华北电力大学电机学87讲直流电机(14)直流电动机.ppt

第二十五章直流电动机,第四篇 直流电机,1.了解直流电动机的励磁方式，掌握其特点2.掌握直流电动机的基本方程式3.掌握直流电动机的工作特性4.掌握直流电动机的机械特性5.掌握直流电动机的起动和调速方法6.了解直流电动机的制动,本章基本要求,直流电动机,直流电机的可逆原理直流电动机的基本方程式直流电动机的起动直流电动机的工作特性直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机的调速直流电动机的制动,主要内容,直流电动机,直流电动机,直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，广泛应用于对起动和调速性能要求高的场合,直流电动机按励磁方式可分为：他励、并励、串励和复励四种,25.1 直流电机的可逆原理,直流电机,直流电动机,直流电机的可逆原理：一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行。,感应电动势“发电作用”电磁转矩“电动作用”,发电机：主电动势 反转矩 电动机：反电动势 主转矩,原动机 EaU 电负载,电源 EaU 机械负载,发电机,电动机,25.1 直流电机的可逆原理,发电机运行状态,直流电动机,发电机运行的特点：,25.1 直流电机的可逆原理,电动机运行状态,直流电动机,电动机运行的特点：,25.2 直流电动机的基本方程式,直流电动机,一、电压平衡方程式,25.2 直流电动机的基本方程式,直流电动机,二、功率平衡方程式,25.2 直流电动机的基本方程式,直流电动机,三、转矩平衡方程式,稳态运行转矩方程,动态运行转矩方程,25.2 直流电动机的基本方程式,直流电动机,基本方程式,25.3 直流电动机的起动,直流电动机,起动的基本要求：起动转矩足够大；起动电流限制在允许范围内；起动时间短，符合生产技术要求；起动设备简单、经济、安全、可靠。,起动过程：直流电动机接电源后，转速从零达到稳定转速的过程,大电流对电网的影响：电网电压下降，影响其他用电设备电机绕组发热，受大电磁力的冲击,直流电动机,起动瞬间：,起动的根本原则：足够大的电磁转矩 限制起动电流,起动时的磁场：磁通最大（励磁回路调节电阻为零）,常用起动方法：全压起动；电枢回路串变阻器起动；降压起动。,25.3 直流电动机的起动,直流电动机,一、全压起动,直接加额定电压起动优点：操作简单，无需另加设备缺点：冲击电流大；电源电压会突然降低，影响其他用电设备；产生很大的冲击电磁力和转矩应用：适用于容量很小的电动机。,25.3 直流电动机的起动,直流电动机,二、电枢回路串变阻器起动,在电枢回路串可变电阻，以限制起动电流，待转速上升后，逐步切除起动电阻损耗增加，不经济,25.3 直流电动机的起动,直流电动机,三、降压起动,开始时，降低端电压，随着转速的升高，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。采用他励优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。实例：发电机电动机组；整流器电动机组,25.4 直流电动机的工作特性,直流电动机,定义：UUN，IfIfN（并励）时，转速n、电磁转矩TM、效率与电枢电流Ia（或输出功率P2）的关系。即 nf(Ia),TM f(Ia),f(Ia)或nf(P2),TM f(P2),f(P2)的关系曲线,并励电动机 试验接线图,工作特性因励磁方式而异，可计算求得，但大多用实验方法确定。,25.4 直流电动机的工作特性,直流电动机,一、并励电动机的工作特性,转速调整率,1、转速特性：UUN 常数，IfIfN 常数时，nf(Ia)的关系曲线,25.4 直流电动机的工作特性,直流电动机,一、并励电动机的工作特性,2、转矩特性：UUN 常数，IfIfN 常数时，TMf(Ia)的关系曲线,考虑去磁，曲线有所下降。,25.4 直流电动机的工作特性,直流电动机,一、并励电动机的工作特性,3、效率特性：UUN 常数，IfIfN 常数时，f(Ia)的关系曲线,可变损耗=不变损耗时，效率最高。,直流电动机,一、并励电动机的工作特性,25.4 直流电动机的工作特性,直流电动机,二、串励电动机的工作特性,1、转速特性：UUN 常数，nf(Ia),的关系曲线,UUN常数时，转速n、电磁转矩TM、效率与电枢电流Ia（或输出功率P2）的关系曲线,串励电动机 试验接线图,25.4 直流电动机的工作特性,直流电动机,二、串励电动机的工作特性,1、转速特性：,串励电动机绝对不允许空载运行，以避免发生“飞速”现象。,2、转距特性：TMf(Ia),直流发电机与直流电动机的区别,直流电动机,能量关系:,机械能转变成电能,电能转变成机械能,电枢电势:,电源电势,反电势,电磁转矩:,制动,驱动,电势平衡方程:,直流发电机与直流电动机的区别,直流电动机,转矩平衡方程,功率平衡方程,特性：,25.5 直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件,直流电动机,一、直流电动机的机械特性,定义：UUN常数时，励磁和电枢回路电阻保持不变时，转速n与电磁转矩TM的关系nf(TM),Rj为串入电枢回路的调节电阻，用于改变机械特性的形状。Rj=0时为自然机械特性，Rj0为人工机械特性。,25.5 直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件,直流电动机,一、直流电动机的机械特性,并励直流电动机的机械特性,机械特性接近于一水平线，称为硬特性。反之特性软,25.5 直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件,直流电动机,一、直流电动机的机械特性,串励直流电动机的机械特性,软特性：因为转矩增大，电枢增大，磁通增大，内阻压降均增大，故转速下降很快,25.5 直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件,直流电动机,二、电动机组稳定运行的条件,典型负载的机械特性nf(TL),（1）恒转矩负载：TL=const（2）风机类负载：T Ln2（3）恒功率负载：P L=const,25.5 直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件,直流电动机,二、电动机组稳定运行的条件,下垂的机械特性,25.5 直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件,直流电动机,二、电动机组稳定运行的条件,上翘的机械特性,稳定条件,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,调速方法：（1）改变励磁电流（主磁通）调速；（2）改变串入电枢回路中的电阻调速（3）改变电枢端电压调速,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,一、改变励磁电流调速,优点：设备简单，调节方便，能耗小，效率基本不变，经济性好，调速平滑，可实现无级调速缺点：只能向上单方向调节，转速高时，换向性能差，机械特性的斜率变大，特性变软；,机械特性：理想空载转速增大；斜率增大,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,一、改变励磁电流调速,调速过程：,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,一、改变励磁电流调速,调速过程：,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工作点AA,弱磁稳定后的工作点,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,一、改变励磁电流调速,调速过程：,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线,结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,一、改变励磁电流调速,恒转矩负载：,转速比（磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa变化）：,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,优点：设备简单，操作方便。缺点：只能向下单方向调节；低速时，机械特性很软，调速范围不大,稳定性差；负载变化时，转速调整率变大；速度调节不平滑，属有级调速；电阻消耗的能量大，调速时效率低，效率与转速成正比。,机械特性：理想空载转速不变；斜率增大,二、改变串入电枢回路的电阻调速,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,适用于恒功率调速对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使TM和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,调速过程：,二、改变串入电枢回路的电阻调速,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,调速过程：,二、改变串入电枢回路的电阻调速,未串电阻时的工作点,串电阻Rj1后,工作点由AAB,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,调速过程：,二、改变串入电枢回路的电阻调速,调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变,调速过程转速变化曲线,结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,恒转矩负载：,效率：,二、改变串入电枢回路的电阻调速,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,优点：电源电压能够平滑调节，可实现无级调速；调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好；无论轻载还是负载，调速范围相同；电能损耗较小。缺点：只能向基速下单方向调节；需要一套电压可连续可调的直流电源，较复杂。,机械特性：理想空载转速减小；斜率不变，是一组平行直线。,三、改变电枢端电压调速,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,适用于恒转矩调速对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使TM和Ia不变。,调速过程：,三、改变电枢端电压调速,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,调速过程：,三、改变电枢端电压调速,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,25.6 直流电动机的调速,直流电动机,恒转矩负载：,效率：,三、改变电枢端电压调速,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,分类：机械制动和电磁制动,电磁制动,定义：使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动,特点：产生的转矩大，易于控制，操作方便,方法：能耗制动、反接制动、回馈制动,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,一、能耗制动,保持励磁电流的大小及方向不变，电动机从电网脱离接至制动电阻RL。,实际上是一台向制动电阻供电的他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能，全部消耗于电枢回路的电阻上，,并励电动机能耗制动接线图,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,一、能耗制动,特点：1）操作简单，停车准确2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；3）低速时制动转矩小，停转慢；4）动能大部分都消耗在制动转矩上。,机械特性,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,一、能耗制动,电动机状态工作点,制动瞬间工作点,制动过程工作段,电动机拖动反抗性负载，电机停转。,若电动机带位能性负载,稳定工作点,制动过程,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,二、反接制动,电枢回路串入制动电阻后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流，进而产生反向制动电磁转矩。,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。,1、正转反接,并励电动机反接制动接线图,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,二、反接制动,1、正转反接,特点：1）可以很快使机组停机。2）需要加入足够的电阻，限制电枢电流；3）转速至零时，需切断电源。,机械特性,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,制动过程,二、反接制动,1、正转反接,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,二、反接制动,电枢回路串入很大的电阻，机械特性和负载特性的交点位于第象限。,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。,2、正接反转,适用于位能性恒转矩负载。,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,二、反接制动,机械特性,2、正接反转,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,制动过程,二、反接制动,电枢回路串入较大电阻 后特性曲线,正向电动状态提升重物(A点),负载作用下电机反向旋转(下放重物),电机以稳定的转速下放重物D点,2、正接反转,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,三、回馈制动（发电机制动）,回馈制动过程中，有功功率回馈电源。从电能消耗看，回馈制动是最经济的一种制动方式。转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。,当电动机转速高于理想空载转速，即nn0时，电枢电动势Ea大于电枢电压U，电机进入发电状态，电磁转矩起制动作用，限制转速上升，电动机向电源回馈电能。,25.7 直流电动机的制动,直流电动机,形式,三、回馈制动（发电机制动）,稳定运行：1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限；2、电车下坡时，运行转速超过理想空载转速，进入第二象限。,当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限,