直流电动机yfg.ppt

8.1 直流电机的构造,直流电动机与三相交流异步电动机相比较的优点：,(1) 调速性能好, 调速范围广, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。,应用:,轧钢机、电气机车以及电动汽车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。,8.1.1 直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。,2. 转子(电枢) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。,1. 磁极,励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。,用来在电机中产生磁场。,直流电机的组成,轴承末端,机座,励磁绕组,风扇,换相器,电枢绕组,电枢铁心,直流电机的组成,1. 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。,8.1.2 直流电机的分类,按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。,4. 复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,3. 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,8.2 直流电机的基本工作原理,直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。,电刷,换向片,换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 交流电，以保 持转矩方向不 变。,电机的电枢受力分析,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. 电枢感应电动势,E=EK n,电枢的感应电动势,由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。,式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻,2. 电枢回路电压平衡方程,电枢的回路电压平衡方程,3. 电磁转矩,单位: (韦伯)，Ia (安) ，T (牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为,4. 转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即,T=KT Ia,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时， 若T2突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。,T2 ,n,Ia ,T ,E,8.3 直流电动机的机械特性,直流电动机在正常运行时，虽然电源电压U和励磁电阻保持不变，但随着励磁方式不同，电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。,一、并励电动机,1. 转矩特性,由图可求得,由上分析可知：,当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时, 励 磁电流If和磁通不变，即 = 常数。则,T=KT Ia = K Ia,并励电动机的特点：磁通 = 常数，转矩与电枢电流 成正比。,0,T,Ia,由以下公式,求得,n,0,（T）,Ia,2. 转速特性,由于Ia与T成正比，实际也是机械特性,式中：,n= f (T) 特性曲线,并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大硬机械特性（自然特性）。,nN很小，大约为3%8%,例8.3.1: 有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知 Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 额定电流I , 额定电枢电流Ia及额定励磁电流If ; (2) 损耗功率PaCu , 及PO ; (3) 额定转矩T; (4) 反电动势E。,解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,（2）电枢电路铜损,励磁电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,（3）额定转矩,（4）反电动势,8.3 直流电动机的机械特性,二、串励电动机,1. 转矩特性,当Ia较小时，铁心不饱和,特点：,当Ia较大时，铁心饱和，,与并励类似。,恒定，与Ia大小无关,2. 转速特性,当Ia较小时，,可得,根据,当Ia较大时，铁心饱和，与并励类似（成直线）。,从上式可见，当轻载时（电流较小）串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机的损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的30%。,求得,3. 串励电机的机械特性,串励电动机在负载变化时，转速 n 的变化大软机械特性（自然特性）。,适合于拖动启动频繁、负载变化大的负载。,三、复励电动机,他的工作特性介于并励和串励之间。如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与串励电动机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。,8.4 并励电动机的起动与反转,起动,大功率直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；同时线路电流可能过大，造成保护装置动作而断电。,起动时,n =0 ,1. 起动问题：,(1) 起动电流大,(2) 起动转矩大,起动时，起动转矩为(1020)TN , 造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。（电梯）,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,2.起动方法,(1) 电枢串电阻起动法,在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。,n,n0,T,电阻增大,TL,T2,T1,此启动方法，启动设备简单，操作方便，但启动能耗大。,例8.4.1: 有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 直接启动时电流Ia的初始值（2）如果要求启动电流不超过额定电流的1.5倍，求启动电阻。,(2) 降压起动法：,目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。,(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KT Ia) , 电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。,(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。,(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。,3.注意事项： 直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：,2.反转,电磁转矩：T=KT Ia,(1) 改变励磁电流的方向。 (2) 改变电枢电流的方向。,注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,改变直流电机转向的方法有两种：,8.5直流他（并）励电动机的调速,两个概念：调速和速度变化,调速：在一定的负载条件下，人为改变电动机的电路参数以改变电动机的稳定转速。,速度变化：由于电动机负载转矩发生变化引起的电机转速的变化。,并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结 构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上 由其独特的优点。,1. 调速均匀平滑，可以无级调速 2. 调速范围大，调速比可达D=810 以上 3.调速静差率小。,主要优点：,由转速公式:,可见直流电机调速方法有三种。,8.5.1 弱磁调速,保持电枢电压U不变，减小励磁电流If (调Rf)以减小磁通 。,由式,TL,调速过程:,直至T=TC达到新的平衡。,在高于n的转速下运行 (动态过程如图中abc),a,b,c,上述调整过程中，假定负载不变，弱磁调速时，减小，Ia肯定要增大。如果在调速以前电枢电流已经达到额定电流，弱磁调速以后，电枢电流将大于额定值，这是不允许的。所以转速上升时只能降低输出功率，这属于恒功率调速。,(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，n不能太高。 (2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。 (3) 机械特性较硬，稳定性较好。 (4) 对专门生产的调磁电动机,其D可达, 一般D=2,减小 调速的特点：,例: 有一他励电动机， 已知 :Ia=68.5A, PN=13KW nN=1500r/min Ra=0.225 。 UN=220V,采用弱磁调速， =0.85N ，T=TN时电动机的转速为多少？能否长期运行？,解：弱磁调速时，当= 0.85N,T=TN时,根据,电流高于额定值，电动机不能长期运行,8.5.2 降压调速,由转速公式知： 调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,特性曲线,n0,保持If 为额定,减小电枢电压的调速过程：,a,b,c,动态过程如图abc,降压调速特点,(1)工作时电压不允许超过UN ，而n U, 所以调速 只能向下调。,(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。,(4)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。,(5)调速范围较大。一般D=810,(3)属于恒转矩调速。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。 近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,例8.5.2: 有一他励电动机， 已知U=220V , 额定电流Ia=53.8A,额定转速 n=1500r/min Ra=0.7 。今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转速降低多少？,解: 由T=KT Ia可知，在保持负载转矩和励磁电 流不变的条件下，电流也保持不变。,电压降低后的转速n对原来的转速n之比为,例: 有一他励电动机， 已知 :额定电流Ia=68.5A, PN=13KW，nN=1500r/min，Ra=0.225 。 UN=220V，采用降压调速，使n=1000r/min，电源电压应降为多少？ （与上一个例题类似，此处根据转速求电压）,降压调速时，电枢电流不变Ia=68.5A, =N,T=TN,根据,由于惯性作用，速度 不能突变 降速过程为AB C,缺点： 特性变软 能量消耗在电阻上 调速范围小 实现无级调速难,在一定的负载转矩TL下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。,8.5.3 电枢回路串电阻调速,解：采用电枢串电阻调速时，当= N,T=TN，Ia=68.5A,串联电阻以后,例: 有一他励电动机， 已知 :额定电流Ia=68.5A, PN=13KW，nN=1500r/min Ra=0.225 。 UN=220V， 采用电枢串电阻调速，带动额定负载，使n=1000r/min，应串入多大的电阻？,串联电阻以前,8.6 直流他励电动机的制动,1制动与启动 启动：施电于电动机使电动机速度从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态； 制动：使电动机速度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行状态。,几个基本的概念,电动机停止运转方式： 2制动与自然停车 1）自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降直到转速为零而停车。这种停车过程需时较长，不能满足生产机械快速、准确停车的要求； 2）制动：外加阻力转矩，使电动机迅速停车。为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。,就能量转换观点看，电动机有两种运转状态。 3电动机的两种运转状态 电动状态：电动机输出转矩的作用方向与转速的方向相同。 此时电动机输出转矩为拖动转矩，负载为阻转矩. 电动机的作用是将电能转换机械能。故称电动机的这种状态为电动状态。 2）制动状态：电动机输出转矩的作用方向与转速的方向相反。 此时，电动机的输出转矩为阻转矩，负载为拖动转矩. 电动机的作用是吸收或消耗负载的机械能。 故称电动机的这种工作状态为制动状态。,电动状态,制动状态,他励电动机的制动,5、制动方法： （1）机械制动 （2）电制动 能耗制动 反接制动 回馈制动,8.6.1 能耗制动,能耗制动时，电动机励磁电流不变，电枢电压U=0,因为电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。,为了限制电流过大，需要串联接入电阻R,此时机械特性方程为,可见T=0 时，n=0; T0时，n0;所以，机械特性应在二、四象限，并通过原点。,n,n0,T,TL,A,B,-T,原有机械特性方程,制动过程:A-B-O点,n0,T,TL,A,B,-T,O,能耗制动特点：,（1）设备简单，运行可靠，且不需从电网输入电能（相对于后面的反接制动而言）。,（2）对反抗性负载，能准确停车（速度为0时，制动力矩为0）。,（3）低速时制动效果较差。,n0,T,TL,A,B,-T,电动状态,反接制动状态,8.7.2 反接制动,1.电枢电压反接制动,8.7.2 反接制动,1.电枢电压反接制动,此时电枢电流,由,变为,Rst为限制电流而串接的电阻，同样因为电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。,此时机械特性方程为 动态过程见下页,-n0,n0,T,A,-T,C,制动过程:A-B-C,-U,Ia 反向,T 反向为制动转矩,C点时，n=0,n ,T ,反接制动特点：,（1）设备简单，制动转矩大，常用于反抗性负载的快速停车和快速反向运行。,（2）能量损耗大:需要电源提供能量 (3)带动反抗性负载时速度为0时制动力矩不是0.,他励电动机的倒拉反接制动,缺点：特性软，速度与TL和电阻有关，匹配不好，重物不能下降。 为什么？,1）a点为提重物上升,2）为了放下重物，在电枢回路串入电阻，此时特性曲线为2,3）此时速度不能突 变，反电势也不能突 变，T变小，电机减速,4）电机减速到d点，速度为0，如果此时切断电源，电机停止，否则电机反转，重物下降直到道稳定点b。,8.7.3 回馈制动-两种情况,（1） 当位能性负载快速下放物体时（与电车下坡类似），当nn0时，使EU，由原来的电动状态转为发电状态。（高速下的回馈）,电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。,因为此时P1=UIa0，将位能转换为电能回馈电网，称回馈制动。,带再生制动的电动车辆斩波器的研究,当位能性负载快速下放物体时（与电车下坡类似），当nn0时，（低速下的回馈）,（2）降压反馈制动,电动机电枢电压突然降低，低于此时电动机产生的反电势，也会使得电枢电流方向相反。,本章重点,1、直流电机的基本结构、工作原理 2、他（并）励直流电机的机械特性 3、他（并）励直流电机的基本描述方程 4、他（并）励直流电机的启动方法、启动电阻计算 5、他（并）励直流电机的反转 6、他（并）励直流电机的启动调速 7、他（并）励直流电机的制动方法,汽车上的电机,1、发电机 （1）直流发电机-与直流电机结构相同 （2）交流发电机 转子结构与异步电机不同，转子部分用来产生磁场，有永磁式的，也有通直流产生励磁的（要有电刷）交流发电机开始发电时，需由蓄电池供给励磁电流，此时为他励。当发电机达到蓄电池电压时，即由发电机自己供给励磁电流，也就是由他励转变为自励。 。,定子部分结构与异步电机相同，如右图：,经过整流环节变成直流,2、刮水电动机-大多是永磁式电