《直流电机工作原理》PPT课件.ppt

第三章 直流电机的工作原理及特性 本章要求：掌握直流电机的基本工作原理 及特性，特别是直流电机的机械特性；掌握 直流电机的启动、调速和制动的各种方法的 优缺点和应用场所。 3.1直流电机的基本结构和工作原理 一、基本结构 定子和转子两大部分。(略讲) 1 2 它是以导体在磁场中运动而产生感应电 动势和载流导体在磁场中受到力的作用为基 础。 电流的方向：N极下的有效边中的电流 总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总 是另一个方向，这样才能使两个边上受到的 电磁力的方向一致，电枢因而转动。产生电 磁转矩。（换向器的作用） 二、基本工作原理 3.1直流电机的基本结构和工作原理 3 发电机依电磁感 应定理（右手定则 ），电动机依安培 电磁力定律（左手 定则）。 3.1直流电机的基本结构和工作原理 4 5 3.1直流电机的基本结构和工作原理 直流电机中能量（电能、机械能）转换的 方向是可逆的，可用三个方程来描述： 转矩方程式 ： 电机等速运行转矩平衡. 电势方程式 ： 电压平衡方程式： 6 电磁转矩T、负载转矩TL、及空载消耗转矩 T0相平衡。当负载发生变化时，则n、E、I、 T将自动进行调整，以适应负载的变化，保持 新的平衡。 例如： 当TLT TL n，当不变时 E （E=Ke n） Ia=（U - E）/ Ra T T= TL（新的平衡） 3.1直流电机的基本结构和工作原理 7 分类：按 励磁方法 的不同， 分为他励 、并励、 串励和复 励四类， 常用他励 和并励。 3.2 直流发电机 8 3.3 直流电动机的机械特性 将直流电机的电势方程和转矩方程代入 直流电动机电压平衡方程式中，并略加整理 后，可得他励直流电机的机械特性方程为： 当 时的转速 称为理 想空载转速。 9 机械硬度：转矩变化dT与所引 起的转速变化dn的比值 ，用于 衡量机械特性的平直程度。 3.3 直流电动机的机械特性 一.固有机械特性(自然特性） 是指在额定电压和额定磁通下，电枢电路内 不接任何电阻时的n=f（T）。当U=UN，=N 时，n=f（T）是一条直线。通常用（0，n0） 和（TN，nN ）两点来作直线 10 根据铭牌参数（PN ，UN，IN，nN ）计算Ra ，Ke，n0 ，TN。 电机正转在第一象限 ，反转在第三象限。 3.3 直流电动机的机械特性 11 3.3 直流电动机的机械特性 （1）计算电枢电阻Ra： （通常电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总 损耗PN的50%-75%）Ia2Ra= （50%-75%） PN=（0.50.75）输入功率-输出功率= （ 0.50.75）（1-N ）UNIN 式中： N 为效率， 且此时Ia=IN 故有： 12 （2）求Ke 在额定条件运行下的反电势EN= KenN=UN - INRa故： Ke=（ UN-INRa）/ nN 对于一台直流电机而言，它是唯一的。 3.3 直流电动机的机械特性 （3）求理想空载转速： n0=UN/Ke 13 （4）求额定转矩： 例：一台Z2-51型他励电动机，已知PN=5.5kW， UN=220V， IN=31A，nN=1500r/min，认为额定 运行时的电磁转矩近似等于额定输出转矩，试 绘出这台电机近似的固有机械特性。 3.3 直流电动机的机械特性 14 解： 因他励电动机的n=f（T）是一条直线 ， 故只要求出：（0，n0）、（TN，nN ）两点 即可。 15 二.人为机械特性 是指供电电压或磁通不是额定值、电枢电 路内接有外加电阻Rad时的机械特性；电动机的 启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特 性。 1.电枢电路内接有外加电阻Rad时的机械特性 当U=UN，=N时，电枢电路内接有外加 电阻Rad，机械特性方程为： 3.3 直流电动机的机械特性 16 3.3 直流电动机的机械特性 17 3.3 直流电动机的机械特性 （特性随Rad的增大而变软） 可得从（0，n0)点 发出的一簇的人为 机械特性曲线。 18 当=N，Rad=0时，改 变电压时，空载转速变化 而转速降落不变。（U UN； n nN ）可得一簇 平行于固有特性曲线的人 为机械特性曲线。 3.3 直流电动机的机械特性 2. 改变电压时的机械特性 19 当U=UN，Rad=0时，改变 磁通空载转速和转速降落都 要发生变化。（ N；T 随磁通的降低而减小；n nN ，电动机工作在交点以左 的区域。系统特性较软） 消弱磁通时，注意“飞车”现象，一般要 加“失磁”保护。 3.3 直流电动机的机械特性 3. 改变磁通时的机械特性 20 电动机启动瞬间，n=0 ，e=0，所以启动电流 很大，造成危害。 3.4 直流他励电动机的启动特性 回忆电动机机械特性方程式和机械特性曲线 21 常用启动方法有两种： 降压启动和电枢回路外接电阻启动。 3.4 直流他励电动机的启动特性 生产机械对电机启动的要求是：有足 够的启动转矩、启动时间短、启动平 稳。Ist=UN/Ra=(10-20)IN 限流 Ist=（1.5-2）IN 22 1.降压启动： UUNn、EUU=UN、n=nN 3.4 直流他励电动机的启动特性 2.电枢回路内串接外加电阻启动： 满足启动要求：Ist=UN/（Ra+Rst） Rst（3 -4级） T1、T2的数值按照电动机的具体启动条件决 定： T1=（1.6-2）TN T2=（1.1-1.2）TN 23 3.4 直流他励电动机的启动特性 24 例题：一台他励直流电动机，其额定数据为： PN=17kW，UN=220V，IN=91A， nN=1500r/min, Ra=0.22。试求： （1） TN=？ （2）直接启动时的Ist=？ （3）如果要使启动电流不超过额定电流的两 倍，求启动电阻为多少？此时启动转矩为多少 ？ （4）如果采用降压启动，启动电流不超过额 定电流的两倍，电源电压应为多少？ 3.4 直流他励电动机的启动特性 25 解： （1）TN= ？ 3.4 直流他励电动机的启动特性 （2）直接启动时的Ist=？ 26 （3）串入启动电阻Rad 启动转矩： 注意 ： 3.4 直流他励电动机的启动特性 27 （4）降压启动时的电源电压： 总结一下启动特性： 3.4 直流他励电动机的启动特性 28 3.5 直流他励电动机的调速特性 调速在一定的负载条件下，人为地改 变电机的机械特性，以改变电机的稳定转速 。 请注意，速度调节与速度变化是两个完全 不同的概念。速度变化是在某条机械特性下 ，由于负载改变而引起的，而速度调节则是 在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性 而得到的。 由直流电动机的 机械特性方程： 29 可知： 1. 改变电枢供电电压U、 2. 改变电枢电阻Rad、 3. 改变磁通， 都可以得到不同的人为机 械特性，达到调速的目的。 A B n T n TTL 1 2 C 3.5 直流他励电动机的调速特性 30 3.5.1 改变电枢电路外串电阻Rad 3.5 直流他励电动机的调速特性 B C D 2 3 特点： 1. Rad越大特性越软 2. 空、轻载时调速范围小 3. 实现无级调速困难 4. 电能消耗大 31 3.5.2 改变电动机电枢供电电压U n U1UN nb、E暂时不变 电流T=Tg 3.5 直流他励电动机的调速特性 T UN TL a bg Tg U1 n 工作点由b点过渡到g点 32 3.5 直流他励电动机的调速特性 由于TgTL系统加速n EIT 工作点由g点向a点移 动 a点：T=TL、n=na（系统稳 定） T UN TL a bg Tg U1 n 33 3.5 直流他励电动机的调速特性 1.可以实现无级调速，nnN 2.机械特性硬 3.恒转矩调速 4.可以利用调压方法启动设备 特点： 34 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.5.3 改变电动机磁通 特点： 1. 可实现无级调速 2. nnN 3. 系统特性软 4. 调速范围小nmax1.2nN 5. 恒功率 35 3.6 直流他励电动机的制动特性 制动-是从某一稳定转速开始减速到停 止或是限制位能负载下降速度的一种运动状 态。 分清： 制动与自然停车的区别； 电动机与发电机的能量传递关系 ； T与n的关系; 36 根据电机处于制动时 的外部条件和能量传 递情况，制动分为： 反馈制动、反接制动、能耗制动。 3.6 直流他励电动机的制动特性 37 3.6 直流他励电动机的制动特性 3.6.1 反馈制动 电动机在正常接法时，若在外部条件作 用下使电动机的实际转速大于理想空载转速 时（如电车下坡），反电势E供电电压U ，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制 动转矩，电动机变成发电机，把机械能转变 成电能，向电源馈送，电动机即处于反馈制 动状态。 38 n T b na a nb TPTr 在反馈制动状态下：电 动机的机械特性的表达 式仍为： 所不同的仅是T改变了符号，而理想空载转速和 特性的斜率均与电动状态下一致。 3.6 直流他励电动机的制动特性 39 3.6 直流他励电动机的制动特性 电枢电压突降时的反馈制动状态（调压调速时） 当电压由U1突降为U2时， 由于E和n不能突变，所以 电枢电流将由 即：当n0bna时，U2E，则电流Ib为 负值并产生制动转矩，系统工作点由a 过渡b点。 U1 U2 b -T cn0b 40 在制动转矩和负载转矩的作用下电机转速 沿由U2所决定的特性曲线从b点向c点移动。 3.6 直流他励电动机的制动特性 当系统转速等于n0b时， E=U2，制动电流、转矩降为 零，反馈制动过程结束。 U1 U2 b -T cn0b 但由于电磁转矩TTL，在负 载转矩的作用下转速进一步 下降，直到n=nc，T=TL（电 机在电动状态下稳定运行） 。 41 3.6 直流他励电动机的制动特性 制动-是从某一稳定转速开始减速到停 止或是限制位能负载下降速度的一种运动状 态。 分清： 制动与自然停车的区别； 电动机与发电机的能量传递关系 ； T与n的关系; 42 根据电机处于制动时 的外部条件和能量传 递情况，制动分为： 反馈制动、反接制动、能耗制动。 3.6 直流他励电动机的制动特性 43 3.6 直流他励电动机的制动特性 3.6.1 反馈制动 电动机在正常接法时，若在外部条件作 用下使电动机的实际转速大于理想空载转速 时（如电车下坡），反电势E供电电压U ，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制 动转矩，电动机变成发电机，把机械能转变 成电能，向电源馈送，电动机即处于反馈制 动状态。 44 n T b na a nb TPTr 在反馈制动状态下：电 动机的机械特性的表达 式仍为： 所不同的仅是T改变了符号，而理想空载转速和 特性的斜率均与电动状态下一致。 3.6 直流他励电动机的制动特性 45 3.6 直流他励电动机的制动特性 电枢电压突降时的反馈制动状态（调压调速时） 当电压由U1突降为U2时， 由于E和n不能突变，所以 电枢电流将由 即：当n0bna时，U2E，则电流Ib为 负值并产生制动转矩，系统工作点由a 过渡b点。 U1 U2 b -T cn0b 46 在制动转矩和负载转矩的作用下电机转速 沿由U2所决定的特性曲线从b点向c点移动。 3.6 直流他励电动机的制动特性 当系统转速等于n0b时， E=U2，制动电流、转矩降为 零，反馈制动过程结束。 U1 U2 b -T cn0b 但由于电磁转矩TTL，在负 载转矩的作用下转速进一步 下降，直到n=nc，T=TL（电 机在电动状态下稳定运行） 。 47 3.6 直流他励电动机的制动特性 卷扬机下放重物（位能）产生反馈制动 设电动机正转提升重 物，改变电压后，电动机 反转，重物下降，特性在 第三象限，a b 系统在第三象限没有稳定 运行点，当加速超过-n0 48 EU, Ia改变方向，T变为正值，并与TL相 反，进入第四象限，电动机进入反馈制 动，b c 特点：改变附加电阻大 小，可改变电动机下降 速度，但下降速度过高 ，制动方式是不太安全 的。 3.6 直流他励电动机的制动特性 49 3.6 直流他励电动机的制动特性 3.6.2 反接制动 当他励直流电机的电枢电压或电枢电势 中任何一个在外部条件作用下改变方向，即 两者由方向相反变为方向一致时，电动机即 处于反接制动状态。 （电源反接制动；倒拉反接制动） 50 1.电源反接制动： 1）U正向（左图中红线）特性曲线为下 图中直线1，系统工作点为a，转速为na 3.6 直流他励电动机的制动特性 51 3.6 直流他励电动机的制动特性 2）U反向时有：E=-U-IaR 可见系统变为特性曲线为2所示 系统状态由1的a点变到2的b点，电磁转矩 变为负值，此时在电磁转矩和负载转矩的作用 下使转速迅速下降，系统状态沿着直线2由b点 向c点移动，当n=0时反接制动结束。 52 若此时不切断电源， 将导致反向启动。有反抗 性负载和位能性负载两种 情况。 注意：由于E和U是串联相 加，电枢电流过大，应有 足够大的限流电阻。 3.6 直流他励电动机的制动特性 53 3.6 直流他励电动机的制动特性 2.倒拉反接制动（改变E） 当电机处于正向电动状态，系统工作点为a 点，n=na（提升重物） 54 放下重物时 ： 串入Rad（特性曲线由1变2 ，系统工作点由a变为c） ，TTLn（工作 点由c向d移动） EIT（此时T TL） n 3.6 直流他励电动机的制动特性 55 d 点：n=0，E=0，