第7章直流电机的基本理论ppt课件.ppt
第 7 章 直流电机的基本理论,7.1 直流电机的工作原理,7.2 直流电机的基本结构,7.3 直流电机的电枢反应,7.4 电流电机的电磁转矩和电动势,7.5 直流电动机的运行分析,7.6 直流电动机的功率和转矩,7.7 直流发电机的运行分析,7.8 直流发电机的功率和转矩,第 7 章 直流电机的基本理论,7.1 直流电机的工作原理,7.2 直流电机的基本结构,7.3 直流电机的电枢反应,7.4 电流电机的电磁转矩和电动势,7.5 直流电动机的运行分析,7.6 直流电动机的功率和转矩,7.7 直流发电机的运行分析,7.8 直流发电机的功率和转矩,返回主页,电机与拖动,7.1 直流电机的工作原理,1.直流电动机的工作原理,第7 章 直流电机的基本理论,U,7.1 直流电机的工作原理,1.直流电动机的工作原理,第7 章 直流电机的基本理论,电刷,线圈边切割磁感线会产生什么？,换向片,直流电流,交流电流,电磁转矩(拖动转矩),换向,机械负载,旋转,反电动势,做功,7.1 直流电机的工作原理,电磁关系,2.直流发电机的工作原理,E,7.1 直流电机的工作原理,E,输出直流电,换向,原动机,感应电动势、电流,电磁转矩（阻转矩）,做功,电磁 关系,7.2 直流电机的基本结构,1.主要部件(1)定子主磁极换向磁极机座端盖等,第7 章 直流电机的基本理论,直流电机的定子,(a)主磁极,(b)机座,直流电机的定子,7.2 直流电机的基本结构,更多的图片,(2)转子（电枢）,电枢铁心 电枢绕组,7.2 直流电机的基本结构,换向器 转轴与风扇,直流电机的转子,(a)转子主体,(b)电枢钢片,直流电枢绕组,结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,7.2 直流电机的基本结构,直流电枢绕组,电动机,发电机,两匝元件,7.2 直流电机的基本结构,1 2 3 5 6 8 9 11 12,单叠绕组的展开图,并联支路对数：a=2。电刷的中心线对着磁极的中心线。,n,7.2 直流电机的基本结构,单叠绕组的展开图,电刷的中心线对 着磁极的中心线：电刷之间的电动 势最大。被电刷短接的元 件电动势为零。习惯称“电刷放在 几何中心线位置”。,磁极中心线,几何中心线,7.2 直流电机的基本结构,7.2 直流电机的基本结构,直流电机的结构,电枢,7.2 直流电机的基本结构,电机装配图,更多的图片,7.2 直流电机的基本结构,直流电机,更多的图片,2.励磁方式,+Ua,+Uf,他励,并励,串励,复励,(1)直流电动机按励磁方式分类,7.2 直流电机的基本结构,(2)直流发电机按励磁方式分类,7.2 直流电机的基本结构,他励,串励,复励,并励,(1)额定电压 UN 发电机的 UN：指输出电压的额定值。电动机的 UN：指输入电压的额定值。(2)额定电流 IN 发电机的 IN：指输出电流的额定值。电动机的 IN：指输入电流的额定值。(3)额定功率 PN 发电机的 PN：指输出电功率的额定值(UN IN)。电动机的 PN：指输出机械功率的额定值(UN INN)。,3.额定值,7.2 直流电机的基本结构,(4)额定转速 nN(5)额定励磁电压 UfN(6)额定励磁电流 IfN 额定状态：指 U、I、P、n 均为额定值的状态。满载状态：指 I=IN 的状态。,7.2 直流电机的基本结构,7.3 直流电机的电枢反应,几何中心线,励磁磁场（空载磁场）,物理中心线,电枢磁场,合成磁场（负载时的磁场）,物理中性线,电枢反应：,电枢磁通势对主极磁场的影响。,第7 章 直流电机的基本理论,电枢反应的影响,总磁场被扭歪了 几何中心线与物理中心线分开了,电刷位置处的元件的 e0，增加换向困难。一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，磁路不饱和时，每极磁通不变；磁路饱和时，,每极磁通减少，e 和T 相应减少。,7.3 直流电机的电枢反应,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,1.电磁转矩(1)产生 电枢电流 i 磁 场,F,T,(2)大小 电磁力：F=B l i 平均磁密：,第7 章 直流电机的基本理论,极距,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,1.电磁转矩(1)产生 电枢电流 i 磁 场,F T,(2)大小 电磁力：F=B l i 平均磁密：每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩：FR,第7 章 直流电机的基本理论,电枢绕组串联总匝数：N 电枢绕组并联支路数：2a 总导体数：2N 2a=4aN 电枢的周长：2R=2p 电磁转矩：T=4aN FR,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,(2)大小 T=CT IaCT 转矩常数：(3)方向 由 和 Ia 共同决定。(4)性质 发电机：电动机：,T 与 n 方向相反，为制动转矩。T 与 n 方向相同，为拖动转矩。,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,(Nm),(1)产生 电枢旋转 n 磁 场(2)大小 每个导体：e=B l v 导体切割磁场线的线速度：电动势：E=2N e,2.电动势,e,e,E,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,=2N B l v,CT=9.55 CE,7.4 直流电机的电磁转矩和电动势,E=CE n CE 电动势常数：,(V),(3)方向：由 和 n 共同决定。(4)性质 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。,7.5 直流电动机的运行分析,1.他励电动机,励磁电压 Uf If,电枢电压 Ua Ia,T,n,(1)电压平衡方程式励磁电路：Uf=Rf If电枢电路：Ua=E+Ra Ia,第7 章 直流电机的基本理论,稳态电枢电流 Ia 由谁确定？,T=CT Ia，Ua=E+Ra Ia例如：负载不变(T 不变)，Ua(Ra)变化时，Ia 变化否（设 不变）？,Ua(或Ra),瞬间 n 不变 E 不变,Ia,T,TTL,E,Ia,T,T=TL,Ia不变,结论：Ia 的大小取决于负载的大小。当 Ia=IaN 时为满载，当 IaIaN 时为过载。规定短时过载的最大电枢电流：Iamax=(1.5 2)IaN=MC IaN,7.5 直流电动机的运行分析,机械特性,(2)转速,当T 时，n 下降不多 硬特性。励磁电路断电的后果 当 If=0，=r 很小，n 不能突变，E 很小T=CTr Ia 仍有一定数值。,Ia,若 T TL,n,飞车！,T TL,n,n=0,闷车！,7.5 直流电动机的运行分析,7.5 直流电动机的运行分析,(3)转向,取决于电磁转矩 T 的方向。T 的方向取决于 和 Ia 的方向。,磁场反向,电枢反向,2.并励电动机,并励与他励的区别:(1)输入电压 U=Ua=Uf(2)输入电流 I=Ia+If(3)输入功率 P1=UI=UIa+UIf,7.5 直流电动机的运行分析,【例7.5.1】某并励直流电动机，UN=220 V，IN=12.5 A，nN=3 000 r/min，Rf=628，Ra=0.41。求该电机在额定状态下运行时的：(1)If；(2)Ia；(3)E；(4)T。解：(1)励磁电流 If,7.5 直流电动机的运行分析,(2)电枢电流 Ia Ia=IN If=(12.50.35)A=12.15 A(2)电动势 E E=UN Ra Ia=(2200.4112.15)V=215 V,CT=9.55 CE=0.685T=CT Ia=0.68512.15 Nm=8.32 Nm,(4)电磁转矩,7.5 直流电动机的运行分析,3.串励电动机,Ua,Uf,7.5 直流电动机的运行分析,(1)电压 U=Ua+Uf=E+(Ra+Rf)I(2)电流 I=Ia=If,(3)转矩 T=CT Ia当 Ia 较小、磁路未饱和时，,Ia，,T Ia2。,当 Ia 较大、磁路已饱和时，,常数，,T Ia。,即 T Iam(1m2)与并励电动机比较，有如下特点 对应于相同的T，Ia 小。对应于允许的 Iamax，能够产生的 T 大，Tst 和 Tmax 较大。(4)转速,7.5 直流电动机的运行分析,当T=0 时，Ia=If=0，,=r，,n0=(5 6)nN。,当T 很小时，Ia 很小，,磁路未饱和，,T Ia,n 迅速下降。,当T 很大时，Ia 很大，,磁路已饱和，,T Ia,基本不变,n下降较少。,7.5 直流电动机的运行分析,(5)应用 特别适用于起重机 和电气机车等运输机械。不能在轻载或空载下运行。不能用皮带轮传动。,串励电动机的机械特性,软特性,4.复励电动机,(1)积复励、差复励。(2)机械特性 有较大的Tst。可以空载运行。,7.5 直流电动机的运行分析,7.6 直流电动机的功率和转矩,1.功率平衡方程式（并励）(1)输入功率 P1 P1=U I(2)铜损耗 PCu PCu=Ra Ia2Rf If2(3)电磁功率 Pe Pe=P1 PCu 推导：U I=U(IaIf)=UaIaUfIf=(ERa Ia)IaRf If2=E IaRa Ia2Rf If2,第7 章 直流电机的基本理论,Pe=E Ia,7.6 直流电动机的功率和转矩,Pe=E Ia=CE n Ia,=T,功率流程图,2.转矩平衡方程式 空载：T=T0 负载:T=T0+T2,(4)空载损耗 P0 P0=PFePmePad(5)输出功率P2 P2=Pe P0=T2,【例7.6.1】一并励电动机，UN=110 V，IN=12.5 A，nN=1 500 r/min，TL=6.8 Nm，T0=0.9 Nm。求该电机的 P2、Pe、P1、Pal 和。解：,Pe=P2P0=(1 067.6143.3)W=1 208.9 W P1=UN IN=11012.5 W=1 375 WPal=P1P2=(1 3751 067.6)W=307.4 W,7.6 直流电动机的功率和转矩,+Ua,7.7 直流发电机的运行分析,1.他励发电机,第7 章 直流电机的基本理论,外电源Uf If,n,原动机,电枢,Ua,(1)空载运行励磁电路：,励磁电路总电阻,电枢电路：Ia=0，Ua=U0=E,调节Rf,If 可变,可变,E 可变,Ua可变。,U0=E=f(If),空载特性,Er,剩磁感应电动势,(2)负载运行 输出电压:U=Ua 输出电流:I=Ia 电压平衡方程式 U=Ua=ERa Ia,当 Ia,Ra IaE(电枢反应),外特性 U=f(I),n=nNIf=IfN,7.7 直流发电机的运行分析,空载特性,外特性,电压调整率,(5%10%),调整特性 当 n=nN，U=UN 时：If=f(I),7.7 直流发电机的运行分析,调整特性,【例7.7.1】一他励直流发电机，PN=10 kW，UN=230 V，nN=1 000 r/min，Ra=0.4。如果磁通 保持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压 U0 和 900 r/min 时的满载电压 U。解：在 nN 和 UN 时的电枢电流,U0=E=UaRa IaN=(2300.443.5)V=247 V 在 保持不变时，E n,7.7 直流发电机的运行分析,U=ERa IaN=(222 0.443.5)V=205 V,2.并励发电机,Ua,E?E?(1)自励条件 主磁极必须有剩磁r：,r,Er,Ifr,EEr,与r 方向相同,EEr,与r 方向相反,励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：,r,Er,Ifr,EEr,IfIfr,E,E 与 If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。,7.7 直流发电机的运行分析,当 Rf Rk 时，E Er，能够自励。当 Rf=Rk 时，E不确定，不能自励。当 Rf Rk 时，EEr，不能自励。励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,场阻线：,场阻线的斜率：,=RaRf,RfRk,7.7 直流发电机的运行分析,(2)运行分析,I=Ia IfU=Ua=UfUa=E RaIa,I,Ia,RaIa E(电枢反应)Uf,Ua,外特性 U=f(I),并励,负载增加时，U 下降较快。VR 20%,7.7 直流发电机的运行分析,外特性有拐弯现象。,RL I(Ia)U,RL U If,E(较大幅度)U 的下降比 RL的减少得更快,RL U I,RL=0，U=0，If=0=r，E=Er ISC 较小。稳态短路电流不大。,7.7 直流发电机的运行分析,【例7.7.2】例7.7.1 中的他励发电机，励磁绕组的电阻为 100。转速为 1 000 r/min 时的空载特性如图所示。今将它改作并励发电机运行。问励磁电路内应串联多大的电阻才能获得 230 V 的空载电压和满载电压？解：空载运行时,U0=ERa If E 查空载特性得：If=1.5 A 时 E=230 V 根据 E=(RaRf)If可得,7.7 直流发电机的运行分析,应串联的电阻为：R=Rf100=(153.3 100)=53.3 若要满载电压为230 V，则需 E=247 V。再查空载特性得：If=2 A 时 E=247 V 根据 UN=Rf If可得,7.7 直流发电机的运行分析,*3.串励发电机,(1)基本关系 I=Ia=If U=Ua Uf=E(RaRf)I(2)外特性空载时，I=Ia=If=0=r，E=Er 负载时，I(If)U I(If),7.7 直流发电机的运行分析,Er,外特性,电阻压降 U。,4.复励发电机,(1)分为积复励和差复励(2)对于积复励发电机 平复励发电机 当 I=IN 时的 UN=U0。过复励发电机 当 I=IN 时的 UNU0。欠复励发电机 当 I=IN 时的 UN U0。,7.7 直流发电机的运行分析,7.8 直流发电机的功率和转矩,1.直流发电机的功率（并励）(1)输入功率 P1:(2)空载损耗 P0:(3)电磁功率 Pe:(4)铜损耗 PCu:(5)输出功率 P2:,P1=T1P0=PFePmePadPe=P1 P0=T=E Ia PCu=Ra Ia2Rf If2P2=U I=Pe PCu,第7 章 直流电机的基本理论,功率流程图,(6)效率,小型发电机：N=70%90%中大型发电机：N=91%96%,7.8 直流发电机的功率和转矩,2.直流发电机的转矩,T1=T0+T,转矩平衡方程：输入转矩 T1：空载转矩 T0：电磁转矩 T：,7.8 直流发电机的功率和转矩,P2=UI=230100 W=23 000 WIa=IIf=(1002)A=102 APCu=Ra Ia2 Rf If2=(0.2102211522)W=2 540.8 W Pe=P2PCu=25 540.8 W,【例7.8.1】一并励直流发电机，输出电压 U=230 V，输出电流 I=100 A，Ra=0.2，Rf=115，n=1 500 r/min，T0=17.32 Nm。求发电机的输出功率P2、电磁转矩 T、输入功率 P1 和效率。解：,7.8 直流发电机的功率和转矩,7.8 直流发电机的功率和转矩,=2 719.24 W P1=PeP0=(25 540.82 719.24)W=28 260 W,直流电机,7.8 直流发电机的功率和转矩,更多的图片,直流电容电机,更多的图片,直流电机,更多的图片,练 习 题,7.2.17.4.17.5.1 7.5.2 7.5.3 7.5.4 7.5.5 7.5.6 7.5.77.6.1 7.6.27.7.1 7.7.2 7.7.3 7.7.47.8.1 7.8.2 7.8.3*以教师画勾的题为准。,第7 章 直流电机的基本理论,下一章,
