《直流电机基础》PPT课件.ppt

电机及拖动基础 第二章 直流电机 电气与自动化工程学院2 上一节课的主要内容： (1) 感应电动势应电动势 和电电磁转转矩的计计算重点 电电角度、机械角速度、转转速的概念 (2) 直流电电机的运行原理重点 直流电电机的基本方程式（直流电电机的数学模型） 电气与自动化工程学院3 其中 ； 为为机械角速度，单单位rad/s。 感应电动势应电动势 的计计算公式为为： 电电磁转转矩的计计算公式为为： 电气与自动化工程学院4 直流电电机的基本方程式： 直 流 电电 动动 机 直 流 发发 电电 机 电气与自动化工程学院5 本节课的主要内容： (1) 直流电电机的功率平衡关系重点 以并励直流电电机为为例 (2) 直流电动电动 机的工作特性重点 并励、串励、复励直流电动电动 机工作特性 (3) 直流发电发电 机的工作特性重点 空载载运行、负载负载 运行 (4) 直流电电机的换换向了解 电气与自动化工程学院6 第二章 直流电机 2-1 直流电电机的工作原理及结结构 2-2 直流电电机的铭铭牌数据 2-3 直流电电机的绕组绕组 2-4 直流电电机的励磁方式及磁场场 2-5 感应电动势应电动势 和电电磁转转矩的计计算 2-6 直流电电机的运行原理 2-7 直流电电机的换换向 7 (三) 功率平衡关系 输输入 电电功 率P1 励磁损损耗PCuf 电电枢铜铜耗PCua 电电刷接触损损耗Pc 电电 磁 功 率 Pe 机械损损耗Pmech 铁铁心损损耗PFe 机 械 功 率 P2 并励电动电动 机情形 直流电动机电磁功率Pe , Pe = EaIa PeTe 交变变的电动电动 势势 8 并励发电发电 机情形 输输入 机械 功率P1 铁铁心损损耗PFe 机械损损耗Pmech 电电枢铜铜耗PCu 电电 磁 功 率 Pe 电电刷接触损损耗Pc 励磁损损耗PCuf 电电 功 率 P2 直流发电机电磁功率Pe , Pe = EaIa PeTe 电气与自动化工程学院9 二、直流电动机工作特性 由于电电枢电电流便于测测量，因此往往将工作特性表示为为 ： 条件: U=UN, If=IfN，电电枢回路无外加电电阻。 工作特性指 : 转转速n，转转矩Te，效率和输输出功率P2的关系。 转速特性转矩特性效率特性 稳态稳态 工作特性 电气与自动化工程学院10 (一) 并励直流电动机的工作特性 1. 转转速特性 理想转速特性 实际转速特性 理想转速特性和实际转 速特性为什么不一致？ 思考 电气与自动化工程学院11 理想转速特性 实际转速特性 提示： 1. 从参数变变化的角度思考？ 2. 什么原因导导致了的变变化？ 当电电机电电流较较大时时，电电枢反应应表现现出明显显的去磁 特性，从而使减小。 (1) 理想空载转载转 速n0略微上升， (2) 使转转速曲线线斜率减小。 转转速曲线线斜率的 绝对值绝对值 增大 电气与自动化工程学院12 2. 转转矩特性 当U=UN, If=IfN时时，Te=f(Ia)的关系曲线线 理想转矩特性 实际转矩特性 T0为电为电 机空载转载转 矩； T2为负载为负载 制动转动转 矩； 思考：理想转转矩特性与 实际转实际转 矩特性为为什么不 同？ 电电枢反应应的去磁作用 电气与自动化工程学院13 3. 效率特性当U=UN ,If=IfN时，=f(Ia)的关系曲线 电电机效率为输为输 出功率P2与输输入功率P1之比的百分数 主磁通在电枢铁磁材料中交变所 产生的损耗，分为磁滞损耗和涡 流损耗。 当电机主磁通和转速变化不大时 ，铁耗近似不变，因此这部分损 耗也被称为不变损耗。 机械损耗包括轴承及电刷的摩擦 损耗、电机通风散热引起的风阻 损耗。在电机转速不变时，机械 损耗也是大致不变的。 励磁回路铜耗，电流流过导体， 消耗在电阻上的损耗，一般可以 忽略不计。 电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电 流流过时，产生的发热损耗。 这一部分损耗是随着电枢电流变 化的，或者说输出功率变化的， 因此也被称为可变损耗。 电刷接触损耗。 当电机可变损耗等于不变损耗时 ，电机的效率达到最高。 一般电机的最高效率点出现在80 左右的负载时(额定功率附近) 。 求函数极值值的方法得到 电气与自动化工程学院14 (二) 串励直流电动机的工作特性 串励直流电机中，IfIa 气隙主磁通随Ia而变化 电动势平衡方程式 电动势公式 转矩平衡方程式 转矩公式 其中，Rfc为为串励绕组电绕组电 阻， 电气与自动化工程学院15 串励直流电机当在负载很小时， 电机的转速将会很高，容易导致 转子出现机械损坏，因此串励直 流电机不允许轻载运行。 串励直流电机在启动时，转速 很低，端电压基本上靠励磁绕 组和电枢绕组的电阻压降平衡 ，此时电枢电流很大。磁路饱 和，因此磁通接近不变。根据 TeCT Ia，可知串励直流电机 带载启动能力很强。 转速特性 由曲线线可知，串励电动电动 机的转转速随输输 出功率P2的增加而迅速减小。 电气与自动化工程学院16 转矩特性 由曲线线可知，电电磁转转矩Te随着P2 的增大、n的下降而迅速增大。 定量分析电电磁转转矩Te增大的原因 。 当磁路不饱饱和时时， 当磁路饱饱和时时，接近不变变，即Te正比于Ia 串励电动电动 机具有更大的起动转动转 矩。 电气与自动化工程学院17 (三) 复励直流电动机的工作特性 1-并励电动电动 机转转速特性；2-积积复励电动电动 机转转速特性 ； 3-串励电动电动 机转转速特性； 电气与自动化工程学院18 例2-1 一台他励直流电动电动 机的额额定数据为为： 电电枢绕组绕组 的电电阻电电刷接触压压降 设电动设电动 机原来在额额定转转速和额额定负载负载 下运行，在负载负载 的 总总制动转动转 矩（包括损损耗转转矩）保持不变变的情况下，试试求 (1) 在电电枢回路中突然串入电电阻R=0.0743，求串入电电 阻最初瞬间间和达到稳稳定时时的电电枢电电流和转转速分别别是多少 ？ (2) 减少电动电动 机的励磁电电流，使磁通 减少10%，当达到 稳稳定时时的电电枢电电流和转转速分别别是多少？ 电气与自动化工程学院19 解： (1) 电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间，电机转速不发生变 化，但电流发生变化。 进入新的稳态时，由于负载转矩未发生变化，认为电磁转矩不 发生变化 额定运行时电机的反电动势为： 实现了调速 串入的电电阻越大，转转速 降低越多。 电气与自动化工程学院20 (2) 磁通减少为原来的0.9 由于负载转矩不变，电磁转矩不会发生变化。 实现了调速 转转速变变化与磁通成反比 电气与自动化工程学院21 三、直流发电机的工作特性 他励直流发电发电 机 并励直流发电发电 机 复励直流发电发电 机 电气与自动化工程学院22 (一) 空载运行 1. 空载载特性 当他励直流发电发电 机被原动动机拖动动，n=nN 时时，励磁绕组绕组 端加上 励磁电压电压 Uf ,调节调节 励磁电电流If0 ,得出空载载特性曲线线U0=f(I0)。 所以他励发电发电 机的空载载特性与电电 机的磁化特性非常一致。 电气与自动化工程学院23 2. 并励和复励直流发电发电 机空载电压载电压 的建立 并励和复励直流发电发电 机均是一种自励发电发电 机，它们们 不需要外部直流电电源供给给励磁电电流。 一般情况下，这这种自励发电发电 机的运行首先是在空载载 时时建立电压电压 ，即所谓谓自励，在建立额额定电压电压 后，才能加 以负载负载 。 并励和复励直流发电发电 机的这这种空载电压载电压 是如何建立 的？ 电气与自动化工程学院24 并励和复励直流发电发电 机空载电压载电压 的建立 (1) 原动动机拖动发电动发电 机旋转转。由于电电机剩 磁的作用，产产生一个不大的电动势电动势 E0r (2) 闭闭合励磁回路，E0r产产生励磁电电流，该该 电电流将使电电机内部的磁场进场进 一步增强（可 能出现该电现该电 流产产生的磁场场与剩磁相反，两 者互相抵消）。 电机必须有剩磁。 (3) 若励磁绕组绕组 回路的电电阻较较大，则则建立起的电电枢电压电压 无法产产生足够够的励磁电电流，因此必须须将励磁回路电电阻 限定在一定范围围内。 励磁绕组并联到电枢两 端的极性必须正确 励磁回路电阻应小于临界电阻 电气与自动化工程学院25 (二) 负载运行 无论论他励、并励还还是复励发电发电 机，建立电压电压 以后，在n=nN 的条件下，加上负载负载 后，发电发电 机的端电压电压 都将发发生变变化。 1积积复励发电发电 机外特性； 2他励发电发电 机外特性； 3并励发电发电 机外特性； 他励发电机负载增加： （1）电枢反应加剧，去磁作用变大； （2）电枢绕组电阻压降和电刷接触压降变大。 并励发电机负载增加，除了以上两个原因外，还有 电机电枢端电压降低，导致励磁电压减小，磁场进一步 减弱。 积复励发电机中的串励绕组，在负载加大时，能够提供 更大的磁场，从而补偿磁通减小和电枢绕组压降，可以 做到空载到负载没有压降。 为什么？ 电气与自动化工程学院26 第二章 直流电机 2-1 直流电电机的工作原理及结结构 2-2 直流电电机的铭铭牌数据 2-3 直流电电机的绕组绕组 2-4 直流电电机的励磁方式及磁场场 2-5 感应电动势应电动势 和电电磁转转矩的计计算 2-6 直流电电机的运行原理 2-7 直流电电机的换换向 电气与自动化工程学院27 换换向问题问题 很复杂杂，换换向不良会在电电刷与换换向片之间间 产产生火花。当火花大到一定程度，可能损损坏电电刷和换换向 器表面，使电电机不能正常工作。 产产生火花的原因很多， 除了电电磁原因外，还还有机械的原因。此外换换向过过程还还伴 随着电电化学和电热电热 学等现现象。 一、换向的电磁现象 1. 电电抗电动势电动势如何产产生？ 换换向时时，换换向元件中所通过过的电电流由+ia变为变为 -ia，由 于换换向元件本身是一个线线圈，线线圈必有自感作用。另外， 被电电刷短路的换换向元件不止一个，它们们之间间又有互感。 电气与自动化工程学院28 换换向元件中必然出现现由自感与互感作用所引起的感应应 电动势电动势 ，这这个合成电动势电动势 称为电为电 抗电动势电动势 。 2. 电电枢反应电动势应电动势 由于电电刷放置在磁极轴线轴线 下的换换向器上，在几何中 心线处线处 ，虽虽然主磁场场的磁密等于零，可是电电枢磁场场的磁 密不为为零。因此，换换向元件切割电电枢磁场场，产产生一种电电 动势动势 ，称为电为电 枢反应电动势应电动势 。 电气与自动化工程学院29 装设换设换 向磁极位于几何中性线处线处 装换换向磁极。 换换向绕组绕组 与电电枢绕组绕组 串联联，在换换向元件处产处产 生换换向磁 动势动势 抵消电电枢反应应磁动势动势 ，另外剩余部分产产生一个附加 磁场场，使换换向元件切割该该磁场产场产 生换换向极电动势电动势 ，其 方向与电电抗电动势电动势 相反。 大型直流电电机在主磁极极靴内安装补偿绕组补偿绕组 ，补偿补偿 绕组绕组 与电电枢绕组绕组 串联联，产产生的磁动势动势 抵消电电枢反应应磁 动势动势 。 二、改善换向的方法 电气与自动化工程学院30 作业业：P56 2-2，2-6； P57 2-15，2-17，2-23 电气与自动化工程学院31 绕组形式：叠绕组和波绕组。 电刷在几何中心线，电枢反应（去磁，原因：铁磁 材料的饱和特性）。 改善换向的方法：几何中心线处增加附加极（换向 极）， 在极靴上加补偿绕组（均与电枢绕组串联） 。 小 结 电气与自动化工程学院32 1、直流电动机的基本工作原理 载流导体ab、cd 在磁场中产生电磁力f 形成电磁转矩带动电枢旋转 直流电动机工作原理模型直流电动机工作原理模型 产生磁场：（N、S极）