直流电机的工作原理课件.ppt

第三章直流电机的工作原理及特性,直流电机的基本结构和工作原理直流电机的铭牌数据直流电动机直流电动机的机械特性直流他励电动机的启动、制动直流他励电动机的调速特性,3.0引言,电动机包括：直流电动机和交流电动机直流电动机：良好的启动性能和调速性能。虽然直流电机没有交流电机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，但是由于长期以来，交流电机的调速问题没有得到很好的解决，在速度调节要求较高，正反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。,引言,永磁直流电机：具有噪音低、效率高、体积小、（耐磨电刷）寿命长的特点。多用于食品加工机、潜水泵、医疗器械、广告灯箱、按摩机、汽车、小型电动工具、家用电器、办公自动化（自动抽屉、档案柜）眼镜机械、自动门、轨道交通等部门的直流电源。,3.1直流电机的基本结构和工作原理,直流电机的基本结构直流电机的工作原理,3.1.1基本结构,旋转电机结构形式必须有满足电磁和机械两方面要求的结构旋转电机必须具备静止和转动两大部分,基本结构,1.直流电机静止部分称作定子作用-产生磁场由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成2.直流电机转动部分称作转子(通常称作电枢)作用-产生电磁转矩和感应电动势由电枢铁心和电枢绕组、换向器、轴和风扇等组成直流电机结构（图3-1）直流电机电枢照片（图3-2）直流电机结构图（图3-3）,主磁极（静止部分）,1.主磁极（图3-4）主磁极一般是电磁铁用1-1.5毫米厚的钢板冲片叠压紧固而成的铁心。（励磁绕组套在上面）,换向极（静止部分）,2.换向极（又称附加极或间极）换向极图片（图3-5）主磁极和换向极示意图（图3-6）作用为改善直流电机的换向性能，一般用整块钢板加工而成，并在其外面套上换向极绕组。,换向极,作用-改善换向（可抵消交轴磁场对主磁场的歪扭及换向元件电抗、电势等的影响）（电枢磁场轴向方向）换向极装在两主磁极之间，也是由铁心和绕组构成。（在功率小的直流电机中也有不装的）铁心一般用整块钢或钢板加工而成；换向极绕组与电枢绕组串联。,机座（静止部分）,3.机座机座通常由铸铁（钢）或厚铁（钢）板焊成。有两个作用：1)固定主磁极、换向极和端盖；2)作为磁路的一部分。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。,机座,在电机结构的改进中，目前还有一个重要措施，就是取消机壳，定子铁心直接和外面接触。这样定子磁路扩大，磁负荷下降，定子槽面积也可适当加大。,电刷装置（静止部分）,4.电刷装置（图3-7）作用-把直流电压、直流电流引入或引出。（电刷与换向器滑动接触）由电刷（图3-8）、刷握（图3-9）、弹簧压板、座圈、刷杆座和铜丝辫组成,电枢铁心（转动部分）,直流电机的转动部分1.电枢铁心电枢铁心装配图（图3-10）电枢铁芯片（图3-11）通常用.厚的硅钢片冲片叠压而成，铁心上有轴向通风孔。两个用处：1)作为主磁路的主要部分；2)嵌放电枢绕组（铁心呈圆柱形，表面的冲槽里嵌放电枢绕组）,电枢绕组（转动部分）,2.电枢绕组元件及嵌放方法（叠绕组）（图3-12）直流电机的主要电路部分。用以通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换。由许多按一定规律联接的线圈组成。包括环形绕组、鼓形绕组（叠式绕组、波式绕组、蛙型绕组）,电枢绕组,电枢绕组是直流电机的主要电路，是直流电机的一个重要部件。对电枢绕组的要求是:在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下尽可能节省有色金属和绝缘材料并且要结构简单、运行可靠等。,换向器（转动部分）,3.换向器换向器的构造（图313）直流电机的重要部件作用-将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流或将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势,3.1.2工作原理,直流电机中能量转换的方向是可逆的同一台电机既可作发电机运行；（将机械能转换为电能）也可作电动机运行。（将电能转换为机械能）,电磁感应定理,1.电磁感应定理(图3-14)在磁场中运动的导体将会感应电势若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直，则作用导体中感应的电势大小为：e=Blve:感应电势V;B:磁场的磁感应强度Wb/m2l:导体有效长度m;v:导体运动速度米/秒电势的方向用右手定则(图3-15)确定,电磁力定律,2.电磁力定律(图3-16)载流导体在磁场中将会受到力的作用若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为：f=Blif:电磁力NB:磁场的磁感应强度Wb/m2l:导体有效长度mi:导体中的电流A力的方向用左手定则(图3-17)确定,1.直流发电机的工作原理,(一)直流发电机的工作原理1.直流发电机的原理模型(图3-18)1)交变电势产生(图3-19),(一)直流发电机的工作原理1.直流发电机的原理模型(图3-18)1)交变电势产生(图3-19),交变电势产生,直流电机作发电机运行时，电枢受力在磁场中旋转，电枢线圈的两根有效边每一边在N极下是一个方向，在S极下是另一方向。下面这段动画可以帮助理解一般发电机是如何产生交变电势的。,交变电势的产生,直流电势产生,2)直流电势产生(图3-20)电刷静止不变，因此从换向片上引出的电流方向不变，电刷间会出现极性不变的电动势或电压。（方向不变但大小变化的脉振电动势）下面这段动画可以帮助理解引入换向器后发电机是如何产生直流电势的。,直流电势的产生,发电机工作原理,3)发电机工作原理用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd分别切割不同极性磁极下的磁力线，感应产生电动势。直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势。,换向器和电刷配合的换向作用,4)换向器和电刷配合的换向作用因为电刷A通过换向片所引出的电动势始终是切割N极磁力线的线圈边中的电动势,所以电刷A始终有正极性，同样道理，电刷B始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变但大小变化的脉振电动势。,结论,5)结论线圈内的感应电动势是一种交变电动势而在电刷AB端的电动势却是直流电动势,2.直流电动机的工作原理,(二)直流电动机的工作原理1.直流电动机的原理模型（图3-21）下面这段动画可以帮助理解直流电动机的工作原理。,Here,直流电动机的工作原理,要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于：当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器配合电刷可保证每个极下线圈边中电流始终是一个方向，就可以使电动机能连续的旋转这就是直流电动机的工作原理。,电机的可逆运行原理,(三)电机的可逆运行原理从上述基本电磁情况来看：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行也可以作为发电机运行这种原理在电机理论中称为可逆原理。,相关的计算公式,(四)相关的计算公式电势方程式（电刷间的电动势）：EKen(3.1)E：电动势；：一对磁极的磁通；n：电枢转速；Ke：与电机结构有关的常数在发电机中电动势E为输出电功率的电源电动势，E与Ia方向相同。（图3-22）在电动机中电动势E为反电动势，它与外加电压产生的电流Ia方向相反。（图3-23）,相关的计算公式（续）,相关的计算公式,直流电机的电磁转矩：TKtIa(3.2)T：电磁转矩Nm；Ia：电枢电流A；Kt：与电机结构有关的常数(Kt=9.55Ke)；：一对磁极的磁通Wb；发电机中电磁转矩T为阻转矩，方向与n相反，原动机的转矩T1TT0，（TO为空载损耗转矩）在电动机中电磁转矩T为拖动转矩，方向与n相同，TTLT0，（TL为负载转矩）,续,上页的公式可参照表3.1，P19第19页第四行中，电枢电流Ia(U-E)/Ra,这是个很有用的公式：电压平衡方程式。,发电机与电动机电磁转矩作用的不同,发电机：阻转矩，原动机的转矩必须与电磁转矩及空载损耗转矩相平衡；电动机：驱动转矩，电磁转矩必须与机械负载转矩和空载损耗转矩相平衡。负载增加（阻转矩增加）电磁转矩暂时小于阻转矩转速下降磁通不变，反电动势减小电枢电流增加电磁转矩增加电磁转矩与阻转矩平衡，但转速下降,3.2直流电动机,直流电机可作为发电机运行，又可作为电动机运行。,3.2.1直流电动机的分类,1.他励直流电机(图3-24)2.并励直流电机(图3-25)3.串励直流电机(图3-26)4.复励直流电机(图3-27)直流电机的主要励磁方式是他励式、并励式、串励式和复励式。,3.2.2电压平衡方程式（电枢回路）,UEIaRa（3.3）（3.13.3为三个基本公式）U:电动机外加电枢电压；E:电枢的反电压；IaRa:电动机电阻压降。注意：电动机在运行时，它的转速、电动势、电枢电流、电磁转矩能自动调整，以适应负载的变化，保持新的转矩平衡。,例题分析,课本题3.4：一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势EE1，如负载转矩TL常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于E1？,题解,解：两个已知条件：负载转矩TL常数；减弱励磁时系统是一个从稳态到另一个稳态（不涉及瞬态过程），电枢反电势是稳态值。稳态运行时TLTKtIa常数，当减弱励磁时减少，Ia增加；又EU-IaRa，U与Ra不变，则电枢反电势E减少到新的稳态值后，电枢反电势E10）：如直流他励电动机的机械特性，交流异步电动机机械特性的上半部。软特性（10）：如直流串励电动机和直流积复励电动机的机械特性。,3.4.4固有机械特性,固有机械特性：当他励电动机电压UUN，磁通N，电枢没有串联电阻Rad0时，这一机械特性称为固有机械特性:人为机械特性：可用改变电动机参数的方法获得，即机械特性三个变量中任有一个或一个以上值非额定时得到的机械特性即为人为机械特性。,根据固有机械特性估算数据,根据固有机械特性可估算以下数据：电枢电阻Ra：通常电机在额定负载下的铜耗I2aRa占总损耗PN的5075。因PN输入功率输出功率UNINPNUNINNUNIN（1N）UNIN即P铜I2aRa(0.50.75)(1-N)UNIN式中，NPN/(UNIN)是额定运行条件下电动机的效率，且此时IaIN,根据固有机械特性估算数据,故得求KeN：额定运行条件下的反电势ENKeNnN=UN-INRa，故KeN(UN-INRa)/nN求理想空载转速：n0UN/(KeN)(认为Ra=0)求额定转矩：TN是电动机轴上的输出转矩，电磁转矩TKtINTN,正反转时的固有机械特性,根据（0，n0）和(TN，nN)两点，就可以作出他励电动机近似的机械特性曲线n=f(T)。电动机即可正转又可反转，反转时，n与T均为负。,他励直流电动机正反转时的固有机械特性,习题,课本P40，3.6题：已知某他励直流电动机的铭牌数据如下：PN7.5kW，UN=220V，nN=1500r/min，N88.5%。试求该电机的额定电流和额定转矩。,题解,解：PNUNINN,INPN/(UNN)38.5A；TN9.55PN/nN47.74Nm,3.4.5人为机械特性,人为机械特性可用改变电动机参数的方法获得，即机械特性三个变量中任有一个或一个以上值非额定时得到的机械特性即为人为机械特性。（U，Rad）,固有机械特性：,1.串联电阻时的人为机械特性,此时增加了Rad：UUN，N，RRaRad电枢串联电阻Rad时，人为机械特性的方程式为：,特点和机械特性图,特点人为机械特性由交纵坐标轴于一点，但具有不同斜率的射线族组成。机械特性图电枢串联电阻时的人为机械特性,2.改变电压时的人为机械特性,此时电枢不串联电阻(Rad=0),N，电枢电压UE=0，因为电动机的电枢绕组电阻Ra很小，所以直接加额定电压起动，Ia可能突增到额定电流的十多倍！,3.5.2直接加额定电压起动后果,(1)换向情况恶化，产生严重的火花，烧毁换向器；(2)过大转矩TstktIst(启动电流增大)将损坏拖动系统的传动机构。因此在起动时，必须设法限制电枢电流。,3.5.3限制起动电流的措施,(1)降压起动适用于电动机的直流电源是可调的。方法简单，用得最多。(2)电枢电路中串联电阻当没有可调电源时，可在电枢电路中串联电阻Rst以限制起动电流。在起动过程中并将起动电阻Rst逐步切除。,3.5.4串联电阻的一级起动,对启动快慢、平稳性等要求的不同决定了启动电阻的段数（级数）。课本P29，图3.23，为一级起动。启动后将启动电阻一下全部切除，切除起动电阻的瞬间，工作点a-b,此时转速不变，但电流突然增大，导致T突然增大。此种启动方法对生产机械产生有害冲击。,3.5.5多级起动,因此，采取多级（分级）起动，逐级切除启动电阻。我国生产的标准控制柜是按快速启动的原则设计的，一般启动电阻为34段。他励电动机二级起动电路图（图3-32）他励电动机二级起动的过程他励电动机三级起动电路图（图3-33）,二级起动,多级启动,分级起动时，可将每一级的I（或T）取得大小一致，以使电动机有比较均匀的加速度，使电流变化不大，从而改善电动机的换向情况，缓和转矩对传动机构与工作机械的有害冲击。,习题,一台直流他励电动机，其额定数据为：PN17kW，UN=220V，IN91A，nN1500r/min，Ra0.22。试求：额定转矩TN；直接启动时的启动电流Ist；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？如果采用降压启动，启动电流仍限制为额定电流的两倍，电源电压应为多少？,题解,TN9.55PN/nN108.2NmIstUN/Ra1000AIstUN/(Ra+Rad)2IN故RadUN/(2IN)-Ra0.99而启动转矩TstKtNIst其中,KtN9.55KeN9.55(UNINRa)/nN1.27Nm/A故此时的启动转矩TstKtN2IN231Nm,题解（续）,注意：因为此题中的TN不是用公式TNKtNIN求得的，所以不能用Tst(Ist/IN)TN来求Tst降压启动时IstU/Ra2IN故电源电压U2INRa40V,2019/12/13,76,可编辑,3.6直流他励电动机的调速特性,根据生产机械要求，人为地改变电动机的转速，称为调速。直流他励电动机可以采用的调速方法：机械方法电气方法机械电气配合方法,他励电动机的调速,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(注：异步机改变极对数调速的方法叫有级调速)。2.调速范围大，调速比可达200以上(调速比等于最大转速和最小转速之比）。,主要优点：,电气调速方法,电气调速方法：在一定负载情况下有目的地改变电气参数，人为地使电机转速发生变化由转速调节特性来看:欲改变电动机的转速，可以改变电枢端电压U，或改变励磁磁通实现。,电气调速方法,(1)调压限制：因为，提高电动机电枢端电压受到绕组绝缘耐压的限制，所以，根据规定电枢电压只容许比额定电压提高30%，实际上改变U应用在降压的方向，即从额定转速向下调速。(2)调磁限制：因为，一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱和，所以，改变磁通一般应用在弱磁的方向，称为弱磁调速，一般可以使转速从额定值向上调节。,3.6.1降低电枢端电压调速,1.电枢串联电阻调速(图3-34)调速指标：调速范围不大调速的平滑性不高，是有级调速适用场合：用于串励或复励直流电动机拖动的电车炼钢车间的浇铸吊车等生产机械上,电枢中串入电阻,使n、n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。,Ra,电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此n只能下调。,特点：(1)设备简单，操作方便。,(2)机械特性软，稳定性差。,(3)能量损耗大，只用于小型直流机。,Ra+Rad,1.电枢回路串电阻调速,2.降低电源电压,2.降低电源电压（调节电枢电源电压）使用的可调直流电源晶闸管整流装置（控制电源通断，电容）电动机-发电机机组容量较大时用机组作为可调直流电源；电枢由晶闸管整流供电的直流调速,降低电枢端电压调速（续）,调压调速时的机械特性(图3-36)调压调速特点：1)调速范围广；(0UN)则（0nN）UmaxUN30UN2)调速平滑性高；3)设备投资大；4)适合于恒转矩调速；磁通不变，从而TIa（TKtIa）5)可与电机启动时共用一套调压设备。,3.6.2弱磁调速,改变励磁磁通小容量系统在励磁电路中串接可调电阻Rf调节Rf从而改变If，大容量系统用单独的晶闸管整流装置向励磁电路供电。弱磁调速方法(图3-37),可见：在U一定的情况下，改变可改变转速n。,保持电枢电压U不变，改变励磁电流If(调Rf)以改变磁通。,由式,RfIfn,一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速,即,改变磁通调速的方法：,减小磁通，n只能上调。,改变磁通调速,弱磁调速特点,对功率较小的励磁电路进行调节，控制方便，能量损耗小；适合于恒功率调速（维持Ia不变从而PIa）；一般电动机的额定磁通已设计得使铁心接近饱合所以改变磁通一般可以使转速从额定值向上调节。调速的平滑性较高，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调速范围。（nN以下用降压调速，nN以上用弱磁调速）直流多单元调速系统(图3-38),只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。调速设备简单，经济，电流小，便于控制。机械特性较硬，稳定性较好。对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达,例如5302120r/min及3101240r/min。,减小调速的特点：,(1)若调速后Ia保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。(2)这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。,使用调磁调速时应注意：,弱磁调速特点,3.7直流他励电动机的制动特性,直流电动机的两种运转状态：(1)电动运转状态电动机转矩T的方向与旋转方向相同,电网向电动机输入电能。(2)制动运转状态电动机转矩T与转速n的方向相反,电动机吸收机械能并转化为电能。(稳定和过渡状态),电气制动方法,电气制动包括以下三种方法：能耗制动反接制动回馈制动(或称再生制动).应用上述三种电气制动方法，可使电动机产生一个负的转矩(即制动转矩)，以增加减速度，使系统较快地停下。也可以使位能负载的工作机构获得稳定的下放速度。,3.7.1能耗制动,1.他励电动机能耗制动电路图及电路特点他励电动机能耗制动电路原理(图3-39)电路特点U=0，电枢回路电阻Ra+Rad制动过程中，电动机靠系统的动能发电，转化成发电机工作状态，把动能变成电能，消耗在电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动。,能耗制动机械特性方程式,2.能耗制动机械特性方程式:制动电阻Rad愈小，则机械特性愈平，T1绝对值愈大，制动愈快,能耗制动的用途,4.能耗制动的用途除利用制动实现降速外，电动机带动位能负载时，可利用能耗制动实现等速下放。能耗制动实现稳速下放。（图3-41）,3.7.2反接制动,转速反向反接制动可用于位能负载稳速下放。电枢电压反向反接制动一般用于反作用负载刹车。反接制动包括：转速反向的反接制动电枢反接的反接制动,一、转速反向的反接制动,1.转速反向的反接制动的电路及特点这种制动方法可用起重机重物下放的电路图来说明。反接制动方法（图3-42）转速反向反接制动的动态过程可见如下动画位能负载倒拉电动机，转速n逆转矩T的方向旋转，和正常电动状态时相比，E的方向变反。,机械特性,2.机械特性转速反向的反接制动特性方程式为：与电动状态下的人为机械特性的方程式在形式上是相同的。反接制动机械特性(图3-43),制动过程中的功率平衡问题,3.制动过程中的功率平衡问题对电枢电路电势平衡方程式两边同乘以Ia，得:I2a(Ra+Rad)=UIa+EIa表示由电网输入的功率和输入的机械功率之和消耗在电枢的电阻Ra+Rad上。,二、电枢反接的反接制动,1.反接制动电路及特点为了使工作机械迅速停车或反向，突然把电枢电源反接。电枢电路中要串入电阻Rad电枢反接的反接制动（图3-44）电枢反接制动电路的特点：U为负。,机械特性,2.机械特性机械特性的方程式为：制动过程中n为正，在第二象限。机械特性曲线第二象限的一段BC，即为反接制动特性。电枢反接的反接制动特性图(图3-45),制动过程中的功率平衡问题,这时机械特性比能耗制动陡得多,在整个降速范围制动转矩始终存在并保持为一较大值,因此比能耗制动作用更强烈，制动更快。3.制动过程中的功率平衡问题功率平衡问题同转速反向反接制动类似,三、反馈制动,反馈制动特点：转速高于理想空载转速。,位能负载拖动电动机,1.反馈制动状态当EU时，电流由电枢向电源之正端流出，具有向电源反馈的性质，和电枢反接制动后进入CF段的反向电动