机电传动第3章1

1、第第3 3章章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性主要内容重点掌握： 了解直流电机的基本结构及工作原理；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；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关 的计算方法。的计算方法。3.1直流电机的基本结构和工作原理3.1.1 直流电机的基本结构（剖面图） 磁极数：主磁极的个数 磁极对数：p=磁极数/23.1.1 直流电机的基本结构（剖面图） 电枢铁芯钢片直流电机

2、转子结构图3.1.1 直流电机的基本结构3.1.1 直流电机的基本结构3.1.1 直流电机的基本结构换向器与电枢绕组连接端3.1.1 直流电机的基本结构3.1.1 直流电机的基本结构电刷3.1.1 直流电机的基本结构3.2.直流电机的基本工作原理有关磁场的几个物理量1. 磁感应强度B(磁场强弱和方向) 2.铁磁材料的磁化曲线（铁、镍、钴及它们的合金）3.2.直流电机的基本工作原理有关磁场的几个物理量3.2.直流电机的基本工作原理有关磁场的几个物理量发电机电动机简化为一对磁极,一个线圈3.1.2 直流电机的工作原理 3.电压方程 U=E+IaRa E:电动势(V);:一对磁极的磁通(Wb);n:

3、电枢转速(r/min);Ke :与结构有关的常数.T:电磁转矩(Nm);:磁极的磁通(Wb);Ia:电枢电流(A);Kt:与结构有关的常数.3.2 直流发电机1.按励磁方法分类按励磁方法分类1)他他励励发电机发电机: 发电机的发电机的励励磁绕组由磁绕组由外电源供电外电源供电.2)自自励励发电机发电机: 发电机的发电机的励励磁电流为磁电流为电枢电流或电枢电流电枢电流或电枢电流的一部分，它又分为的一部分，它又分为: (1)并并励励发电机发电机; (2)串串励励发电机发电机; (3)复复励励发电机发电机.3.2.1 他励发电机电压平衡方程 他励发电机电路原理图aaRIEUnKEU e0aaRUEI/

4、）（RUIIa/空载端电压从空载到满载电压变化率5%-10%1000NNUUUU) (fIfE )(fIf3.2.2 并励发电机电压平衡方程 并励电动机建立电压的三个条件：（1）发电机的磁极要有剩磁；（2）起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同； （3）空载特性曲线与直线有交点。思考：正转时能自励，反转时能否自励？3.3 他励直流电动机的机械特性 1)他励直流电动机原理电路图aaUEI RRa为电枢电阻原理电路图eEKneaeeRUnIKK02aeetRUnTnnKK K直流电动机机械特性的一般表达式代入得:taTKI由2)他励直流电动机机械特性方程式aaUEI R两个关键点：理想

5、空载点：（0，n0)额定运行点：（TN，nN)3)机械特性硬度在机械特性方程式 no称为理想空载转速; n称为转速降落.机械特性硬度是衡量机械特性平直程度的。 dTTdnn 绝对硬特性 如交流同步电动机的机械特性10 软特性 如直流串激电动机的机械特性02aeetRUnTnnKK K10 硬特性 如直流他励电动机和异步电动机的机械特性4）直流他励电动机的固有（自然）机械特性 n=f(T) A.他励直流电动机的自然机械特性(正转) 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自然机械特性.B.固有机械特性曲线的作法：根据电动机铭牌数绘制固有机械特性曲线l已知电动机的已知电动机的PN

6、,UN,IN,nN,由公式可计算出由公式可计算出Ra,KeN, n0,TN,找出两个点找出两个点,即理想空载点即理想空载点(o,n0)和额定运行点和额定运行点(TN,nN),通过这两点作通过这两点作出自然机械特性出自然机械特性.NNaeNNUI RKn0NeNUnK9 55NNNPTn(1)电枢电阻Ra的估算:(2)理想空载转速no计算:(3)额定转矩TN的计算:NNNNNaIUIUPR)1)(75. 05 . 0(总的功率损耗NNNNNNNNNNNNIUIUIUPIUP)1 (NNNaaIURI)1)(75. 050. 0(2NNNNNaIUIUPR)1)(75. 05 . 0(1)电枢电阻

7、Ra的估算:5）直流电动机的人为机械特性(三种)（改变U、Rad） (1)电枢回路串附加电阻电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性的人工机械特性在自然机械特性方程式中在自然机械特性方程式中,用用(Rad+Ra)代替代替Ra,得到串电阻的人工机械特性方程式得到串电阻的人工机械特性方程式:nnTKKRRKUnteaadeN02串接电阻后 1. n0不变； 2. K斜率变大即机械特性变软；3.附加电阻Rad越大, 机械特性越软.(2)改变电枢电压的人工机械特性 随随U的变化而变化。的变化而变化。U改变改变,但转速降不变但转速降不变.因此因此,变电枢电压的人工机械特性变电枢电压的人工机械特性是一簇与是

8、一簇与自然机械特性平行的特性曲线自然机械特性平行的特性曲线. 只允许在只允许在额定电压以下额定电压以下调节调节. 在后面的自动调速系统学习中有广泛的应用在后面的自动调速系统学习中有广泛的应用.NoeNUnK02aeetRUnTnnKK K(3)改变磁通的人工机械特性磁通只能在额定值额定值以下调节,理想空载转速和转速降落都要增大-弱磁增弱磁增速速.使用中,要防止电动机过载,更要防止飞车,因此,直流他励电动机设有失磁设有失磁保护保护.02aeetRUnTnnKK K3.4 直流他励电动机的启动特性 一、启动特性一、启动特性 启动时启动时n=0 , E=0NIRUI)2010(/aNstaaUEI

9、RaREUI/a直流电动机不允许直接启动直流电动机不允许直接启动 NstIIststst为过载能力系数，通常为为过载能力系数，通常为1.51.5到到2.52.5NIRUI)25 . 1 (/aNst二、启动方法二、启动方法 1. 降压启动：降压启动： 2. 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动 ast/ RUI )/(aNststRRUI 1) 串一段电阻启动串一段电阻启动 NIRUI)25 . 1 (/aNst 2)串多段电阻逐级切除的启动方法串多段电阻逐级切除的启动方法原则：1.T1(I1)2TN. 2.T2(I2)与TN基本相同3.5 直流他励电动机的调速特性速度调节速度变化由直流他励电

10、动机人工机械特性方程式可知，由直流他励电动机人工机械特性方程式可知，电动机有电动机有3种调速方法：种调速方法： 1.变电枢电路外接电阻变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压变电枢电压U; 3.变磁通变磁通。TKKRKUnteae23.5 直流他励电动机的调速特性3.5.1.改变电枢电路外接电阻调速电动机电枢电路串电阻后电动机电枢电路串电阻后,其人工机其人工机械特性如右图示械特性如右图示.1)机械特性软机械特性软,稳定性差；稳定性差；2)轻载时调速范围不大；轻载时调速范围不大；3)实现无级调速困难实现无级调速困难;电阻上面消耗大量能量电阻上面消耗大量能量3)应用应用: 起重机起重机,卷扬机卷

11、扬机;注意注意:串电阻调速与起动特性相似串电阻调速与起动特性相似,但起动电阻但起动电阻与调速电阻不同与调速电阻不同. TKKRRKUnteadae2改变电枢电路传接电阻调速特性3.5.2.改变电动机电枢供电电压调速变电枢电压调速的机械特性如右图.1.连续平滑调速，在nN以下调速； 2.机械特性硬度不变； 3.调速时电流不变，转矩不变，属恒转矩调速。 4.利用降压设备解决电机启动问题，不需要其他设备。改变电枢电压调速特性3.5.3.改变电动机主磁通调速变磁通调速的机械特性如右图示.1)特点:可以实现无级调速;机械特性软;调速范围不大.2)应用:适用于恒功率负载（P=UIa），一般与调压配合使用（

12、n0以下用调压，n0以上用调磁通的方法）.3)注意:在额定转速以上调节-弱磁增速.改变主磁通例1:一台直流他励电机的额定数据为：PN=2.2kW,UN=220V,IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7欧;如果电动机在额定转矩下运行,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(即磁通为额定值的0.8)时,电动机的转速是多少?(3)电枢电路串入2欧的附加电阻时,电动机的转速是多少?13. 015007 . 14 .12220NNaNNeenRIUKK24. 113. 055. 955. 9etKK16. 024. 113. 02

13、tKKemin/12361416. 07 . 113. 01802rTKKRKUnNteae(1) 此时,U=180V,Ra=1.7欧mNnPTTNNN141500220055. 955. 94199. 055. 9etKK099. 02teKK(2)此时,U=UN=220V,Ra=1.7欧min/196214099. 07 . 11 . 0220(2rTKKRKUnNteaeN）(3)此时,U=UNa=220V;电枢电路总电阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.713. 0eK24. 1tK16. 02teKK13681416. 07 . 313. 02202NteadaNeNTKKRRKUn

14、(以上转速单位为r/min)1 . 08 . 0NeeKK42例2.一台直流他励电动机，其额定数据为：PN=17KW, UN=220KW, IN=91A, nN=1500r/min, Ra=0.22欧。试求： （1）额定转矩TN; （2）直接启动时的启动电流Ist; （3）如果要使启动电流不超过额定电流的两倍，求启动电阻为多少欧？此时启动转矩为多少？ （4）如果采用降压启动，启动电流仍限制为额定电流的两倍，电源电压应为多少？434445例3.一台直流他励电动机的铭牌数据如下：PN=11kW，UN=440V，IN=30A，nN=1500r/min，Ra=1.4，电动机在额定状态下运行，试求当调节

15、励磁电阻使励磁磁通减少10的瞬间，电动机的电磁转矩与额定转矩之比？46NNNnPT55. 9aNeaeatIkIkIkT9 . 055. 955. 9NekaNNNeaNNRInkRIEUNekaIaaNNeaaNRInkRIEU9 . 0aIT解：（1）额定转矩（2）磁通变化瞬间的电磁转矩第一步，求额定状态时由此可得出第二步，求变化瞬间由此可得出代入得出 ， 二者相比得结果：1.9473.6 直流他励电动机的制动特性制动-是从稳定转速开始减速到停止或者限制位能负载下降速度的一种运转状态(a) 为电动状态：电动机发出的为电动状态：电动机发出的T与与n方向相同方向相同; (b) 为制动状态：转矩

16、为制动状态：转矩T与与n方向相反方向相反.l制动状态制动状态:1)特点特点:电动机的转矩电动机的转矩T与转速与转速n方向相反方向相反,电机处电机处于制动工作状态于制动工作状态.2)制动形式制动形式:稳定的制动状态稳定的制动状态;过渡的制动状态过渡的制动状态.35 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性 1制动与启动制动与启动 启动：电动机速度启动：电动机速度从静止加速到某一稳定转速从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态；的一种运动状态； 制动：电动机速度是制动：电动机速度是从某一稳定转速开始减速到停止从某一稳定转速开始减速到停止或是或是限制限制位能负载下降速度位能负载下降速度的一种运

17、转状态。的一种运转状态。 2. . 制动与自然停车制动与自然停车 1）自然停车：电动机脱离电网，）自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。，直到转速为零而停车。 2）制动：电动机脱离电网，）制动：电动机脱离电网，外加阻力转矩使电动机迅速停车外加阻力转矩使电动机迅速停车。3. . 电动机的两种工作状态电动机的两种工作状态 1) 电动状态：电动状态：n与与T同向同向 2）制动状态：）制动状态：n与与T反向反向4. . 电动机工作在制动状态下的两种情况电动机工作在制动状态下的两种情况 1）使转速迅速减速到停止；）使转速迅速减速到停止； 2）限制位能负载的下降速度。）限制位能负载的下降速度。