船舶电气设备及系统+第05章+直流电机课件

船舶电气设备及系统,课 件,轮机学院电气及自动化教研室,第,5,章 直流电机,5.1,直流电机的工作原理和结构特点,5.2,直流电机的励磁方式和运行特性,5.3,无刷直流电动机,内容简介,本章主要内容包括：直流电机的结构特点、工作原理和直流发电机、直流电动机的基本运行特性、无刷直流电动机等。,电枢绕组在原动机的拖动下逆时针方向旋转,发电机的电动势为,电源电动势,。电枢中有电流以后,电流与磁场相作用产生电磁转矩。,方向与转动方向相反,故称,反转矩,。,1),直流发电机的工作原理,5. 1,直流电机的工作原理和结构特点,5.1.1,直流电机的工作原理,直流电源,电刷,换向器,线圈,电动机的电磁转矩是,驱动转矩,.,在旋转的过程中,电枢线圈也切割磁场而产生电动势,该电动势的方向总是与电流方向相反,故称为,反电动势,.,2),直流电动机的工作原理,3),直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置,直流电机的电枢绕组实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向片依次串联构成一个闭合回路,电刷的位置正确与否,将影响到正负电刷间的电动势,E,从而影响到发电机的电压和电动机的转速,;,同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。,电刷的正确位置,确定电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势,电刷放在磁场几何中性线上,为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子之间设置了正确装配的“标记”。在运行管理中应经常注意检查，若发现刷架松动或移位，应按“标记”加以校正和固定。,5.1.2,直流电机的构造,换向器的结构,5.1.3,直流电机的额定值,1.,额定容量（,KW,）,:,是指额定状态下,发电机输出的电功率,P,n,=U,n,I,n,或电动机轴上输出的机械功率,P,n,=U,n,I,n,n,;,2.,额定电压,（,V,）,：,端电压,U,n,;,3.,额定电流,（,A,）,：,发电机输出的或电动机输入的额定电流,I,n,;,4.,额定转速,n,N,：,额定状态下的转速,;,此外,还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等 。,5.,励磁方式及额定励磁电流,I,f,(A);,按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，直流电机可分为：他励（或称它励）、并励、串励和复励,4,种,：,他励电动机：,励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：,励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：,励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：,励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在,同一电源上。,5. 2,直流电机的励磁方式和运行特性,5.2.1,直流电机的励磁方式,M,他励,U,f,I,f,I,a,U,M,并励,U,I,f,M,串励,U,M,复励,U,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用,E,表示）。,F,F,U,+,N,S,电刷,换向片,I,I,E,E,5.2.2,直流电机的基本理论,C,E,:,与电机结构有关的常数称为电势常数,C,T,:,与电机结构有关的常数,称为转矩常数,P,1,:,输入的机械功率,P,2,:,输出的电功率,P,电机内部各种损耗,因为,E=K,e,n,而,与,I,f,之间为磁化曲线关系,所以空载特性曲线与磁化曲线相似。,1),空载特性,剩磁电压,E,r,：励磁电流等于零时的开路电压,约为,额定电压的,25,。,当发电机空载,(I=0),及保持额定转速不变时,电枢电动势,(,或空载电压,U,0,),与励磁电流,I,f,之间的关系,E=f(I,f,),。,E,E,r,0,I,f,5.2.3,直流发电机的运行特性,自励发电机靠剩磁建立电压。非线性的空载特性曲线,(E=f(I,f,),与线性的场阻线,(R,f,=E/I,f,),的交点即为自励的稳定电压。,电路暂态过程的电压平衡方程,E,E = I,f,R,f,E = f,（,I,f,）,E,r,0,I,f,2),自励发电机的建压条件,在稳定交点之前, dI,f,/dt,0,励磁电流,I,f,一直增加 。,在稳定交点处, E-I,f,R,f,=0,和,dI,f,/dt,=0, I,f,和,E,都不再变化 。,3.,励磁电路的电阻要适当。,自励发电机的自励起压条件,:,1.,发电机要有剩磁；,2.,励磁电流磁场与剩磁场方向相同；,3),外特性,在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下,发电机的有载端电压与负载电流之间的关系,U=f(I),。,直流发电机电枢电路的电压平衡方程为,（,1,）他励发电机,电枢电流,I,a,等于负载电流,I,，只有电枢电阻引起端电压的微小变化,（,2,）并励发电机,电枢电流,I,a,= I + I,f,电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电动势的减小,电动势的减小,又使电压进一步下降,(3),复励发电机,电枢电流,I,a,= I + I,f,复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电流,(,短复励,),或电枢电流,(,长复励,),复励发电机又分为,积复励发电机,和,差复励发电机,。,串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机,串励与并励磁场方相反的复励发电机称为差复励发电机。,根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为,平复励、欠复励和过复励发电机。,直流发电机从空载到满载端电压变化的程度用电压变化率表示,即,4),电压变化率,他励发电机,u,(510),;,并励,u,(1030),;,平复励,u,= 0;,欠复励,u, 0;,过复励,u,T,0,n,飞车,2.,反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,（,1,）改变励磁电流的方向。,改变直流电机转向的方法：,注意：,改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,（,2,）或改变电枢电流的方向。,5.2.5,直流电机的电枢反应和直流电机的换向,当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。,电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应,当电刷位于几何中性线上时，由于电枢磁场的方向总是与主磁极磁场相正交，因此电枢反应的结果将导致主磁极磁场发生畸变，同时也使得主磁极磁场的磁通有所削弱，这对直流电机的换向以及运行特性都会带来不利的影响。,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为,直流电机的换向,。,元件,1,1,2,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为,直流电机的换向,。,元件,1,1,2,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为,直流电机的换向,。,元件,1,1,2,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为,直流电机的换向,。,元件,1,1,2,在定子主磁极之间换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的,在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法。,此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。,5.3,无刷直流电动机,无刷直流电动机是随着电子技术迅速发展而出现的一种新型微特电机，它以电子换向装置代替了一般直流电动机的机械换向装置，因此保持了有刷直流电动机的优良控制特性，又克服了电刷机械摩擦引起的噪声、火花、无线电干扰和寿命短的致命弱点。,无刷直流电动机原理框图,5.3.1,无刷直流电动机的基本结构,是一台由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”，直流电源经由开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置经由位置传感器检测，产生信号触发开关线路中的电力电子元件使之导通或截止。,无刷直流电动机基本结构,1,电动机定子,2,电动机转子,3,传感器定子,4,传感器转子,5,电子开关电路,1.,电动机本体,2,转子位置传感器,转子位置传感器是一种无机械接触的检测装置，其作用是检测转子磁场相对于定子绕组的位置，由电子换向代替有刷电机的电刷和换向器。,常见的转换方式有电磁转换、光电转换和磁敏转换。,1,）电磁式位置传感器,电磁式位置传感器,由定子和转子两部分组成。传感器定子磁心及传感器转子上的扇形部分均由高频导磁材料（如软磁铁氧体）制成。定子一般有六个极，它们之间的间隔分别为,60,，其中三个为励磁极，外施高频电源励磁（一般的频率为几千赫到几十千赫），另外三个极分别绕上二次绕组,W U,、,WV,、,WW,，之间分别相隔,120,。,当转子处在如图所示的位置时，励磁极的高频磁通通过转子扇形导磁材料耦合到感应极上的绕组,WV,、,并产生感应电压，该信号经过电子线路处理，变成与电动机定、转子位置相对应的换向信号。但是其它两个绕组,W U,、,WW,，因为非导磁材料的阻隔而不能形成磁路，感应电压为零。,电磁式位置传感器,2,）光电式位置传感器,这种传感器是由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光盘所组成。遮光盘开口的角度近似等于绕组导通角相对应的机械角度，且开口的数目等于无刷直流电动机转子磁极的极对数。,光电式位置传感器,光电式位置传感器,几个光电耦合开关沿着圆周均匀分布，每只光电耦合开关是由相互对应的红外发光二极管（或激光器）和光电管所组成。红外发光二极管（或激光器）通电后发出红外光（或激光）；当遮光盘随着转轴转动时，光线依次通过遮光盘开口，使对着的光电管导通，相应地产生反应转子相对定子位置的电信号。该信号经放大后去控制电力电子器件，使相应的定子绕组切换电流。,光电式位置传感器,光电式位置传感器抗干扰能力强，工作温度范围目前可达到,55100,。光电式位置传感器产生的电信号一般都较弱，需要经过放大才有驱动能力。但它的优点是直接输出直流电信号，不必再进行整流。,3,）磁敏式位置传感器,磁敏式位置传感器是采用磁敏传感器实现位置检测的，目前常见的磁敏传感器有霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻器及磁敏二极管等多种，以霍尔元件为最常用。它们具有不同的特性。,霍尔无刷直流电动机图,由于无刷直流电动机的转子是永磁的，可以方便地利用霍尔元件的霍尔效应进行位置检测。图中两个霍尔元件,H,1,H,2,以间隔,90,电角度粘于电机定子绕组,AB,的轴线上，并通上控制电流，电机转子磁钢兼作位置传感器的转子。,四相霍尔无刷直流电动机的原理图,霍尔无刷直流电动机图,当转子旋转时磁钢,N,极和,S,极轮流靠近,H,1,H,2,，因而产生对应转子位置的两个正的和两个负的霍尔电势，经放大后去控制功率放大电路，使四个定子绕组轮流切换电流。,四相霍尔无刷直流电动机的原理图,3,电子换向开关线路,电子换向开关线路中各功率元件分别与相应的各相定子绕组串联，各功率元件的导通与截止取决于位置传感器的信号。开关电路可分为桥式和非桥式两大类。非桥式开关电路所用的功率元件较少，用于开启式电枢绕组。绕组电路的导通状态可以是一个依次通电，也可以是多相同时通电，此时电枢合成磁场是由通电的多相磁场所合成。,5.3.2,无刷直流电动机的基本原理,三只功率晶体管构成功率逻辑单元来驱动两极星形三相绕组，采用光电器件作为位置传感器，并经过信号处理放大后去控制开关电路功率晶体管的导通，使串联在晶体管的定子绕组与外电源接通。由于遮光盘与电动机转子同轴旋转，使得从光源射来的光线依次照射在各个光电器件上，并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。,三相无刷直流电动机半控桥电路原理图,当电机转子处于图所示的位置时，此时光电器件,VP,1,被光照射，功率晶体管,V,1,呈导通状态，而,V,2,、,V,3,截止。电流流过主定子绕组,UU,，于是永磁主转子磁场与电枢磁场相互作用产生转矩，使转子的磁极按图（,a,）中的箭头方向（顺时针方向）转动，并力图占据该绕组磁势轴线的位置。,随着电动机转子的转动，直接装在转子轴上的遮光盘跟着同步旋转，当电机转过,2/3,电角度使转子处于图（,b,）所示的位置时，遮光盘遮住,VP1,而使,VP2,受光照射，从而使晶体管,V1,截止、晶体管,V2,导通,，,V1,、,V3,截止，电流从绕组,UU,断开而流入绕组,W,，使得转子磁极继续按顺时针方向旋转。,当转子在空间转过,4/3,电角度后，位置传感器使晶体管,V3,开始导通，,V1,、,V2,截止，相应电枢绕组,WW,有电流通过。电枢磁场与转子磁场相互作用仍使转子按顺时针方向旋转，如图（,c,）所示。,依次类推，通过位置传感器将重复上述的换流情况，如此循环下去，无刷直流电动机在电枢磁场与永磁转子磁场的相互作用下，主转子随着绕组导通的顺序而旋转，并带动遮光盘同时朝顺时针方向旋转。于是驱动转子磁极继续朝顺时针方向旋转，并重新回到图（,a,）的位置。,三相星形非桥式无刷直流电动机各相绕组与位置控制传感器导通顺序的关系如图所示。可以看出，由于一个磁状态对应一相导通，所以角,a,C,和角,a,m,都等于,2/3,。当电机是,p,对磁极时，位置传感器遮光盘应有,p,个均匀分布的开口，每个开口角度为,aP2/,（,3p,）,。,5.3.3,无刷直流电动机正反转控制方法,在许多场合均要求电动机能够方便地实现正反转，永磁式有刷直流电动机的反转运行是由改变电枢两端与电源的极性连接（反接）来实现的。,由于无刷直流电动机换向电路的电力电子器件导电具有单向性，不允许反接到电源上，因此不能简单地采用改变电源电压的极性实现电动机反转。,反转的实现可采用下法：,将每组绕相两端头互换，变换绕组中电流的方向,改变位置传感器的输出电压信号，采用正反转两套位置传感器，如果用霍尔元件作位置传感器，可将每片一对电流端两端互换或电势端两端互换,逻辑门选通方法，即电机传感器设计上有专门的考虑，在控制电路用一逻辑信号（代表正反转状态）的指令来改变电机各相绕组的导通顺序,基本原理都是通过改变定子绕组磁势和转子磁场的相对关系来改变旋转方向。,图（,a,）和（,b,）分别表示电枢绕组,U,相导通时电机正、反转时的定、转子磁场相对位置，正反转时电枢电流方向不变，因而电枢磁势的方向不变。,图（,a,）所示的转子磁钢位置时，,U,相绕组导通，电流方向如图所示，在电磁转矩的作用下，转子将逆时针旋转。定子绕组通电顺序是,UVW,，但若如图（,b,）所示，当转子转过,180,以后，,U,相绕组才导通，这样产生的电磁转矩将驱使转子顺时针转动，定子绕组通电顺序变为,UWV,。,因此，只要能得到在时间相位上相差,180,的驱动信号，去控制相应的绕组导通就能实现正反转。这个信号可以通过两套在空间错开,180,电角度的位置传感器获得，一套控制电动机正转，另一套控制反转；也可以将正转信号通过电子线路进行一定的逻辑处理，来得到相差,180,电角度的反转信号。,无刷直流电动机结构上由电子开关电路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成，以电子换向装置代替了一般直流电动机机械换向装置 。因而既有直流电动机的优良控制特性，又具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。可以作为一般直流电动机、伺服电动机和力矩电动机等使用。转速不受机械换向的限制，尤其适合于高级电子设备、航空航天技术、数控装置。,