传动直流电机的工作原理及特性

1,三.基本内容,一.基本要求,二.重点与难点,四.例题分析,第三章:直流电机的工作原理及特性,2,1.基本内容,第一章节内容第二章节内容第三章节内容第四章节内容第五章节内容第六章节内容,3,一.基本要求,1.在了解直流电动机的基本结构的基础上，着重掌握直流电动机的基本工作原理，特别应掌握转矩方程式、电动方程式和电压平衡方程式；2.掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；3.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；4.学会用机械特性的四个象限来分析直流电动机的运行状态；5.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。,4,二.重点与难点,重点(1).由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推导出来的，而机械特性又是分析启动、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；(2).他励直流电动机的启动特性；(3).他励直流电动机的调压调速特性。2.难点(1).本章较难理解的内容是电流、电势的换向过程和电动机的制动过程；电动机在各种运转状态下电磁转矩 、负载转矩 、转速 、电枢电流 和电势 等符号的确定。,5,引 言,直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。 由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。,6,直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。,直流电机的优点：,(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:,1) 轧钢机、电气机车、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。 2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等,7,3.1.1 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。,8,1. 定子(磁极) :产生主磁场并起支承作用。,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。,1)主磁极：包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，其任务是产生主磁场。2)换向极：它是用来改善电枢电流的换向性能。3)机座：它一方面用来固定主磁极、换向极和端盖并作为整个电机的支架，另一方面也是电机磁路的一部分。4) 电刷装置：它包括电刷及电刷座，它们固定在定子上。,9,2. 转子(电枢):产生感应电势或产生机械转矩实现能量转换。 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。,1) 电枢铁心：它是主磁通磁路的一部分。2) 电枢绕组：它是直流电机产生感应电动势及电磁转矩以实现 能量转换的关键部分。3) 换向器：它的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电动势转换成电刷间的直流电动势；对电动机而言则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流电流。,10,1. 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。,3.1.2 直流电机的分类,直流电机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。,11,4. 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。,12,3.1.3 直流电机的基本工作原理,13,3.1.4 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直流电，以保持转矩方向不变。,14,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= KE n,15,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. 电枢回路电压平衡式,16,3. 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,17,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,18,总结:,19,3.3 直流电动机的机械特性,特点: 励磁绕组与电枢并联,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,20,3.3 直流电动机的机械特性,令：,T=KT Ia = KT Ia,即：并励电动机的磁通 = 常数，转矩与电枢电流成正比。,由以下公式,求得,21,式中：,n= f (T) 特性曲线,动画,22,（1）求n0：n0=（2）求TN：TN=9.55 根据(0，n0)和（TN ，nN）两点，就可以绘出n=(T).2、人为机械特性： 就是指改变电动机的参数（U，R）值所形成的机械特性。1）电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性。2）改变电枢电压U时的人为特性（UUN） n0-n,23,24,3）改变磁通时的人为特性（N） 注意：当磁通过分削弱后，如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载。若轻载或空载则电动机的转速又会升得过高，造成飞车。,25,例: 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,26,（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,27,二、串励电动机的机械特性,第一段，负载轻时，=C Ia ，T=KtIa= Kt或,上式表明：这时机械特性曲线具有双曲线形状，n轴是它的一条渐近线，n0趋于无穷大。,主要特点：Ia=If , 励磁电流就是它的电枢电流。,28,第二段，负载较重时，=常数，机械特性曲线近似于一条直线。 串励电机的两个优点： 1）当负载大时，电动机转速较低，当负载轻时，转速又很快上升。 2）启动时励磁电流大，因为=CIa，T=KtIa。在电网或电动机容许启动为一定值时，串励电动机的启动转矩较他励电动机要大。串励电动机绝不允许空载运行。使其反转的两种方法： A.改变电枢绕组的接线极性 B.改变励磁绕组的接线极性,29,3.4 他励电动机的起动与反转,起动,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；,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。,一般Iast限制在(1.62.0)IN。,30,2.起动方法,3.注意事项,(1) 电枢串电阻起动法,(2) 降压起动法：,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：,在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。,最大起动电压Ust为,31,(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。,（ E Ia T T0 n飞车）,32,4.反转,例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。,因为电磁转矩：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：,33,34,最大转矩 T1=(1.62.0)TN 切换转矩 T2=(1.11.2)TN,35,3.5 直流他励电动机的调速特性一.调速的概念:(1)调速的概念:当TL不变时，改变电动机的参数引起速度的变化。(2)调速即速度调节,它和速度变化的区别(3)调速的方法: (4)调速指标:二.改变电枢回路 外串电阻的方法原理介绍:这种调节方法的特点: 1).设备简单、操作方便。2).电机在空载时，改变电枢所串联的电阻基本上没有调速作用。3).调速方向是从基速向下调(指调速结果均比基速低）,36,他励直流电动机的调速,调速指标：,1、调速范围D：,2、静差率（相对稳定性）S：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。,S越小，相对稳定性越好；S与机械特性硬度和n0有关。,37,他励直流电动机的调速,D与S相互制约：,S越小，D越小，相对稳定性越好；在保证一定的S指标的前提下，要扩大D，须减少n，即提高机械特性的硬度。,38,他励直流电动机的调速,3、调速的平滑性： 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ：,越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,4、调速的经济性：主要指调速的投资、运行效率及维修费用等。,39,4).低速时特性斜率大，静差率大，稳定性不好。5).轻载时调速范围不大。6).所串电阻只能分档调节，不能连续调节。7).调速中=N，若Ia=IN,则T=KTIa属恒转矩调速.8).低速时电能损耗大.,40,三、改变电动机电枢供电电压U调速 原理介绍：只能向下调速，（从UN向下）特点： 1）电源可以连续调节，可实现无级调速 2）调速中各曲线的硬度相同。 3）调速范围大； 4）转速属于下调； 5）低速时电能损失不大。 6）恒转矩调速，T=KTNIN=TN 7）需要专门供电的调压电源。,41,四、改变电动机的主磁通原理介绍：注意：磁通不能调得太低,42,调速过程:,直至T=TC达到新的平衡。,电压U保持一定,减小磁通 。,43,(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,其调速幅度可达, 例如5302120 r/min及3101 240 r/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：,44,3.6直流他励电动机的制动特性 制动：T与n方向相反 电动：T与n方向相同 制动状态所处的外部条件和能量传递情况分为：反馈制动、反接制动和能耗制动三种。,45,一、反馈制动特点： 1、nn0 2、T与n的方向相反,46,47,二、反接制动改变U或E的方向电机运行于反接制动状态。改变U: 电源反接制动,48,改变E: 倒拉反接制动,49,1、电源反接制动2、倒拉反接制动缺点是：1）若对TL大小估计不足，本应下降的重物向上升方向运动。 2）特性硬度小，较小的转矩波动引起较大的转速波动。3)损耗比较大。三、能耗制动 能耗制动的优点： 1）不像电源反接制动那样存在着电动机反向启动的危险。 2）下放重物时不会出现倒拉反接制动那样因对TL的大小估计错误而引起重物上升的事故，运行速度也较反接制动稳定。,50,51,52,四.例题分析,例3-2 Z2-22型并励电动机，额定功率PN=2.2kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=12.2A，额定转速nN=3000r/min，最大励磁功率PfN=68.2W。试求：（1）最大励磁电流IaN；（2）额定运行时的电枢电流IaN；（3）额定转矩TN；（4）额定运行时的效率N。,53,（2）额定运行时的电枢电流 （3）额定转矩 （4）额定运行时的效率,解：（1）最大励磁电流,54,例3-5 一台直流他励电动机，其额定数据如下：PN=2.2KW，U