直流电机的工作原理和机械特性.ppt

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1、第三章 直流电机的工作原理及特性,重点掌握：,了解直流电机的基本结构及工作原理；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,直流电机,交流电机,直流电力拖动系统：启动转矩大，在较大的范围内能进行速度平滑调节，且控制简便。由于直流电机具有换向器和电刷，给运行带来了麻烦。交流电力拖动系统：交流电传输方便，交流电机结构简单，价格便宜且能在高速度恶劣条件下工作。交流电力拖动系统的调速性能（如调速范围，调速精度，平滑性，过载能力等）指标都不及直流电力拖动系统。,第三章 直流电机的工作原理及特性,31 直流电机的基本

2、结构和工作原理,直流电机的基本结构,轴承及端盖,机座,主磁极,电枢绕组,风扇,换向器,电枢铁芯,励磁绕组,电刷装置,轴,组成:定子、转子、换向器,31 直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构,剖面图：1 电枢；2主磁极；3励磁绕组；4换向极；5换向极绕组；6机座,电枢铁心及钢片,换向器：1 套筒；2云母环3换向片；4 连接片,直流电机的基本结构,31 直流电机的基本结构和工作原理,基本的工作原理,直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。,1 主磁极,31 直流电机的基本结构和工作原理,2电枢绕组,4电刷,3换向

3、片,发电机原理：将机械能转换为电能。（右手定理）,电动机原理：将电能转换为机械能。(左手定理),换向器作用：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，将直流电流转换为的交变电流，保持恒定的电磁转矩。,31 直流电机的基本结构和工作原理,基本的工作原理,电动势和电磁转矩,电动势E,两电刷间的感应电动势:,式中：E感应电动势（V）；对磁极的磁通（Wb）；n电枢转速（r/min）；Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称

4、为反电动势。,31 直流电机的基本结构和工作原理,电磁转矩TM,电磁力和电磁转矩：,式中：TM电磁转矩（Nm）；对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Km与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke,31 直流电机的基本结构和工作原理,电动势和电磁转矩,发电机的电磁转矩是阻转矩，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的 电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及 空载损耗转矩T0相平衡。,电动势和电磁转矩,31 直流电机的基本结构和工作原理,直流电动机的分类,直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：,31 直

5、流电机的基本结构和工作原理,他励,并励,串励,复励,G,G,G,G,电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中,转速调节方便，调节范围大,负载在较大范围内变化的和要求有较大起动转矩的设备中,兼有串励电动机和并励电动机的特点,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,机械特性的一般形式,电动机的机械特性：转速与电磁转矩之间的关系。,不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同。,如图所示为直流他励电动机的原理电路图。,式中:,外加电枢电压（V）；,感应电势（V）；,电枢电流（A）；,电枢回路内阻（）,电枢回路部分,励磁回路部分,转速特性,机械特性,机械特性的一般形式,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,1

6、.理想空载转速：,2.转速降落,3.机械特性硬度,理想空载转速,机械特性的一般形式,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。,（1）绝对硬特性(交流同步电机),（2）硬特性10(直流他励和交流),（3）软特性10（直流串励和复励）,机械特性的一般形式,金属切削机床,冷轧机,造纸机等宜于选用硬特性的电动机.起重机、电车选用软机械特性曲线电机,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,固有机械特性,固有机械特性：在额定条件（额定电压UN和额定磁通 N)下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T),是一条直线。,固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,n

7、0)和(TN,nN)即可绘出固有的机械特性。,通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN、额定电压 UN、额定电流IN和额定转速 nN。,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,估算电枢电阻Ra,依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的50%75%。,式中：,是额定运行条件下电动机的效率，且此时,故,固有机械特性的计算步骤,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,求,额定运行条件下的反电势为：,故,求理想空载转速,得,求额定转矩:,得,根据,可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线,固有机械特性的计算步骤,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,=0.71,=0.132,=1667r/mi

8、n,=35Nm,固有机械特性举例,例：一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率5.5kW,额定电压220V,额 定电流31A,额定转速1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性.,解:分析 只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械特性.,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,人为机械特性,人为机械特性是指人为地改变电动机相关参数获得的机械特性,电枢回路中串接附加电阻时的人为特性,电压平衡方程式为：,得到的人为机械特性方程式为：,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,特性变软,空载速度不变；,随着电阻的增加，转速降落增加；,人为机械特性,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,电枢回路中

9、串接附加电阻时的人为特性,改变电枢电压U 时的人为特性,受绝缘耐压限制，电压只允许在其额定值以下调节,空载速度随着U 的减小而减小；,转速降落不变；,特性硬度不变,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,人为机械特性,改变磁通 时的人为特性,转速降随磁通的改变而变化。,理想空载转速随磁通的改变 而变化；,特性变软,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,人为机械特性,调磁只能向磁通小的 方向调,启动转矩Ist变小,磁通能否一直降低，直到0？,（1）当0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近，通常称为“飞车”；,另外：当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist，长时间的大电

10、流会烧坏电枢绕组。,因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。,（2）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；,人为机械特性,3.3.1 直流他励电动机的机械特性,改变磁通 时的人为特性,33 直流他励电动机的启动特性,启动特性,对直流电动机而言，将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：,电流很大，能达到其额定电流的（1020）倍。过大的启动电流危害很大：,对电动机本身的影响：,(1)使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；,(2)过大的电枢电流，可能引起绕组

11、的损坏；,对机械系统的影响：,启动电流与启动转矩成正比，过大的动态转矩会在机械系统中产生过大的冲击，使机械传动部件损坏；,对供电电网的影响：,过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。,因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1.52倍。,33 直流他励电动机的启动特性,启动特性,启动方法 限制电流,降压启动：SCR自动调速系统的起动环节.是后面学习的一个重点.,在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到

12、额定电压时，电动机达到所要求的转速。,电枢回路串电阻启动,启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。,33 直流他励电动机的启动特性,启动电阻的大小：保证2IN 过渡过程分析：0-a-b-c 存在问题：电流和转矩冲击仍很大方法：采用多段启动,启动方法,33 直流他励电动机的启动特性,单段启动电阻,图中：,尖峰（最大）转矩；,换接（最小）转矩,启动方法,33 直流他励电动机的启动特性,多段启动电阻,分析:(1)(2)(3)(4),启动方法,33 直流他励

13、电动机的启动特性,多段启动电阻,启动级数愈多，T1、T2愈与平均转矩,接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（34）段。,多级启动时，T1、T2的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩 T1（或最大电流I1）不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的 T2（或最小电流I2）也基本相同，一般选择：,34 直流他励电动机的调速特性,速度调节和速度变化,调速（又称速度调节）与速度变化的区别,调速,速度变化,34 直流他励电动机的调速特性,调速指标,调速范围：机械设备可能运行的最大转速nmax与最小转速n

14、min之比，D=nmax/nmin。静差率（相对稳定性）：就是指在负载转矩的变化下转速变化的程度，%=n0-nN/n0。显然机械特性越硬，转速变化越小，相对稳定性越好。,技术指标,3.平滑性：在一定的D内，调速的级数越多，则调速越平滑，平滑的程度用平滑系数来衡量=ni/ni-1（相邻两级转速之比）；=1时，称为无级调速。,经济指标,指调速设备的投资及运行费用，其中运行费用又取决于调速过程的功率损耗。,调速方法,改变串入电枢回路的电阻Rad,34 直流他励电动机的调速特性,改变电枢供电电压U,改变主磁通,改变电枢电路外串电阻,调速方法,34 直流他励电动机的调速特性,存在问题：,机械特性较软，电

15、阻愈大则 特性愈软，稳定度愈低；,在空载或轻载时，调速范围 不大；,实现无级调速困难；,在调速电阻上消耗大 量电能等。,仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。,改变电动机电枢供电电压U,调速方法,34 直流他励电动机的调速特性,可以平滑无级调速，一般只能在额定转速以下调节；,固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；,调速时转矩T=Km N Ia不变,调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速。具有恒转矩调速特性的调速方法适合于对恒转矩型负载进行调速；,可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。,改变电动机电枢供电电压U,34

16、直流他励电动机的调速特性,调速方法,改变电动机主磁通,34 直流他励电动机的调速特性,调速方法,可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；常和调压调速组合使用；,调速特性较软，调速范围不大。,调速时维持电枢电压U 和电枢电流Ia不变时，电动机的输出功率P=UIa电动机的输出功率不变。称为恒功率调速,适合于恒功率型负载。,34 直流他励电动机的调速特性,例题,例:一台直流他激电机的额定数据为：PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7欧;如果电动机在额定转矩下运行,求：(1)电动机的电枢电压降到180V时,电动机的转速是多少?(2)激

17、磁电流If=0.8*IfN(即磁通为额定值的0.8时)时,电动机的转速是多少?(3)电枢电路串入2欧的附加电阻时,电动机的转速是多少?,34 直流他励电动机的调速特性,例题,(1)此时,U=180V,Ra=1.7欧,=14,34 直流他励电动机的调速特性,例题,(2)此时,U=UN=220V,Ra=1.7欧,(3)此时,U=UNa=220V;电枢电路总电阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7,启动与制动,制动与自然停车,35 直流他励电动机的制动特性,几个概念,电动机的两种工作状态,1)电动状态：,2）制动状态：,电动机工作在制动状态下的两种情况,1）使转速迅速减速到停止；,2）限制位能负载的

18、下降速度。,特点,实际转速大于理想空载转速(电车走下坡路)的反馈制动,35 直流他励电动机的制动特性,反馈制动,特点：1、n n0；2、机械特性硬度不变；3、回馈电能,电动机正常接法，在外部条件下电动机的实际转速大于理想空载转速，此时电动机运转在反馈制动状态。将机械能变为电能，向电源馈送，故称反馈制动。,电枢电压突然下降时的反馈制动,在BC段，转速n与转矩TM的方向相反，运行速度大于空载转速n02，故为反馈制动状态。,35 直流他励电动机的制动特性,反馈制动,卷扬机匀速放下重物时的反馈制动,通过改变串接的电阻值可以改变匀速下载的速度，但因为始终的大于n0，所以不太安全。,35 直流他励电动机的

19、制动特性,反馈制动,反接制动具有如下特点：,1）电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同；,2）电动机的输出转矩TM与转速n的方向相反。,反接制动分为：电源反接制动和倒拉反接制动。,35 直流他励电动机的制动特性,反接制动,电源反接制动,35 直流他励电动机的制动特性,反接制动,电源正接：,电源反接：,35 直流他励电动机的制动特性,反接制动,电源反接制动,注意:在反接制动期间，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。,应用场合：电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。如:牛头刨床。,特点：制动转矩大，不能自动停

20、车，易反转，制动电流大,35 直流他励电动机的制动特性,反接制动,倒拉反接制动(电动势反接),电动机在db段：Tm0，n0，电动机工作在制动状态。常称这种制动状态为倒拉制动状态。,特点：通过改变串接电阻的数值，可以控制其匀速下降的速度，且可以使速度较低。比反馈制动有优点。但，机械硬度较低，较小的转矩波动可以引起较大的速度波动。,35 直流他励电动机的制动特性,能耗制动,特点：1）对于反抗性负载，可以迅速停车，不会 有反向启动的危险。2）对于位能性负载，不会出现因对TL估计 错误而使重物上升的情况，速度也较稳定。应用：要求迅速准确停车和重物恒速下放的 场合。,将电压U突然降为零，将电枢串接一个附

21、加电阻Rad。,电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。,35 直流他励电动机的制动特性,几种制动方法的比较,1）对于位能性负载反馈制动:下放速度高于理想空载转速,不安全。电源反接制动：下放速度高于理想空载转速，不安全。倒拉反接制动：以较小的速度下放，对负载估计不足可能上升，速度稳定性差。能耗制动：可以以较小的速度下放，不会因对负载估计不足而上升，速度稳定性好。,35 直流他励电动机的制动特性,几种制动方法的比较,2）对于反抗性负载：反馈制动:转速高于空载转速。电源反接制动：转速下降到零后，反向启动，最后以 某一速度匀速运行。能耗制动：可以迅速停车，不会有反向启动的危险。,35 直流他励电动机的制动特性,几种制动方法的比较,电动机运行状态：,在同一种接线方式下，电动机既可以工作在电动状态，也可以工作在制动状态。对于倒拉反接制动，正转时的倒拉反接出现在第4象限，反转时，出现在第二象限。,第三章 直流电机的工作原理及特性,作业：,P403.3、3.5、3.7、3.13、3.18、3.21,