是采用一台直流电机来做负载,利用负载机MG工作在不同的运行状态,来测出受试电动机M于不同运转状态的机械特性。 (2)本实验的自然机械特性从额定运行点开始,向空载、回馈发电方向进行,测取被试机M的n、I a然后计算它的转矩T,求得n=f(T )机械特性(由于直流电机T=C TφI,在φ保持不变时则T=I)。 (3)当被试机M运行于电动状态时(即第一象限运行),其负载机MG处于制动运行状态(可以是发电制动状态也可以是电枢反接、转速反向的制动状态)。本实验建议采用电枢反接、转速反向的制动状态运行,使MG服从于M的转向,因此负载机MG合闸时电枢串联的电阻R3应足够大,以免负载转矩太大,引起电枢电流太大,我们可以通过调节MG的电枢串联电阻R3的大小,而调节被试机M的负载的大小。 (4)当被试机M运行于回馈发电状态时(即第二象限运行),这时它需要负载机MG为原动机来拖动。因此负载机MG应处于正向高转速下的电动运行,这可以通过减小R3的阻值;或减小I4值而得到实现。 (二)原理和步骤 A)原理: (1)实验线路如图1-1,直流电动机的自然机械特性试验的条件是U=U N;I f=I fN;R1 = 0 求n=f(T),因此实验 过程中应注意保持试验条件不变。 (2)当被试机M正向电动时(即运行于第一象限): M:电枢正接,起动后R1 = 0 。 MG:电枢反接,(在R3于阻值最大时接通电源) 使负载机MG 处于反接制动运行,改变R3的阻值可以得到负载机MG的各个 不同斜率的负载特性曲线与被试机M的被测机械特性曲线相交 平衡,从而调节被试机M的负载,其运行图如图1-2所示的虚 线a、b、c、d、e点。 (3)当被试机M回馈制动运行时(即运行于第Ⅱ象限): M:电枢正接,(被负载机MG正拖到转速大于理想空载转速)。 MG:电枢正接,通过改变磁场电阻R4使负载机的理想空载转速大于被试机的理想空载转速。然后改变R3的阻值可以得到负载机MG的各个不同斜率的负载特性曲线与被试机M的被测机械特性曲线相交平衡,从而调