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船舶电力拖动（1）教案船舶电力拖动（1）课程教学总体规划教材：船舶电力拖动 哈尔滨工程大学出版社出版 主编 宋谦教学内容：船舶电力拖动第一 八章课程总时数：136教学进程：17；1417周为理论教学周；18周为考试周。项目划分：项目一：直流电机的工作原理项目二：变压器工作原理项目三：三相异步电动机的三相交流绕组项目四：三相异步电动机的结构与基本工作原理项目五：控制电动机项目一：直流电机的工作原理教学内容：船舶电力拖动第一、二章课次：1、2、3、4、5、6教学目的：1、掌握直流电动机和直流电动机的工作原理。 2、了解直流电机的主要结构和各部分的主要作用。3、掌握各种状态下的机械特性。教师活动：讲授1. 直流电机的工作原理2. 直流电机的运行原理3. 他励直流电动机的机械特性4. 他励直流电动机的启动和反转5. 他励直流电动机的制动6. 他励直流电动机的调速学生活动：1.完成课后练习 2.到电机实训室进行开放性实训重点了解直流电动机的结构；各部件的作用 3.完成项目一工学结合考核项目一：工学结合考核1.指出下图中各部件的名称2. 直流电动机各主要部件的作用1）定子1、主磁极主磁极也称为主极，其作用是产生主磁场。在一般的大中型直流电机中，主磁极一般是一种电磁铁，由主极铁心和励磁绕组组成。主极铁心通常用115mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。绕制好的励磁绕组套在铁心外面，整个主磁极用螺钉固定在机座上。各主磁极上的励磁绕组的连接必须使其通过励磁电流时，相邻磁极的极性呈N极、S极交替排列。主磁极铁心的下部(称为极靴)比套绕组的部分(称为极身)宽，这样可以使励磁绕组牢固地套在主磁极铁心上。2、换向极换向极也称为附加极或间极，其作用是改善换向。它装在两个主磁极之间，也是由铁心和绕组构成。换向极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。3、机座机座通常用铸钢或厚钢板焊接而成，它是电机的机械支撑，用来固定主磁极、换向极和端盖；同时它也是电机磁路的一部分，在磁路中，机座部分的磁路常称为磁轭。4、电刷装置电刷装置的作用是将直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。它由电刷、刷握、压紧弹簧和铜丝辫构成，如图16所示。电刷由石墨制成，固定在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之间绝缘。整个电刷装置的位置调整好后，将其固定。一般电刷装置的组数与电机的主磁极极数相等。2）转子部分1、电枢铁心电枢铁心是电机主磁路的主要部分。为减小电机内的铁心损耗，电枢铁心常采用05mm厚的硅钢片冲压叠装而成，冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内安放着电枢绕组。有的冲片上还冲有许多圆孔，以形成改善散热的轴向通风孔。2、电枢绕组电枢绕组是由一定数目按一定规律连接的线圈组成的。它是用来感应电动势和通过电流的，是直流电机电路的主要部分。线圈一般用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕制而成，嵌放在电枢铁心槽中，线圈的一条有效边嵌放在某个槽的上层，另一条有效边则嵌放在另一槽的下层，如图17所示。3、换向器换向器是由许多彼此绝缘的换向片构成的。其作用是将电刷上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。电枢绕组的每个线圈两端分别焊接在两个换向片上，换向片之间用云母绝缘，换向器结构如图18所示。3. 电枢绕组中的电流是交流还是直流电？4. 励磁绕组和电枢绕组分别加交流还是直流电？加电分别是通过什么方法送到绕组上去的？5.简单论述直流电动机和直流发电机的电磁工作原理？课程名称： 船舶电力拖动（1）课次1 本次课标题：直流电机的工作原理授课班级07413；07414上课时间周一 02月 25 日 第 1；2节上课地点551007411；07412 周一 02月 25 日 第 5；6节5403 周 月 日 第 节教学目的1、掌握直流电动机和直流电动机的工作原理。 2、了解直流电机的主要结构和各部分的主要作用。 3、明确直流电机的铭牌中有哪些主要的额定数据及其含义以及在使用电机时应当注意的事项。 教学目标能力（技能）目标知 识 目 标1、明确直流电机的铭牌中有哪些主要的额定数据及其含义以及在使用电机时应当注意的事项。 2、理解单叠绕组和单波绕组各节距的计算方法。 3、能够看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组的展开图。了解各绕组的主要特点。1、掌握直流电动机和直流电动机的工作原理。 2、了解直流电机的主要结构和各部分的主要作用。 重点难点及解决方法重点：两个定理与两个定则难点：直流电机的主要结构和各部分的主要作用解决办法：教师活动：1、 直流发电机工作原理 2、 直流电动机工作原理3、定子部分 4、转子部分 5、铭牌数据及主要系列学生活动： 思考并回答： 1、判断直流电机运行状态的依据是什么？2、何时为发电机状态？何时为电动机状态？3、直流电机由哪些主要部件组成？其作用如何？ 4、为什么定子铁心用硅钢片做?参考资料电机及拖动基础 机械工业出版社出版 主编 邵群涛电机及拖动基础机械工业出版社出版 主编 顾绳谷第一节 直流电机的工作原理直流电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，它能使绕组在气隙磁场中旋转感生出交流电动势，并依靠换向装置，将此交流电变为直流电。其产生交流电的物理根源在于，电机中存在磁场和与之有相对运动的电路，即气隙磁场和绕组。旋转绕组和静止气隙磁场相互作用的关系可通过电磁感应定律和电磁力定律来分析。根据电磁感应定律，在恒定磁场中，当导体切割磁场磁力线时，导体中将感应电动势。如果磁力线、导体及其运动方向三者互相垂直，则导体中产生的感应电动势的大小为 (11)式中，B为磁感应强度，单位为T；为导体切割磁力线的有效长度，单位为m；为导体切割磁场的线速度，单位为ms；为导体感应电动势，单位为V。图11 载流导体在磁场内受到的电磁力及左手定则依据电磁力定律，当磁场与载流导体相互垂直时，如图11(a)所示，作用在载流导体上的电磁力为 (12)式中，为载流导体中电流，单位为A；为电磁力，单位为N。电磁力的方向用左手定则确定，如图11(b)所示。一、直流发电机的工作原理 直流发电机的工作原理是基于导体切割磁力线感应电动势的基本原理。但要将绕组中感应的交流电动势变为外电路的直流电动势，则需要经过一套机械整流装置，即换向片和电刷。直流发电机的工作原理如图12所示。图中N、S是固定的磁极，abcd是旋转电枢铁心上的某个线圈，线圈的两个出线端分别接到互相绝缘的两个换向片1、2上，换向片固定在转轴上，随转轴一起转动，电刷A、B固定不动，并与换向片接触将线圈与外电路的负载接通。 图12 直流发电机工作原理(a)导体ab和cd分别处在N极和S极下时；(b)导体cd和ab分别处在N极和S极下时 二、直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理是基于载流导体在磁场中受力产生电磁力形成电磁转矩的基本原理。但要获得恒定方向的转矩，需将其外电路的直流电流变为绕组中的交流电流，即同样需要机械整流装置。直流电动机的基本结构与直流发电机相同，如图13所示，此时A、B电刷接在直流电源上，电机的轴上带着被拖动的负载。图13 直流电动机的工作原理(a)起始位置；(b)转过半周时的位置当直流电流从电刷A流人，经换向片1、线圈abcd、换向片2，由电刷B流出时，如图13(a)所示，载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，据左手定则，使线圈沿逆时针方向转动。当电枢转过半周时，如图13(b)所示，dc处于N极下，ab处于S极下，此时电流仍从电刷A流入，经换向片2、线圈dcba、换向片1，最后由电刷B流出，据左手定则，此时线圈仍然沿逆时针方向转动。因此，电枢将沿一个恒定方向转动。实际上，直流电动机的电枢上有许多线圈，这些线圈产生的电磁转矩合成为一个总的电磁转矩，拖动负载转动。总之，在上述直流电动机的工作过程中，单从电枢线圈的角度看，每个导体中的电流方向是交变的；但从磁极看，每个磁极下导体中电流的方向是固定的，即不管是哪个导体运行到该极下，其中的电流方向总是相同的。因此，直流电动机可获得恒定方向的电磁转矩，使电机持续旋转。这就是直流电动机的工作原理。第二节 直流电机的基本结构和铭牌数据一、直流电机的结构在电机中，要实现机电能量的转换，电路和磁路之间必须有相对运动。所以旋转电机必须具备静止的和旋转的两大部分，而且这两部分之间有一定大小的间隙(称为气隙)，以便储存磁能。静止的部分称为定子。直流电机定子的作用是产生磁场并作为电机的机械支撑。它包括主磁极、换向极、机座、端盖、轴承和电刷装置等。旋转部分称为转子。直流电机转子又称为电枢，其作用是感应电动势产生电磁转矩，以实现能量转换。它包括电枢铁心，电枢绕组，换向器、轴和风扇等。图14是直流电机的主要部件图，图15是直流电机的径向剖面图。图14 直流电机主要部件图前端盖；(b)风扇；(c)定子；(d)转子；(e)电刷装置；(f)后端盖下面简要介绍直流电机的主要结构部件的基本结构及其作用。图15 直流电机的径向剖面示意图1一电枢铁心；2一主磁极；3一励磁绕组；4一电枢齿；5一换向极绕组；6一换向极铁心；7一电枢槽；8一底座；9电枢绕组；10极掌(极靴)；11磁轭(机座)（一）定子部分1、主磁极主磁极也称为主极，其作用是产生主磁场。在一般的大中型直流电机中，主磁极一般是一种电磁铁，由主极铁心和励磁绕组组成。主极铁心通常用115mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。绕制好的励磁绕组套在铁心外面，整个主磁极用螺钉固定在机座上。各主磁极上的励磁绕组的连接必须使其通过励磁电流时，相邻磁极的极性呈N极、S极交替排列。主磁极铁心的下部(称为极靴)比套绕组的部分(称为极身)宽，这样可以使励磁绕组牢固地套在主磁极铁心上。2、换向极换向极也称为附加极或间极，其作用是改善换向。它装在两个主磁极之间，也是由铁心和绕组构成。换向极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。3、机座机座通常用铸钢或厚钢板焊接而成，它是电机的机械支撑，用来固定主磁极、换向极和端盖；同时它也是电机磁路的一部分，在磁路中，机座部分的磁路常称为磁轭。4、电刷装置图16 电刷装置1一刷握；2一铜丝辫；3一压紧弹簧；4一电刷电刷装置的作用是将直流电压、直流电流引入或引出电枢绕组。它由电刷、刷握、压紧弹簧和铜丝辫构成，如图16所示。电刷由石墨制成，固定在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之间绝缘。整个电刷装置的位置调整好后，将其固定。一般电刷装置的组数与电机的主磁极极数相等。（二）转子部分1、电枢铁心电枢铁心是电机主磁路的主要部分。为减小电机内的铁心损耗，电枢铁心常采用05mm厚的硅钢片冲压叠装而成，冲片圆周外缘均匀地冲有许多齿和槽，槽内安放着电枢绕组。有的冲片上还冲有许多圆孔，以形成改善散热的轴向通风孔。2、电枢绕组电枢绕组是由一定数目按一定规律连接的线圈组成的。它是用来感应电动势和通过电流的，是直流电机电路的主要部分。线圈一般用带绝缘的圆形或矩形截面导线绕制而成，嵌放在电枢铁心槽中，线圈的一条有效边嵌放在某个槽的上层，另一条有效边则嵌放在另一槽的下层，如图17所示。3、换向器换向器是由许多彼此绝缘的换向片构成的。其作用是将电刷上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。电枢绕组的每个线圈两端分别焊接在两个换向片上，换向片之间用云母绝缘，换向器结构如图18所示。图17 线圈在槽内安放示意图 图18 直流电机换向器1 一上层有效边；2、5一端接部分；3一下 1一换向片；2一云母片；3一V形云母套简；层有效边；4一线圈尾端；6一线圈首端 形钢环；5一钢套；6一绝缘套筒；7一螺旋压圈二、直流电机的铭牌数据每台直流电机的机座上都钉有一个铭牌，如图19所示。铭牌上面标注着额定数据和使用条件。额定数据是电机制造厂按照国家标准的要求，对电机的一些电量或机械量所规定的数据。当电机运行时，其电量和机械量均符合所规定的要求，称电机运行于额定工况。（一）直流电机的型号和主要系列电机的铭牌上都标有电机的型号。直流电机的型号很多，各有其不同的结构特点和使用范围。一般用途的直流发电机的类型代号为ZF、，直流电动机的类型代号为Z(或ZD)；电机类型代号后面的数字表示电机的尺寸和规格。如图19所示直流电机的型号为Z395，其中Z表示直流电动机，注脚3表示第三次改型设计，后面的第一个数字9表示机座号，第二个数字5表示铁心长度。图19 直流电动机的铭牌举例（二）额定值1、额定功率PN(单位为kw或w)额定功率是指电机在额定条件下运行时的输出功率。对于发电机是指电枢端输出的电功率，有 (13)对于电动机是指轴上输出的机械功率，有 (14)式中N为电机的额定效率。2、额定电压UN (单位为V)额定电压是指电机在额定条件下运行时，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压。3、额定电流IN(单位为A)额定电流是指在额定电压和额定负载时允许直流电动机长期输入的电流或允许直流发电机长期输出的电流。4、额定转速(单位为rmin)额定转速是指电机在额定电压和额定负载时的转速。此外，铭牌上还标有额定励磁电压UfN(单位为V)、额定励磁电流IfN(单位为A)、额定效率N、极对数p和励磁方式等。电机在实际应用时，是否处于额定运行状态，要由负载大小来决定。一般不允许电机超过额定值运行，因为这会降低电机的使用寿命，甚至损坏电机；但电机长期处于低负载下工作，就不能得到充分利用，效率降低、不经济，所以应根据负载情况选用电机，使电机接近于额定状态运行，才是经济合理的。三、直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式，也称为激磁方式，是指电机励磁电流的供给方式。按照励磁方式，直流电机可分成他励和自励两大类。直流电机的运行特性随励磁方式的不同有很大差别。图110 直流电机各种励磁方式接线图他励式；(b)并励式；(c)串励式；(d)复励式（一）他励式他励式直流电机励磁绕组的电流由其他电源供给，励磁绕组与电枢绕组不相连接，如图110(a)所示。（二）自励式自励式发电机是利用自身发出的电流励磁，自励式电动机的励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。自励式直流电机又可分为并励、串励和复励三种。1、并励式。并励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组是并联的，如图110(b)所示。2、串励式。串励式直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联的，如图110(c)所示。3、复励式。复励式直流电机的主极上有两个励磁绕组，其中一个与电枢绕组并联，另一个和电枢绕组串联，如图110(d)所示。当串励绕组与并励绕组产生的磁动势方向相同时，称为积复励；当两者所产生的磁动势方向相反时，称为差复励。课程名称： 船舶电力拖动（1）课次2 本次课标题：直流电机的运行原理授课班级07411；07412上课时间周三 02月 27 日 第 1；2节上课地点550707413；07414 周三 02月 27 日 第 5；6节5403 周 月 日 第 节教学目的了解直流电机的电枢反应、电枢电动势和电磁转矩教学目标能力（技能）目标知 识 目 标1、掌握电枢电动势和电磁转矩的计算公式。 2、理解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩的性质。1、了解电枢反应对电机的影响；如何抵消电枢反应的影响。重点难点及解决方法重点：电枢反应对电机的影响难点：如何抵消电枢反应的影响。解决办法：教师活动：分析： 1、直流电机的空载磁场 2、直流电机负载时的磁场 3、直流电机的电枢反应学生活动： 思考并回答： 1、电枢反应对电机有什么影响？ 2、直流电发电机和直流电动机的电枢反应有哪些共同点？有哪些主要区别？ 3、直流发电机和直流电动机的电枢电动势的性质有何区别，它们是怎样产生的？4、直流发电机和直流电动机的电磁转矩的性质有何区别，它们又是怎样产生的？ 5、电磁转矩与什么因素有关？如何确定电磁转矩的实际方向？ 参考资料电机及拖动基础 机械工业出版社出版 主编 邵群涛电机及拖动基础机械工业出版社出版 主编 顾绳谷第三节 直流发电机的运行原理一、直流发电机的基本方程式直流发电机稳态运行时，其电压、电流、转速、转矩、功率等物理量都保持不变且相互制约，其制约关系与电机的励磁方式有关，本节以他励直流发电机为例介绍直流发电机的电动势平衡方程式、转矩平衡方程式和功率平衡方程式。(一)电动势平衡方程式1、发电机空载运行时的电动势平衡方程式他励直流发电机空载运行时，电枢电流Ia=0，则电枢绕组的感应电动势Ea等于端电压U。2、发电机负载运行时的电动势平衡方程式他励直流发电机负载运行时，原动机带动电枢旋转，电枢绕组切割气隙磁场产生感应电动势Ea，在感应电动势Ea的作用下形成电枢电流Ia，其方向与感应电动势Ea相同。电枢电流流过电枢绕组时，形成电枢压降Iara；由于电刷与换向器之间存在接触电阻，电枢电流流过时，形成接触压降U。各物理量的正方向如图111所示，则直流发电机的电动势平衡方程式为： Ea=U+Iara+2U=U+ Iara (15)式中ra电枢电阻；2U正负电刷的总接触压降；Ra电枢电阻和电刷接触电阻之和。由直流发电机的基本工作原理知，EaU。 (二)转矩平衡方程式原动机带动电动机的电枢旋转，提供给电动机的转矩为T1(称为输入转矩)，该转矩是拖动性质的转矩，其方向与电机旋转方向相同，它克服电磁转矩T(制动性质的转矩)和机械摩擦等引起的制动性转矩T0(称为空载转矩)，使电机以某一转速稳定运行，因此 Tl = T+T0 (16)(三)功率平衡方程式直流发电机是把机械能转变成直流电能的装置。原动机拖动发电机的电枢旋转，输入机械能；电枢绕组切割磁力线，在绕组中产生交变的感应电动势，通过换向器与电刷的配合作用从电刷端输出直流电能。在能量转换过程中，因机械摩擦的作用会消耗一部分机械能，用机械损耗功率pm来表示；由于电枢旋转，使电枢铁心中形成交变磁场，从而产生磁滞和涡流损耗，用铁损耗功率pFe(简称铁耗)来表示；又因电路中存在电阻，会消耗一部分电能，用铜损耗功率pcu来表示；此外，还有一部分能量损耗称为附加损耗ps(又称杂散损耗)，其产生原因复杂，难以准确计算，约占额定功率的051。根据能量守恒原理，所有损耗能量和输出能量之和等于输入的机械能。以上能量关系，可用功率平衡方程式表示 P1=P2+p=P2+pm+pFe+ps+pcu (17)式中P1输入功率；P2输出功率；P总损耗功率，p=pm+pFe+ps+pcu。第四节 直流电动机运行原理与直流发电机类似，直流电动机的运行性能也与励磁方式有关，本节以他励直流电动机为例介绍直流电动机的电动势平衡方程式、转矩平衡方程式和功率平衡方程式。一、基本方程式(一)电动势平衡方程式图117他励直流电动机在外加电源电压U的作用下，电枢绕组中流过电枢电流；电流在磁场的作用下，受到电磁力的作用，形成电磁转矩；在电磁转矩的作用下，电枢旋转；旋转的电枢切割磁力线，产生感应电动势，其方向与电枢电流相反，是反电动势。各物理量的正方向如图117所示，则他励直流电动机稳定运行时的电动势平衡方程式为U=Ea+Iara+2U=Ea+IaRa (110)式中 ra电枢电阻；2U正负电刷的总接触压降；Ra电枢电阻和电刷接触电阻之和。由直流电动机的基本工作原理知，UEa。(二)转矩平衡方程式对直流电动机来说，电磁转矩是拖动性质的转矩，与负载转矩TL，和空载转矩T0相平衡，即 T=TL+T0 (111) (三)功率平衡方程式直流电动机从电网吸取电能，除去电枢回路的铜损耗pCu。(包括电刷接触铜损耗)；其余部分便是电枢所吸收的电功率，即电磁功率PM，也是电动机获得的总机械功率Pm，因此和发电机一样，电动机的电磁功率也可以写成： (112)电磁功率在补偿了机械损耗pm、铁耗pFe，和附加损耗ps以后，剩下的部分即是对外输出的机械功率P2，所以PM=pm+pFe+ps+P2=p0+P2 (113)最后可写出直流电动机的功率平衡方程式为P1=PCu+PM =pCu+pm+p Fe十ps+P2 =p+P2 (114)二、工作特性图118 直流电动机工作特性直流电动机的工作特性是指U=UN，励磁电流If=IfN，电枢回路不外串任何电阻时，电动机的转速n、电磁转矩T和效率分别与输出功率P2之间的关系。在实际运用时，因为电枢电流Ia较易测量，且Ia随输出功率的变化而变化，所以电动机的工作特性常表示为电动机的转速n、电磁转矩T、效率分别与电枢电流之间的关系，如图118所示。(一)转速特性 转速特性是指当U=UN、If=IfN，电枢回路不外串任何电阻时，电动机的转速与输出功率之间的关系，即n=(P2)。 由 U=Ea+IaRa 和 Ea=Cen得转速公式 (115) 当输出功率增加时，电枢电流增加，电枢压降IaRa增加，使转速下降；同时由于电枢反应的去磁作用，使转速上升。上述二者相互作用的结果，使转速的变化很小。 电动机转速随负载变化的稳定程度用电动机的额定转速调整率nN表示： nN=100 (116) 式中 n0空载转速； nN额定负载转速。 并励直流电动机的转速调整率很小，nN约为38。 (二)转矩特性 转矩特性是指U=UN、If=IfN、电枢回路不外串任何电阻时，电动机的电磁转矩与输出功率之间的关系，即T=(P2)。 由式TL=可知，当负载增加、转速略有下降时，T=(P2)的关系曲线略向上弯曲。根据转矩平衡方程式T=TL+To，在TL=(P2)的曲线上叠加空载转矩曲线可得T=(P2)的关系曲线。 (三)效率特性直流电动机的效率特性与发电机相同，此处不再赘述。课程名称： 船舶电力拖动（1）课次3 本次课标题：他励直流电动机的机械特性授课班级07413；07414上课时间周五 02月 29 日 第 1；2节上课地点551007411；07412 周五 02月 29 日 第 5；6节5403 周 月 日 第 节教学目的1、掌握电力拖动系统的转动方程式及转矩、转速正方向的规定原则。 2、熟练掌握他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性。 教学目标能力（技能）目标知 识 目 标1、熟练掌握他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性。 2、掌握电力拖动系统稳定运行的条件，会分析判断系统的稳定性。1、掌握电力拖动系统的转动方程式及转矩、转速正方向的规定原则。 2、了解各种典型负载的转矩特性及其特点。重点难点及解决方法重点：熟练掌握他励直流电动机的固有机械特性和人为机械特性。难点：了解各种典型负载的转矩特性及其特点。解决办法：教师活动：1、运动方程式 2、运动方程式中转矩正、负号的规定 3、机械特性表达式 4、固有机械特性和人为机械特性 5、机械特性的求取 6、电力拖动系统稳定运行条件 学生活动： 思考并回答： 1、什么是电力拖动系统？举例说明电力拖动系统都由哪些部分组成。 2、怎样判断运动系统是处于动态还是处于稳态？ 3、生产机械的负载转矩特性常见的有哪几类？ 4、比较反抗性负载与位能性负载？ 5、研究人为机械特性的意义是什么？ 6、什么是机械特性上的额定工作点？什么是额定转速降？ 7、为什么说，若电动机的机械特性是向下倾斜的，则系统便能稳定运行？ 参考资料电机及拖动基础 机械工业出版社出版 主编 邵群涛电机及拖动基础机械工业出版社出版 主编 顾绳谷第三节 他励直流电动机的机械特性 电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩M的关系曲线，即。 需要指出的是，电动机的电磁转矩M与电动机轴上的输出转矩M2不同，他们之间相差一个空载转矩M0，但由于空载转矩M0与电动机的电磁转矩M相比，比较小，一般在工程计算中常忽略不计，因此可以近似地认为电动机的电磁转矩M与电动机轴上的输出转矩M2相等。一、他励直流电动机的机械特性方程式 根据他励直流电动机的基本方程式(本章分析忽略电刷的接触压降) 可以得到其机械特性方程式为 （28）在机械特性方程式(28)中，电源电压U、电枢总电阻Ra和每极磁通一般不变，则可得到他励直流电动机机械特性(如图2-6所示)是一条向下倾斜的直线。 下面对机械特性方程式作简要分析。（一）理想空载转速n0图2-6他励直流电动机的机械特性 在机械特性方程式(28)中，令电磁转矩M=0时，可得 (29)式中，n0称为电动机的理想空载转速，如图2-6中n0所示。根据理想空载转速的表达式(29)可知，改变电压U和每极磁通，可以得到不同大小的理想空载转速。 实际运行的电动机，电磁转矩M不可能为零，至少应等于空载转矩M0，因此电动机的实际空载转速比理想空载转速要小一些，如图2-6 中所示。故实际空载转速应为 = (2-10)（二）机械特性曲线的斜率 在机械特性方程式(28)中，令=，称为机械特性曲线的斜率，则电动机带负载后的转速降为 = M （211)这样，机械特性方程式可简写为 n=n0M (2-12) 由式(212)可知，越大，转速降越大，表明机械特性越软；反之，机械特性越硬。机械特性的硬度也可用额定转速的变化率来表示。定义为 = (213)（三）电枢反应对机械特性的影响 当电动机的负载增大时，由于电枢反应的影响，将产生去磁作用，从而使得每极磁通略微减小，由机械特性方程式(28)可知，电动机的转速n将回升，使得机械特性在负载较大时出现上翘的现象，如图27所示。这种上翘的机械特性曲线将影响拖动系统的稳定运行。图2-7 电枢反应对机械特性的影响 为了避免机械特性上翘，常在主磁极上外加匝数很少的串励绕组，让其产生的磁动势抵消电枢反应的去磁作用，实质上是将他励直流电动机变成了积复励直流电动机，但由于串励绕组磁动势较弱，其机械特性与不考虑电枢反应的他励直流电动机相同，所以仍然将该电动机视为他励电动机。上述的串励绕组被称为稳定绕组。 电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性。二、他励直流电动机的固有机械特性 固有机械特性是指外加额定电压UN、电枢回路中没有串接附加电阻，且励磁电流为额定电流IfN。时的机械特性，其方程式为 （214）式中，N为额定励磁电流IfN时的每极磁通(忽略电枢反应的影响)。 根据方程式(214)可以绘出他励直流电动机的固有机械特性，如图28、图29和图210中的直线1所示。由于电枢回路电阻较小，所以他励直流电动机的固有机械特性较硬。课程名称： 船舶电力拖动（1）课次4 本次课标题：他励直流电动机的启动和反转授课班级07413；07414上课时间周一 03月 3 日 第 1；2节上课地点551007411；07412 周一 03月 3 日 第 5；6节5403 周 月 日 第 节教学目的1、掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动过程中工作点变化情况。 2、掌握各种制动状态下的机械特性、制动电流和制动电阻的计算。 教学目标能力（技能）目标知 识 目 标1、掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动过程中工作点变化情况。 2、掌握各种制动状态下的机械特性、制动电流和制动电阻的计算。 3、掌握他励直流电动机的调速方法和调速性能指标的含义、调速范围与静差率之间的关系。 1、掌握他励直流电动机的起动方法。2、了解各种调速方法的优缺点。重点难点及解决方法重点：掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动过程中工作点变化情况。难点：他励直流电动机的调速方法和调速性能指标的含义、调速范围与静差率之间的关系。解决办法：教师活动：1、运动方程式 2、运动方程式中转矩正、负号的规定学生活动： 思考并回答： 1、判断直流电机运行状态的依据是什么？2、何时为发电机状态？何时为电动机状态？3、直流电机由哪些主要部件组成？其作用如何？ 4、为什么定子铁心用硅钢片做?参考资料电机及拖动基础 机械工业出版社出版 主编 邵群涛电机及拖动基础机械工业出版社出版 主编 顾绳谷第四节 他励直流电动机的启动和反转电动机从静止状态到稳定运行状态的过渡过程称为启动过程或简称启动。电动机在启动瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为启动电流，用表示；相应的电磁转矩称为启动转矩，用表示。生产机械对电动机的启动有如下要求：(1)要有足够大的启动转矩，(2)启动电流必须在允许范围内；(3)启动时间短；(4)启动设备简单、经济、可靠。 下面介绍他励直流电动机常用的启动方法。一、直接启动 直接启动是指接通励磁电源后，将电动机的电枢直接投入额定电压的电源上启动。直接启动又称为全压启动。由于启动瞬间，转速等于零，电枢绕组的感应电动势，则启动电流为由于电枢绕组的电阻Ra很小，所以启动电流很大，可达到额定电流的十几倍。此时，启动转矩也很大。图211 直接启动时的机械特性 直接启动的过程可用图211所示的机械特性曲线来说明，机械特性曲线的斜率由电枢电阻决定。假设电动机的负载转矩为额定转矩，即ML=MN，当电枢接通电源，即加上额定电源电压UN时，启动转矩ML，使系统加速，电动机的转速升高。随着电动机转速的升高，感应电动势增大，使电枢电流Ia减小，电磁转矩也相应减小，直到M=ML=MN为止，即直到电动机的机械特性与负载特性的交点a处，此时电动机的转速为额定转速nN，启动过程结束。 直接启动不需要专用设备，操作简单，但启动电流较大，可达额定电流的十几倍，造成换向困难，容易引起环火；而且过大的启动电流还会使电网电压发生瞬时跌落，影响电网上其他设备的正常工作；同时，过大的启动电流将产生很大的启动转矩，使传动机构受到很大的冲击力，容易损坏设备。所以直接启动只限用于容量很小的直流电动机。二、电枢回路串电阻启动 为限制启动电流，启动时在电枢回路串联可变电阻(通常称为启动电阻)，待转速上升后再逐步将启动电阻切除。电枢回路串联启动电阻启动时的启动电流为 (2-20) 可见，只要启动电阻选得合适，就可将启动电流限制在允许的范围内。 启动电阻一般是被逐级切除的，通常利用接触器来切除。图212(a)给出了他励直流电动机串三级电阻启动的电路图，图中KM为接通电源的接触器主触点，KMl、KM2、KM3分别为启动过程中切除启动电阻、的三个接触器主触点。 启动时，调节励磁电流为额定励磁电流，然后闭合KM，接入电源，断开KMl、KM2、KM3，使启动电阻全部接人，电动机将启动升速。在此过程中，逐一闭合KMl、KM2和KM3，使启动电阻全部切除，启动过程结束。这一启动过程可通过图212(b)的启动特性图加以说明。图212 他励电动机启动（a）电路图；(b)特性图 启动开始瞬间，启动电流=，一般限制在(225)，此时对应的启动转矩为=，相应的人为机械特性如图212(b)中的直线1所示。由于大于负载转矩，因此电动机开始启动。随着转速的上升，感应电动势增大，使电枢电流和电磁转矩逐渐减小，它们沿着图中直线1的箭头所指方向变化。当转速升高至n1，电磁转矩降至 (电动机工作在直线1的6点)时，接触器KMl触点闭合，将电阻短路。与电磁转矩对应的电枢电流称为切换电流，一般取为(1112)IN。电阻切除后的人为机械特性如图212(b)中的直线2所示。由于机械惯性，转速不能突变，仍然为n1，而此时电动机的工作点由直线1的6点沿水平方向跃变到直线2的c点，选择适当的值，可使c点的电磁转矩值等于。这样，电动机又进一步加速，转矩与转速便沿直线2的箭头所指方向变化，直到转速升高至n2，相应地电磁转矩降为 (电动机工作在直线2的d点)时，接触器KM2触点闭合，将电阻短路。电阻切除后的人为机械特性如图212(b)中的直线3所示，此时电动机的工作点由直线2的d点沿水平方向跃变到直线3的e点。同理，选择适当的值，可使e点的电磁转矩值也等于。这样，电动机又进一步加速，转矩与转速便沿直线3的箭头所指方向变化。以此类推，在最后一级电阻切除后，电动机将过渡到固有机械特性上，如图212(b)中的直线4所示，并沿固有机械特性加速，到达h点时，电磁转矩与负载转矩相平衡，电机便稳定运行在h点，整个启动过程结束。 这种启动方法的缺点是，采用的启动变阻器对大容量的电动机来说较笨重，而且启动过程中损耗也很大。三、降压启动 当他励直流电动机的电枢回路由专用的可调直流电源供电时，通过调节加到电枢上的电压，也可限制启动电流。 图213给出了他励直流电动机降压启动过程的机械特性图。启动前调节好励磁电流，然后将电枢电压由低到高逐步增大，电动机的转速也将逐步增大，同时使启动电流限制在一定范围之内。 降压启动是一种比较理想的启动方法，启动过程中损耗小，启动比较平稳，但须有专用的可调直图213 降压启动的机械特性流电源，多用于要求经常启动的场合和大中型电动机的启动，例如实际使用的直流伺服系统就多采用降压启动方法。 课程名称： 船舶电力拖动（1）课次5 本次课标题：他励直流电动机的制动授课班级07411；07412上课时间周三 03月 5 日 第 1；2节上课地点550707413；07414 周三 03月 5 日 第 5；6节5403 周 月 日 第 节教学目的1、掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动过程中工作点变化情况。 2、掌握各种制动状态下的机械特性、制动电流和制动电阻的计算。 教学目标能力（技能）目标知 识 目 标1、掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动过程中工作点变化情况。 2、掌握各种制动状态下的机械特性、制动电流和制动电阻的计算。 3、掌握他励直流电动机的调速方法和调速性能指标的含义、调速范围与静差率之间的关系。 1、掌握他励直流电动机的起动方法。2、了解各种调速方法的优缺点。重点难点及解决方法重点：掌握能耗制动、反接制动、回馈制动的方法、特点、能量关系，制动过程中工作点变化情况。难点：他励直流电动机的调速方法和调速性能指标的含义、调速范围与静差率之间的关系。解决办法：教师活动：1、运动方程式 2、运动方程式中转矩正、负号的规定学生活动： 思考并回答： 1、判断直流电机运行状态的依据是什么？2、何时为发电机状态？何时为电动机状态？3、直流电机由哪些主要部件组成？其作用如何？ 4、为什么定子铁心用硅钢片做?参考资料电机及拖动基础 机械工业出版社出版 主编 邵群涛电机及拖动基础机械工业出版社出版 主编 顾绳谷第五节 他励直流电动机的制动 一、能耗制动 能耗制动是把运行在电动状态下的电机的电枢从电网上切除，并接在一个外加的制动电阻Rbk上构成闭合回路，控制电路如图214(a)所示。制动时，保持励磁电流的大小和方向不变，使接触器KMl常闭触点断开，切断电源，常开触点闭合，接入制动电阻Rbk，电动机进入制动状态，如图214(b)所示。图214 能耗制动(a)能耗制动控制线路图；(b)能耗制动时的电路图 电动机在制动开始瞬间，由于惯性作用，因此转速仍保持与原电动状态时相同的方向和大小，则电枢绕组的感应电动势Ea的大小和方向也与原电动状态时相同，而此时电枢绕组与外串电阻Rbk构成回路，外加电枢电压为零，所以回路中电流为 与电动状态时的电枢电流的方向相反，从而电动机的电磁转矩也将改变方向，与电动状态时相反，而电机的转速方向与电动状态时相同，所以此时电机的电磁转矩方向与转速方向相反，电机处于制动状态。