第三章 直流电动机的工作特性

1,第三章直流电动机的工作特性,直流电机的工作原理和基本结构直流他励电机的机械特性直流他励电机的启动特性直流他励电机的调速特性直流他励电机的制动特性直流他励电机传动系统过渡过程分析,第一节直流电机的工作原理及结构,一、直流电机的工作原理,（一）直流电动机的工作原理,载流导体在磁场中受到的力,3,当安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S极下时，总是从电刷B流出的方向，就使电动机能够连续地旋转。,当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩。,4,（二）直流发电机的工作原理,用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷A、B端的电动势确是直流电动势。,一台直流电机作为电动机运行在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。,5,直流电机的物理模型,6,7,二、直流电机的结构,8,9,第二节直流电机的铭牌数据,直流电机的额定值有：1、额定功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V),10,在额定工况下，电机出线端的平均电压,发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。,在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流,在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速,11,对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,12,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,13,上节复习,1、动力学2、电磁定律3、直流电机工作原理4、电机铭牌数据,14,一台直流发电机，其部分铭牌数据如下：PN=180kW,UN=230V,nN=1450r/min,N=89.5%，试求：该发电机的额定电流；电流保持为额定值而电压下降为100V时，原动机的输出功率（设此时=N）,15,解：（1）PN=UNININ=PN/UN=180KW/230IN=782.6A该发电机的额定电流为782.6A(2)P=IN*100/NP=87.4KW,16,一台直流电动机的额定值为：PN=180kW,UN=220V,nN=1500r/min,N=90%，求该电机的额定输入功率P1N、额定电流IN和额定输出转矩T2N,17,解：额定电流为IN=P1N/UN=177.8*103/220=808.2A额定输出转矩为T2N=PN/wN=PN/(2*pi*nN/60)=160*103/（2*3.14*1500/60)=1019N.m,18,第三节直流电机的励磁方式及磁场,一、直流电机的励磁方式,1、他励直流电机励磁绕组与电枢绕组无联接关系，而是由其他直流电源对励磁绕组供电。,2、并励直流电机励磁绕组与电枢绕组并联。,3、串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联。,4、复励直流电机两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。,19,(1)直流电机的感应电势,第四节感应电动势和电磁转矩的计算,20,(1)直流电机的感应电势,21,一台制造好的电机，它的电枢电势(V)正比于每极磁通（韦伯)和转速n（r/min),与磁密分布无关。,22,(2)直流电机的电磁转矩,一根导体的平均电磁力：,电磁转矩：,KT:转矩常数,23,电磁转矩的认识,一台制造好的电机，它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流，与磁密分布无关。,电势常数Ke和转矩常数KT决定于结构常数。它们的关系为：,24,(3)电磁功率,电枢电功率,直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转换成轴上的机械功率；直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。,机械功率,第五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T的关系n=f(T),一、机械特性方程式,26,理想空载转速,电动机带负载后的转速降,27,二、固有机械特性与人为机械特性,当他励电动机电压及磁通均为额定值时，电枢没有串联电阻时的机械特性称为固有机械特性。,（一）电枢串联电阻时的人为机械特性,28,（二）改变电压时的人为机械特性,（三）减弱电动机磁通时的人为机械特性,29,三、机械特性的绘制,（一）固有机械特性的绘制,30,（二）人为机械特性的绘制,各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。,31,（2）电枢串入0.4欧电阻的人为特性（3）U=110v的人为特性（4）磁通=0.8时的人为特性,32,解：（1）,理想空载点,额定点,33,第六节他励直流电动机的起动,一、他励直流电动机的起动方法,如直接加额定电压起动，Ia可能突增到额定电流的十多倍,34,二、他励直流电动机起动电阻的计算,（一）图解解析法,1绘制固有机械特性,2选取起动过程中的最大电流I1与电阻切除时的切换电流I2（或T1与T2）,3画出分级起动特性图,35,（二）解析法,在b点,在c点,两级起动时,推广到m级起动的一般情况,称为起动电流比,36,37,38,各分段电阻如下：,则各级起动总电阻如下：,39,三、他励直流电动机起动的过渡过程,在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等）与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性，这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等参量的突变，而必须是个连续变化的过程。,电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：1机械惯性反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不能突变。2电磁惯性反映在电枢回路电感及励磁回路电感上，它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不能突变。3热惯性它使电动机的温度不能突变。,40,电力拖动的过渡过程一般分为两种：1）机械过渡过程它只考虑机械惯性，忽略影响较小的电磁惯性。2）电气一机械过渡过程它同时考虑机械与电磁两种惯性。,（一）起动时的机械过渡过程,1电枢串固定电阻起动的过渡过程,41,负载转矩对应的负载电流，即电动机起动完毕后，保持稳定转速运行时的电枢电流,电力拖动系统的机电时间常数，是表征机械惯性的一个非常重要的物理量,其解为,或,42,或,过渡过程开始时转速的起始值,43,求出过渡过程中某一段的时间,2电枢串多级电阻起动的过渡过程,他励电动机二级起动的电路及特性,第一级起动时,44,45,46,解：,47,设,=(0.231+0.137+0.0808+0.0478)1.61s+40.0306s=0.922s,48,3加快起动过程的途径,1）减小系统的飞轮惯量，以减小机电时间常数，从而降低系统的惯性,2）在设计电力拖动系统时，尽可能设法改善起动过程中电枢电流的波形,（二）电枢电路电感对起动过程的影响,49,第二阶段，过了tz后，电动机开始加速，机械惯性与电磁惯性同时存在,或,50,其中c1及c2积分常数，由初始条件决定,1）当时，1和2为负实数,51,2）当时，1和2为负共轭复数,式中,式中,52,第七节他励直流电动机的制动,1）电动运转状态电动机转矩的方向与转速的方向相同，此时电网向电动机输入电能，并变为机械能以带动负载。,2）制动运转状态电动机转矩与转速的方向相反，此时，用电动机吸收机械能并转化为电能。,一、能耗制动,53,54,能耗制动机械特性方程式,如果按最大制动电流不超过来选择,则,当时,能耗制动时间为,55,二、反接制动,反接制动可用两种方法实现，即转速反向（用于位能负载）与电枢反接（一般用于反作用负载）。,（一）转速反向的反接制动,56,上式表明，与两者之和消耗在电枢电路的电阻上。,（二）电枢反接的反接制动,断开和，接通和,最大电流也不超过,57,（三）电枢反接时的过渡过程,1反作用负载,2位能负载,58,三、回馈制动（或称再生制动）,（一）位能负载拖动电动机,这时位能负载带动电动机，电枢将轴上输入的机械功率变为电磁功率后，大部分回馈给电网（），小部分变为电枢回路的铜耗。电动机变为一台与电网并联运行的发电机。,（二）他励电动机改变电枢电压调速,在降低电压的降速过程中，当突然降低电枢电压，感应电动势还来不及变化时，就会发生的情况，亦即出现了回馈制动状态。,59,例一台他励直流电动机的数据如下：,（1）电动机带动一个位能负载，在固有特性上作回馈制动下放，求电动机反向下放转速。,（2）电动机带动位能负载，作反接制动下放，时，转速，求串接在电枢电路中的电阻值、电网输入的功率、从轴上输入的功率及电枢电路电阻上消耗的功率。,（3）电动机带动反作用负载，从进行能耗制动，若其最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。,60,解（1）,电动机反向下放转速,（2）电枢电路总电阻,电枢串接电阻,电网输入功率,电枢电路电阻上消耗的功率,61,轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）,（3）能耗制动时最大电流出现在制动开始时，此时感应电动势为,电枢电路总电阻,电枢电路串接电阻,62,第八节他励直流电动机的调速,采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生产的需要，这种方法通常称为调速。,一、调速指标,调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标,（一）调速的技术指标,63,2静差率（或称相对稳定性）,电动机的机械特性愈硬，则静差率愈小，相对稳定性就愈高。,调速范围D与低速静差率%间的关系,允许的转速降,64,3平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。,值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。,4调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩）容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上所能输出的功率和转矩。,65,（二）调速的经济指标,调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。,66,例一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定转速，高速机械特性的理想空载转速如果额定负载下低速机械特性的转速，而相应的理想空载转速。,（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率；（2）如果生产工艺要求静差率20%，则此时额定负载下能达到的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？,67,68,二、降低电枢端电压调速,效率,69,（二）降低电源电压,降低电源电压的调速系统的机械特性方程式为,70,三、弱磁调速,弱磁调速时，机械特性方程式是：,71,弱磁调速的优点是，在功率较小的励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗小，调速的平滑性较高。由于调速范围不大，常和额定转速以下的降压调速配合应用，以扩大调整范围。,72,四、调速时的功率与转矩,在调速过程中，只要在不同转速下电流不超过额定值，电动机长时运行，其发热不会超过容许的限度。,对于他励直流电动机，转矩与功率的关系为：,降压调速时，从高速到低速，容许输出转矩是常数，称为恒转矩调速方式。而容许输出功率则正比于转速。,式中,弱磁调速时的容许输出功率为常数，称为恒功率调速方式；,73,74,第九节他励直流电动机过渡过程的能量损耗,一、空载起动的能量损耗,空载起动时,起动时由电源输向电动机的能量为,可见，电源输入电动机两倍于系统储存动能的能量，其中一半为拖动系统储存的动能，另一半为起动损耗。,75,二、空载能耗制动的能量损耗,损耗等于拖动系统所储存的动能。,76,四、空载反转过程的能量损耗,空载反转过程的能量损耗等于拖动系统动能储存量的四倍。,五、减少他励直流电动机过渡过程能量损耗的方法,（一）减少拖动系统的动能储存量,1、通常设计成细而长的形状。2、也可采用双电动机拖动，它由两台一半功率的电动机组成，这时即相当于电枢的等效长度增加，而直径减小。,77,（二）合理选择电动机的起、制动方式,比较二级与一级起动时的损耗可见，前者仅为后者的一半。同理，他励直流电动机m级改变电压起动（如发电机一电动机组）时，能量损耗可大大减小，为一级起动时的1/m。,78,第十节串励直流电动机的电力拖动,一、串励电动机的机械特性,磁路未饱和时串