电机及电力拖动自动控制系统第3章直流电机原理

第3章直流电机原理,1,3.13.23.33.43.5,直流电机的结构和基本工作原理直流电机的电枢绕组和铭牌参数直流电机的感应电势和电磁转矩直流电动机的运行,第3章直流电机原理,直流电机运行示例,第3章直流电机原理,2,3.1,直流电机的结构和工作原理,3.1.1直流电机的结构,3,第3章直流电机原理直流电机结构图,端盖,磁轭,主磁极励磁绕组,电枢绕组电枢铁心,换向器,电刷装置,轴端盖,轴承,风扇,换向极绕组,换向磁极,4,第3章直流电机原理直流电机横向剖面图主极铁心,励磁绕组,定子磁轭换向极电枢齿,电枢槽,极靴,换向极绕组电枢导体电枢铁心底脚,5,第3章直流电机原理直流电机主要由定子（固定部分）和转子（转动部分）两,大部分组成。,第3章直流电机原理,6,1.定子(stator),产生磁场和作电机的机械支撑,7,主磁极,机座,励磁绕组,绝缘,框架,电枢铁心,换向极,主磁极主磁极铁心,第3章直流电机原理主磁极和机座螺栓机座,第3章直流电机原理换向极和电刷,换向极绕组,铜丝辫,压紧弹簧电刷换向极铁心刷握8,第3章直流电机原理,9,2.转子(rotor)(电枢armature),电枢铁心和绕组,换向器,转轴和风扇,第3章直流电机原理,10,电机装配图,第3章直流电机原理3.1.2直流电机工作原理电动机工作原理,AUX,NiaS,ia,f,f,Tem,XUA,NiaS,ia,f,f,Tem,线圈边中电流不改变方向，则平均Tem=0。11,a,b,c,d,a,b,c,d,Na,第3章直流电机原理电动机工作原理,B1A,B2,换向片,电刷,U,iaXS,f,Tem,fU,X,B1,B2,iaAS,f,f,Tem,电刷和换向片的作用是什么？,线圈边切割磁力线会产生什么？12,Neaia,ea,eia,ea,a,b,c,d,a,b,c,d,第3章直流电机原理,13,有磁场，电源通过电,刷和换向器向电枢绕组通入直流电。根据电磁力定律，直流电动机电枢绕组产生电磁力矩，驱动机械负载。同时，根据电磁感应定律，电枢绕组内部也产生感应电势反电动势。输入的直流电能克服反电动势，通过气隙磁场做功，电能转换成机械能。,14,直流电源,交流电流,电磁转矩(拖动转矩),换向,机械负载,旋转,克服,反电动势,做功,第3章直流电机原理电动机的电磁关系,外加电源电刷和换向器,电枢绕组内部,气隙磁场,转子,ea,NeaS,B1AXB2,Ea,XA,NS,T1,B1B2,ea,ea,T1Ea,电刷和换向片的作用是什么？载流导体在磁场中会产生什么？15,f,f,f,f,第3章直流电机原理直流发电机,a,b,c,d,a,b,c,d,第3章直流电机原理,16,原动机拖动转子旋转，根据电磁感应定律，直流发电机电枢绕组产生感应电势，同时，根据电磁力定律，旋转的电枢绕组切割磁场，也产生电磁转矩与旋转方向相反。,17,0,2,t3,A,X,0,eAX,t,第3章直流电机原理气隙磁场的分布波形及线圈电动势波形BN,0,A,XS,+,e,0,eB1B2,t,B1,B2,0,第3章直流电机原理每极下有3个串联线圈时的电动势波形e,t,2,3,在直流发电机中，换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；把转动的电路与外面不转的电路联接。18,第3章直流电机原理电磁关系,输出直流电,换向,感应电动势和电流,原动机做功,电磁转矩(阻转矩)机械能电刷和换向器气隙磁场电枢绕组内部转子19,第3章直流电机原理,20,3.2磁路、电枢绕组和铭牌参数,3.2.1直流电机电枢绕组,第3章直流电机原理3.2电机磁路、绕组和铭牌参数3.2.1直流电机电枢绕组1.绕组的基本概念单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、蛙绕组（叠绕和波绕混合绕组）。,(1)元件是构成电枢绕组的基本单元，其两端分别与两,后端接,上元件边,片换向片相连的单匝或多匝线圈。前端接下元件边21,22,叠绕元件,波绕元件,第3章直流电机原理(2)叠绕组和波绕组元件边(有效边),匝数为1的是单匝元件，匝数大于1的是多匝元件。由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个(设为u个)元件边。将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数Z等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，则有：,Z=uQ=Qu，Qu为虚槽数。,23,第3章直流电机原理2.单叠绕组连接单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元,件的两个出线端分别接到相邻的两个换向片上，最后形成一闭合,回路。,例以总元件数为6的电机为例，说明单叠绕组的联接。,设S（元件数）=K（换向片数）=Z（槽数）=6，u=1，2p=2。,上述数据所表示的实际电机绕组安放如图。,极距相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，记作，一般用槽数表示，即有：,=,Z2p,主磁极极对数,电枢总槽数,实际极距的计算方法：,电枢外径,第3章直流电机原理,24,y1,y2,y,yk,第3章直流电机原理,25,一对极(一对电刷)为两条并联支路a=1，支路电流iaIa/2,支路上串联的导体数N/2a=3,ee,ee,发电机,ee,ee,ee,E,A,1,2,3,4,8,7,6,5,B,Ia,第3章直流电机原理结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,1,2,3,4,8,7,6,5,A,Ia,ee,eBe,ee,E,电动机电枢电流Ia,支路电流iaIa/2a,并联支路对数a一个串联支路上的导体数N/2aN为电枢的全部导体数26,27,M,M,If,Ia,他励,并励,串励,复励,第3章直流电机原理3.2.2直流电机的励磁方式1.直流电动机按励磁方式分类,I,If,Ia,Ua,Uf,U,U,I,IaM,U,I,If,If,IaM,28,I,Uf,Ua,If,IaG,第3章直流电机原理2.直流发电机按励磁方式分类分为他励和自励。,I,IaG,U,If,IaG,If,I,U,IaG,U,If,I,他励,串励（自励）,并励（自励）,复励（自励）,29,第3章直流电机原理3.2.3直流电机额定值,1.铭牌,30,第3章直流电机原理2.额定值额定电压UN(V)发电机的UN：指输出电压的额定值。电动机的UN：指输入电压的额定值。额定电流IN(A)发电机的IN：指输出电流的额定值。电动机的IN：指输入电流的额定值。额定功率PN(kW)发电机的PN：指输出电功率的额定值。电动机的PN：指输出机械功率的额定值。额定转速nN(r/min),PNUNIN,PNUNINN,31,第3章直流电机原理额定励磁电压UfN(V)额定励磁电流IfN(A)额定状态：指U、I、P、n均为额定值的状态。满载状态：指I=IN的状态。,例31一台Z2型直流发电机，UN=230V，nN=1450r/min，,PN=145kW，N90，求该发电机的额定电流和额定输入功率,例32一台直流电动机，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW，,N84，求该电动机的额定电流和额定输入功率,第3章直流电机原理,32,Z2系列是普通中小型直流电机。,ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢,机、起重机、升降机、电铲等。,其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关,的手册中查到。,2.直流电机的型号和系列,国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型,号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“Z2-72”表示,直流电动机、第二次改进设计型，“7”表示机座号，7后面的2表示长铁心（2号表示长铁心，1号表示短铁心）。,33,第3章直流电机原理3.2.4直流电机的磁场,1.空载磁场,直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载,空转的一种状态。,直流电机空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。,第3章直流电机原理,34,气隙,电枢齿,转子铁心轭,定子铁心轭,主磁通主磁极铁心漏磁通,主磁通漏磁通,主磁通产生感应电动势和电磁转矩,主磁通和漏磁通,2F0Hklk2Hl2Httccmmjlj,lHl2HlH,B,B,0,第3章直流电机原理,35,BBav,B,Bm,0产生主磁通时整个闭合磁路所需的磁动势为,n1,2F02HlF0HlF0,0,F0,磁感应强度B的分布,F0NI0,0A,36,电机主磁通与励磁电流的关系可以计算或实验测定,Rm,CI0,第3章直流电机原理磁感应强度B的分布,空载时气隙磁通与空载磁动势或者空载励磁电流的关系称为直流电机的空载磁化特性。,为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通设定在图中a点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的膝点。,几何,中性线,第3章直流电机原理2.负载时的电枢磁动势直轴d,交轴q,Fa,2,2,O,x,x,Fa(x),Ba(x)直流电机负载运行时，电枢电流Ia不为零，气隙中由电枢电流Ia产生电枢磁动势Fa。37,第3章直流电机原理3.电枢反应当电机带负载后，电枢绕组流过电流，出现电枢磁动势。电,枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也,会产生一定的影响。把电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称,为电枢反应(thearmaturereaction)。,当电刷位于几何中性线时，电枢反应使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移,当磁路饱和时有祛磁作用。直流电机负载运行时主磁极的一端磁通增加，另一端磁通减少，使气隙磁场的分布发生扭曲，气隙磁密过零的地方偏离了几何中性线，呈现不均匀分布，出现了电枢反应。38,2,2,O,x,N,S,B0,B,第3章直流电机原理将通过圆心和电枢圆周上径向磁密为零的点连接成的直线物理中性线。,N,BaS39,几何,中性线,物理,中性线,电枢磁场磁通密度分布曲线,主磁场的磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,第3章直流电机原理3.3直流电机的感应电势和电磁转矩3.3.1直流电机的感应电动势1.感应电动势的产生,B,电枢旋转n磁场,exexEa,2.感应电动势的大小(1)每根导体的感应电动势ex=BxlvBx导体所在处的气隙磁密。l导体的有效长度。v导体切割磁场的线速度。40,2R2p,v=n=n,第3章直流电机原理,6060(2)电枢电动势的大小设电枢总导体数为N，N则每条支路的导体为2a，故,Bav,平均气隙磁密B,41,E=CenCe电动势常数。,第3章直流电机原理单位：Wb,(V)单位：r/min,3.感应电动势的方向和性质方向：由和n共同决定。性质：发电机为电源电动势；电动机为反电动势。42,电枢电流ia磁场,fTem,2.电磁转矩的大小设电刷在几何中性线处，元件为整距。(1)同一极下每根导体受到的平均电磁力为fav=Bavliaia导体中的电流。每根导体受到的平均电磁转矩为43,第3章直流电机原理3.3.2直流电机的电磁转矩1.电磁转矩的产生,Bavlia,IapN,2a,2a,第3章直流电机原理,44,电枢直径为：,则,2pD=,电枢电流与支路电流的关系为：Ia,D2,l,Tem=NTav=Np=Nl,=,Ia,CT转矩常数。,单位：WbTem=CTIa(Nm),单位：A,CT=Cee,=9.55C,45,第3章直流电机原理3.电磁转矩的方向和性质方向：由和Ia共同决定。性质：发电机为制动转矩，Tem与n方向相反。电动机为拖动转矩，Tem与n方向相同。4.电动势常数和转矩常数的关系,，CT=,pN2a,pN60a,因为Ce=,则,问题,602如何使他励、并励、串励直流电动机反转？,第3章直流电机原理,46,Tem,If,Ia,Ea,M,G,-,+Uf,n,3.4.1基本方程式(以他励电机为例)U1.电压方程,电枢回路电压,U=Ea+IaRa,励磁回路电压,UfIfRf,TL=T0+T22.转矩方程电磁转矩,TemCTIa,转矩平衡方程,Tem=T2+T0,输出转矩,空载转矩,稳定运行时T2+T0=TL,3.4,直流电动机运行原理,+,-,第3章直流电机原理,47,(1)输入功率,电压平衡方程,U=Ea+IaRa,等式两边同时乘以电源电流I(他励电机的IIa),U=Ea+IaRa,Ia,PemEaIaCenIann,Np,Tem,Np,Tem,60a,60a,CT,3.功率方程,(2)电磁功率,Tem9.55,T29.55,T09.55,100%,48,第3章直流电机原理(3)输出功率P2,根据转矩平衡方程,TemT2T0,T2TemT0,等式两边同时乘以,P2Pemp0,空载损耗,Pemn,Pem,22,p0p0n,PPnp0pFepm+pad,铁损耗,机械损耗,(4)总损耗,12,PPppFepCupmpad,附加损耗,(5)效率,P2P1,Ia,49,第3章直流电机原理(6)功率流程图,P1,pCu,Pem,p0,P2,当忽略空载损耗不计，Tem=TL，电动机的电枢电流由负载转矩TL和磁通决定,电枢电流,UEaRa,Ia,TemTLCTCT,n0,n0nN,当Ia时，n下降不多(硬特性)。,第3章直流电机原理,3.4.2直流电动机的工作特性,研究条件：U=UN,If=IfN,电动机的转速n、电磁转矩T、效率与输出功率P2或（Ia）的关系叫工作特性。1.他(并励)电动机(1)转速特性：n=f(Ia）,n,Ia50,0,IaN,数学表达式U=Ea+IaRa且Ea=CennN转速变化率n100%nN他、并励电机n=（28）%,51,第3章直流电机原理励磁电路断电的后果当If=0，=r很小，n不能突变Ea很小,Ia若TemTL若TemTL,Tem=CTrIa仍有一定数值。n(飞车)nn=0(闷车),(2)转矩特性：Tem=f(Ia）TemCTNIa,O,研究条件：U=UN，If=IfNTem,Ia,若不计磁路饱和，则TemIa；若计及磁路饱和，则,Tem随着Ia的增加略有下降。,100%,P1p,第3章直流电机原理,(3)效率特性：=f(P2）P2P1,100%P1,100%P1,研究条件：U=UN，If=IfN,Ia,0,pCua(f)可变损耗；p0不变损耗；当它们相等时效率最大52,pCu=p0,UN,220,CeN,第3章直流电机原理,53,【例33】已知某并励直流电动机，PN=22kW,UN=220V,IN=115A,nN=1500r/min,电枢电阻Ra=0.18，励磁电阻Rf628。试求：(1)CeN、CTN；,(2)电磁转矩Tem；(3)额定输出转矩T2；(4)空载转矩T0；,(5)理想空载转速n0与实际空载转速n0。,解：(1),Rf628,IaIN115114.7A,nN1500,UNRaIa2200.18114.7,0.133Vminr,TemCTNIa1.27114.7Nm145.7Nm,CTN9.55CeN1.27NmA,Vmin/r,第3章直流电机原理,54,Ia,第3章直流电机原理,2.串励电动机特点是I=If=Ia，主磁通随负载电流Ia的变化而变化。,U,I,Uf,IfUaM,UUaUf(1)转速特性n=f(Ia),Ia,n,RRaRf,电机空载或轻载运行，Tem0,If=Ia0,(很小),UCer,nn0,56nN,串励直流电动机绝对不允许空载或轻载运行55,UCe,RCe,n,n,56,第3章直流电机原理他励电动机的与Ia无关，而串励电动机If=Ia，与Ia符合磁化曲线关系。,轻载时Ia较小,Ia，kIa,n,0,双曲线,URCekIaCek转速与电枢电流是非线性关系重载时Ia=If较大，近似不变,Ia,URCeCe,直线Ia,转速与电枢电流是线性关系当Ia时，n下降较多(软特性)。,第3章直流电机原理(2)转矩特性Tem=f(Ia)根据Tem=CTIa,T,Ia,0,轻载时=kIaTemCTkIa2重载时=常数TemCTIa,直线抛物线,串励直流电动机适用于负载转矩在较大范围内变化和要求有较,大起动转矩及过载能力的生产机械上。46,可以看出，并励或者他励直流电机起动转矩和电流的一次方成正比；而串励直流电机的起动转矩和电流的二次方成正比，因此同样大的起动电流，串励电机能产生较大的起动转矩,由于串励调速特性很软，转矩增加后转速下降很大，总的功率增加不多，因此串励直流电机不会因为负载增大而很快过载，不像并(他)励直流电机随着转矩增加，功率很快过载，因此可以用在负载转矩大幅度变化的场所。,I,U-,第3章直流电机原理I,IaM,If,串励励磁绕组匝数少，导线粗，电阻小并励励磁绕组，匝数多，导线细，电阻大,3.复励电动机两个励磁绕组磁通势方向相同称为积复励电动机两个励磁绕组磁通势方向相反称为差复,励电动机,0,并励复励串励a,n复励电动机的起动转,矩和过载能力大，可以在空载和轻载状态下运行。58,第3章直流电机原理,下图为某钢厂热轧机主轧辊的直流电动机驱动系统。轧机的,上、下工作辊由两台直流电动机分别驱动。根据工艺要求，轧机,工作时，应使两台电动机的转速一致，以保证钢材质量。为使两,台电动机转速一致，需采用转速闭环控制，通过调节电枢电压使,两台电机转速同步。,3.5,直流电机应用举例,图中来自上位控制调节器的速度指令信号同时送给两个直流驱动系统的控制器，直流驱动系统的控制器根据转速偏差改变晶闸管整流装置（VT）的触发脉冲角度，以调节直流电动机的电枢电压，达到控制转速的目的。为了使电枢电流平，主回路中串入了平波电抗器L。随着微电子学、电