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直流电机

Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

直流电机的运行与直流电流和电压, 而不是一个交流机, 这需要交流电流和电压。直流电机是最先被发明和利用直流电流控制的两个磁场。同样的机器可以很容易地重新配置为电机或发电机, 如果适当的现场励磁是可用的, 因为直流电机有两个领域称为领域和电枢。领域通常在定子边和电枢是在转子边 (相对或里面-与 AC 机器比较)。励磁可由永磁体或绕组 (线圈) 提供。 当电流被应用到电枢或转子线圈, 它通过从直流源到线圈通过刷子是固定和滑动环安装在旋转转子触摸刷。当转子电枢线圈是一个载流回路, 并暴露于外部场从定子或场磁铁, 施加的力量在循环。由于回路是 "悬挂" 在电机的两侧使用轴承, 力产生一个扭矩, 将旋转转子的轴, 而不是移动它在任何其他方向。

这种旋转使磁场对齐, 但在同一时间, 滑环开关两侧的刷子, 或 "通勤", 这就是所谓的减刑过程。当这种换向发生时, 转子线圈的电流流动被反转, 磁场再次相互对立, 从而使旋转方向的转矩进一步变大。这一过程继续进行, 转子轴旋转提供马达动作。在发电机运行中, 由于磁场作用下的运动线圈引起转子轴和转子的电流流出, 从而产生机械旋转。

在这个实验中讨论的机器有一个磁场绕组, 而不是永久磁铁。在直流电机运行中的一个关键的换向过程使用滑环和刷子将能量从转子 (电枢) 转移到外部世界, 因为转子是旋转和纺纱线会扭曲和打破它们。然而, 这些刷子和滑环有重大的可靠性缺点, 因为他们需要定期维修, 刷更换, 清洁, 并可能导致火花。这导致了大多数直流电机的更换没有这些问题的交流机, 和其余的直流电机大多有永磁磁场励磁, 如在玩具和简单的低功耗工具。交流电机称为无刷直流电机 (或 BLDCs) 是交流机, 利用直流电源和电力电子逆变器, 以获得交流电压出的逆变。

本实验的目的是测试两个主要的直流电机配置: 分流和串联。测试的目的是估计的剩余流量在机器和研究的空载和负载特性不同的配置。

Principles

四 DC 机器的主要配置存在: 分别励磁、分流、串联、复合。这些配置是根据现场励磁的位置分类的, 其中磁场是作为电机或发电机操作机器所必需的磁场。由于磁场绕组由直流电源供电, 所以该源可以与驱动直流电机的电枢的电源相同, 也可以是独立的。当分离时, 机器被称为 "单独兴奋", 而当没有, 在电机的电路中的场绕组的位置决定它是什么类型的配置。如果现场绕组与电枢绕组平行, 看到相同的电压源电源的电枢, 该机是在并联或并联配置。

如果磁场绕组与电枢绕组串联, 使其具有相同的电流流, 则该机器处于串联配置中。如果两个绕组都可用, 即采用分流和串联绕组, 则该机器处于复合配置中。单独的励磁配置是独立于电枢, 可以调节, 以支持各种负载通过自动控制。但是, 分流、串联和复合配置从同一电枢源中吸取电流, 因此受负载和电枢电压变化的影响。

由于没有场励磁, 在机器中残余磁场 (λR) 的残余磁作用作为小场励磁的来源。这可以在后面的势 (e一个) 等式 "λRω " 中被表示为一个附加术语, 它被添加到 "奇f ω" 中, 其中ω是机器的机械速度。对于复合 DC 机, E 是这样的,

E= KshiFshω+ Kse我Fseω+ λRω, (1)

在 "se"代表系列中, "sh"代表分流, k术语是将字段电流和机械速度关联到后面势的字段常量记住k值是恒定的, 直到达到饱和极限为止,之后, E 饱和到某个值。

理想情况下, λR 被假定为零, 但这并不现实。为了确定λR, 直流电机作为发电机运行, 不需要分流或串联励磁和空载。因此, 终端电压测量了V=E。如果测量ω , 则可以确定λR 。Ea 是直流电机的特征电压, 它是一种电压, 它可以将电枢电压限制在机器上。在电机操作中, EA 小于电枢电压, 而较高的e 会导致较少的电枢电流绘制。它依赖于公式1所示的轴速度, 因此具有较高的Ea 会导致更高的速度操作。在生成器应用程序中, EA 是在电枢与字段之间旋转一个磁场的感应电压。

对于分流机, 等式1仍然保持, 但IFse 设置为零;对于系列计算机, 公式1仍保持不动, 但IFsh 设置为零。复合机有分流和串联连接, 可以在长或短的形式。当两个字段都存在时, 它们的效果可以像电枢所看到的那样相加或相互对立, 这些配置称为累积或差异。这些配置可以通过改变分流场在级数场之前或之后的位置, 以及通过让场电流进入或离开各自的点来实现。图1-4 显示所有四配置。

Figure 1
图 1:累计长复合配置示意图

Figure 2
图 2: 累计短复合配置示意图。

Figure 3
图 3:差异长复合配置示意图

Figure 4
图 4: 差分短复合配置示意图。

本实验的目的是比较串联和并联配置直流电机的电流、电压和负载关系。由于本演示中仅有一台大功率直流电源可用, 因此不包括单独的励磁操作。对于并联和串联配置, 直流发电机的原动力是一个同步电机, 调节其速度为 1800 RPM。任何时候需要直流电流测量, 如Ia 或IFsh, 使用当前模式的数字多米 (确保多米上的终端在当前配置中)。

Procedure

1. 直流测试

  1. 将低功耗直流电源限制为 0.8 A, 将电源端子连接到直流电机电枢。
  2. 记录电源的直流电压和电流读数。
  3. 估计每个绕组的电阻。
  4. 重复其他绕组, 分流场和串联场, 一次一个。
  5. 关闭并断开低功耗直流电源。
  6. 设置内置的变阻器, 以最大的阻力和测量其阻力。
  7. 将系列场变阻器 (外部) 设置为最大电阻, 并测量其电阻。

2. 原动力设置和残余磁性

本实验的原动力是同步电机, 它的运行方式是旋转直流发电机转子 (电枢) 的马达。

  1. 确保三相断开开关、同步电机开关和直流电机开关全部关闭。
  2. 检查调压器是否在0%。
  3. 将调压器线连接至三相插座, 并将安装在图5中的设置接通。
  4. 检查 "启动/运行" 开关是否处于 "开始" 位置。
  5. 打开三相断开开关。
  6. 打开高压直流电源。
  7. 确保从供应终端的所有连接都是明确的。
  8. 按电源上的 "V/I" 按钮以显示电压和电流操作点。调整电压旋钮到 125 v
    1. 不要按 "开始" 按钮。
  9. 在直流电源面板上按 "开始" 按钮。
  10. 慢慢增加调压器输出, 直到VAC1 读取 120 v
  11. 当同步电机达到稳态转速时, 将启动/运行开关翻转到运行位置。
  12. 使用闪光灯测量和记录转速, 并记录VA。
  13. 关闭直流电源并将调压器返回到0%。
  14. 将 "启动/运行" 开关重置为 "启动"。
  15. 关闭三相断开开关。

Figure 5
图 5: 如何设置主移动器的示意图.请单击此处查看此图的较大版本.

3. 直流分流发电机特性

  1. 在直流发电机侧, 并联并联领域与电枢领域, 如图6所示。
  2. 使用内置变阻器为Rfsh (ext), 并使用多米作为安培计测量Ifsh。
  3. 保持 "S1" 为无负载测试打开。
  4. 在最大电阻下保持 "RFsh (ext) 。
  5. 打开三相断开开关。
  6. 在直流电源面板上按 "开始" 按钮。
  7. 慢慢增加调压器输出, 直到VAC1 读取 120 v
  8. 当同步电机达到稳态转速时, 将 "启动/运行" 开关翻转到 "运行" 位置。
  9. 使用在别处描述的闪光灯技术测量轴速度。
  10. 在 DC 生成器端的此无负载条件下记录V 。
  11. 减少RFsh (ext) , 直到在VA 上生成的电压约为 150 v。
  12. 在该点之后,在五几乎相等的步骤中减少 "RFsh (ext)", 直到达到最小阻力为止.
    1. 对于每个步骤, 测量VA 和IFsh。
  13. 将RFsh (ext) 保留为最小值。
  14. 关闭直流电源。
  15. 将调压器输出减少到0%。
  16. 移动安培计从测量IFsh 测量IA。
  17. 如前所述重新启动安装程序。
  18. 将RL 设置为300Ω, 然后打开 "S1"。测量V 和Ia。
  19. 关闭 "s1, 将RL 设置为200Ω, 然后打开" s1。测量Va和Ia。
  20. 关闭 "s1, 将RL 设置为100Ω, 然后打开" s1。测量Va和Ia。
  21. 关闭直流电源, 并将调压器输出设置为0%。
  22. 保持安装程序的同步发电机端完好无损。
  23. 断开 DC 生成器连接。
  24. 将 "启动/运行" 开关重置为 "启动"。
  25. 关闭三相断开开关。

Figure 6
图 6: 并联直流发电机设置示意图.请单击此处查看此图的较大版本.

4. 直流系列发电机特性

  1. 在直流发电机侧, 连接系列字段与电枢领域, 如图7所示。
    1. 使用外部变阻器进行RFse (ext)。
    2. 使用内置变阻器作为RL , 并使其处于最大阻力。
    3. 保持 "S1" 为无负载测试打开。
    4. 保持RFse (ext) 的最大电阻。
  2. 打开三相断开开关。
  3. 在直流电源面板上按 "开始" 按钮。
  4. 慢慢增加调压器输出, 直到VAC1 读取 120 v
  5. 当同步电机达到稳态转速时, 将 "启动/运行" 开关翻转到 "运行" 位置。
    1. 在 DC 生成器端的此无负载条件下测量V 。
  6. 打开 "S1", 并根据需要减少RFse (ext) 以查看非零VA。
  7. 在五几乎相等的步骤中更改RL , 直到其50% 设置达到, 设置为300Ω, 然后打开 "S1。测量速度, V和Ia。
    1. 关闭 "s1, 将RL 设置为200Ω, 然后打开" s1。测量速度, V和Ia。
    2. 关闭 "s1, 将RL 设置为100Ω, 然后打开" s1。测量速度, V和Ia。
  8. 关闭直流电源。
    1. 将调压器输出设置为0%。
    2. 保持安装程序的同步发电机端完好无损。
    3. 断开 DC 生成器连接。
    4. 将 "启动/运行" 开关重置为 "启动"。
  9. 关闭三相断开开关。
  10. 拆卸所有的电线和仪表。

Figure 7
图 7: 串联直流发电机设置示意图.请单击此处查看此图的较大版本.

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Results

系列绕组典型地运载高电流额定在机器的额定电枢电流, 因为两个系列和电枢绕组是在系列。因此, 串联绕组预计将在一个ω的顺序到几个Ω. 分流绕组另一方面, 应从电源的来源, 使他们与机器的电枢的最小电流, 因此, 有很大的电阻值为数十到数百甚至几千Ω。

剩余的λR 可以通过在空载时测量电枢电压来估计。因为这是无负载条件, 后势和电枢电压相同, 背面势 (ea) 是λr 的函数, 如ea=If λrωm f 是字段当前, ωm 是机械速度。

每种机器都有自己的电压电流或转矩速度曲线。并联发电机的优点是, 他们可以提供电压没有任何负载高达满载, 而串联发电机的特点是不能提供任何电压, 除非有一定的负载。

Application and Summary

在交流感应和同步电机发明之前, 直流电机比以前更不常见。它们在简单的低功耗应用程序 (如玩具、小型机器人和遗留设备) 中仍然很常见。永磁直流电机, 使用丰富的非稀土磁体, 是更常见的比他们的分流和系列计数器部分由于更简单的励磁, 特别是在低成本和低复杂度的应用。

Tags

DC MotorsDrive EquipmentElectromechanical MachinesInner Conductive CoilArmatureOuter MagnetStatorDC SourceCommutator SlipperingElectromagnetic ForceTorque FluctuationsMultiple WindingsCommutatorPower SupplyMagnetic FieldsDC Motor ConfigurationsMeasurement Of DC Motor Performance CharacteristicsSpeedCurrentVoltageLoadPermanent Magnet StatersConductor WindingsElectric Field DesignElectro Motor Force EMFTorque Output

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0:06

Overview

1:18

Principles of DC Motors

3:18

DC Tests

4:24

Measurement of Residual Magnetism

7:26

Applications

9:09

Summary

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