电工学(七版 秦曾煌) 第8章 直流电动机ppt课件.ppt
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1、第8章 直流电动机,8.1 直流电机的构造,8.2 直流电机的基本工作原理,8.4 并励电动机的起动与反转,8.3 直流电动机的机械特性,8.5 并励(他励)电动机的调速,*8.6 电动自行车,*8.7 电动汽车,第8章 直流电动机,1.了解直流电动机的基本构造和工作原理;2.掌握他励(并励)和串励直流电动机的电 压与电流的关系式,接线图、机械特性;3.搞清他励(并励)和串励直流电动机的起 动、反转和调速的基本原理和基本方法。,本章要求,8.1 直流电机的构造,直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂,维修也不便,但由于它的调速性能较好和起动转矩较大,因此,对调速要求较高的生产机械或者需要较
2、大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。,直流电机的优点:,(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。,应用:,(1)轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机 以及起重设备等调速范围大的大型设备。(2)用蓄电池做电源的地方,如汽车、拖拉机等,8.1.1 直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。,2.转子(电枢)由铁心、绕组、换向器组成。,1.磁极,励磁:磁极上的线圈通直流电产生磁通,称为励磁。,用来在电机中产生磁场。,1.他励电动机
3、 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。,8.1.2 直流电机的分类,直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2.并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联,由一个直流电源供电。,4.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。,3.串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,8.2 直流电机的基本工作原理,8.2 直流电机的基本工作原理,直流电从两电刷之间通入电枢绕组,电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接,无论线圈怎样转动,总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方
4、向旋转。,电刷,换向片,换向器作用:将外部直流电转换成内部的直流电,以保持转矩方向不变。,线圈在磁场中旋转,将在线圈中产生感应电动势。由右手定则,感应电动势的方向与电流的方向相反。,1.电枢感应电动势,E=KE n,由图可知,电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反,所以称反电势。,式中:U 外加电压 Ra 绕组电阻,2.电枢回路电压平衡式,3.电磁转矩,单位:(韦伯),Ia(安),T(牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通 相互作用,产生电磁力和电磁转矩,直流电机的电磁转矩公式为,4.转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时,电磁转矩
5、必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡,即,T=KT Ia,当电动机轴上的机械负载发生变化时,通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化,电磁转矩将自动调整,以适应负载的变化,保持新的平衡。,转矩平衡过程,例:,设外加电枢电压 U 一定,T=T2+T0(平衡),此时,若T2突然增加,则调整过程为,达到新的平衡点(Ia、P入)。,T2,n,Ia,T,E,8.3 直流电动机的机械特性,特点:励磁绕组与电枢并联,由图可求得,由上分析可知:,当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流 If和磁通 不变,即=常数。则,以并励直流电动机为例,T=KT Ia=KIa,令:,T=KT Ia=KIa,即:并励
6、电动机的磁通=常数,转矩与电枢电流成正比。,由以下公式,求得,式中:,n=f(T)机械特性曲线,并励电动机在负载变化时,转速 n 的变化不大硬机械特性(自然特性)。,改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线,例:有一并励电动机,其额定数据如下:P2=22kW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.84,并已知Rf=27.5,Ra=0.04,试求:(1)额定电流I,额定电枢电流Ia及额定励磁电流If;(2)损耗功率PaCu,PfCu,及P0;(3)额定转矩T;(4)反电动势E。,解:(1)P2是输出功率,额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,(2)电枢电路铜损,励磁
7、电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,(3)额定转矩,(4)反电动势,8.4 并励电动机的起动与反转,8.4.1 起动,直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器;,起动时,n=0,1.起动问题,(1)起动电流大,(2)起动转矩大,起动时,起动转矩为(1020)TN,造成机械冲击,使传动机构遭受损坏。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,T=KT Ia,2.起动方法,3.注意事项,(1)电枢串电阻起动法,(2)降压起动法:,直流电动机在起动和工作时,励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则,磁路中只有很少的剩磁,可能产生事
8、故。,在满磁下将Rst置最大处,逐渐减小Rst使n升高。,最大起动电压Ust为,(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路,反电动势E立即减小而使电枢电流增大,同时由于所产生的转矩不满足负载的需要,电动机必将减速而停转,更促使电枢电流增大,至烧毁电枢绕组和换向器。,(E Ia T T0 n飞车),励磁电路一定要接通!否则:,E=KE n,T=KT Ia,(1)如果电动机是静止的,励磁电路未接通或未满励磁,则为0或太小,转矩为0或太小,电机将不能起动,则反电动势为零,电枢电流很大,有被烧坏的危险。,(3)如果电机在空载运行,可能造成飞车(转速上升很大),使电机遭受严重的机械损伤,而且因电枢电流过大
9、而将绕组烧坏。,8.4.2 反转,例:串励的单相手电钻,利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理,采用特别的串励电动机,使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。,电磁转矩:T=KT Ia,(1)改变励磁电流的方向。(2)改变电枢电流的方向。,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。,改变直流电机转向的方法有两种:,8.5 并励(他励)电动机的调速,并励(他励)电动机与异步电动机相比,虽然结构复杂,价格高,维护也不方便,但在调速性能上有其独特的优点。,1.调速均匀平滑,可以无级调速(注:异步机改变极对数调速的方法叫有级调速)。2.调速范围大,调速比可达2
10、00 以上(调速比等于最大转速和最小转速之比),因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。,主要优点:,由转速公式:,可见直流电机调速方法有三种。,可见:在U 一定的情况下,改变 可改变转速n。,8.5.1 改变磁通调速,保持电枢电压U不变,改变励磁电流If(调Rf)可以改变磁通。,Rf If n,一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速,即,改变磁通调速的方法:,减小磁通,n只能上调。,改变 时的机械特性如图。,由转速公式:,(1)调速平滑,可得到无级调速;但只能向上调,受机械本身强度所限,n不能太高。(2)调速设备简单,经济,电流小,便于控制。(3)机械特性较硬(T变化率小),稳定性较好。(
11、4)对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达3 4,例如5302120 r/min及3101 240 r/min。,减小 调速的特点:,(1)若调速后Ia 保持不变,电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。(2)这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。,使用调磁调速时应注意:,8.5.2 改变电压调速,由转速公式知:调电压U,n0变化,但斜率不变,所以调速特性是一组平行曲线。,特性曲线,改变电压调速的特点:,(1)工作时电压不允许超过UN,而n U,所以调速只能向下调。,(2)机械特性较硬,并且电压降低后硬度不变,稳定性好。,(3)均匀调节电枢电压,可得到平滑无级调速。,(4)调速幅度较
12、大。,调速过程:,保持If 为额定,减小电枢电压。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备,投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁,以改变它的转速。,以他励直流电动机为例,例:有一他励电动机,已知U=220V,Ia=53.8A,n=1500r/min,Ra=0.7。今将电枢电压降低一半,而负载转矩不变,问转速降低多少?,解:由T=KT Ia可知,在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下,电流也保持不变。,电压降低后的转速 n 对原来的转速 n 之比为,8.5.3 电枢回路串电阻调速,电枢中串入电阻,使n、n0不变,即电机的特性曲线变陡(斜率变大),在相同力矩下,n。特
13、性曲线如图。,Ra,电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻,电阻增大则转速下降,因此 n 只能下调。,特点:(1)设备简单,操作方便。,(2)机械特性软,稳定性差。,(3)能量损耗大,只用于小型直流机。,Ra+R,1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。,2.额定电压UN:额定工作情况下的电枢上加的直流电压。(例:48V,110V,220V,440V),3.额定电流IN:额定电压下轴上输出额定功率时的电流(并励包括励磁和电枢电流)。三者关系:PN=UNIN(:效率),4.额定转速nN:在PN,UN,IN 时的转速。直流电机的转速一般在500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低(
14、如每分钟几转)或很高(每分钟3000转以上)。,注意:调速时对于没有调速要求的电机,最大转速不能超过1.2nN。,直流电动机的额定值,(3)恒功率负载(P 一定时,T和n 成反比),要选软特性电机拖动。如:电气机车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1)恒转矩的生产机械(TL一定,和转速无关)要选硬特性的电动机,如:金属加工、起重机械等。,(2)通风机械负载,机械负载 TL 和转速 n 的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。,直流电机有四个出线端,电枢绕组、励磁绕组各两个,可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。,8.5.4 电动机的连接,他励(并励)电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,
15、串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,(2)绕组的符号,(1)绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,电动车时代,石油可用40年、天然气60年、煤炭160年,而且化石能源会排放大量空气污染物与温室气体;核能则使用环境限制苛刻,必须提升能源使用效率并开发新能源,促进能源永续利用。,传统,替代燃料汽车,新能源,汽车能源分类,目前世界汽车保有量约8亿辆,并以每年3000万辆的速度递增,预计到2020年全球汽车保有量将达到12亿辆,主要增幅来自发展中国家。,我国节能与新能源汽车前景展望,国内主要低速电动车生产厂商概况,低速电动车未来发展方向,1、中国电动汽车行业经历了十几年的发展
16、,取得了较大成就。2、在电动汽车产业链上有1000多家企业积极参与,产业链比较完善。3、2013预计达到3000万辆电动自行车、100万辆电动汽车的产销量。4、电动汽车和专用汽车的结合,可以弥补各自的不足;在政策的驱动下,电动巡逻车、电动观光车、电动环卫车可以得到较快发展。5、低速电动专用汽车的发展道路会遵从示范宣传、政府主导的批量需求、大批量生产、市场化运作四个阶段。,电动自行车,中国电动自行车在力矩传感和电路控制居于世界领先地位。电动自行车是具有电力驱动、脚踏驱动、电力和脚踏并用等功效的绿色环保交通工具。,中国有大约有9000万辆两轮摩托车,以及1.5亿辆电动自行车。,控制器控制及显示原理
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