模块三直流电机的工作原理及特性.ppt

模块三 直流电机的工作原理和特性 七台河职业学院 孙长青 2010年9月6日 3 2直流发电机的工作特性 3 3直流电动机的机械特性 3 1直流电机的基本结构和工作原理 3 4直流电动机的启动与反转 3 5直流电动机的调速 3 6直流电动机的制动特性 模块三 直流电机的工作原理和特性 学习要求 在了解直流电动机的基本结构的基础上 着重掌握直流电机的基本工作原理 特别应掌握转矩方程式 电势方程式和电压平衡方程式 掌握直流电动机的机械特性 特别是人为机械特性 掌握直流电动机启动 调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所 学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据 确定电动机启动等运行特性 重点 掌握直流电动机的机械特性 特别是人为机械特性 他励直流电动机的启动特性 他励直流电动机的调压调速特性 分析方法 结构 基本工作原理 转矩方程式电势方程式电压平衡方程式 机械特性 启动 调速和制动 分析依据 电磁力定律 电磁感应定律 直流电动机的定子和转子 直流电动机的定子 定子由主磁极 换向磁极 机座以及电刷装置等组成 如图所示 直流电动机的电刷装置 其作用是使转动部分的电枢绕组与外电路接通 将直流电压 电流引出或引入电枢绕组 它与换向器相配合 起整流或逆变器的作用 电刷装置由电刷 刷握 刷杆座和汇流条等零件组成 如下图所示 电刷一般采用石墨和铜粉压制烧焙而成 它放置在刷握中 由弹簧将其压在换向器的表面上 电刷杆数一般等于主磁极的数目 转子部分 转子由电枢铁心 电枢绕组和换向器等部件组成 换向器 换向器是直流电机的重要部件 在直流发电机中 它将电枢绕组内部的交流电动势转换为电刷间的直流电动势 在直流电动机中 它将电刷上的直流电流转换为绕组内的交流电流 如图所示 换向器由许多梯形铜排制成的彼此绝缘的换向片组成 换向片数与线圈元件数相同 3 1直流电机的构造和工作原理 直流发电机 将机械能变为直流电能 直流电动机 将直流电能变为机械能 一 直流电机的结构 定子 转子 直流电机 直流电机的工作原理 基于电磁力定律和电磁感应定律 主磁极 磁极对数 P 磁极数 2 气隙 换向极 磁极数 主磁极的个数 转子 电枢 定子 机座 起支撑作用 作为部分磁路 主磁极 产生主磁通 换向极 产生附加磁场 改善换向 电刷 引入或引出直流电 换向极 换向绕组 定子的作用 产生主磁场及机械支撑 励磁绕组 主磁极 转子 电枢铁心 其槽孔中放置电枢绕组 电枢绕组 产生感应电动势 电磁转矩 转轴 输入或输出机械功率 换向器 与电刷一起 共同完成直流电和交流电的转换 换向极 换向绕组 转子的作用 产生感应电动势及电磁转矩 励磁绕组 主磁极 转轴 转子 电枢线圈 转子结构图 电枢铁心硅钢片 电刷是石墨或金属石墨组成的导电块 放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面 旋转时与换向器表面形成滑动接触 电刷装置将电枢电路与外部电路连接起来 电刷 换向器 两极直流电机的磁路 磁路 当励磁绕组中通直流励磁电流时产生恒定主磁通 经主磁极铁心 空气隙 电枢铁心 磁轭 机座 形成的闭合回路 二 直流电机的基本工作原理 磁极N S不动 线圈 绕组 旋转 换向片旋转 电刷A B不动 两极直流电机模型 电枢旋转时 换向片与电刷滑动接触 为了便于分析直流电机的工作原理 将电机简化为以下模型 1 励磁绕组通过直流励磁电流 产生恒定磁场 N S 1 直流发电机的工作原理 基于电磁感应定律 2 设原动机 T1 带动电枢线圈以n旋转 3 线圈导体 有效边 切割磁场在导体内将感应交流电势e 右手定则 4 通过换向器与电刷AB输出直流电动势E 电磁感应定律 直流发电机的工作原理演示 结论 1 绕组中的感应电动势是交变的 交流 2 电刷A B间的电动势的极性是不变的 直流换向片的作用 将绕组中的交流电变换为电刷的直流电 1 发电机旋转时 电枢绕组中将产生电源电动势 e与ia方向相同 I e E 2 直流电动机的工作原理 基于电磁力定律 c d a b U 电磁力定律 3 载流的电枢导体将受到电磁力f的作用 4 所有导体产生的电磁力作用于转子 产生电磁转矩T驱动转子以n 转 分 旋转 以便拖动机械负载 2 将直流电源通过电刷接通电枢绕组 使电枢导体有电流ia流过 1 励磁绕组通过直流励磁电流 产生恒定磁场 N S 直流电动机的工作原理演示 U 2 电动机旋转时 电枢绕组中将产生反电动势 与ia反向 与电源电压U相平衡 1 电动机的电磁转矩T是驱动转矩 结论 n T ia U E 1 直流电机的可逆性 2 换向器的作用 结论 若输入机械能 可作为直流发电机 从电刷上输出直流电能 若从电刷上输入直流电能 又可作为直流电动机 从轴上输出机械能 将电机内部的交流电 外部的直流电 三 电动势和电磁转矩 E Ke n T Kt Ia Kt 9 55Ke 每极主磁通 电枢电流 结构常数 电势常数 当电枢以转速n转动时 电枢绕组的导体便会切割磁力线 产生感应电势 当电枢绕组通过电流时 与气隙磁场作用会产生电磁转矩 发电机和电动机均有电枢电势E 电磁转矩T 但性质却有很大不同 见下表 发电机 电动机 直流发电机 T与n反方向 T是制动转矩 直流电动机 T与n同方向 T是拖动转矩 T1 T T0 稳态运行时 T T0 TL 稳态运行时 E和Ia反方向 称为反电势 T0 电机空载损耗转矩 由摩擦引起的反抗转矩 E和Ia同方向 称为电源电动势 电机在发电状态和电动状态下 E和T的作用 直流电机的分类 依据励磁绕组与电枢绕组的连接方式分类 1 他励方式 他励励磁绕组 T1T2 由外电源 Uf 供电 励磁电流 If 不受电枢 H1H2 端电压 U 的影响 2 并励方式 并励励磁绕组 B1B2 与电枢 H1H2 并联 U Uf 3 串励方式 串励励磁绕组 C1C2 与电枢 H1H2 串联 Ia If 4 复励方式 复励方式有两个励磁绕组 其并励励磁绕组 B1B2 与电枢 H1H2 并联 串励励磁绕组 C1C2 与电枢 H1H2 串联 五 直流电机的额定值及分类 1 型号 2 额定值 额定功率 PN 发电机PN UNIN 电动机PN UNIN N 2 额定电压 UN 电枢电压的额定值 3 额定电流 IN 电机电流的额定值 4 额定转速 nN 额定状态下的转速 如 Z3 112 Z3 表示第三次改型设计的直流电动机 112 规格代号 11号机座 2号铁心 5 额定转矩 TN 额定状态下电动机轴上输出的机械转矩 6 励磁方式 IfN 3 2直流发电机 当保持发电机的转速n为常数时 发电机的运行主要特性有2种 空载特性 外特性 下面以他励发电机 G 为例介绍直流发电机的运行特性 他励发电机 G 电路原理图 Q G R Ra U E IaRa E 电枢电动势 Ia 电枢电流 电压平衡方程式 1 空载特性 E f If I 0 E0 2 E0 励磁电流If 0时 E E0 由剩磁通 0产生 称为剩磁电动势 E 1 与B H磁化曲线形状类似 因为 E Ke n B If H 指发电机空载时 电枢电势E与励磁电流If的关系曲线 剩磁电动势的测量 空载特性的特点 工作点通常选在特性弯曲点A附近 此时发电机磁路接近饱和而未饱和 空载特性反映了通过调整励磁电流来得到需要的电压 空载时Ia I 0 U0 E Ke n U0 空载电压 空载特性的获得 E0 剩磁电动势的测量 If 0 发电机空载 发电机以n旋转 此时测量电枢电压U即为E0 2 外特性 U f I IfN 保持If IfN n nN 电压调整率 通常他励电动机 U 5 10 反映发电机电枢端电压U随负载电流I变化的特性 3 3直流电动机的机械特性 要求 掌握电动机的机械特性 特别是人为机械特性 机械特性是根据转矩 电势 电压平衡方程式推出来的 它又是分析启动 调速和制动特性的依据 所以机械特性是电动机内容的重中之重 电动机的机械特性 电动机的电磁转矩T与转速n的关系n f T 励磁方式不同 电动机的机械特性也不同 一 他励 并励 电动机 M 的机械特性 1 机械特性的一般形式 M Ra 电路原理图 U E IaRa T Kt Ia E Ke n 转速特性 机械特性 电动机的电压平衡方程式 机械特性 n0 理想空载转速 n 带负载后的转速降 对他励 并励电动机的特性比较 硬 大 n 2 8 nN n0 n 其中 机械特性硬度 表示当转矩变化时转速的稳定度 衡量机械特性的平直程度 当U UN N 电枢回路不加附加电阻条件下 2 固有机械特性 其中 T Kt NIa 电动机稳态运行时 有 T TL T0 固有机械特性数学表达式 固有机械特性曲线 根据固有机械特性表达式画出固有机械特性曲线 n0 TN TN T0 Kt NIaN 近似固有机械特性曲线 一般情况下 可忽略T0 此时的机械特性称为近似固有机械特性 TN 额定负载转矩 近似固有机械特性为过 0 n0 TN nN 的一条直线 利用电动机的铭牌数据来求近似固有机械特性 已知铭牌数据 PN UN IN nN 0 n0 TN nN 步骤 5 利用 0 n0 TN nN 绘出近似固有机械特性 近似固有机械特性曲线 T N m n r min n0 nN TN 绘制近似固有机械特性时注意 1 Ke N UN INRa nN对一台电动机而言是唯一的 2 额定转矩TN 9 55PN nN是轴上的输出转矩 电动机反转时近似固有机械特性曲线 3 IN是额定负载时电枢绕组的电流 3 人为机械特性 当人为改变电动机的参数U 及电枢回路增加Rad时 得到的机械特性即人为机械特性 电动机的人为机械特性是对电动机控制 如启动 正反转 调速 制动停车等 的依据 1 电枢回路串接附加电阻Rad M Ra 条件 U UN N 电枢回路串接Rad 有 U E Ia Ra Rad 特点 1 n0不变 2 n n0 n 2 改变电枢电压U U UN 条件 Rad 0 N 改变U U UN 特点 1 n0 2 n不变 不变 n0 n 防止电枢绕组绝缘击穿 3 改变磁通 N 条件 Rad 0 U UN 改变 N 特点 1 n0 2 n n0 n 防止磁路饱和导致励磁线圈过热 2 串励电动机的机械特性 注意 串励电动机不允许空载 否则有n 有 U E Ia Ra Rf 3 复励电动机的机械特性 复励 串励 并励 Ra M 特点 复励电动机的机械特性界于并励 串励之间 本节小结 1 直流电动机的三大方程式 U E IaRa T Kt Ia E Ke n 转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式 一般表达式 固有机械特性 当电动机的参数为额定值时 人为机械特性 2 直流电动机的机械特性 当改变电动机的参数 U Rad 时 可得到三种人为机械特性 重点 人为机械特性 3 4直流他励电动机的启动与反转 要求掌握电动机启动和反转的各种方法 一 直流他励电动机的启动 1 启动要求 1 起动电流Ist不能太大 Ist 1 5 2 IN 2 起动转矩Tst合适 太小 Tst TL 无法启动 太大 撞击力大 会撞坏齿轮 造成机械损坏 2 直接启动存在的问题 n 0 E 0 Tst Kt NIst Rad 0 U UN N 直接启动 启动有 E Ke n 故直流他励电动机一般不能直接启动 3 启动方法 1 降压启动U 1 5 2 IN 方法 启动时降低电枢电压U 以限制启动电流 待转速n上升到一定值时 再使U UN 当n nN时 启动完毕 2 电枢回路串入起动电阻Rst 之后 随着n Rst 当n nN时 使Rst 0 启动时电枢回路内串入启动电阻以限制启动电流 1 5 2 IN Rst的选择 此时 Tst Kt NIst 以保证一定的Tst 完全切除起动电阻 启动完毕 s 缺点 在切除启动电阻时有较大的冲击 Ia Ib 1 a T TN S 切除Rst n不变 2 b 沿特性2 开始启动 串入Rst 1 Ra Rst时的机械特性2 Ra时的机械特性 分析启动过程 TL TN 由n和T决定的电动机工作点沿机械特性移动 欲使启动过程平稳 T1 1 6 2 TNT2 1 1 1 2 TN a b c d 二 电动机的反转 电动机的转动方向由电磁转矩T决定 n与T同向 反转 改变T的方向即可实现n的反转 而T Kt Ia 反向 Ia反向 反转 或 I 反转时电动机的机械特性在第三象限 注意 不能同时改变 和Ia的方向 本节小结 1 直流电动机的启动方法 2 直流电动机的反转方法 1 降压启动 常用 2 电枢回路串电阻启动 2 对调电枢绕组的接线 改变Ia的方向 1 对调励磁绕组的接线 改变 的方向 3 5直流他励电动机的调速 要求掌握电动机调速的各种方法 优缺点和应用场所 调速 在负载一定 TL一定或PL一定 的条件下 人为改变电动机的参数 Rad U 以改变电动机的稳定转速的过程 三种调速方法 Rad U n 如图 当TL一定 转速调节 nA nB Rad变化 特性1 特性2 注意调速和速度变化的区别 速度变化 由于电动机的负载转矩发生变化 增大与减小 而引起电动机转速的变化 下降或上升 如图 当TL变化 T1 T2 引起转速变化 nA nB 一 电枢回路串接Rad调速 U UN N TL一定 电枢回路串接Rad T n 0 TL 2 B n不变 沿特性2 调速过程 U Uf If M Ra E Ia n0 调速前后 1 分别运行在n nA和n nC两个稳定状态 2 工作在两个不同的机械特性上 调速特点 1 串入Rad后 2 n0不变 4 空载或轻载时 调速范围小 5 Rad消耗能量 T n 0 n0 Ra A nC TL nA 2 1 C 适用场合 低速运转时间不长的场合 如起重机 卷扬机等 3 n nN 二 改变电枢电压U U UN 条件 Rad 0 N 改变U U UN T n 0 TL 2 B n不变 沿特性2 调速过程 调速前后 1 分别运行在n nA和n nC两个稳定状态 2 工作在两个不同的机械特性上 调速特点 1 U连续变化 可实现连续无级调速 2 n0 不变 3 n nN 4 调速范围大 可与电机启动共用一套调压设备 5 恒转矩调速 适合带恒转矩负载 T n 0 n0 UN n01 U1 TL nA nC 适用场合 有调压装置及变流装置的场合 是最常用的调速方式 稳定运行时电动机的Ia IN 故调速前后T Kt NIaN 常数 且调速过程中负载转矩TL不变 故称为恒转矩调速 恒转矩调速 三 弱磁调速 N 条件 Rad 0 U UN PL一定 改变 N 1 2 B N 1 n不变 沿特性2 调速过程 调速前后 1 分别运行在n nA和n nC两个稳定状态 2 工作在两个不同的机械特性上 调速特点 1 可实现连续无级调速 n 1 2nN 2 当调整Rf n0 n 3 n n nN 若 调得很小 将使n 尤其 0 励磁回路断开 时 应注意 不要将励磁回路开路 满载则n 0 闷车 飞车 空载则n 4 调速范围小 5 恒功率调速 适合带恒功率负载 当稳定运行时 电动机的Ia IN 故调速前后P UNIN 常数 且调速过程中负载功率PL不变 故称为恒功率调速 此时电动机的T Kt Ia随 改变 弱磁调速一般不单独使用 可配合降压调速使用 n nN 采用降压调速n nN 采用弱磁调速 调速特点 恒功率调速 本节小结 直流电动机的三种调速方法 1 电枢回路串入附加电阻调速 2 改变电枢电压调速 3 改变励磁磁通调速 例1 一台直流他励电动机额定数据为 PN 17KW 电压UN 220V 电流IN 91A nN 1500r min Ra 0 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2倍 求Rst Tst 如果采用降压启动 启动电流仍限制为额定电流的2倍 电源电压应为多少 解 额定转矩TN 2 直接启动时的启动电流Ist 3 如果电枢串入启动电阻Rst后的启动电流Ist 则 Tst Kt NIst Tst Kt NIst 1 27 2 91 231N m 4 降压启动时 2IN U 2IN Ra 2 91 0 22 40V 故电源电压应为40V 例2 一台直流他励电动机额定数据为 PN 2 2KW UN 220V IN 12 4A nN 1500r min Ra 1 7 如果这台电动机在额定转矩下运行 如果忽略损耗 试求 1 电动机的电枢电压降到180V时 电动机的转速是多少 2 励磁电流If 0 8IfN 0 8 N 电动机的转速是多少 3 电枢回路中串入Rad 2 时 电动机的转速是多少 1 此时 U 180V N Rad 0 Kt N 9 55Ke N 2 此时 U UN 220V 0 8 N Rad 0 9 55 0 132 0 16N m r min 1 Ke 0 8Ke N 而 3 此时 U UN 220V N Rad 2 补充 电动机的功率平衡方程式及电动机效率 U E IaRa P1PemPCu Pem P2 P0 电动机效率 P2 P1 P2 UIa 输出机械功率 TL 9 55P2 n 1 他励电动机 各式与上面推导相同 只是电源还要提供励磁功率 2 并励电动机 P1 P2 P0 Pcu Pf 电动机效率 P2 P1 P2 UI 要求掌握电动机制动的各种方法 优缺点和应用场所 掌握电动机运行在制动状态下的特征 3 5直流他励电动机的制动特性 一 他励直流电动机的制动 1 制动与启动 制动 1 使电动机迅速准确停车 nN 0 2 使电动机稳定在某一转速上 限速 带位能负载时 启动 电动机的速度由0 nN 2 电动机的两种工作状态 电动状态 制动状态 其中 T TLT与n同向 T 驱动转矩TL 制动转矩E与Ia反向E 反电势 2 制动状态 将电能 机械能 处于电动状态 其中 T TLT与n反向 T 制动转矩TL 驱动转矩E与Ia同向E 电源电动势 提升重物匀速上升 G Ia 1 电动状态 将机械能 电能 处于制动发电状态 1 电动机接法 2 T与n反向 T 制动转矩 机械特性在二 四象限 3 E与Ia同向 E 电源电动势 电动机处于制动发电状态 4 将机械能 位能或动能 电能 反馈制动 反接制动 能耗制动 二 反馈制动 电动机在运行中 在外部条件的作用下 出现n n0 此时电动机将进入反馈发电制动 1 电车下坡时的反馈制动 3 电动机处于制动状态下特点 4 制动分类 1 电车在平路上匀速运行 2 电车下坡时 T TL Tr n naT与n同向 E与Ia反向电动机处于电动状态 1 电车在T TL共同作用下加速 2 加速到C点 n n0 T 0 电动机进入制动状态 TL Tp Tr 与n同向 n0 T n 5 b点 T Tp Tr 电动机重新达到了平衡 以n nb稳定运行在反馈制动状态 实质 将负载的位能 电能 反馈给电网 反馈制动也称再生制动或发电制动 2 电枢电压U突然下降时的反馈制动 T n 0 TL B点 若U2降低至使n02 n1 T反向 进入制动状态 电动机接法 在外部条件的作用下 出现n n0 T与n反向 T 制动转矩 机械特性在二 四象限 电动机处于制动发电状态 将机械能 电能反馈给电网 反馈制动还可发生在以下几种情况 反馈制动一般用在 对负载进行限速 调速时磁通 突然增加时 位能负载下放时 反馈制动特点 二