直流电动机的基本控制线路

项目六项目六直流电动机的基本控制线路任务一并励直流电动机的基本控制线路任务二串励直流电动机的基本控制线路12目录学习目标1．会正确识别、选用和使用电压继电器、主令控制器，熟悉它们的功能、基本结构、工作原理及型号意义，熟记它的图形符号和文字符号。2．会正确安装、调试与检修并励直流电动机启动、调速、正反转和能耗制动控制线路。任务分析交流电动机和直流电动机使用的电源不同。交流电动机采用交流电源，它结构简单、价格低廉、坚固耐用、使用和维护方便，但其功率因数较低，电能利用率不高，且调速困难。而直流电动机使用直流电源，虽然结构较复杂，使用、维护较麻烦，价格较高，但由于它的启动、调速性能较好，仍广泛应用于造纸机、轧钢机、高炉卷扬、电力机车、金属切削等工作负载变化较大、要求频繁地启动、改变方向、平滑地调速的生产机械上。直流电动机按照主磁极绕组与电枢绕组接线方式的不同，可以分为他励式和自励式两种，自励式又可分为并励、串励和复励几种。并励电动机励磁绕组与电枢绕组并联，它的特点是励磁绕组匝数多，导线截面较小，励磁电流只占电枢电流的一小部分。任务一并励直流电动机的基本控制线路相关知识一、电压继电器反映输入量为电压的继电器叫做电压继电器。图6-1所示为常用电压继电器，它与JT4系列电流继电器外形、结构类似，也主要由线圈、圆柱形静铁心、衔铁、触头系统和反作用弹簧等组成。故电压继电器的工作原理及安装使用等知识与电流继电器类似。图6-1电压继电器外形但电压继电器使用时，其线圈并联在被测量的电路中，根据线圈两端电压的大小而接通或断开电路。因此这种继电器线圈的导线细、匝数多、阻抗大。1．电压继电器的分类及符号根据实际应用的要求，电压继电器分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器。过电压继电器是当电压大于其整定值时动作的电压继电器，主要用于对电路或设备作过电压保护，常用的过电压继电器为JT4-A系列，其动作电压可在105%～120%额定电压范围内调整。欠电压继电器是当电压降至某一规定范围时动作的电压继电器。零电压继电器是欠电压继电器的一种特殊形式，是当继电器的端电压降至“零”或接近消失时才动作的电压继电器。可见欠电压继电器和零电压继电器在线路正常工作时，铁心与衔铁是吸合的，当电压降至低于整定值时，衔铁释放，带动触头动作，对电路实现欠电压或零电压保护。常用的欠电压继电器和零电压继电器有JT4-P系列，欠电压继电器的释放电压可在40%～70%额定电压范围内整定，零电压继电器的释放电压可在10%～35%额定电压范围内调节。电压继电器在电路图中的符号如图6-2所示。图6-2电压继电器的符号2．电压继电器的型号及含义电压继电器的型号及含义如下：3．电压继电器的选择电压继电器的选择，主要根据继电器线圈的额定电压、触头的数目和种类进行。二、并励直流电动机启动控制线路直流电动机常用的启动方法有两种：一是电枢回路串联电阻启动，二是降低电源电压启动。对并励直流电动机常采用的是电枢回路串联电阻启动。1．手动启动控制线路BQ3直流电动机启动变阻器作小容量(电压不超过220V)直流电动机启动用，它主要由电阻元件、调节转换装置和外壳三大部分组成，其外形如图6-3所示。图6-3BQ3直流电动机启动变阻器外形图图6-4并励直流电动机手动启动控制电路图0～5-分段静触头6-电磁铁7-弧形铜条8-手轮9-衔铁10-恢复弹簧并励直流电动机手动启动控制电路如图6-4所示。线路使用了BQ3直流电动机启动变阻器，共有四个接线端El、L+、Al和L-，分别与电源、电枢绕组和励磁绕组相连。手轮8附有衔铁9和恢复弹簧10，弧形铜条7的一端直接与励磁电路接通，同时经过全部启动电阻与电枢绕组接通。在启动之前，启动变阻器的手轮置于0位，然后合上电源开关QF，慢慢转动手轮8，使手轮从0位转到静触头1，接通励磁绕组电路，同时将启动变阻器RS的全部启动电阻接入电枢电路，电动机开始启动旋转。随着转速的升高，手轮依次转到静触头2、3、4等位置，使启动电阻逐级切除，当手轮转到最后一个静触头5时，电磁铁6吸住衔铁9，此时启动电阻器全部切除，直流电动机启动完毕，进入正常运转。当电动机停止工作切断电源时，电磁铁6由于线圈断电吸力消失，在恢复弹簧10的作用下，手轮自动返回0位，以备下次启动。电磁铁6还具有失压和欠压保护作用。由于并励电动机的励磁绕组具有很大的电感，所以当手轮回复到0位时，励磁绕组会因突然断电而产生很大的自感电动势，可能会击穿绕组的绝缘，在手轮和铜条间还会产生火花，将动触头烧坏。因此，为了防止发生这些现象，应将弧形铜条7与静触头1相连，在手轮回到0位时励磁绕组、电枢绕组和启动电阻能组成一闭合回路，作为励磁绕组断电时的放电回路。启动时，为了获得较大的启动转矩，应使励磁电路的外接电阻RP短接，此时励磁电流最大，才能产生较大的启动转矩。2．电枢回路串电阻二级启动控制线路图6-5所示为并励直流电动机电枢回路串电阻二级启动控制线路的电路图。其中KAl为欠电流继电器，作为励磁绕组的失磁保护，以免励磁绕组因断线或接触不良引起“飞车”事故；KA2为过电流继电器，对电动机进行过载和短路保护；电阻R为电动机停转时励磁绕组的放电电阻；V为续流二极管，使励磁绕组正常工作时电阻R上没有电流流入。线路的工作原理如下:图6-5并励直流电动机电枢回路串电阻二级启动控制线路图值得注意的是，并励直流电动机在启动时，励磁绕组的两端电压必须保证为额定电压。否则启动电流仍然很大，启动转矩也可能很小，甚至仍不能启动。四、并励直流电动机正反转控制线路直流电动机实现反转有两种方法：一是电枢反接法，二是励磁反接法。由于励磁绕组匝数多，电感大，在进行反接时因电流突变，将会产生很大的自感电动势，危及电动机及电器的绝缘安全。同时励磁绕组在断开时，由于失磁造成很大电枢电流，易引起“飞车”事故，因此一般采用电枢反接法。在将电枢绕组反接的同时必须连同换向极绕组一起反接，以达到改善换向的目的。图6-6所示为并励直流电动机电枢反接法正反转控制线路的电路图。图6-6并励直流电动机电枢反接法正反转控制线路图五、并励直流电动机制动控制线路与交流电动机一样，直流电动机在工作中也需要制动，其制动方法与交流电动机相似，分为机械制动和电力制动两大类。机械制动常用的方法是电磁抱闸制动和电磁离合器制动，电力制动常用的方法有能耗制动、反接制动和再生发电制动三种。由于电力制动具有制动力矩大，操作方便、无噪声等优点，所以在直流电力拖动中应用广泛。1．能耗制动控制线路能耗制动又称电阻制动，是指保持直流电动机的励磁电流不变，将电枢绕组的电源切除后，立即使其与制动电阻连接成闭合回路，电枢凭惯性处于发电运行状态，将转动动能转化为电能并消耗在电枢回路中，同时获得制动转矩，迫使电动机迅速停转。图6-7所示为并励直流电动机单向启动能耗制动控制电路图。其线路的工作原理如下。串电阻单向启动运转:合上电源开关QF，按下启动按钮SBl，电动机M接通电源进行串电阻二级启动运转。其详细控制过程请参照前面讲述的并励直流电动机电枢回路串电阻二级启动自行分析。能耗制动停转:图6-7中的电阻R为电动机能耗制动停转时励磁绕组的放电电阻，V为续流二极管。2．反接制动控制线路对于直流电动机反接制动，通常是利用改变电枢两端电压极性或改变励磁电流的方向，来改变电磁转矩的方向，形成制动力矩，从而迫使电动机迅速停转。并励直流电动机的反接制动通常是采用电枢绕组反接法。即将正在运行的电动机的电枢绕组突然反接来实现的。采用此方法进行反接制动时，值得注意的有两点：一是为防止因电枢绕组突然反接时，电枢电流过大，易使换向器和电刷产生强烈的火花，对电动机的换向不利，故一定要在电枢回路中串入外加电阻，以限制电枢电流，外加电阻阻值的大小可取近似等于电枢的电阻值；二是当电动机的转速接近于零时，应及时、准确、可靠地断开电枢回路的电源，以防止电动机反转。直流电动机反接制动的原理与反转基本相同，所不同的是反接制动过程至转速为零时即结束。图6-8所示为并励直流电动机双向启动反接制动控制线路。图6-8并励直流电动机双向启动反接制动控制线路图线路的工作原理如下。正向启动运转：关于反向启动及反向反接制动的工作原理读者可自行分析，在此不再赘述。3．再生发电制动再生发电制动只适用于当电动机的转速大于空载转速n1的场合。这时电枢产生的反电动势aE大于电源电压U，电枢电流改变了方向，电动机处于发电制动状态，不仅将拖动系统中的机械能转化为电能反馈回电网，而且产生制动力矩以限制电动机的转速。六、并励直流电动机调速控制线路根据前面所学知识可知，直流电动机的调速可通过三种方法来实现：一是电枢回路串电阻调速；二是改变主磁通调速；三是改变电枢电压调速。1．电枢回路串电阻调速如图6-9所示为并励直流电动机电枢回路串接电阻调速原理图。这种调速方法是通过在直流电动机的电枢回路中，串接调速变阻器来实现调速的。电枢回路串电阻调速只能使电动机的转速在额定转速以下范围内调节，故其调速范围较窄，一般为1.5:1。另外这种调速稳定性也较差，能量损耗较大。但由于这种调速方法所用的设备简单，操作较方便，所以在短期工作、容量较小且机械特性硬度要求不太高的场合使用广泛。如蓄电池搬运车、无轨电车、吊车等生产机械上仍广泛采用此种方法调速。2．改变主磁通调速图6-10所示为并励直流电动机改变主磁通调速的原理图。这种调速方法是通过改变励磁电流的大小来实现的。因当调节附加电阻器RP时，可以改变励磁电流If的大小，从而改变主磁通Φ的大小，实现了电动机的词速；值得一提的是，由于直流电动机在额定运行时，磁路已稍有饱和，此调速方法只能减弱励磁实现调速。因此这种调速方法也叫弱磁调速，即只能在额定转速以上范围内调速。但转速又不能调节得过高，以免电动机振动过大，换向条件恶化，甚至会出现“飞车”事故。所以用这种方法调速时，其最高转速一般在300Or/min以下。图6-9并励直流电动机串接电阻调速原理图图6-10并励直流电动机改变主磁通调速原理图3．改变电枢电压调速（1）G-M调速系统G-M调速系统的电路图如图6-11所示，它是直流发电机─直流电动机调速系统的简称。真中Ml是他励直流电动机，用来拖动生产机械；Gl是他励直流发电机，为他励直流电动机Ml提供电枢电压；G2是并励直流发电机，为他励直流电动机Ml和他励直流发电机Gl提供励磁电压，同时为控制电路提供直流电源；M2是三相笼型异步电动机，用来拖动同轴连接的他励直流发电机Gl和并励直流发电机G2；Al、A2和A分别是Gl、G2和Ml的励磁绕组；Rl、R2和R是调节变阻器，分别用来调节Gl、G2和Ml的励磁电流；KA是过电流继电器，用于电动机Ml的过载和短路保护；SBl、KMl组成正转控制电路；SB2、KM2组成反转控制电路。图6-11G-M调速系统电路图G-M调速系统的控制原理如下:①励磁启动异步电动机M2→拖动直流发电机Gl和G2同速旋转→发电机G2切割剩磁磁力线产生感应电动势→输出直流电压2U，除提供本身励磁电压外还供给G-M机组励磁电压和控制电路电压。②启动按下启动按钮SBl(或SB2)→接触器KMl(或KM2)线圈得电→KMl(或KM2)常开触头闭合→发电机Gl的励磁绕组Al接入电压2U开始励磁→电动机Ml启动。因发电机Gl的励磁绕组Al的电感较大，所以励磁电流逐渐增大，使Gl产生的感应电动势和输出电压从零逐渐增大，这样就避免了直流电动机Ml在启动时有较大的电流冲击。因此，在电动机启动时，不需要在电枢电路中串入启动电阻就可以很平滑地进行启动。③调速启动前，应将调节变阻器R调到零，Rl调到最大，目的是使直流电压U逐步上升，直流电动机Ml则从最低速逐渐上升到额定转速。当Ml运转后需调速时→将Rl的阻值调小→使Gl的励磁电流增大→Gl的输出电压U增大→电动机Ml转速升高。可见，调节Rl的阻值能升降直流发电机Gl的输出电压U，即可达到调节直流电动机Ml转速的目的。不过加在直流电动机M1电枢上的电压U不能超过其额定电压值。所以在一般情况下，调节电阻R1只能使电动机在低于额定转速情况下进行平滑调速