《电机与拖动》PPT课件.ppt

电机与拖动,关于本课程,课程性质：技术基础课（专业基础课） 教 材：电机拖动基础 宋银宾主编 实验教材电机实验与检测 李宗昉主编 任课教师：李宗昉 教学时间：516=80-10（实验）=70学时 成绩评定：期末考试70% 中期考试10% 其他 20% （含实验、出勤、课堂听课、纪律）,学习电机与拖动的目的： 学习电机与拖动:不仅实际工作需要，而且对后续课程是一个基础。 对于电车专业：电机与拖动牵引电机 电子专业：电机与拖动微特电机（自控技术）,序 言,一、电机概述,1.电机：与电能有关的能量转换的机器 比如：电能生产、传输、分配和使用（主要是动力用电） 2.重要性：电气化的心脏 3.分类：普通电机与特种电机,（1）普通电机（按能量转换分）,机械能电能（发电机）（产生电能） 直流 交流 水力、火力、原子能、潮汐、地热、风力 电能机械能（电动机，用于动力机械） 65%的总电量被电动机消耗 电能之间的转换： 改变交流电压变压器 改变电流变流机（直流交流） 改变频率变频机 改变相数劈相机或单-三相变压器,（2）特种电机,特种电机（主要完成信号传递和转换，用于数字计算，是自控系统中的一个重要元件） 比如：潜艇导航 90多台 ；自动火炮 60多台 ；导弹控制50多台 ；雷达20多台 ；飞机的无人驾驶30多台。,电机的分类 发电机 直流电机 电动机 电动机 旋转电机 异步电机 普通电机 发电机 变压器 交流电机 电机 电动机 同步电机 通用式 发电机 特种电机 控制式,二、电力拖动概述,拖动原动机为了完成一定任务而使生产机械运动。 电力拖动电动机作为拖动的动力源或以电动机为动力拖动生产机械运动的拖动方式。 电力拖动系统以电机为核心而向两边扩展形成：机电一体化，控制与被控制对象结合（专业方向）,电力拖动系统,电力拖动类型,1.成组拖动 一台电动机拖动几个工作机构。 条件：电机容量大（但容量得不到充分利用）。 缺点：不安全、效率低。,图： 成组拖动,2.单电机拖动系统：一台电动机拖动一个工作机构。 图：单机拖动 优点：电机容量利用充分且控制方便，用于各种机床,3.多电机拖动系统一个生产机械有多个工作机构，每个工作机构用一台电机拖动。 比如：龙门铣床,图：多电机拖动,4.自动化电力拖动系统多学科综合应用 比如：自动恒定功率、自动调节转矩,电力拖动的优点,电力拖动效率高，因为电动机效率高且与生产机械联接方便。 电机种类多，具有各种运行特性，可满足不同生产机械的要求。 检测方便，易于组成完善的反馈控制系统以实现最佳控制。 可以实现远距离控制和测量，便于集中管理，实现生产过程自动化。,三、基本定律,（1）全电流定律（电生磁） 比如， 空间有n=3根导体，其中电流 、 、，方向如图所示，它们所产生的磁场强度H沿任何闭合路径 的线积分等于该闭合回路所包围的导体电流的代数和。,用途：电机和变压器的磁路计算,(2)电磁感应定律（磁生电） 变压器电势（感应电势） 大小 （变化引起） 方向 楞次定则：线圈中感应电动势倾向于阻止线圈中磁链的变化,速率电势 大小： B-磁通密度 -导体有效长度 V-导体切割磁力线速度 方向： 右手定则,（3）电磁力定律（载流导体在磁场中受力） 大小： B磁通密度； 导体的有效长度； 通电电流强度 方向： 左手定则,（4）可逆原理 电能 机械能 电功率 （机械功率） （5）磁路的欧姆定律 磁动势 相当于E 磁通 相当于I 磁阻( ) 相当于,磁路的欧姆定律,四、课程的性质和任务,性质：技术基础课，承上启下 任务：掌握各种电机的基本结构、工作原理、基本特性及应用。 掌握电力拖动系统的组成、特性及分析计算。 通过试验验证电机的各种性能。,第一章 直流电机基础,1-1 概述,直流电机:一种转换与直流电能有关的机器 直流电能机械能 （直流电动机） 机械能直流电能 （直流发电机） 可逆性：同一直流电机即可用作电动机也可用作发电机 优 点： 范围广 调速性能好 方 便 平 滑 起动性能好，起动力矩大 缺 点：结构复杂、用铜多、成本高、运行有时不够可靠环火问题。,电力机车 用 途： 电动机 主要用于广泛调速的地方 地 铁 电力机车 牵引电机 电 车 卷扬机 快速可逆电机拖动系统 轧钢机 发电机 可作独立直流电源，也可组成发电机电动机拖动系统（F-D），比如冶金、化工、采矿中使用。,优 点：发电机提供的直流电质量好，可靠（比整流）。将来会被可控硅整流取代，但直流电动机目前还在继续使用。,1-2 直流电机的工作原理,一、直流发电机的原理 原理：导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势 大小： 方向：右手定则 下面以二极环形绕组（原理结构）为例：,图：二极环形绕组（原理结构）,定 子：两个主磁极（永久磁铁） 在空间固定产生恒定磁场 转 子：环形铁心上绕有12个线圈（闭合绕组在原动机拖动下旋转） N 极下：2、3、4、5、6 切割磁力线感应电势方向 S 极下：8、9、10、11、12 切割磁力线感应电势方向 1、7 处于几何中性线处不感应电势,特 点： 同一极下的导体是在变化的，但同一极下导体电势方向是一致的。 对于某一元件而言，其元件电势是交变的。（元件依次切割不同极性的磁力线）。 转子绕组闭合回路中 =0（对称），无环流。,引出直流电的办法：,1、7 导体处加固定电刷，并把电刷接触处的导线剥开，从而形成了两个并联支路且同一支路内电势方向一致直流电势,电刷存在的问题及改进方法,问题： 寿命不长（经不起长期磨损） 安放电刷有困难 改 进 办 法： 用换向器代替电刷与导体直接摩擦，换向器由相互绝缘铜片组成，装在电枢端部与电枢一起旋转。,特 点：电刷位置应与中性线处导体相连，从而保证支路内电势不互相抵消，以获取刷间最大电势。 换向片数 K = S (元件数) 环形绕组并联之路数 2a = 极数 2p = 电刷数 a并联支路对数（两条支路时 a=1） p极对数 （两个极时 p=1）,二、直流电动机工作原理,结构：同直流发电机 特点：在电刷间加直流电源（电刷极性不变）,图：直流电动机原理,通过换向器的作用，将电流直流电转换为元件中的交流电，但在同一极下导体的电流方向一致，根据左手定则，确定导体受力方向。 注意：转子旋转后，元件中的电流方向在改变。 换向器的作用：元件中的交流电 电刷间的直流电。,1-3 直流电机的基本结构、分类及额定值,一、主要结构部件 1、定子部分 主磁极产生主磁场 铁心：0.51.0mm厚硅钢片冲迭而成。 励磁绕组：由绝缘导线绕成，通以直流电产生主极磁场。,换向极（附加极）改善换向，减小电刷下的火花。 铁心：整块矩形铸钢（形状不复杂，易于加工） 线圈：绝缘导线绕成与电枢绕组串联 机座（磁轭） 由厚钢板弯成圆筒焊接而成或铸钢 作用：提供磁路，支撑，防护作用 电刷装置和其它 电刷装置的作用：引出（引进）电流 组成：电刷石墨制品，耐磨，导电 刷握刷盒，放电刷，用弹簧压紧电刷，在空间固定 刷架安放刷盒用，本身固定在机座或端盖上.注意,刷盒与刷架之间要绝缘 其它：端盖、轴承（支持、防护）,2、转子部分电枢（感应电势，通过电流） 电枢铁心0.5mm厚低硅钢片外圆冲上齿、槽装迭而成，目的在于减少铁心在磁场中旋转时被反复磁化而产生过多铁耗 齿 、槽安放电枢绕组 通 风 孔散热 内 圆轴孔,电枢绕组绝缘导线型绕加工而成，嵌放在铁心槽中 导线截面 ：矩形（大电机） 圆形（小电机） 槽内有绝缘（对地）槽楔封口固定，绕组元件的两头与换向片相联,图：电枢绕组,换向器（由许多彼此绝缘的换向片构成）,侧视图（沿径向剖开）,沿圆周方向剖开,作用：基体与电刷接触 竖板（升高片）连接电枢绕组元件 燕尾夹紧、固定 二、分类（按励磁方式分） 他励 自励 他励式：独立直流电源单独供给励磁绕组励磁，励磁绕组与电枢绕组不连接 励磁电流,电枢电流,负载电流,图：并励,图：串励,一部分与电枢绕组串联 复励：励磁绕组分两部份 另一部分与电枢绕组并联,短分接法（先并后串）,长分接法（先串后并）,差复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相反 积复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相同 由于联接方式不一样，将直接影响电机的特性。无论是发电机还是电动机都可采用上述联接方式,三、额定值 1、额定功率（容量） 指输出功率，单位：瓦（千瓦） 发电机 = （输出电功率） 电动机 （轴上输出机械功率）= 式中： 电动机的额定电压； 电动机的额定电流； 电动机的额定效率 2、额定电压 允许加在电机两端的电压限定值 小型发电机 小型电动机 大型电机 115V 230V 460V 110V 220V 440V 1000V,3、额定电流 电机额定输出功率时的电流值 发电机 过载 满载 电动机 欠载 4、额定转速 额定负载时电机的限定转速 5、额定励磁电流 6、额定效率,1-4 直流电机的空载磁场,空载磁场：直流电通入励磁绕组产生的磁场 特点：负载电流 = 0 ，不考虑电枢通过电流产生磁场的影响（只有主磁极产生的磁场）,一、直流电机空载时的磁通分布,1、直流电机空载时的磁通分布（以四极电机为例） 主磁通 （每极）经过气隙进入电枢的磁通,磁通路径,路径：N 极出发N 极下的气隙N 极下的电枢齿槽电枢铁心S 极下的电枢齿槽S 极下气隙S 极下铁心磁轭回到N 极下的铁心 主磁通又称有效磁通能感应电势的磁通或能产生力矩的磁通 漏磁通 未进入电枢铁心的磁通 特点不感应电势也不产生力矩，无效的 缺点不可避免它增加了铁心和磁轭的饱和程度,总磁通：,2、产生主磁通的磁动势 产生每极主磁通 所需要的磁势（激磁安匝） 基本定律：全电流定律（分段计算法） 注 意：这里把“场”的问题简化为“路”来计算 W 总激磁匝数 2表示两个极 磁路某段的场强 1个磁极上的激磁绕组匝数 该段磁路的平均长度 激磁电流,利用磁回路的基尔霍夫第二定律可得： 总磁势： 气隙长度 （2） 电枢齿长 （2） 电枢轭一段长 （1） 主极铁心长 （2） 定子磁轭一段长 （1）,计算总磁势的基本方法 设计一台电机首先要确定：每极磁通量 （已知） （S为不同段的磁路截面积）每段磁场强度H 气隙 （ 气隙磁导） 铁磁材料只有通过查该材料的磁 化曲线求H,图：磁化曲线,计算分段磁势 总磁势 （一对极的总安匝） 决定 I-决定导线截面 3、主磁通磁势产生的气隙磁密的分布曲线 （1）气隙磁密电枢表面的磁通密度（它与电机的感应电势，力矩大小和形状有关） 特 点：与气隙大小有关且分布不均匀 （2）气隙特点：极中心处气隙最小 极尖（极掌）处气隙最大,比如：城市电车用直流电机ZQ-800 9/4.5 ，即 =4.5mm =9mm 结果：在气隙中的磁密形成帽形,图：帽形磁密,帽形磁密的证明： 一个极的磁势 令 （ 不变） 为帽形 极距，代表电枢表面的圆周一个极所占的范围 电枢外径， p 极对数 气隙磁密的最大值 10千瓦以下电机 =4000 6500高斯 大容量电机 =10000 10500高斯,计算中常用 气隙平均磁密 ， 电枢轴向有效长度,4、电机的磁化曲线 （1）定义：代表每极主磁通 与励磁电流 的关系曲线 （2） 形状及解释 调R，保持n 不变，测,.,由此可求得磁化曲线：,主要特点： 很小时（铁心磁路不饱和） 为直线关系 原因： 小 小，铁心不饱和，磁势主要消耗在气隙上，即 ，因 不变， 不变（ 不变）， 为直线关系 （2） 增大后，铁心磁路饱和，曲线向右弯曲， 越大，曲线越趋于水平 原因：由于 铁心饱和，铁心上磁压降所占成分大，而铁心中 常数，所以出现非线性，即 （ 铁心 不多）,（3）气隙线：磁化曲线在线性部份的延长线（它反映主磁通通过气隙所需磁动势） （4）磁路饱和程度 额定电压下的激磁电流 额定电压下气隙磁势所需激磁电流 大饱和好，则铁心体 积相对小，但发热严重 相同容量比 小不饱和，则铁心体 积相对大，性能好,15 直流电机的电枢绕组（以单迭绕组为例）,一 由环型绕组过渡到鼓型绕组4极电机为例 1 环型绕组的缺点 （1）制造困难，修理不便。 （2）内腔导体不感应电势，导体没有充分利用。,1、5、9不感应电势,2、过渡到鼓型绕组,环型,鼓型,作法：把内腔层导体拉出来 原则：两边电势相加最大 位置：两边相距约一个极距 端部：一般为对称结构 电刷：仍然要与中轴导体相连，为此，实际位置在极轴处。 二：几个基本关系 元件：绕组的基本单元（头尾分别 接在两个换向片上） 元件边（有效边）放在电枢槽内部分 前段接靠换向器的一边 后端接无换向器的一边,（1）元件数S=换向片数K （2）总导体数=S2Wc Wc= 一个元件的匝数 （3）若一个槽内只放上下一个元件边，则槽数Ze=元件数S=换向片数K 若C个槽（虚槽）合编成一个槽（实）Z虚槽数Ze=CZ 如图：Ze=3Z,三 、单迭绕组的组成 1 节 距绕组连接的规律 （1）第一节距y1(后距)：表示元件两有效边之间的距离（元件宽度，用虚槽数来表示）,=0 整距 长距 短距,（2）合成节距Y紧相串联的元件对应边的距离 单迭绕组 y=1 （3）第二节距y2（前距），接在同一换向片的两元件边的距离 单迭绕组，y2=y1-y,2单迭绕组的展开图（某一瞬间) 例：Z=K=S=16 2p=4 作一单迭绕组展开图 计算节距：y1=z/2p=16/44 （整距）=0 单迭 y=1 y2=y1-y=4-1=3 作图步骤：,均匀分布全部边（槽）并编号 按极数等分元件边（槽） 按y1画出后端接（结构对称） 按y2画出前端接（结构对称） 画出换相片（对应编号） 画出电刷位置（极轴线上） 标明电刷极性（按发电机）,第二章 直流发电机,2-1 直流发电机的感应电势和电磁转矩,一、感应电势公式 感应电势： =电刷间的电枢电势 = 一个并联支路内导体数一根导体感应的平均电势 = 电机总导体数 S-元件数； - 一个元件的匝数 一个并联支路内串联导体数 ；a并联支路对数 平均电势： 转/分,代入上式： -电势常数，与结构有关 单位： 韦伯； 转/分 ； 伏,结论：当电机每极磁通 保持不变时，电枢电势 与转速成正比。 说明1）该公式是在空载时推导出来的，负载后 有所变化。故公式中的 应该用负载时的气隙磁场关系求得。 2）该公式是电刷处于几何中性线导出，若电刷偏离则 将有所变化。 3）此公式对发电机而言是向外供电的正电势，对于电动机而言属于反电势。 4）若要改变 的方向，可改变电枢旋转方向或改变磁场方向得到。,二、电磁转矩公式 电磁转矩导体中电流与磁场作用产生 电动机拖动负载的转矩（M与n方向一致） 发电机反转矩(与原动机转向相反)，是能量交换的关健。 电磁功率: 电磁转矩:,结论：当磁通 不变时，电磁转矩与电枢电流成正比。,2-2直流电机的磁场和电枢反应,一、空载时：只存在主极磁势，在气隙中产生的帽形磁密。 负载后：出现了电枢磁势电枢绕组通过电枢直流电流产生。 电枢反应：电枢磁势对气隙磁场分布的影响。 二、电枢磁势 1.电枢磁势 在气隙中的分布 假设 忽略铁心磁位降（电枢磁势主要降在两个气隙中）,导体在电枢表面均匀分布（忽略齿槽影响）,分析方法：磁路的安培环路定律 特点： 极轴处：电枢磁势=0（包围电流小） 中轴处：电枢磁势=最大 从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的（三角波形）,分析方法：磁路的安培环路定律 特点： 极轴处：电枢磁势=0（包围电流小） 中轴处：电枢磁势=最大 从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的（三角波形）,2、电枢磁势 （幅值）公式 导体中（支路中）的电流 一个极下的导体数= 电枢线负载A电枢圆周单位长度的电流数（安/厘米）,A与 关系:,3、电枢磁势对气隙磁场的影响 空载时：只有直流励磁磁势产生的气隙磁密 帽形 负载后：出现了电枢磁势 （三角波） 由 产生的气隙磁密 ，其特点：在极弧范围内直线分布，主极之间下凹成马鞍形（主极之间磁阻大） 合成气隙磁密：,结论：电枢反应使合成气隙磁密分布畸变且总的磁密减小,注意： 两个气隙之间磁阻大，尽管 大，但 更小，故下凹成马鞍形。 极弧内气隙均匀， 线性变化 也线性变化。 合成后，对一个极而言，因 反向对称，与 相加后，应当使合成气隙磁密与 保持数量不变，但前极端是去磁该去多少正比去掉，后极端为加磁，因饱和影响该加的加不上去故一个极下总磁密有所减少。 显然，波形发生畸变。,三、直轴和交轴电枢反应,研究对象：电枢反应的交轴分量和直轴分量对主极磁势的影响 a）交轴电枢反应电刷位于几何中性线处 ，只存在 ， =0 对主极磁场的影响：,使主极磁场发生畸变 对主极磁场有去磁作用（总的磁密减少）,b）直轴电枢反应电刷不在几何中性线（以发电机为例） 顺转向偏离几何中性线 角（相当于电枢表面移动了b厘米） 作用：a、 的轴线与主极磁场轴线重合，且方向相反，所以对于发电机若顺转向移动电刷，则 起去磁作用，发电机端电压下降。 b、 起交轴电枢反应，作用同上。 若电刷逆转向移动：则 与主极磁场轴线重合且方向相同，起加磁作用，端电压上升。,办法：若端压上升，则顺转向移动电刷， 若端电压下降，则逆转向移动电刷。 准确位置:正反转时，两端电压维持不变,图：直轴电枢反应 电刷不在几何中性线,四、解决办法（主要指对交轴磁势的解决办法） 适当改变主极的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁作用 在主极极面上加装“补偿绕组”抵消电枢磁势（自动化） 结构上：补偿绕组装在主极极面上其电流方向在空间与电枢电流的反向， 与 反向 电路上：补偿绕组与电枢绕组串联，适当设计补偿绕组匝数使 =,2-3 直流电机换向的一般概念,换向：电枢绕组的每一个元件依次从一条支路经过电刷进入另一条支路，此时元件中的电流要随着改变方向，这一现象和过程称为换向。 比如：元件“4”在上一支路电流是从流向进入下一支路后电流从流入,二、换向不良的后果 由于元件中电抗电势的作用使换向遇到阻力，特别是超前换向和延迟换向将在电刷下产生火花（电磁能量释放），使电机运行带来不利影响。 三、换向极的作用 换向极产生附加电势 去抵消换向元件中的电抗电势 从而使换向元件中合成电势为0，从而改善电机的换向。 极性正确 与电枢串联 低饱和状态,图：换向极的作用,2-4 直流发电机的基本平衡关系,一 、电压平衡关系（以并励直流发电机为例） 电枢回路总电阻， （含电枢电阻，电刷和 换向器之间的接触电阻） 励磁回路总电阻 注意： 是发电机,二、功率平衡关系 电磁功率 -输出功率； -励磁回路铜耗； -电枢回路内阻损耗,输入功率： 机械损耗（摩擦，风阻）； 铁耗（电枢硅钢片反复磁化引起）； 附加损耗（电枢齿槽使磁场脉振引起损耗，电枢反应使磁场畸变使铁耗增加，电枢拉紧轴杆在磁场中旋转时的铁耗，换向损耗等组成。约占额定功率0.5%1%）,三、转矩平衡关系 转向：由原动机产生的输入转矩 决定： 转子机械角速度 ， 方向一致（发电机时） 由左手定则决定，发电机时M正好与 反向，属于制动转矩。 空载转矩： 平衡关系：,四 效率关系 总损耗：,25直流发电机的运行特性,一他励直流发电机的特性 1.空载特性：当 时， ， 的关系曲线（即磁化曲线）,注意：无论是并励还是串励发电机的 都要改为他励来测取，否则无法实现空载。,测取 的步骤： 1、调节原动机（实验室一般采用并励直流电动机作为原动机拖动直流发电机）的转速，使 并保持不变。 2、调节励磁回路外加电阻RP 使 由零逐渐单方向增加。直至 为止。然后逐渐单方向减少 到零，并测取每一点的 所对应的,曲线说明：(1)由于剩磁所在，当 =0时 （2）由于磁滞的作用使磁化曲线上升支和下降支不一致，取其平均值代表 （3） 代表了直流电机最基本的磁化曲线 作为设计电机时的依据。,2 、外特性：当 ， 为常数时， 的关系曲线 现象： 原因： 1.电路上 2.磁路上：当 不变时 电枢反应为去磁作用使,曲线分析： (1)电压变化率 ，实质：空载 满载时电压变化 一般允许 （2）当负载电阻 =0时，出现短路电流 因为 很小，Isk=(1230)Ie（危险） 办法： 加装保护装置。,3、效率特性 当 当 当 迅速上升 所对应效率 为（7593）%,二、并励直流发电机的自励过程及特性 1、并励直流发电机电压建立的物理过程 并励：励磁绕组两端与电枢绕组两端并联，励磁电流取自发电机本身，不需要其他直流电源供电。 励磁绕组电阻 励磁回路电阻,两个关系： 磁路上Es=Uo= 电路上,过程：主磁极有剩磁（ 剩）电枢旋转 感应 剩 供给起始励磁电流 产生磁场加强剩磁 到达空载特性曲线与场阻线OP的交点P才能实现稳定 场阻线OP： 不变， 直线关系 说明：OP：是以励磁回路电阻的大小为斜率的直线 即OP的斜率与Rf成正比 所以 (临界场阻) 此时 OP与 相切,2、建立电压的条件 （1）主磁极要有剩磁 （2）初始励磁电流产生磁场必须加强剩磁 （3） 与 要有交点（励磁回路断开时 即无交点，电压不能建立） 3、不能建立电压的原因和解决办法 （1） =0，无剩磁（电机多年不用造成）加直流重新充磁 加强励磁时 联接错误，出现刹磁 办法：1、改变电枢与励磁绕组的相对联接，比如将励磁绕组的两个头调换。 2、改变原动机的转向（本质是使Es调头）,注意：1、2两种方法不能同时使用 （3）、加强励磁后 无变化励磁回磁断开造成，解决办法是停机查线 （4）、稳定点电压太低,4、并励直流发电机的外特性 条件：n=ne 常数 研究 U=f(I) 关系： 特点：,解释 （1）引起U 原因 电枢回路电阻压降 电枢反应去磁作用 （这两个原因他励机也存在） (2)稳态短路电流不大 但要注意两点，即突然短路过程中仍然出现危险： 稳态短路过程中，电流要经过电流 = ，致使电机出现环火，不允许。（ 有电感， 不能马上为0） 考虑过渡过程：U=0瞬间，磁场不等于0，即Es较大，Ik=(812)Ie也危险。,（3）引起外特性“拐弯”的原因 两种趋势,三、串励直流发电机的外特性,条件： 研究： 关系： 分析方法：,画出 曲线 (1) （2） 将(1)-(2)得 U=f(I) 引起U变化原因: 上升因素： 下降因素： ，电枢反应去磁 主次关系：负载电流I小磁路不饱和 上升因素占主要 负载电流I大磁路饱和 上升大于Es上升 , U下降占主要 结论：串励直流发电机的端电压随负载变化很大，不适于恒压系统。,（四）复励直流发电机的外特性,复励外特性=串励和并励外特性的组合（视连接成分而定） 积复励=并励+串励 平复励在额定负载时，串励补偿了因负载引起的电压降 U0=满载电压 过复励串场太强，使U0满载电压 欠复励串场太弱，使U0满载电压 差复励=并励串励 即：串励起去磁作用，使端电压随 I增大而急剧下降（少用）。可用于直流电焊机,第三章 直流电动机,同一台直流电机既可作发电机运行，也可作电动机运行,31 电机的可逆原理,图：电机可逆原理示意图,物理过程：减小原动机的,32 直流电动机的平衡关系（以并励电动机为例）,一电路平衡关系,二、功率平衡关系,三转矩平衡 空载时： 负载后：,33 直流电动机的运行特性,一并励直流电动机 1.转速特性（速率特性 ） 由转速公式：,考虑到电枢反应的去磁作用,结论：并励直流电动机的转速随负载（ ）变化不大硬特性 优点：适用于要求转速恒定的场合。缺点：不能过载。,注意：并励直流电动机的励磁回路不能断开 轻载时： 重载时：,3机械特性 公式推导： 是一条略为下降的直线 自然机械特性：,电枢回路无附加电阻Rt，即 Rt=0时的机械特性 考虑到电枢反应的去磁，当Is较大时， 相对较小 曲线略微上翘 人为机械特性：电枢回路串入附加电阻Rt 设： 特点：串入附加电阻相当于 从公式可见： 越大，直线下降越厉害 用途：用于调速,二串励直流电动机的运行特性 1、转速特性,注意：1）串励直流电动机不能空载，否则“飞速” 2）串励电动机的串励绕组不能过多“旁路”，因为过多旁路会使 更厉害,图：接旁路电阻示意图,串励直流电动机的优点： 起动转矩越大，过载能力越强 具有恒功特性 轻载和重载时输出功率基本相等。 解释： 轻载时：n高，低 n高* 低 重载时：高，n低 高 *n低,=,优点：）充分利用电动机和电源（全部贡献） ）牛马特性软特性适用于“牵引” 比如上坡时：要求M大，n自动降下来，列车能上去如“牛”慢行 比如下坡时：要求M小，n自动升起来，列车如“马”飞奔 三复励电动机的运行特性 1转速特性 积复励磁场=并励磁场+串励磁场 特性：介于并、串励特性之间。 串励为主，并励为辅 优点：具有串励机的牛马特性，且在空载 时不会“飞速”；, 并励为主、串励为辅 优点：具有硬特性，且过载能力强 差复励=并励磁场串励磁场 特点： 转矩特性 设计中对积复励考虑 之前： 积复励的 串励 其 串励 并励 并励； 之后： 积复励的 并励 其 并励 串励 串励； 一般：串励只占,第四章 直流电动机的电力拖动基础,41电力拖动系统的运动方程式,一电力拖动用各种电动机作为原动机的拖动系统 关键：掌握电动机的特性和被拖动的负载的特性。 二直线运动系统与旋转运动系统 直线运动系统（例如直线电机拖动的系统）,旋转运动系统, 工作机构及传动机构参数的折算,一实际拖动系统与等效拖动系统 实际拖动系统,特点：转轴有多根（多级传动）各轴上有本身的转动惯量及转速从而要列出每根轴的运动方程及相互联系的运动方程联立求解，才能了解负载的运动状况太复杂。,等效系统 以电动机轴为研究对象，把实际拖动系统等效为单轴运动系统 等效原则：系统传送的功率及储存的动能不变 优点：仅研究一根轴的运动系统，从而大大简化了计算 办法：把传动机构和工作机构的参数折算到电动机轴上 比如：工作机构的负载转矩 ，直线运动时的 各轴的转动惯量 都要折算到电动机轴上进行计算,二工作机构转矩 的折算 原则：系统传递的功率不变（把传动机构的损耗在效率中考虑） 电动机带动负载时：电动状态,图：齿轮传动,发电机制动状态时工作机构拖动电动机,三工作机构直线作用力的折算起重机、刨床,发电机状态工作机构拖动电机（重物下落）,说明：工作机构的下降功率不足以克服传动机构的功率损耗，要下落必须电动机帮忙（反向转动） 好处：比如电梯，由于设计时有意使传动机构损耗大，故提升效率 .，这个代价才能保证突然断电时电梯无法下降（ ），以保证人的生命安全,四传动机构和工作机构飞轮矩的折算,五工作机构直线运动质量的折算 以 运动的质量 折算到电动机轴上可用一个转动惯量为 的转动体与之等效 折算原则储存动能等效, 生产机械的负载特性,一恒转矩负载特性 与负载转速无关 反抗性负载：比如钢板碾压，方向可变，但 不变。,位能性负载（起重类） 负载转矩由重力作用产生，无论提升或下放重物，重力作用方向始终不变：,特点：数量、方向均不变,特点：,二通风机负载：因旋转要克服周围介质阻力 包括：通风机、水泵、油泵 （按离心力原理设计）,三恒功率负载特性：比如车床 粗加工时，切削量大 精加工时，切削量小,第五章 他励直流电动机拖动系统的静态特性,51 他励直流电动机的机械特性,一机械特性的一般表达式 任何特性来源于基本关系：,二固有（自然）机械特性,三人为机械特性：人为改变电路的参数所得到的特性。 电枢串电阻 的人为特性,结论：电枢回路串电阻后其机械特性变软，转速差 增大，可用于调速。,改变电枢电压时的人为特性,弱磁时的人为特性,四机械特性的绘制 因为 是一条直线，故确定直线上的两个点可确定 固有 的绘制 理想空载转速,10千瓦以上的电机，其系数取 1/2 10千瓦以下的电机，其系数取 2/3 额定转矩点：,人为机械特性的绘制 代入相应的变化量即可求得相应的人为机械特性。 比如：电枢回路串电阻Rt1的人为特性的绘制。 求 求 求,已知：n0一点，（n，Me）一点可画一直线。,5-2 他励直流电动机的起动特性,一、起动的基本知识 特点：n=0(合闸瞬间，由于机械惯性，电动机来不及转动) 后果： 损坏电机：1）电磁力可把绕组从槽中摔出来； 2）大电流形成环火，启动时引起爆炸损坏换向器。 冲击电流：1）造成电网电压，影响其他负载； 2）如采用半导体电源，由于其过载能力差-损坏。,要求： 1）起动电流Iq要小，约为1.22.0Ie 2）动转矩要大， -满磁场下起动（缩短起动过程，提高生产率） 方法：（一）降压起动： 1）要用专用的可调电压的电源-半导体可调电源。 2）经济性能高 （起动中无附加损耗）。 3）可实现无级调压-起动平稳。但价格贵 （二）变阻起动（本质也是降压起动 1、操作过程: 闭合C ，,电动机开始转动Es 闭合C1：切除 闭合C2：切除 。（至此，起动电阻全部切除，起动完毕） 优点：设备简单，操作方便。 缺点：起动过程中 上要消耗能量。 由于起动时间短，消耗能量少，故广泛应用。,2、起动的物理过程：,-起动中最大电流 -起动中最小电流（切换电流），以保证足够转矩。 起动时：,注意：操作过程中，当Is下降不要太多就可切换，以保证足够的力矩。,3、起动电阻的计算 （1）图解解析法 画起动特性图 先画出固有机械特性 。 选择起动中最大电流 和最小电流 ， 根据起动级数画人为机械特性： （试探法），一般变动 。,计算起动电阻： 根据：,（2）用解析法计算起动电阻： 原理： （相当于电动机短路）,步骤：根据电动机的铭牌数据，计算 根据电动机容量选定起动级数m和最大起动电流 ，计算最大起动电阻R2 由公式计算各段起动总电阻 计算各段起动电阻：,5-3 他励直流电动机的制动特性,一、制动的基本知识： 制动-阻止拖动系统的运动。 制动方法： 机械制动：比如采用箍瓦，靠强大机械摩擦使其停下来或减速。 电气制动：利用电动机产生反向转矩阻止拖动系统运动。 电气制动的两个方面： 制动过程：拖动系统转速下降直到零的过程。 制动运行：负载拖动电机在某一转速下稳定运行。,比如：列车在秦岭坡道（0.3%）前电机属于电动机状态，拖动列车前进。 下坡道时，如果不切断电源，这时列车拖动 电动机前进，其转速必然大于n0 ，即电动机进入发电机状态， Is 反向，产生电磁转矩M与n相反，起到刹车作用，从而使列车保持在一定转速时下坡，避免了列车越来越快。,二、能耗制动特性： 1、制动过程 电机原来处于电动状态，想马上停转，可拉闸后在电枢两端接上制动电阻（励磁电流不变），让电枢储存动能发电，从而产生反向制动力矩使电机迅速制停。 电动机状态 :,关系： 能耗制动状态: 拉开K1，闭合K2，迅速制动。,关系： n较高，Es较大，串R2限流 M= ，制动。 2、机械特性分析： 原来（电动机时）， 现在U=0，,即：n=0，M=0 ，特性曲线通过0点 M=，n=- （4象限） 或M=-，n=（2象限），过0点的2、4象限一条直线。 斜率 即该特性直线与 时的人 为机械特性直线平行,制动电阻RZ的选取： RZ不能选得过小， 制动效果好，但Is超过允许值，使电刷下火花增大。,三、反接制动特性（制动力量更强） 1、转速反向（反转）的反接制动（位能性负载） （1）过程：电机处于电动机状态。把重物G向上提升 ，此时K处于闭合状态，RZ未接入。,（2）机械特性分析 电路关系： （电源U与电势Es串联），相当于电枢被反接，故称反接制动,因 大， 变为负值，即反转，反接制动,斜率很大，陡峭,（3）功率关系分析： 功率关系：,2、电源反接的反接制动,（1）过程： 正常情况下，“1”闭合“2”打开，电机处于电动机状态，M与n方向一致。,反接制动时：“1”打开，“2”闭合，电源电压U反向加在电枢两端。电枢电势与电源电压串联(相加)，经 Rz形成回路，这一瞬间Is且反向（未反向）， 反向 即与n反向形成制动力矩，使电动机尽快制停。 （2）机械特性分析 电动机状态（制动前）： 制动后： ，斜率很大，与 的人为特性平行,四、回馈制动特性（再生制动） 1、回馈：把电能反送给电网。 比如：位能性负载反向拖动电动机成为发电机状态 比如：转向不变的位能性负载 如机车下坡：,2、过程： 机车下坡，转向未变，但由于势能变成动能使机车的速度越来越快，nn0，使电动机进入正向发电状态，EsU，Is反向，反送电能给电网（再生），由于Is反向（的方向不变），故M反向成为制动转矩，从而放慢了机车下坡的速度。,3、机械特性分析 其他参数未变，仅nn0，故在原特性基础上向第2象限延伸。,5-4 他励直流电动机的调速特性,一、调速的基本知识： 1、为什么要调速？ 不同的生产机械需要不同的转速； 同一生产机械在不同的时间需要的转速也不同。 2、调速的类别： 机械调速（齿轮变速）：不改变电动机转速，仅通过齿轮变速适应机械需要； 电气调速：改变电动机的参数来改变转速-调速比较平滑； 机械，电气配合调速-调速范围更大。,3、电气调速方法的基本途径 电枢回路串电阻调速（下调） 降压调速（下调） 削弱磁场调速（上调） 二、调速指标 1、技术指标 调速范围 D由生产机械提出要求，比如： 车床：D=20120 龙门刨床 D=1040,使用机械调速还是使用电气调速应视具体情况而定， 若采用机械电气配合法调速， 则调速范围 应当注意： 若 太低，电机齿槽磁通脉动厉害，电机受力不稳定，因此 受低速相对稳定性限制。 相对稳定性（静差率）,比如：降压调速时，n0变，但ne不变。 低速时的 。工作点Me点时，ne足够大，转速相对降低太多，故运行不稳定。 在n0点时： 在 点时：,显然 ，稳定性差一点。 注意： 区别于转速变化率： %与电动机的机械特性硬度（斜率）有关，但又有区别。 有关：同样的n0 ，在Me相同时若特性硬一点，即ne小一点，%则小，相对稳定性就好一点。 区别：在降压调速时，低速和高速的特性斜率相同（因为平行），但低速时,%的大小由生产机械的需要所决定，比如： 普通车床%30% 高精度造纸机%0.1% （若%大，纸张积压大） 范围D与的关系 或 （低速时允许转速降要由，nmax来决定）,推导： 上式说明，调速范围受低速时的静差率的限制。 比如：降压调速时： n0=1000r.p.m nmax=ne=900r.p.m ne=100r.p.m =200r.p.M nmin= -ne=100r.p.m 技术指标：,但低速时 ，稳定性相对差 若要提高相对稳定性，比如要求低速时%=20% 则 这时 即%小D小（为了提高相对稳定性，D就得减少）。 平滑性（有级，无级调速的问题） 调速的级数越多越平滑 平滑系数： （即相邻两转速之比） 该比值越小，越平滑。 比如：机床： =1.26 1.41 1.58等。,调速的容许输出 包括调速时的功率，转矩是否恒定，与什么样负载配合最佳，后面将专门讨论。 2、经济指标： 设备投资少 设备运行费用，即调速设备的效率： 式中：指调速设备的效率，不是电机本身的效率； P2-电动机的输出功率； P-调速设备的损耗，不是电动机的各种损耗。,比如：同一台电动机输出P2相同的情况下， 若采用电枢回路串电阻R调速。R上的损耗大，P大， 若采用磁场回路中并 调速， 上的损耗小，P小。 显然后者比前者调速设备的效率高。 三、电气调速方法的分析 1、电枢回路串电阻调速,显然， 物理过程：,调速前后的关系 调速前若电动机的电枢电流为Is 调速后电动机的电枢电流仍保持为Is，即Is不变 原因：电动机所带负载不变，即 不变则Is不变，但转速降低了， 新转速 此调速方法的优缺点 优点：调速设备简单，操作方便，初投资小 缺点：1）技术指标差。大，相对稳定性差 为了减小，D则减小。,2）调速中 大，不经济。 3）属于有级调速，平滑性差。 4）轻载时调速范围小，效果不明显。 经济性分析 输入功率 调速损耗,调速设备效率： 由上式可见调速中若n 则 比如：调速时使n 且 =0.5,就意味转速下降到原来的一半,调速设备消耗的功率占总功率的一半，即只有一半的输入功率变成电动机的输出，效率太低。 提高相对稳定性的措施:在电枢两端并联电阻RB,图：在电枢两端并联电阻RB,关系式:,技术指标:特性硬度 稳定性 ，技术指标 经济指标: 有损耗经济指标 。,2、降压调速 (1)调速系统: 小功率系统,大功率系统，直流电动机容量太大时,小功率系统主要是通过晶闸管（SCR）触发角的控制来调节输出电压即直流电动机两端的电压大小。大功率系统则指直流电动机容量特别大时,晶闸管容量有限，直接控制 难以实现,因此用一台三相交流电动机JD拖动大容量的直流发电机ZF,通过SCR来控制它的励磁电流大小，改变，从而改变直流电动机ZD两端的电压来实现降压控制。,调速的物理过程： UIsMMznEsIsM=Mz为止 机械特性分析： 由于发电机存在内阻Ro 特点: 略有增长,斜率略有增长,如“虚线”所示。,转速计算： 即转速与电压成正比 优缺点 优点：无级调速,平滑性好,调速范围D大 缺点：但其投资大,损耗大,晶闸管会引起谐波公害。,3.励磁调速（升速） 调速系统 小功率系统 大功率系统,励磁回路串联可调电阻改变If 改变,通过晶闸管改变 励磁绕组两端电压来改变,调速的物理过程： ssznss直至=z 特点: （负载转矩不变） 转速变化曲线 磁通变化曲线 电流变化曲线,3.机械特性 特点： 4.转速关系: 转速与磁通成反比,5.优缺点 优点：消耗功率小,设备容量小,投资少,控制方便,平滑性好; 缺点：磁场不能削弱过多，要受 限制。 四、调速时的功率和转矩（如何充分、合理利用电机） 电磁功率 电磁转矩 如果：调速时 因此：调速前后能维持 不变，这是电机长期工作的利用限度。,1、恒转矩调速 对于他励直流电动机，因 不变，要实现恒转矩调速则必须要保证 。 比如降压调速时 （保持不变） （不变） 但功率要变： 四、恒功率调速 比如弱磁调速时,为了长期运转的需要, Is=Ie=不变,改变。,属于恒功调速但,3、调速方式与负载类型配合 降压调速与负载配合 恒转矩负载配合 选择电机:根据负载Mz要求的最大转速来决定, Me=Mz 电机额定功率为 。 调速时,M=Mz=Me=常数 电机不会过热,充分利用热容量。,但:PM=Mn975 n 在 功率未充分利用且散热条件恶化。 结论:恒转矩调速用于恒转矩负载是合理的。 与恒功率负载配合 选择电机,负载功率： 关系：电机的 一般D较大, 小，但为了安全运行。必须加大电机的功率即小负载配大电机,这样就不合理。 此外在高速时 大,Mmin小,IminIe,热容量利用不充分。 恒转矩调速方式与恒功率负载配合会造成浪费,不合理。,弱磁调速与负载配合 与恒功率负载配合 负载功率恒定电机功率=恒定值 电机Pe=Pz(负载) 不扩大功率,比较合理。 特点：调速时电机的功率不变,电流不变。（长期运行需要） 转矩与转速成反比 转矩与 成正比 与恒转矩负载配合 选电机: 低速时,结论:低速运行时电动机的功率只发挥了额定值的1D,转矩却比实际需要值大功率利用不充分,浪费,不合理。,5-5 串励直流电动机的电力拖动,一、串励直流电动机的机械特性在磁场不饱和时为双曲线,磁场饱和时为下降直线。 关系: （串场电阻）,磁路不饱和时,为双曲线,二、串励直流电动机的人为特性 1、降低电压时-一组平行曲线. U1Ue 关系:,