直流电机的工作原理及特性.ppt

第三章直流电机的工作原理及特性 直流电机的分类 直流电动机直流发电机直流电机的优缺点 优 良好的启动性能和调速性能缺 结构复杂直流电机的应用场合 调速要求高正 反转频繁启 制动频繁 第三章直流电机的工作原理及特性 3 1直流电机的基本结构和工作原理3 3直流电动机的机械特性3 4直流他励电动机的启动特性3 5直流他励电动机的调速特性3 6直流他励电动机的制动特性 第三章直流电机的工作原理及特性3 1直流电机的基本结构和工作原理 3 1 1直流电机的基本结构 定子 转子 定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机转子的作用是产生感应电动势及产生机械转矩以实现能量的转换定子和转子之间由空气隙分开 定子主磁极 产生磁场换向极 改善电枢电流的换向性能机座 固定主磁极 换向极和端盖等电刷 电刷座 接通电枢绕组和外电路端盖轴承 转子电枢铁心 主磁通磁路的一部分 用钢硅片叠成电枢绕组 实现能量转换的关键部分换向器 将电枢绕组内感应的交流电势转换成直流电势轴风扇 3 1 1直流电机的基本结构 定子剖面图 主磁极 换向极 磁极数 主磁极的个数磁极对数 磁极数 2 3 1 1直流电机的基本结构 转子结构图 转子 换向片 转轴 电枢线圈 3 1 1直流电机的基本结构 转子硅钢冲片图 电枢铁芯硅钢冲片 背景知识导体在磁场中做切割磁力线的运动产生感生电动势应用右手定则 法拉第 通电导体在磁场中受到电磁力的作用应用左手定则 安培 B 磁感应强度v 速度方向e 感应电势 I 电流方向f 电磁力方向 右手定则 左手定则 第三章直流电机的工作原理及特性3 1 2直流电机的工作原理 电动势 v 一对磁极的磁通 wb 电枢转速与电机结构有关的常数 电枢在磁场中旋转 每一有效边的电动势是交变的 即在N极下是一个方向 当转到S极下时是另一个方向 换向片 电刷A总是同N极下的有效边相连的换向片接触 而电刷B总是和S极下的有效边相连的换向片接触 所以电刷A B间就有一个极性不变的电动势 当电刷之间接有负载时 在电动势的作用下 电路中就产生一定方向的电流 电磁转矩一对磁极的磁通电枢电流与电机结构有关的常数 且Kt 9 55Ke 将直流电源接在电刷之间 N极下的有效边电流总是一个方向 S极下的有效边电流总是另一个方向 这样两个边上受到的电磁力的方向一致 电枢因此而转动 可以发现 电动机电枢线圈通电后在磁场中受力而转动 同时 当电枢在磁场中转动时 线圈中也要产生感应电动势 右手定则 而这个电动势的方向与外加电流的方向总是相反 所以称反电动势 第三章直流电机的工作原理及特性3 1 2直流电机的工作原理 E对于直流发电机而言是电源的电动势 而对于电动机而言 感生电流和感生电势的方向始终与外加电流和电压的方向相反 故称之为反电势 同理 T对于直流电动机而言是拖动转矩 而对于发电机而言则为阻转矩 注 Ia 电枢电流 T0 电机空载损耗转矩 3 2直流发电机 通常按照励磁方法分为他励 并励 串励和复励 他励发电机的励磁绕组是由外电源供电的 励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响 而其余三种发电机的励磁电流即为电枢电流或为电枢电流的一部分 所以也称为自励发电机 3 2直流发电机 3 2 2并励发电机励磁电流比电枢电流小得多 在并励发电机中 励磁电流从何而来 电压是如何建立的 1 发电机的磁极要有剩磁 2 起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同 这样磁场才能加强 磁场的加强使电动势随之增大 电动势的增大使励磁电流增大 进而再使磁通及电动势增大 如此反复 直至磁饱和 3 励磁电阻不能过大 3 2直流发电机 3 2 3复励发电机结构 在发电机磁极上除绕上并励绕组外 再绕一个与电枢串联的串励绕组 则它就构成了一台复励发电机 在复励发电机的这两个磁极绕组中通入电流后 它们产生之磁场的方向是相同的 在并励发电机中 其端电压随着负载电流的增大而下降 而在复励发电机中 当负载电流增大时 串励绕组能自动增加磁通 以补偿端电压的下降 所以在复励发电机的正常运行范围内 其端电压变化不大 这是它的优点 第三章直流电机的工作原理及特性3 3直流电动机的机械特性 直流电动机按励磁方式分他励 并励 串励和复励 3 3 1他励电动机的机械特性 n0 理想空载转速 T 0 n 转速降 第三章直流电机的工作原理及特性3 3 1他励电动机的机械特性 机械特性硬度 可以看到越大 机械特性越直 绝对硬特性硬特性软特性硬特性和软特性具有不同的应用场合 比如一般金属切削机床 连续式冷轧机 造纸机等需要硬特性的电动机 而起重机 电车等则需选用软特性的电动机 nn0 T 机械特性硬度 硬特性 10 软特性 10 绝对硬特性 影响n f T 曲线的有 根据这三个量变化与否 直流电机的机械特性分固有机械特性与人为机械特性 第三章直流电机的工作原理及特性3 3 1他励电动机的机械特性 1 固有机械特性n f T 在额定电压UN 额定磁通 N下 并且电枢电路不接任何电阻时的n f T 此时它为一直线 可由 0 n0 TN nN 两点确定 通常 电机铭牌上给出PN UN IN nN 只需求n0 TN 第三章直流电机的工作原理及特性3 3 1他励电动机的机械特性 直流他励电机固有机械特性曲线的绘制 所以 得到 0 n0 TN nN 就可以得出他励电动机近似的机械特性曲线 第三章直流电机的工作原理及特性3 3 1他励电动机的机械特性 2 人为机械特性 由于供电电压 磁通及电枢电路电阻变化时引起的机械特性n f T 的变化称为人为机械特性 1 电枢回路中串接电阻时R 2 改变电枢电压时U 3 当改变磁通时 第三章直流电机的工作原理及特性3 3 1他励电动机的机械特性 1 电枢回路串接电阻Rad U UN N 时的人为机械特性 特点 1 串接电阻后 理想空载转速n0不变 2 串接电阻后 斜率变大即机械特性变软 第三章直流电机的工作原理及特性3 3 1他励电动机的机械特性 2 改变电枢电压 Rad 0 N 时的人为机械特性 特点 1 U改变时 理想空载转速n0发生变化 2 斜率不变 即机械特性硬度不变 3 值得注意的是 电枢电压只允许在其额定值以下调节 第三章直流电机的工作原理及特性3 3 1他励电动机的机械特性 3 改变磁通 U UN Rad 0 时的人为机械特性 特点 1 由于线圈发热和电机磁饱和的限制 只适用于 N的场合 即弱磁调速 2 减小时 理想空载转速n0及转速降 n均增大 斜率增加 特性变软 3 启动时 E 0 Ist UN Ra 常数 当 减小时 启动转矩Tst Kt Ist将减小 注 1 当磁通量过分削弱后 若负载转矩不变将使电机电流大大增加而严重过载 2 当磁通为0时 理论上将产生飞车 因此 直流电机启动前必须先加励磁 运行中 决不允许将励磁电路断开或使励磁电流为零 故直流它励电机使用时要有失磁保护 第三章直流电机的工作原理及特性电动机的机械特性例题 例3 1一台他励直流电动机在稳态下运行时 电枢反电势E E1 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 解两个已知条件 一个是负载转矩TL 常数 一个是从一个稳态到另一个稳态 而不涉及瞬态过程 电枢反电势是稳态值 注意 从不能判断E是如何变化的 为什么 第三章直流电机的工作原理及特性电动机的机械特性例题 例3 2一台他励直流电动机 功率PN 5 5KW UN 220V IN 31A nN 1500r min 忽略损耗 认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩 试绘制电机近似的固有机械特性 解 n f TL 是一条直线 故只要两点 理想空载点 0 n0 TN nN 1 估算Ra 第三章直流电机的工作原理及特性电动机的机械特性例题 2 求n0 3 求TN 第三章直流电机的工作原理及特性3 4直流他励电动机的启动特性 已知直流他励电动机电枢回路方程式为 由于启动时n 0 故感生电动势E 0故U IaRa 由于转子内阻Ra很小 则启动电流Ist U Ra 达到额定电流的10 20倍 后果 1 过大的启动电流在电动机换向的时候会产生危险的火花 烧坏整流子 过大的电枢电流也会产生过大的电动应力 引起绕组的损坏 2 启动转矩也很大 对负载产生冲击 3 对于供电电网来说 过大的启动电流将使保护装置动作 切断电源造成事故 或者引起电网电压的下降 影响其他负载的正常运行 因此直流电动机是不允许直接启动的 启动时要采取措施 设法限制电枢电流 通常采用两种启动方式 1 降压启动 在启动瞬间 降低供电电源电压 随着转速的逐步升高 反电动势E增大 再逐步提高供电电压 最后达到额定电压时 电动机达到所要求的转速 直流发电机 电动机组和晶闸管整流装置 电动机组等就是采用这种降压方式启动的 将在第十一章中讨论 2 电枢回路中串电阻启动 此时 启动电流Ist U Ra Rst 随着电动机转速n的升高 反电动势E增大 再逐步切除外加电阻一直到全部切除 电动机达到所要求的转速 不同的生产机械对电动机启动的要求是有差异的 1 有些生产机械要求启动平稳慢速 比如室内无轨电车 启动太快会使乘客感到不适 2 有些生产机械要求则要求由足够的启动转矩 以缩短启动时间 提高生产效率 如果采用串接外加电阻的方法限制启动电流 1 则从技术上来说 希望平均启动转矩大些 缩短启动时间 这样启动电阻的段数就应多些 2 从经济上来说 则希望启动设备简单 可靠 这样启动的段数就应少些 第三章直流电机的工作原理及特性3 4直流他励电动机的启动特性 电枢回路中串电阻启动Ist U Ra Rst 图中只有一段启动电阻 若启动后电阻一下切除 则工作点将从特性曲线1切换到特性曲线2上 由于切除的瞬间 电动机的转速不能突变 所以会造成冲击电流仍会很大 为了避免这种情况 通常采用逐级切除启动电阻的方法来启动 第三章直流电机的工作原理及特性3 4直流他励电动机的启动特性 多段启动电阻启动的他励电动机 T1和T2分别为尖峰 最大 转矩和 换接 最小转矩启动过程中 接触器KM1 KM2 KM3依次将外接电阻R1 R2 R3短接启动级数越多 T1和T2与平均转矩越接近 启动过程越快越平稳 但所需要的控制设备也就越多 级数越多 启动过程越快越平稳 但所需要的控制设备就越多 我国生产的标准控制柜都是按照快速启动原则设计的 一般启动电阻为三段或四段 一般启动原则 启动时最大转矩T1 1 6 2 TN 最小转矩T2 1 1 1 2 TN 第三章直流电机的工作原理及特性3 5直流他励电动机的调速特性 调速 指在负载一定的条件下 改变电动机电路参数来改变电动机的稳定转速 人为的 沿不同的特性曲线变化 速度变化 指电动机的电路参数不变 由负载引起的电机转速的变化 负载的变化引起的 沿同一特性曲线变化 为什么要调节电动机的速度 生产机械所要求的 比如 1 金属切削机床 根据工件尺寸 材料性质 切削用量 刀具特性 加工精度等不同 需要选用不同的切削速度 以保证产品质量和提高生产效率 2 电梯或其它要求稳速运行运行或精确停止的生产机械 要求在启动和制动时速度要慢 或停车前降低运转速度以实现精确停止 实现生产机械调速的方法 机械的 液压的 电气的方法 如何对他励直流电动机进行调速 有关电力传动调速系统的共性问题和直流调速系统的详细分析将在第11章讨论 下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍 从直流他励电动机机械特性方程式 可知 改变串入电枢回路的电阻Rad 改变电枢供电电压U或主磁通 都可以得到不同的人为机械特性 从而在负载不变时可以改变电动机的转速 以达到速度调节的要求 故直流电动机调速的方法有以下三种 第三章直流电机的工作原理及特性3 5直流他励电动机的调速特性 改变Ra U 3 5 1电枢回路串电阻Rad调速 在直流电动机电枢电路中串接电阻 可以得到人为机械特性 且可应用于启动控制 同样用这个方法也可以调速 在负载转矩不变的情况下 串入不同的电阻可以得到不同的转速 当串接电阻后 电动机调速时的机电过程沿图中红线所示 即从稳定转速nA调至nC 缺点 1 特性变软 电阻越大特性越软 稳定度愈低2 空载或轻载时调速范围不大3 实现无级调速困难4 在调速电阻上有能量损耗 正因为缺点不少 目前已很少采用 仅在有些起重机 卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用 3 5 1电枢回路串电阻Rad调速 3 5 2改变电压调速 在一定负载转矩TL下 加上不同的电压 可以得到不同的转速 即改变电枢电压可以达到调速的目的以电压由U1突然升高至UN为例说明其升速的机电过程 1 当电压突然升高 由于转速不能突变 相应的反动电动势E也不能突变 则电枢电流随着U的突然上升将突然增加 2 则电动机的转矩也增加 即在U突变的这一瞬间 电动机的工作点由U1特性的点b过渡至UN特性的点g 实际上平滑调节时 Ig是不大的 3 由于电动机转矩大于负载转矩 系统开始加速 反向电动势E也随着转速的上升而增加 电枢电流逐渐减小 电动机转矩也相应减小 4 直至达到新的稳态点a点 n na T TL 3 5 2改变电压调速 特点 1 当电源电压连续变化时 可实现平滑无级调速 一般只能在额定转速以下调节 2 调速特性与固有特性互相平行 机械特性硬度不变 调速的稳定性较高 调速的范围较大 3 稳定后 转矩 T Kt NIa 不变 属恒转距调速 因为平滑调节时 Ig基本不变 4 可以用来实现降压启动 过去调压电源是用直流发电机组 电机放大机组 闸流管等 目前已经普遍采用晶闸管整流装置 用晶体管等脉宽调制放大器供电系统已应用于工业生产中 第11章 3 5 3改变主磁通 在不考虑励磁电路的电感时 电动机调速的机电过程如图所示 降速时沿c d b进行 升速时沿b e c进行 1 当磁通由 2上升至 1时 转速不会突变 电动机工作特性到达d点 则电动机转矩小于负载转矩 所以转速沿着特性曲线下降至b点 到达稳定点 2 相反 当磁通由 1下降至 2时 转速不会突变 电动机的工作特性如e点所示 则电动机转矩大于负载转矩 所以转速沿着特性曲线上升至c点 速度达到稳定 3 5 3改变主磁通 特点 1 可以平滑无极调节 但只能弱磁调速 特性变软 2 可实现额定转速以上调速 3 调速特性较软 且受电动机换向条件等的限制 普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1 2倍 所以调速范围不大 4 调速时维持电枢电压U和电枢电流Ia不变 即功率不变 属于恒功率调速 所以适用于恒功率调速 在调速过程中 输出功率不变的这种特性称为恒功率调速 这种调速适合于对恒功率型负载进行调速 往往和调压变速配合使用 即在额定转速以下用降压调速 在额定转速以上则用弱磁调速 什么叫制动 与启动相对 启动是从静止加速到某一稳定转速 而制动则是从某一稳定转速减速到停止 或是限制位能负载下降速度的一种运转状态 为什么要制动 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 这个过程简称为电动机的制动 第三章直流电机的工作原理及特性3 6直流他励电动机的制动特性 区别几个概念 制动和自然停车制动 电动机转速由某一稳态迅速减速到停止 或使位能负载匀速下降 自然停车 电动机脱离电网 靠较小的摩擦转矩消耗机械能使转速下降直至为零 电动和制动状态电动状态 电动机转矩T与n同向 当起重机提升重物时 电动机将电能转化为机械能 使重物以速度u上升 制动状态 电动机转矩T与n反向 此时即为制动状态 为使重物稳速下降 电动机必须发出与转速方向相反的转矩 以吸收或消耗重物的位能 否则重物会由于重力作用下降速度越来越快 又比如档生产机械由高速运转迅速降低到低速运转 或者生产机械要求迅速停车时 也需要电动机发出与旋转方向相反的转矩 以吸收或消耗机械能 使它迅速制动 制动状态的两种形式 稳定的制动状态 限制位能负载的运动速度 n不变 比如卷扬机下放重物时 过渡的制动状态 降速或停车 n减小 两种制动状态共同点 1 电动机发出的转矩与转速方向相反 2 电动机工作在发电机状态 3 电动机吸收或消耗机械能 位能或动能 并将其转化为电能反馈回电网或消耗在电枢电路的电阻中 第三章直流电机的工作原理及特性3 6直流他励电动机的制动特性 根据直流他励电动机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况 电动机的制动种类 一 反馈制动1 电枢电压突然降低时2 卷扬机下放重物时3 增大磁通量时二 反接制动1 电源反接制动2 倒拉反接制动三 能耗制动 第三章直流电机的工作原理及特性3 6 1反馈制动 特点 n n0 电动机变成发电机 把机械能变转化成电能向电源馈送 称为反馈制动 也称再生制动或发电制动 当电车由平路行驶 电磁转矩T Tr 并以速度na转速稳定在点a工作 当变为下坡时 电车位能负载转矩Tp使电车加速 转速n增加 则电动机转矩T的方向与电动运转方向相反 直到TP T Tr 电动机以nb的稳定转速控制电车下坡 第三章直流电机的工作原理及特性3 6 1反馈制动 降压调速过程中的反馈制动 当电动机电枢电压突然降低 机械特性曲线由1变为2 电枢电流将发生变化 即当U1降为U2的瞬间 电流Ib变为负值 产生制动转矩 从点b到n02这段特性上 电动机进行反馈制动 转速逐步降低 转速下降至n02时 E U2 电动机的制动电流和由它建立的制动转矩下降为零 反馈制动结束 卷扬机下放重物时 也会产生反馈制动过程 在ab段 n n0 在bc段 n n0 改变加在电枢上的电压极性 特性曲线在第三象限 在电磁转矩T与位能转矩TL的共同作用下重物迅速下降 且越来越快 此时电枢电流不断减小 电动机转矩也减小 传动系统状态由a点向b点移动 系统在重力作用下继续加速 当时 E U Ia改变方向 电动机转矩T变为正值 其方向与TL相反 电动机进入反馈制动状态 在TL的作用下 状态由b点继续向c点移动 电磁制动转矩也随之增大 直到n nc T TL 第三章直流电机的工作原理及特性3 6 1反馈制动 特点 改变电枢电路电阻Rad可以改变重物的下放速度 Rad越小 下放速度越慢 但下放时n n0 故下放重物较重时不安全 改变电枢电路中的附加电阻Rad的大小 可以调节反馈制动状态下电动机的转速 附加电阻越大 电动机转速越高 d点 为使重物下降速度不致过高 串接的附加电阻不宜过大 当他励电动机的电枢电压U或电枢电动势E中的任一个在外部条件作用下改变了方向 即二者由方向相反变为方向一致时 电动机都将运行于反接制动状态 1 把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动 2 把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动 第三章直流电机的工作原理及特性3 6 2反接制动 1 电源反接制动 U反向 首先 电动机稳定运行在第一象限中特性曲线1的点a 转速为na 若电枢电压的极性突然反接 则U的极性如图中实线所示 此时的电动势平衡方程式 进而可以推导出电源反接制动状态的机械特性表达式 此时 机械特性曲线如线2所示 其反接制动特性曲线在第二象限 系统状态变化过程 1 a点 b点 c点 系统发出与转速方向相反的转矩T 与负转矩一起作用 使电动机转速迅速下降 制动转矩也随之减小 当n下降到0时 反接制动过程结束 2 此时若电枢不变 电动机将反向启动 并将在d点 当TL为反抗转矩时 建立系统稳定平衡点 在f点 当TL为位能转矩时 建立系统稳定平衡点 1 电源反接制动 U反向 注意 反接时U与E串联相加 电流很大 应用Rad进行限流 应用 一般应用于生产机械要求迅速减速 停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上 反接电动 正向电动 反接制动 位能负载时反馈制动 第三章直流电机的工作原理及特性3 6 2反接制动 1 电源反接制动 U反向 第三章直流电机的工作原理及特性3 6 2反接制动 2 倒拉反接制动 E反向 1 开始 以na稳定运转 提升货物 2 若欲放下重物 串入附加电阻Rad 电动机运动状态由a点移至c点3 n下降 E下降 I上升 T上升4 达到点d时 电动机转速为0 重物停止上升 反电动势也为05 继续产生堵转转矩Tst 但由于仍然小于TL 电动机电枢开始反方向旋转 重物开始下降 电动机工作进入第四象限6 此时电动势E也反向 E和U同方向 电流增大 转矩增大 直到到达b点 以稳定的转速nb放下重物 注意 选用不同的Rad可改变下放速度但不能太小 交叉点必须在四象限 2 倒拉反接制动 E反向 可以看出 1 重物是靠位能负载转矩TL下放的 而电动机转矩T使反对重物下放 故电动机这时起制动作用 这种工作状态称为倒拉反接制动或电动势反接制动状态 2 适当选取不同的附加电阻可以得到不同的下降速度 附加电阻越小 下降速度越低 这种制动方式弥补了反馈制动的不足 它可以得到极低的下降