大学电工电子技术直流电动机.ppt

1,8.1 直流电机的构造,8.2 直流电机的基本工作原理,8.3 直流电动机的机械特性,8.4 并励电动机的起动与反转,8.5 并励（他励）电动机的调速,第八章 直流电动机,2,直流电机的应用：,轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备,蓄电池的充电、同步电动机励磁、电镀和电解等。,直流电机的特点：,优点：调速性好，起动转矩大。,缺点：结构复杂，维修不便。,直流电机概述,直流电机：,直流发电机：将机械能转换为直流电能；,直流电动机：将直流电能转换为机械能；,8.1 直流电机的构造,组成：磁极、电枢、换向器。,4,1、磁极（定子）:,产生固定磁场,极心：,放置励磁绕组，通入直流励磁电流，产生固定磁场。,极掌：,使空气隙中磁感应强度的分布最合适。,2、电枢（转子）:,产生感应电动势,铁心：表面有冲槽，放置电枢绕组。,电枢绕组：工作时接直流电源。,6,3、换向器:,使电枢绕组与外电路连接。,换向器与电枢转轴紧固在一起，电枢绕组按 一定规则与换向片连接。,换向器表面用弹簧压着固定电刷，使转动的 电枢绕组与外电路相连。,注意：换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,7,8.2 直流电机的基本工作原理,一、发电机运行工作原理,电枢绕组,换向器,电刷,+,_,原动机驱动电枢旋转，电枢绕组两根有效边切割磁力线 ,产生感应电动势 ,N极下感应电动势方向不变,电刷固定，不随电枢转动，所以在电刷之间形成了极性不变的电动势。,换向器将发电机电枢绕组内的交变电动势换成电刷之间的极性不变的电动势。,感应电动势：,电磁转矩：,阻转矩。,8,二、电动机运行工作原理,在电刷之间加入直流电,将直流电源接在两电刷之间，电流通过电枢线圈, N、S极下的有效边的电流方向固定,产生的磁场力方向一致,电枢转动,产生与外加电压方向相反的感应电动势：,反电动势,驱动转矩,9,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. 电枢中的感应电动势,电枢反电动势E的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只能改变 或 n,10,2. 电枢回路电压平衡方程,E与通入的电流方向相反，所以称反电势。,式中：U 外加电压 Ra 电枢绕组电阻,11,3. 电磁转矩,由转矩公式可知： 1) 产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 2) 改变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。,驱动转矩,12,4. 转矩平衡关系,电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须 和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡，即,13,相同,相反,电源电动势,反电动势,驱动转矩,阻力转矩,T1=T0+T,T=T2+T0,T1驱动转矩,T0空载损耗转矩,直流电机两种运行状态的对比,14,8.3 直流电动机的机械特性,直流电动机的分类：,他励：励磁和电枢绕组的电源独立。,并励：励磁和电枢绕组并联。,串励：励磁和电枢绕组串联。,复励：励磁和电枢绕组一部分串联、一部分并联。,15,直流电动机的三个方程：,电磁转矩:,反电动势:,电压、电流关系：,T=kTIa,E=kE n,U=IaRa +E,16,二、并励电动机的机械特性,（1）电压电流关系：,U=IaRa +E,Rf包括励磁绕组的电阻和励磁调节电阻Rf,电枢电流：,励磁电流：,17,T=kTIa =KIa,结论：当U、Rf一定时，磁通等于常数，它的转 矩T与电枢电流Ia成正比。,即： TIa,当T=T2+T0时，电机等速转动。,T2发生变化时，n、T、Ia都将发生变化。,（2）转矩关系：,18,（3）机械特性：, 理想空载转速,n 转速降,T n,Ra n,n= f (T),19,Ra很小时，负载变化，转速 变化不大。并励电动机的机 械特性比较硬。,一般要求电动机按额定值运行。,（4）电动机的转速随负载变化自动调节：,T2 TT2 减速 n T T=T2 稳定,T2 TT2 加速 n T T=T2 稳定,20,8.4 并励电动机的起动与反转,一、电动机的起动,电机正常运行：,Ra很小，但由于U和E十分接近， Ia不很大。,电机起动：,n=0 E=0 ,Ias （1020）IN,同时：TIa，T很大。,T很大会产生强烈的机械冲击而破坏传动机构。,电机起动时，必须减小起动电流。,21,1、电枢回路串联起动电阻（他励和并励电动机）：,在电枢回路中串联起动电阻Rst，起动时，将Rst调到 最大，随着n Rst，当n达到稳定时， Rst全部切除。,要求： Ias不超过IN的1.52.5倍。,22,2、降低电枢电压（他励电动机）：,起动时:使U小于UN，随着n，U n稳定时：U=UN。,思考：降低电枢电压起动是否适合并励电动机？,不适合。,U=Uf U ,直流电动机在起动或正常工 作时，必须保证励磁回路接通。 （起动时要满励磁）,23,磁通太小，会产生：,（1）电机起动时： T=kTIa 、 E=kEn, Tst 电机不能起动。, E Ia 烧坏电枢绕组。,（2）电机有载运行时：, E Ia,T（ 减小超过了Ia增大的影响） TT2, 电机迅速减速到n=0 Ia 烧坏电机。,（3）电机空载运行时：, n（n上升到很高的值，称为“飞车”）,24,二、电动机的反转：,要改变直流电动机的转动方向，必须改变电磁 转矩的方向：,磁场方向固定：改变电枢电流方向。,电枢电流方向固定：改变磁场方向。,思考：并励电动机能否改变电源的方向使其反转？,不能！,并励电动机改变电源方向时：磁场和电枢电流 的方向同时发生改变，电磁转矩的方向不变，转速 n方向不变。,他励电动机的反转可以改变励磁电源的方向或者 电枢电压的方向。,25,三、电动机的制动（他励电机）：,直流电动机的制动，产生反向的电磁转矩。,1、能耗制动,运行时，Q接通电源：E和Ia 反向。,制动时，Q接电阻R： E和Ia 同向。,产生制动的电磁转矩。,26,2、反接制动,制动时，电枢电压反接， 使电枢电流反向，产生反 向的电磁转矩。,当n 0，断开电源。,采用反接制动时：,E和U同向。,E+U=IaRa,因此：制动电流很大，需串联制动电阻。,27,8.5 并励（他励）电动机的调速,直流电动机的调速范围宽，调速性能好。,一、改变电枢电压调速(调压调速)：,条件：保证If（）、Ra 为额定值。,调整U：n0发生变化， n不变。 机械特性是一组平行线。,U变化,n变化,28,调速过程：,调速时，当T2不变，T=T2不变； 、Ra不变 Ia不变。,U n E,变压调速适合恒转矩负载。,29,改变电压的调速方法必须有连续可调的大功率直流电源，这种方法投资大，目前广泛使用的方法是可控硅整流电路调节电枢电压。,改变电枢电压调速的特点:,30,例：他励电动机：UN=220v、IaN=53.8A、nN=1500r/min Ra=0.7，电枢电压降低到0.5UN时，T2、 不变， 求：降压后的电机转速。,解：降压调速时， T2不变： 、Ia不变。,E=kEn,31,二、改变磁通调速（弱磁调速）：,条件：U、Ra不变，调节Rf改变。, n0, n,在弱磁调速过程中， 机械特性变软。,在励磁回路串上电阻Rf，改变Rf大小可调节励磁电流，从而改变 的大小。,32,Rf If n ，但在额定情况下， 已接近饱和，If 再加大，对 影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。 Rf If n ，减弱磁通是常用的调速方法。,改变磁通调速的方法: 一般只采用减少励磁电 流的方法调速。,If的调节有两种情况：,33,1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向 上调，受机械本身强度所限，n不能太高。 2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小 得多），调节控制方便。,减小 调速的特点：,34,思考：弱磁调速是否适用于恒转矩负载？,对于恒转矩负载，T一定， U和Ra不变：,由T=kTIa知： Ia（ Ia IaN ）,因此：弱磁调速不适用于恒转矩负载。,调速过程中，应使Ia近似不变： T。,n T, P2近似不变。,弱磁调速适用于恒功率负载。,35,例：并励电机，P2N=10kw，UN=220v，IN=53.8A， nN=1500r/min，且Ra=0.4， Rf=193，采用 弱磁调速，在励磁电路中串联Rf=50 （1）若保持TN不变，求调速后的Ia、n、P2 （2）若保持 Ia不变，求调速后的T、n、P2,解：调速前：,36,串联Rf之后：,与If成正比。,（1）T不变：由T=kTIa知：