第3章直流电机的工作原理及特性ppt课件

.,第三章直流电机的工作原理及特性,重点掌握：,了解直流电机的基本结构及工作原理；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,电机分交流和直流两种。,直流电机工作电压或输出的电压为直流；,交流电机工作电压为交流。,直流电机分直流电动机和直流发电机两种。,直流电动机将电能转换为机械能；,直流发电机将机械能转换为电能。,.,.,一切电机都是以电磁感应定律作为主要依据设计而成的。,它的基本功能是实现机电能量的相互转换。,直流电机,电动机,发电机,将直流电能转换成机械能。,将机械能转换成直流电能。,.,.,直流电机,.,直流电机外形,.,直流电机的用途及优缺点一、用途,作励磁机用一般小于10万kW的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。,.,作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能,信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号,.,作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能；,信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。,.,二、优缺点直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，触点之间会产生火花腐蚀，制造成本高。,.,31直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机的结构图如图所示：,.,直流电机的主要结构部件,直流电机,定子,转子,主磁极,换向极,机座,电刷装置,电枢铁心,电枢绕组,换向器,.,.,直流电机的结构图,剖面图：电枢1；主磁极2；换向极4；机座6,电枢铁心冲片,换向器：换向片3；连接片4；云母环2,.,直流电机的结构部件,.,根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。,定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。,转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。,换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。,.,.,二、基本的工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：,1主磁极：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,.,2电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,3、4换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。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变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,3电刷,4换向片,.,1发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图如图所示：,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷A总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,.,注意：电刷固定在空间不动，而半圆铜片与导体一起旋转。,.,直流发电机原理示意图（1）,.,直流发电机原理示意图（2）,.,线圈电动势波形,刷间电动势波形,.,.,结论：,在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的。通过换向片及电刷的整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电动势。,虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不变的磁场.,电枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。,当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质。,.,.,2电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图所示：,直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。,将电刷出线端的负载改成外施直流电源，且将轴上的原动机卸掉，换成生产机械。,.,.,.,结论：,虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，电枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流。,虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个恒定不变的磁场。,当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为反电势。,转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是驱动性质的。此时，电动机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动。,.,.,对于同一台电机，在不同的外部条件下，即可作发电机运行，也可作电动机运行原理，称为电机的可逆原理。,电机的可逆原理，是电机理论中的普遍原理。它不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机。,电机的可逆原理,.,三、电动势和电磁转矩,1.电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V）；对磁极的磁通（Wb）；n电枢转速（r/min）；Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,.,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中：TM电磁转矩（Nm）；对磁极的磁通（Wb）；Ia电枢电流（A）；Kt与电机结构有关的常数，Kt=9.55Ke,.,直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,.,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表,.,四、直流电动机的分类,直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：,1.他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。,2.并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（b）所示。,3.串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（c）所示,4.复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示,.,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,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。,.,描述直流发电机运行特性的物理量,端电压U,电枢电流Ia或输出电流I,励磁电流If,发电机的运行特性,当I=0时，称为空载特性。,负载特性,调节特性,外特性,.,3.2直流发电机,.,3.2.1他励发电机,1.电原理图由于独立Uf,If所以负载电流I等于电枢电流Ia,.,2.空载特性当发电机空载（Ia=0）及转速（n）不变时，输出电势与励磁电流的关系曲线当If小时直线（不饱和）If大时，弯曲（开始饱和）If更大，平直（饱和，不变）,E,E,o,Uo,If,.,3.外特性曲线当发电机转速（n）和励磁（）不变时，输出电压（U）与负载电流(I)之间的关系曲线注：当IaRaIaU=E-IaRa调节RL使负载电流达IN值，同时调节Rf（分压器）使端电压达UN此时的Rf不能再改变。曲线随电流增加下降的原因：（1）电枢电阻压降的存在；（2）电枢反应去磁作用。,U,I,Uo,UN,o,IN,.,3.2.2并励发电机,1.电原理图：由于IfU2时的机械特性如图所示：,若电动机工作在A点时将电枢电压突然降低为U2，电动机的机械特性变为曲线2，由于机械惯性，工作点由A转换到B点。此时-TM-TLU2，Ia反向，TM反向。,.,3在弱磁状态下用增加磁通降速时的反馈制动,4卷扬机构下放重物时的反馈制动,在第3象限，n，E，（U-E），Ia，T，b点T=0。过b点，EU，Ia反向，T0，进入反馈制动。,.,5电枢电压改变时的反馈制动,.,二、反接制动,反接制动具有如下特点：,1）电动机的外加电枢电压U与感应电动势E的方向在外界的作用下由相反变为相同；,2）电动机的输出转矩TM与转速n的方向相反。,在反接制动中，把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动；而把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。,.,1电源反接制动,设电动机外加电枢电压的参考方向为图中所示。,当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的机械特性为,.,当电压的实际方向与参考方向相相反时，电动机的机械特性为,其特性曲线分别如图（b）中的曲线1和曲线2所示。,.,a点：当电动机稳速运行在第一象限中特性曲线1的a点时：,bc段：,n0，Tm0，Tm0电动,ce段：,nE,ef段：,|n|n0|，IaU,.,注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。,电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。若只要求准确停车的系统，反接制动不如能耗制动方便。,.,2倒拉反接制动,电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线2所示。,现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线3所示。,.,a点：重物匀速上升。Tm0，n0，电动机工作在电动状态。,cd段：Tm0，n0，电动机工作在电动状态。由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。,.,db段：当转速下降到0时，由于电动机的输出转矩TM仍然小于负载转矩TL，所以，在位能负载的作用下，电动机反向启动，直到平衡点b而稳定运行。电动机匀速下放重物。,电动机在db段：Tm0，nUN，UE反接制动：nT0；nn0；1、U0,U和E同向;2、Ra,E0能耗制动：nT0；n0=0；U=0,.,1.能耗制动实现及机械特性(1)实现方法：a.电动状态接触器KM1闭合，转矩T与转速n相同方向，电枢电流与反电势方向相反，电机运行在A点。b.能耗制动接触器KM2闭合(电机原运行在A点)，电枢脱离电源经电阻R将电枢短接。,.,（2）能耗制动分析,U=0,由于电机惯性，n0，Ea0，在反电动势Ea作用下产生电枢电流Ia反向，电动机的转矩也反向。这时IB=-Ea/(R+Ra)。IB与原来的IA方向相反，TB反向，与n相反,转速下降，当n=0，停车。,.,（3）能耗制动特性,.,（4）特性方程及制动电阻,特性是一条过原点的直线，在第二象限，特性斜率取决于能耗制动电阻Rad。,.,分析,Rad越大，特性越斜，Rad越小，特性越平，但Rad不能太小，否则在制动瞬间会产生过大的冲击电流，取IB=(22.5)IN，IB为制动瞬间的电枢电流，设制动瞬间电势为EB，有：当制动时转速大于或等于nN时，认为EB与U近似相等。,.,2.能耗制动运行,.,3.能耗制动特点,(i)制动时U=0，n0=0，直流电动机脱离电网变成直流发电机单独运行，把系统存储的动能，或位能性负载的位能转变成电能(EaIa)消耗在电枢电路的总电阻上I2(Ra+Rad).(ii)制动时，n与T成正比,所以转速n下降时，T也下降，故低速时制动效果差，为加强制动效果，可减少Rad，以增大制动转矩T，此即多级能耗制动(iii)实现能耗制动的线路简单可靠，当n=0时T=0,可实现准确停车。,.,4.应用,能耗制动多用于一般生产机械的制动停车，对于起重机械，能耗制动可使位能性负载的恒低速下放，确保生产安全，对反抗性负载能确保停车。,.,第四章机电传动系统的过渡过程,4.1研究机电传动系统过渡过程的实际意义4.2机电传动系统过渡过程的分析4.3机电时间常数4.4加快机电传动系统过渡过程的方法,.,4.1研究机电传动系统过渡过程的实际意义,机电传动系统过渡过程由一个稳态向另一个稳态过渡的过程（动态过程启动、制动、反转和调速）。外因系统转矩平衡关系被破坏。内因贮能的惯性元件。（机械惯性、电磁惯性和热