电力拖动及控制基础.docx

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电力拖动及控制基础

一．常用低压电器

1．断路器

断路器的作用：

当电路发生短路、欠压、过载等非正常现象时，能自动切断电路。

断路器的选用原则：

1）断路器的额定工作电压大于等于线路额定电压

2）断路器的额定电流大于等于电路设计的负载电流

3）热脱扣器的整定电流等于所控制负载的额定电流

4）电磁脱扣器的瞬时整定电流大于负载电路正常工作的峰值电流

单台电动机瞬时脱扣电流I≥KIst式中K——是安全系数取1.5~1.7

Ist——电动机启动电流

多台电动机瞬时脱扣电流I≥K（Istmax+∑In）式中K——是安全系数取1.5~1.7

Istmax——最大容量的一台电动机启动电流

∑In——其余电动机额定电流的总和

5）断路器欠电压脱扣器的额定电压等于线路额定电压

2．熔断器

常用的有RC1系列插入式熔断器、RL1系列螺旋式熔断器、RM10系列无填料封闭管式熔断器、以及RT0系列有填料封闭管式熔断器

熔体电流的一般选用原则：

1）对变压器、电炉、照明等负载的短路保护，熔体的额定电流应稍大于线路负载的额定电流

2）对于电动机负载的短路保护按1.5~2.5倍额定电流

3）对多台电动机负载的短路保护按1.5~2.5倍最大电动机额定电流加上其余电动机额定电流的总和计算

3．接触器

用于频繁接通和切断交直流电路，具有低电压释放保护性能、控制容量大及适宜远距离控制的优点

选用原则：

1）根据控制负载类型来选择接触器的类型（交直流接触器）

2）接触器触头额定电压大于或等于负载额定电压，额定电流大于电动机的额定电流

3）选择合适的线圈电压；触头数量，种类应满足控制线路的要求

4．热继电器

用途是作为电动机过载、断相，三相不平衡电流保护及其他电器设备发热状态的控制。

一般情况下的整定值为（0.95~1.05）In

二．电动机调速及应用知识

1．调速指标

1）调速范围D它是指电动机工作在额定负载时，电动机所能达到的最高转速nmax与最低转速nmin之比即D=nmax/nmin

不同的生产机械要求不同的调速范围，如车床的调速范围D为20~120；龙门刨床主拖动的D为10~30；轧钢机的D为3~15等

2）静差率S静差率表示电动机在负载转矩变化时转速变化的程度，其定义在一条机械特性曲线上，电动机的负载由理想空载加到额定负载值所出现的转速降落S=△nN/n0=（n0－nN）/n0

其值用小数表示为S（%）=△nN/n0×100%=（n0－nN）/n0×100%

n△nN

nmaxUN

n0min△nN

nmin

0U1

TLNT

显然，机械特性越硬，则△nN越小，静差率越小，转速稳定精度越高

如上图所示，两条平行的机械特性线，硬度一样，虽然图中△nN1=△nN2，但n1＞n2，故S1＜S2即低速时静差率较大。

在同一调速系统中，低速时满足静差率的要求，则在其他转速时的静差率必然满足要求。

生产机械调速对静差率有严格的要求，这样才能满足加工对象的质量。

通常，车床的S为30%，龙门刨床S为5%，冷轧机的S为2%等

静差率S和调速范围D这两个主要技术指标之间存在约束关系。

当要求较大的D时，必须增大Smax值，即降低转速的相对稳定性。

若要求转速相对稳定性，即减小Smax值，则相应的调速范围必定变小。

2．直流电动机的调速

直流并励（他励）电动机的机械特性，也就是调速公式如下：

n=（Un-IRa）/Ke￠=Un/Ke￠－Ra/KeKt￠2×T=n0－βT=n0－△n

Un——电动机的额定电压（V）

Ke——电动机的电动势常数，与电动机结构有关

Kt——电动机的转矩常数，与电动机结构有关

￠——每磁极的气隙磁通（Wb）

IRa——电动机的内部电压降

n0=Un/Ke￠——T=0时的转速称为理想空载转速（r/min）

△n=Ra/KeKt￠2×T——转速降落（r/min）

显然，T为常数时，电动机有以下三种调速方法：

电枢回路串电阻，改变电枢电压和改变主磁通。

1）电枢回路串电阻调速n

IIfn0

Neb

RcRa

Ra+Rc

Ia0

Te（Ie）T（I）

由调速公式可见，在U和￠为常数，负载不变时，电枢回路串电阻Rc，改变Rc值，即改变直线的斜率，随着电阻增大，直线斜率增大，而理想空载转速不变（见图）；

这种调速方法只能使直流电动机在额定转速以下调速，因此有调速范围小，特性软，效率低的缺点；但它线路简单，故在中小容量且机械特性硬度要求不高的场合还是被广泛采用

2）改变电枢电压调速由调速公式可知

直

流

调

压

电

源

n0Ue

UaUf1

n01

2U＜Ue

我们仅仅改变其理想空载转速n0，则机械特性为一组故有机械特性相平行的特性。

显然，在整个调速范围内均有较大的硬度，调速范围宽。

由于受绝缘强度的限制，电压只能从电动机的额定电压Un开始降压，即只能向下调速。

他励直流电动机改变电枢电压调速有G—M调速系统与晶闸管—电动机调速系统，如图A所示

3）改变主磁通￠调速改变主磁通￠，即改变励磁电流If调速。

由调速公式可知，磁通￠改变，引起n0和β的变化n0U/Ke￠,而β=Ra/KeKt￠2而由于电机设计的时候磁路近于饱和，因此只能减小磁通来调速，所以，改变主磁通￠的调速又称弱磁调速；显然，n0与￠成反比，β与￠2成反比，即减小主通￠，转速是增加的

改变主磁通调速的优点是能量损耗小，缺点是调速过度时间过长。

3．异步电动机调速

由异步电动机的转速公式n=（1－s）60f1/p可知，改变异步电动机的转速有三种方法：

改变磁极对数p、改变转差率S、改变电源频率f1

1）变极调速

这种方法只适用于鼠笼式感应电动机，变极调速的方法有两种，一是双绕组法，二是反向变极法

a）双绕组法是在定子槽内安放两套不同极对数的独立绕组

b）反向变极法是采用改变联结方法将每相绕组中的一半绕组的电流反向，从而达到改变极对数的目的。

1U12U11U22U21U12U11U22U2

图a中将异步电动机的两个串联的半绕组改变成图b中的并联连接，即可得到新绕组，该新绕组极对数为原来绕组极对数的一半，因此转速提高一倍。

反向变极法必须注意：

从一种接法改为另外一种接法时，为了保证电动机的旋转方向不变，应把电源相序反接。

2）变转差率调速

变转差S率调速方法有转子回路串电阻，改变电源电压，转子电路串电动势和电磁调速四种。

转子电路串电阻调速只适用于绕线转子感应电动机

n1ar2

cbr2+Rs1

r2+Rs2

r2+Rs3

TLTmT

当转子回路没有附加电阻，只有转子绕组本身的电阻r2，电动机将运行在固有的机械特性曲线上，上图的a点；串入附加电阻Rs1、Rs2、Rs3时，机械特性曲线的同步转速n1不变，最大转矩Tmax不变，但临界转差率随着电阻增大而增大，因而得到斜率越来越大的机械特性曲线。

在一定的负载转矩TL下，随着电动机的运行点下移，电动机的转速n下降，从而达到调速的目的。

简单，在起重机等断续工作的生产机械上应用广泛。

3）变频调速

由于异步电动机的转速n与电源频率f1成正比，所以连续地调节频率就可以平滑的调节异步电动机的转速。

为了保持磁通￠m在调节频率f1的同时保持不变，就必须降低电源电压U1，并保持U1/f1为常数。

可以证明，恒转矩调速时，只要保证U1/f1=常数，则可以保证调速时过载能力不变，磁通￠m基本不变。

恒功率调速时，只要保证U1/√f1=常数，调速电动机过载能力也保持不变，但磁通￠m将发生变化。

变频调速的主要优点是电动机的转速能平滑地调节、调速范围广，效率高，发展前景好

电机

一．直流电机

直流电机是直流发电机和直流电动机的总称，直流电机作为一种电能与机械能相互转换的装置，具有可逆性，一台直流电机既可以做发电机使用又可以做电动机使用。

1．直流发电机工作原理：

当原动机拖动直流发电机旋转时，电枢上的导体切割磁力线，产生交变感应电动势，换向器使电枢绕组内产生的交变电动势变为电刷间间的脉动直流电动势。

直流发电机通过换向片将处于磁极下不同位置的电枢导体串联起来，是它们的感应电动势叠加，从而输出基本稳恒的直流电压，实现了将机械能转换为直流电能。

2．直流电动机工作原理：

直流电动机在外加直流电压的作用下，在电枢导体中形成电流，载流电枢导体在磁场中受到电磁力的作用，使电枢获得电磁转矩而转动，换向器适时改变电枢绕组中的电流方向，使电枢受到单方向的电磁转矩作用不停旋转。

直流电动机通过换向片将处于磁极下不同位置的电枢导体串联起来，使它们电磁转矩相叠加，从而输出基本恒定的机械转矩，实现了把直流电能转换为机械能输出。

3．直流电机的分类直流电机按其励磁的方式可分为，他励、并励、串励和复励四种直流电机UU

IIIfiI

－+－+－+－+

他励式并励式串励式复励式

直流电动机的各种调速方式及性能

机械特性方程

调速方式

电动机类型

控制装置

调速范围

转速变化率

平滑性

特点

效率

n=Un/Ke￠－Ra/KeKt￠2×T

变电枢串联电阻

他励复励串励

多级或平滑变阻晶体管放大器

2：

~3：

较小（低速差）

好

恒转矩、简单

低

变电枢电压U

电动机—发电机组供电

他励

交流电动机—直流发电机组及调控装置

0~全速

小

好

恒转矩、无极调速噪声大

60%~70%

晶闸管整流装置供电

他励

晶闸管变流及触发、调节、控制装置

0~全速

小

好

恒转矩、无极调速、对电网冲击大

80%~90%

直流脉冲调宽斩波器供电

他励串励

直流恒压电源斩波器极其调节装置

0~全速

小

好

恒转矩、无极调速

80%~90%

调励磁磁通￠

电动机或机组

他励并励

直流电源、励磁变阻器

3：

1~5：

较大

恒功率

80%~90%

晶闸管整流装置供电

他励并励

晶体管整流电源

3：

1~5：

较大

好

直流电机常见故障分析

1．机械故障

1）电枢与定子铁心相擦

可能原因分析如下：

a）主磁极、换向磁极固定螺丝松动产生位移所致，固紧相应螺栓即可

b）电机的端盖止口、机座止口磨损变形或端盖轴承孔磨损使定子铁心与电枢不同心所致

c）电枢上某些物体如箍紧带（钢丝或尼龙）、槽锲、绝缘垫层等松动甩脱引起相差

2）电机振动产生原因：

a）电机动平衡没作好或平衡块位移脱落

b）转轴弯曲

c）轴承损坏或定子铁心与电枢不同心也能引起振动

3）轴承过热原因是：

油脂过多或过少（1/3~2/3），滚珠磨损，电机振动或同心度不良

4）换向器故障

a）片间短路进导电异物

b）接地一般发生在前面的云母环上，灰尘、油污容易堆积在外露部分

c）换向片凹凸不平一般是装配不良或过热引起换向器松弛或受外力冲击

d）云母片凸出自然磨损，将云母片下刻低于换向片1~2mm

2．电气故障

1）电枢绕组故障

a）电枢绕组断线多数由于换向片与导线接头片焊接不良或个别线圈内部导线断线。

故障现象是运行中的电机电刷下出现不正常的火花

b）电枢绕组短路出现短路的原因一般是绝缘损坏，使同槽线圈匝间短路或上下层线圈短路，使用短路测试仪检查。

c）电枢绕组接地由于槽绝缘损坏及绕组元件损坏，导体与铁心碰接所致，也有换向器接地的情况，但不多见

2）换向器与电刷间出现严重火花正常火花为淡蓝色，故障火花一般是红色或红绿色，产生故障火花的原因：

a）电刷位置偏离

b）电枢绕组故障，电枢绕组断线或短路时也会出现严重火花，甚至形成环火

c）电刷装置故障，如安装不良引起压力不均，电刷磨损压力不足，接触不良等

d）电机过载、换向极绕组短路，换向极绕组接反

二．测速发电机

测速发电机就是测量转速的信号元件，把转速变成相应的电压信号

1．交流测速发电机分为同步和异步两种

a）在自动控制系统和计算装置中，因空心杯形转子异步测速发电机精度较高，且其转子转动惯量较小，可满足快速性的要求，所以应用广泛

b）在使用交流测速发电机时，应当考虑负载大小和性质、温度、频率等对测速发电机的影响，且不应超过规定的最大转速范围

c）交流测速发电机工作时存在线性误差、相位误差和剩余电压。

2．直流测速发电机直流测速发电机分为两种，一种是他励式，一种是永磁式。

他励式因为需要一个恒定电源，比较少用，多采用永磁式。

结构、原理与普通小型直流发电机基本相同

永磁式的定子用永久磁铁做的，一般为凸极式，转子上有电枢绕组和换向器，用电刷与外电路测量仪表连接

a）直流测速发电机的输出电压与转速成正比，因此，只要测出直流测速发电机的输出电压，就可测得被测机械的转速

b）直流测速发电机主要缺点是电刷与换向器的接触问题，往往因为接触不良而影响工作的准确度。

c）直流测速发电机的优点是灵敏度比交流测速发电机高约20倍，没有相位误差，正负极能反映出转动方向，在要求高的测速系统中采用。

直流测速发电机使用注意事项

a）为保证线性误差规定，转速不能超过最大线性工作转速，负载电阻也应不小于规定的最小负载电阻

b）为了减小温度变化所引起的输出电压误差，可以在电磁式直流测速发电机的励磁电路中串联一个比励磁绕组电阻大几倍而温度系数小的电阻，该电阻可以用锰镍铜合金或镍铜合金制成

c）当电刷与换向器之间产生的火花对系统产生干扰时，可以在直流测速发电机的输出端串联一个电容器或滤波电路。

三．交磁放大机

自动控制系统中，控制信号灯电压和功率往往比较小，不能直接使机构动作，要通过放大机构把信号放大才能推动执行机构。

常用的交磁放大机就是放大机构的一种。

交磁放大机的构造基本上和他励发电机相同

交磁放大机的原理：

通俗来说，交磁放大机，很像两台直流发电机串联工作，。

只是共用一个电枢，第一台发电机，以控制绕组产生的磁通￠ay作为主磁通，在交轴电刷之间得到较小的电动势。

利用短接可以得到较大的交轴电流产生较强的交轴磁通。

第二台发电机则利用这个较强的交轴磁通作为主磁通，在交轴电刷之间得到较大的电动势

两级发电机串联工作，其放大系数为两级放大系数相乘，所以交磁放大机的发达系数比较大，为500~10000之间

四．步进电机

概念：

步进电动机是一种把点脉冲控制信号转换为角位移或直线位移的执行元件。

由专门的电源供给电脉冲每输入一个电脉冲信号，转子就转一个角度，即前进一步，故称为步进电动机，也称为脉冲电动机。

分类：

步进电动机按运动方式分，有旋转式和直线式两类；按工作原理分，又有反应式、永磁式和用磁感应式三种。

其中反应式步进电动机具有步距小、相应速度快、结构简单的特点，广泛应用与数控机床、自动记录仪、计算机外围设备等数控设备

优点：

1.步进电动机之所以被广泛应用，是因为它可以把脉冲信号变成机械的角位移（或直线移动）恰好符合数控系统的要求

2.步进电动机的角位移量或直线位移量与电脉冲的数量成正比，其转速或线速度与电脉冲的频率成正比，而且其步距角不受电源电压、负载、环境变化的影响。

转子总位移决定于总脉冲信号数

3.误差不长期积累，每走一步虽然有很小的误差，但每转一周的积累误差为零

4.只要信号的脉冲频率恒定，随便以什么方式运行，总不会丢失一步。

灵敏、准确、可靠。

五．伺服电动机

伺服电动机是一种执行元件（功率元件），它用于把输入的电压信号变换成电动机转轴的角位移或者转速输出。

常用的伺服电动机有交流伺服电动机和直流伺服电动机两大类

1．交流伺服电动机

交流伺服电动机的构造与单相电容式异步电动机相似。

定子铁芯装有空间相差90度的两个绕组，一个是励磁绕组，一个是控制绕组。

所以交流伺服电动机又称为两相伺服电动机

交流伺服电动机转子具有很大的电阻，其结构形式有两种，

一种是非磁性空心杯形转子：

运转平稳，转动惯性小，摩擦转矩小，相应好，无抖动，但体积大，输出转矩小，主要用于低噪声和转速平稳的场合

另一种是细长的笼型转子：

在工业生产机械中，大多采用输出转矩较大的笼形转子交流伺服电动机。

工作时，励磁绕组和控制绕组所加电压频率必须相同

当给控制绕组加上控制电压，且控制绕组电流与励磁绕组电流不同相时，则在电机气隙内产生旋转磁场，并在转子上产生电磁转矩，使转子沿旋转磁场的转向旋转。

当控制绕组上的控制电压反相时，交流伺服电动机可实现反转。

当失去控制电压后，对于处于单相运转状态的交流伺服电动机来说，其合成的电磁转矩为制动性质，它将使电动机迅速停转，当交流伺服电动机的转子电阻足够大时，能够消除自传现象

控制方法：

1）峰值控制即保持控制电压的相位不变，，使励磁电压和控制电压之间的相位差始终保持90电角度，仅仅改变其幅值来改变电动机的转速

2）相位控制即保持控制电压的幅值不变，仅仅改变其相位，来改变电动机的转速，这种方式和少采用

3）幅—相控制即同时改变控制电压的幅值和相位来进行控制。

2．直流伺服电动机

直流伺服电动机的结构和普通直流电动机相同。

其实质就是一台他励式直流电动机

直流伺服电动机具有气隙小，磁路不饱和，磁通和励磁电流与励磁电压成正比；电枢电阻较大，机械特性为软特性；电枢细长，转动惯量小的特点

优点是：

机械特性是线性的，调速范围宽广而平滑，利用电枢控制方式可有直线性的调速特性，启动转矩大，无自转现象，反应也相当灵敏，体积小，重量轻

缺点是：

有换向器与电刷的滑动接触，常因接触不良而影响运行的稳定性，电刷火花放射的电磁波对无线电有干扰。

六．

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