面向21世紀高職高專系列教材,電機拖動與控制,第10章直流電動機,在電力拖動系統(tǒng)中，選擇電動機一般包括確定電動機的種類、型式、額定電壓、額定轉速和額定功率、工作方式等。而最重要的是選擇電動機的額定功率。決定電動機功率時，要考慮電動機的發(fā)熱、允許過載能力和起動能力等因素，以發(fā)熱問題最重要。,一、電動機的種類、型式、額定電壓與額定轉速的選擇,1.電動機種類的選擇選擇電動機的原則是電動機性能滿足生產機械要求的前提下，優(yōu)先選用結構簡單、價格便宜、工作可靠、維護方便的電動機。在這方面交流電動機優(yōu)于直流電動機，交流異步電動機優(yōu)于交流同步電動機，籠型異步電動機優(yōu)于繞線式異步電動機。負載平穩(wěn)，對起，制動無特殊要求的連續(xù)運行的生產機械，宜優(yōu)先選用普通籠型異步電動機，普通的籠型異步電動機廣泛用于機械、水泵、風機等。深槽式和雙鼠籠是異步電動機用于大中功率，要求起動轉距較大的生產機械、如空壓機、皮帶運輸機等。起動、制動比較頻繁，要求有較大的起動、制動轉矩的生產機械，如橋式起重機、礦井提升機、空氣壓縮機、不可逆軋鋼機等，應采用繞線式異步電動機。無調速要求，需要轉速恒定或要求改善功率因數的場合，應采用同步電動機，例如中、大容量的水泵，空氣壓縮機等。只要求幾種轉速的小功率機械，可采用變極多速(雙速、三速、四速)鼠籠式異步電動機，例如電梯、鍋爐引風機和機床等。,調速范圍要求在13以上，且需連續(xù)穩(wěn)定平滑調速的生產機械，宜采用他勵直流電動機或用變頻調速的鼠籠式異步電動機，例如大型精密機床、龍門刨床、軋鋼機、造紙機等。要求起動轉距大，機械特性軟的生產機械，使用串勵或復勵直流電動機，例如電車、電機車、重型起重機等。2.電動機型式的選擇(1)安裝型式的選擇電動機安裝型式按其位置的不同，可分為臥式和立式兩種。一般選臥式，立式電動機的價格貴，只有在為了簡化傳動裝置，必須垂直運轉時才采用。(2)防護型式的選擇為防止電動機受周圍環(huán)境影響而不能正常運行，或因電機本身故障引起災害，必須根據不同的環(huán)境選擇不同的防護型式。電動機常見的防護型式有開啟式、防護式、封閉式和防爆式4種。開啟式這種電機價格便宜，散熱條件較好，但容易進入水氣、水滴、灰塵、油垢等雜物，影響電機的壽命及正常運轉，故只能用于干燥清潔的環(huán)境之中。防護式這種電機一般防止水滴，等雜物落入機內，但不能防止潮氣及灰塵的侵入，故只能用于干燥和灰塵不多又無腐蝕和爆炸性氣體的環(huán)境。防閉式這類電機又分為自冷式、強迫通風式和密封式3種，前兩種電機，潮氣和灰塵不易進入機內，能防止任何方向飛濺的水滴和雜物侵入，適用于潮濕、多塵土、易受風雨侵襲，有腐蝕性蒸汽或氣體的各種場合。密封式電機，一般使用于液體(水或油)中的生產機械，例如潛水泵等。,防爆式在封閉結構的基礎上制成隔爆型，增安型和正壓型3類，都適用于有易燃易爆氣體的危險環(huán)境，例如油庫、煤氣站或礦井等場所。對于濕熱地帶、高海拔地區(qū)及船用電機等，還得選用有特殊防護要求的電機。3.額定電壓的選擇電動機的額定電壓的選擇，取決于電力系統(tǒng)對該企業(yè)的供電電壓和電動機容量的大小。交流電動機電壓等級的選擇主要依使用場所供電電壓等級而定。一般低電壓網為380V，故額定電壓為380V(Y或接法)、220/380V(/Y接法)，380/660V(/Y接法)3種；礦山及煤廠或大型化工廠等聯合企業(yè)，越來越要求使用660V(接法)或660/1140V(/Y接法)的電機。等電動機功率較大，供電電壓為6000V或10000V時，電動機的額定電壓應選與之適應的高電壓。直流電動機的額定電壓也要與電源電壓相配合。一般為110V、220V和440V。其中220V為常用電壓等級，大功率電機可提高到6001000V。當交流電源為380V，用三相橋式可控硅整流電路供電時，其直流電動機的額定電壓應選440V，當用三相半波可控硅整流電源供電時，直流電動機的額定電壓應為220V，若用單相整流電源，其電動機的額定電壓應為160V。,4.額定轉速的選擇額定功率相同的電動機，其額定轉速越高，則電動機的體積越小，重量越輕，造價越低，一般地說電動機的飛輪距GD2也越小。但生產機械的轉速一定，電動機的額定轉速越高，拖動系統(tǒng)傳動機構的速比越大，傳動機構越復雜。電動機的GD2和額定轉速影響到電動機過渡程持續(xù)的時間和過渡過程中的能量損耗。電動機的GD2越小，過渡過程越快，能量損耗越小。因此，電動機額定轉速的選擇，應根據生產機械的具體情況，綜合考慮上面所述的各個因素來確定。,二、電動機的發(fā)熱與冷卻,1.電動機的發(fā)熱電動機運行過程中，各種能量損耗最終變成熱能，使得電動機的各個部分溫度上升，因而會超過周圍環(huán)境溫度。溫度升高的熱過渡過程，稱之為電動機的發(fā)熱過程，電動機溫度高出環(huán)境溫度的值稱為溫升。一旦有了溫升，電動機就要向周圍散熱。當電動機單位時間發(fā)出的熱量等于散出的熱量時，溫度不再增加，而保持一個穩(wěn)定不變的溫升，稱為動態(tài)熱平衡。,2.電動機的冷卻負載運行的電動機，在溫升穩(wěn)定以后，如果減少或去掉負載，那么電動機內耗及單位時間發(fā)熱量都會隨之減少。這樣，原來的熱平衡狀態(tài)被破壞，變?yōu)榘l(fā)熱少于散熱，電動機溫度就要下降，溫升降低。降溫過程中，隨著溫升減小，單位時間散熱量也減少。當重新達到平衡時，電動機不再繼續(xù)降溫，而穩(wěn)定在一個新的溫升上。這個溫升下降的過程稱為電動機的冷卻過程。3.電動機的絕緣等級從發(fā)熱方面來看，決定電動機容量的一個主要因素就是它的繞組絕緣材料的耐熱能力，也就是繞組絕緣材料所能容許的溫度。電動機在運行中最高溫度不能超過繞組絕緣的最高溫度，超過這一極限時，電動機使用年限就大大縮短，甚至因絕緣很快燒壞而不能使用。根據國際電工委員會規(guī)定，電工用的絕緣材料可分為7個等級，而電動機中常用的有A、E、B、F、H5個等級，而各等級的最高容許溫升分別為105、120、130、155、180。我國規(guī)定40為標準環(huán)境溫度，絕緣材料或電動機的溫度減去40即為允許溫升，用max表示。,三、電動機的工作方式,電動機工作時，負載持續(xù)時間的長短對電動機的發(fā)熱情況影響很大，因而對選擇的電動機功率影響也很大。按電動機發(fā)熱的不同情況，可分為以下3種工作方式。1.連續(xù)工作方式連續(xù)運行方式是指電動機工作時間tr(34)(為電動機的發(fā)熱時間常數，表征電動機熱慣性的大小)后溫升可以達到穩(wěn)態(tài)值，也稱長期工作制。屬于這類生產機械的有水泵、鼓風機、造紙機等。2.短時工作方式短時工作方式是指電動機工作時間tr(34)。這樣工作時溫升達不到穩(wěn)態(tài)值，而停歇后溫升降為零。屬于此類生產機械的有機床的夾緊裝置、某些冶金輔助機械、水閘閘門啟閉機等。短時工作方式下電動機的額定功率是與規(guī)定的工作時間相對應的，這一點需要注意，與連續(xù)工作方式的情況不完全一樣。電動機銘牌上給定的額定功率是按15min、30min、60min、90min4種標準時間規(guī)定的。,3.周期性斷續(xù)工作方式周期性斷續(xù)工作方式是指工作和與停歇相互交替進行，兩者時間都比較短，即工作時間trn0情況，此時EaU，Ia反向，T反向，由驅動變?yōu)橹苿?。從能量方向看，電機處于發(fā)電狀態(tài)回饋制動狀態(tài)（P1=UIa0、P2=T0）。,穩(wěn)定運行有兩種情況:1）正向回饋2）反向回饋,3.5.4回饋制動（再生制動）,發(fā)生在調速過程中的回饋制動過程有以下兩種情況：,回饋制動時由于有功功率回饋到電網，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經濟的。,3.5他勵直流電動機的制動,注意：機械制動具有快速、準確的優(yōu)點，但是對于高速、慣性大的設備，機械沖擊比較大；電磁制動則具有制動相對平穩(wěn)、制動轉矩容易控制的特點。說明：很多情況下采用機械制動結合電磁制動的方法來進行制動，即先通過電磁制動將電機轉速降到一個比較低的速度（接近零速），然后再機械抱閘制動，這樣既避免了機械沖擊又有比較好的制動效果。,3.5他勵直流電動機的制動,例3-2：Z2-92型的直流他勵電動機額定數據如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，電樞內電阻Ra=0.07W，試求：（1）在額定負載下進行能耗制動，欲使制動電流等于2IN時，電樞應接入多大的電阻？（2）求出它的機械特性的方程。（3）如電樞直接短接，制動電流應多大？,解：(1)額定負載時，電動機電動勢EaN=UN-IaRa=（220-2100.07）=205.3V按要求Ia=-2IN=(-2210)=-420A能耗制動時，電樞回路總電阻R=-EaN/Ia=(-205.3/-420)=0.489W應接入制動電阻RZ=R-Ra=(0.489-0.07)=0.419W,3.5他勵直流電動機的制動,(3)如電樞直接短接，制動電流IZ=-EaN/Ra=-205.3/0.07=-2933A,(2)電動勢系數CeFN=EaN/nN=205.3/1000=0.2053轉矩系數CTFN=9.55CeFN=9.550.2053=1.96所以機械特性方程為n=-RT/CeCTFN2=-0.489T/0.20531.96=-1.215T,注：此電流約為額定電流的14倍，所以能耗制動時，不許直接將電樞短接，必須接入一定數值的制動電阻。,3.6他勵電動機的調速,電力拖動系統(tǒng)的調速可以采用機械調速、電氣調速或二者配合調速。通過改變傳動機構轉速比進行調速的方法稱為機械調速；通過改變電動機參數進行調速的方法稱為電氣調速。改變電動機的參數就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉速發(fā)生變化。調速前后，電動機工作在不同的機械特性上，如果機械特性不變，因負載變化而引起轉速的變化，則不能稱為調速。,他勵直流電動機的轉速為,電氣調速方法：1.電樞回路串電阻調速；2.降低電源電壓調速；3.弱磁調速。,3.6他勵電動機的調速,（1）調速范圍,衡量調速好壞的指標：,（2）調速的平滑性,在一定的調速范圍內，調速的級數越多，調速越平滑。相鄰兩級轉速之比稱為調速的平滑性，平滑系數為：,越接近1，平滑性越好，當時，稱為無級調速，即轉速可以連續(xù)調節(jié)。調速不連續(xù)時，級數有限，稱為有級調速。,（3）調速的穩(wěn)定性（靜差率）,指負載變化時，轉速變化的程度，轉速變化小，穩(wěn)定性好。靜差率，是指電動機在某機械特性上運轉時，由理想空載至滿載時的轉速降對理想空載轉速的百分比，即：,%越小，相對穩(wěn)定性越好；%與機械特性硬度和n0有關。,D與%相互制約:越小,D越小,相對穩(wěn)定性越好;在保證一定的指標的前提下,要擴大D,須減少n,即提高機械特性的硬度。,3.6他勵電動機的調速,衡量調速好壞的指標：,（4）調速的經濟性,主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用等。,3.6他勵電動機的調速,衡量調速好壞的指標：,（5）調速時電動機的容許輸出,是指電動機得到充分利用的情況下，在調速過程中所能輸出的功率和轉矩。,3.6.1電樞回路串電阻調速,3.6他勵電動機的調速,未串電阻時的工作點,串電阻R1后,工作點由AAB,拖動恒轉矩負載為例。保持電源電壓及主極磁通為額定值不變，在電樞回路內串入不同的電阻。,C,n2,串入更大的電阻R2后,將以更低的速度n2運行,3.6.1電樞回路串電阻調速,調速時，電流變化及轉速變化曲線如下：,3.6.1電樞回路串電阻調速,優(yōu)點：電樞串電阻調速設備簡單，操作方便。,1）由于電阻只能分段調節(jié)，所以調速的平滑性差；2）電樞回路串電阻越大，穩(wěn)定運行時轉速越低，所以，只能在低于額定轉速的范圍內調速，一般稱為由基速（額定轉速）向下調速。3）低速時特性曲線斜率大,靜差率大,所以轉速的相對穩(wěn)定性差；（即受負載波動的影響大）4）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍一般為D2；5）損耗大，效率低，不經濟。對恒轉矩負載，調速前、后Ia不變，輸入功率不變，輸出功率卻隨轉速的下降而下降，減少的部分被串聯電阻消耗了。,缺點：,3.6.2降低電源電壓調速,拖動恒轉矩負載為例。保持主極磁通為額定值不變，電樞回路不串入電阻，降低電源電壓。,3.6.2降低電源電壓調速,優(yōu)點：1）電源電壓能夠平滑調節(jié)，可實現無級調速。,2）調速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，負載變化時穩(wěn)定性好。,3）無論輕載還是負載，調速范圍相同，一般可達D=2.512。,4）電能損耗較小。,缺點：需要一套電壓可連續(xù)調節(jié)的直流電源。,3.6.3弱磁調速,拖動恒轉矩負載為例。保持電樞電壓不變，電樞回路不串入電阻，減小電動機的勵磁電流使主極磁通值減弱。,3.6.3弱磁調速,減弱磁通調速前、后轉速變化曲線,減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線(Ea=CeFn，弱磁瞬間n不能突變，F減小則Ea減小，UN=Ea+IaRa，Ia增大),結論：磁場越弱，轉速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。,調速時，電流變化及轉速變化曲線如下：,3.6.3弱磁調速,優(yōu)點：由于在電流較小的勵磁回路中進行調節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設備簡單，調速平滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉速升高，輸出功率也增大，電動機的效率基本不變，因此經濟性是比較好。,2）轉速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大；,為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速，在額定轉速以下采用降壓調速。,缺點：1）機械特性的斜率變大，特性變軟；,3.6他勵電動機的調速,例3-3：某臺他勵直流電動機，額定功率PN=220kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，電樞回路電阻Ra=0.1W，忽略空載轉矩T0，電動機帶額定負載運行，試求：（1）要求把轉速降到1000r/min，可有幾種方法，并求出它們的參數。（2）當減弱磁通至F=3/4FN時，拖動恒轉矩負載時，求電動機穩(wěn)定轉速和電樞電流。能夠長期運行？為什么？如果拖動恒功率負載，情況又怎樣？,解：(1)把轉速降到1000r/min，可有兩種方法:1）電樞回路串電阻；2）降低電樞電壓。1）計算電樞串入電阻的數值CeFN=（UN-INRa）/nN=（220-1150.1）/1500=0.139電樞串電阻為R，則有R=（UN-CeFNn）/IN-Ra=(220-0.1301000/115)-0.1=0.604W,2）計算降低后的電樞電壓數值U=CeFNn+INRa=（0.1391000+1150.1）=150.5V(2)F=3FN/4時，電動機的轉速和電樞電流的計算根據電磁轉矩公式T=CTFNIa拖動恒轉矩負載T=TL=常數則有，Ia=FNIN/F=4IN/3=4115/3=153A電動機轉速n=（UN-IaRa）/CeF=（200-1530.1）/0.750.139=1964r/min可見，由于電動機的電樞電流IaIN，故不能長期運行。如果拖動恒功率負載，由于此時電樞電流I=IN=常數電動機轉速n=（UN-IaRa）/CeF=（220-1150.1）/0.750.139=2000r/min故，電動機可以長期運行（未考慮最高轉速的限制）。,3.6他勵電動機的調速,3.7直流電機的故障分析及維護1、直流電動機安裝時，有哪些基本要求？2、電機發(fā)生故障時，應從哪些方面做常規(guī)檢查？3、影響換向惡化的原因主要有哪些？4、電機振動的原因和帶來的危害有哪些？通過什么手段來檢測振動情況？5、換向器對表面光潔度和清潔度都有嚴格要求，如出現異常，分別采取哪些方法處理？6、電刷與換向器的接觸面積有什么要求？對電刷的壓力有什么要求？為什么同一臺電機必須使用統(tǒng)一型號的電刷？新更換的電刷需做什么處理？7、電刷架的位置能隨便移動嗎？為什么？8、電樞繞組匝間短路的后果是什么？9、在電源電壓一定的情況下，轉速偏高的原因是什么？10、如果電機出現局部過熱，試列出幾個原因。,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.1直流電機運行時的換向故障,1.機械原因（1）電機振動?，F象：電刷在換向器表面跳動。原因：電樞兩端的平衡塊脫落或位置移動。處理辦法：進行平衡。低速，靜平衡；高速，動平衡。（2）換向器?，F象：電刷不能在換向器上平穩(wěn)滑動或火花增大。原因：換向器變形；片間云母突出；表面有疤痕或毛刺；換向器表面有油污。處理辦法：沾酒精擦拭；用與換向器表面吻合的曲面木塊墊上細砂紙磨換向器，嚴重則刀削外圓；云母突出則將云母下刻。,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.1直流電機運行時的換向故障,（3）電刷?，F象：產生有害火花。原因：電刷彈簧壓力不合適；電刷材料不符合要求；電刷型號不一致；電刷與刷盒間配合太緊或太松；刷盒邊離換向器表面距離太大。處理辦法：電刷的彈簧壓力根據不同的電刷確定；同一電機使用同一型號的電刷；更換電刷用較細的玻璃砂紙研磨，空轉半小時，使換向器表面形成氧化膜，再投入工作。,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.1直流電機運行時的換向故障,2、由機械引起的電氣原因現象：產生有害火花或火花增大。原因：磁極、刷盒的裝配有偏差。處理辦法：使各磁極、電刷安裝合適、分布均勻，電刷架保持出廠時的位置，固定牢固。3、電樞繞組故障（1）電樞元件斷線或焊接不良。現象：電刷接觸和離開的瞬間呈現較大的點狀火花，使斷路元件兩側的換向片灼黑；若用電壓表檢查換向器片間電壓，斷線元件或換向器焊接不良的元件兩側的換向片片間電壓特別高,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.1直流電機運行時的換向故障,（2）電樞繞組短路?，F象：局部過熱,4、定子繞組故障（1）換向極或補償繞組極性接反。現象：換向火花急劇增大，換向片明顯灼黑。原因：極性接反。（2）換向極或補償繞組短路。現象：火花增大。原因：換向極或補償繞組短路,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.1直流電機運行時的換向故障,（3）換向極繞組不合適。現象：電機修理后，再三調整還不能滿足換向要求，從內部也找不出故障原因。原因：可能是換向極磁場不合適引起的。5、電源的影響現象：換向變壞；增加了電機的噪聲、振動、損耗、發(fā)熱。原因：使用晶閘管整流裝置代替直流發(fā)電機組，這種電源帶來了諧波電流和快速暫態(tài)變化。解決方法：用串接平波電抗器的方法來減少交流分量。一般外加平波電抗器的電感值約為直流電機電樞回路電感的2倍左右。,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.2直流電機運行時的性能異常及維護,1、轉速異常當電機的轉速發(fā)生異常時，可用轉速公式中的有關因素來找原因。（1）轉速偏高?，F象：對并勵或他勵電動機，轉速劇升，有飛車的危險。如帶負載很重，電動機速度也不致升高，這時電流劇增，使開關的保護裝置動作后跳閘；對串勵電動機，勵磁線圈斷線即電樞開路，電動機停止運行。原因：勵磁繞組中發(fā)生短路現象或個別磁極極性裝反，或勵磁線圈斷線，磁極只有剩磁。,（2）轉速偏低?，F象：電機轉速偏低。原因：電樞回路中連接點接觸不良，使電樞電路的電阻壓降增大。解決方法：檢查電樞電路各連接點（包括電刷）的接頭焊接是否良好，接觸是否可靠。（3）轉速不穩(wěn)?，F象：電機的轉速和電流發(fā)生急劇變化，電機不能正常穩(wěn)定運行，如不及時制止，電機和所接儀表均有損壞的危險。解決方法：首先檢查串勵繞組極性是否準確，減小勵磁電阻并增大勵磁回路電流；若電刷沒有放在中性線上應加以調整。,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.2直流電機運行時的性能異常及維護,3.7直流電機的故障分析及維護,3.7.2直流電機運行時的性能異常及維護,2、電流異?，F象：電樞電流增大，長時間運行，易燒毀電機繞組。原因：機械上有摩擦、軸承太緊、電樞回路中引線相碰或有短路現象、電樞電壓太高等。3、局部過熱現象：燒毀繞組；有絕緣烤糊味或局部過熱。原因：電樞繞組中有短路現象；導體各聯接點接觸不良；換向器上的火花太大；電刷接觸不良。,第三章習題,1、什么是電力拖動系統(tǒng)？試舉出幾個實例。2、電車前進方向為轉速正方向，定性畫出電車走平路與下坡時的負載轉矩特性。3、他勵直流電動機的電磁功率指什么？4、什么是他勵直流電動機的固有機械特性，有何特點？5、他勵直流電動機電樞回路串入電阻后，對理想空載轉速大小有何影響？為什么？對機械特性硬度有無影響？為什么？6、直流電動機為什么不能直接起動？有哪幾種起動方法？采用什么起動方法比較好？7、他勵直流電動機起動時，為什么一定要先加勵磁電壓？如果未加勵磁電壓（或因勵磁繞組斷線），而將電樞接通電源，在下面兩種情況下會有什么后果：(1)空載起動；（2）負載起動TL=TN。8、他勵直流電動機有哪幾種調速方法？各有什么優(yōu)缺點？,第三章習題,9、當提到某臺電動機處于制動狀態(tài)時，是不是僅僅意味著減速停車？反之如果電動機在減速過程中，可否說電機一定處于制動狀態(tài)？10、比較各種電磁制動方法的優(yōu)缺點，它們各應用在什么地方？11、他勵直流電動機的額定數據為PN=17kW，UN=220V，IN=