郝用兴主编机电传动控制第三版第3章

1、普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材第3章直流电机的工作原理及特性本章重点：本章重点：1.直流电机的机械特性；直流电机的机械特性；2.直流电机的基本方程和能量转换关系直流电机的基本方程和能量转换关系2.直流电机的启动、调速和制动的方法及应直流电机的启动、调速和制动的方法及应用场合用场合普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.1直流电机的基本结构和工作原理定子部分：主磁极、换向极、机座和电刷装置转子部分：电枢铁芯、电枢绕组、换向器3.1.1直流电机的基本结构普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划

2、教材规划教材3.1.2 直流电机的工作原理 1. 直流发电机的工作原理eEKn普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 2. 直流电动机的工作原理maTKI普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.1.3 直流电机的可逆性 一台直流电机究竟是作为发电机运行还是作电动机运行，关键在于外加的条件，也就是输入功率的形式。 如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，电机将机械能转换成电能而成为发电机； 如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，电机将电能转换成机械能而成为电动机。普通高等院校普通高等院

3、校“十二五十二五”规划教材规划教材3.2直流发电机和电动机的基本方程 3.2.1直流电机的励磁方式 直流电机根据励磁绕组的励磁方法来分类，可分为他励直流电机和自励直流电机两类。 他励：励磁电流是由另外的直流电源单独供电的。 自励：励磁电流是由电机电枢提供，它又可分为三类：并励、串励和复励直流电机。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材a) 他励，其励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由其他励，其励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由其他电源对励磁绕组供电；他电源对励磁绕组供电；b) 并励，其励磁绕组与电枢绕组相并联；并励，其励磁绕组与电枢绕组相并联；c) 串励，其励磁绕组与电枢绕组串联

4、后，再接于直串励，其励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源流电源d)所示为复励，有并励和串励两个励磁绕组所示为复励，有并励和串励两个励磁绕组 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.2.2 直流发电机的基本方程 电压平衡方程 转矩平衡方程 aaUEI R10TTT0eUEKn普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.2.3 直流电动机的基本方程式 电压平衡方程 转矩平衡方程 功率平衡方程 aaUEI R0LTTT12PPP 1eCuaPPP0mfePPP02ePPP普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.3 直流电动机的机械特性 3.

5、3.1 机械特性的一般表达式 aaeeRUnIKK02aeemRUnTnnKK Kn 称为转速降落，它反映了电枢电阻在运行称为转速降落，它反映了电枢电阻在运行时消耗能量的大小及运行过程中转速相对稳定时消耗能量的大小及运行过程中转速相对稳定的程度。的程度。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.3.2 电动机的铭牌数据 额定功率 额定电压 额定电流 额定转速 额定转矩 NPNUNInNNT普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.3.3 机械特性的计算 1.固有机械特性固有机械特性 （1）估算电枢电阻 （2）求反电动势 （3）求理想空载转速 （4）求额定转

6、矩 （5）绘出机械特性曲线 2NaeNemNURnTKK K(0.5 0.75)(1)NNaNNNPURU IINNaeNNUI RKn0NeNUnK9550260NNNNNNPPPTnn普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材2.人为机械特性人为机械特性 （1）电枢回路中串附加电阻时的人为机械特性 02NaadeNemNURRnTnnKK K普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 （2）改变电枢电压时的人为机械特性 02aeNemNRUnTnnKK K普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 （3）改变磁通时的人为机械特性 02NaeemUR

7、nTnnKK K普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.4 直流他励电动机的启动特性 启动电流 (10 20)(0.05 0.1)NNstNaNUUIIRR普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 1降低电枢电压启动 2电枢回路串电阻启动 2stNaSCRUIIRR2()NstNastUIIRR普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 图3-14 具有一级启动电阻的他励电动机的原理普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.5 直流他励电动机的调速特性 3.5.1改变电枢回路串接附加电阻的调速方法 调速方法的特点是简单，缺点是

8、机械特性较软，速度的稳定性差；空载或轻载时调速范围不大；调速电阻耗能多。因此目前应用很少，仅在起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中使用。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.5.2改变电动机电枢电压的调速方法 可实现无级调速，由于机械特性硬度不变，所以调速的稳定性高，调速范围较大，是直流传动系统中应用最广泛的调速方法。但受电枢材料绝缘性能的限制，电枢电压必须在低于额定电压范围内变化，故该调速方法只能在额定转速以下调节电动机转。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 3.5.3 改变电动机主磁通调速方法 可实现无级调速，但只能采用弱磁升速的方法

9、，即在额定转速以上调节。由于调速特性较软，且受电动机换向条件和机械强度的限制，最高转速不得超过额定转速的1.2倍，所以调速范围不大。一般与调压调速配合使用,即在额定转速以下，采用降压调速，而在额定转速以上，则采用弱磁调速。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 图3-18 改变主磁通的调速特性 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.6 直流他励电动机的制动特性 就能量转换而言，电动机有两种运行状态，即电动状态和制动状态。 电动状态的特点是电动机输出的转矩T与转速n的方向相同。 电动机的制动状态有两种形式： 1、稳定制动状态，如卷扬机、起重机下放重物，维

10、持重物的匀速下降。 2、过渡制动状态，如生产机械由高速旋转迅速降速或停车，速度变化。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材 制动状态分为回馈制动、反接制动和能耗制动三种形式。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.6.1 回馈制动 当电动机在外部条件作用下使其实际转速大于其理想空载转速时，感应电势大于电源电压，使电枢电流反向，电磁转矩也反向变为制动转矩，此时，电动机变为发电机，将机械能变为电能向电网馈送，故称回馈制动或再生发电制动。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材回馈制动时的电压方程和机械特性方程 ()aadUEIRR2aad

11、eemRRUnTKK K普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材回馈制动的能量关系 电机将轴上多余的机械能变为电能，一部分消耗在电阻上，一部分回馈给了电网，故这种制动方式是一种较为节能的制动方式。 2(),0aadEIUIIRRI 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.6.2 反接制动 反接制动是指电动机的电枢电压或电枢反电动势中的任何一个在外部条件的作用下，改变方向，即两者由方向相反变为顺极性串联的制动方式。普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材电源反接制动的电压方程和机械特性方程 ()aadUEI RR02NaadeNemNURRnT

12、nTKK K 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材电源反接制动的应用和能量关系 2()aadUIEIIRR普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材倒拉反接制动 若在电枢回路中串入一个较大的电阻，电枢电流将减少，电磁转矩减少，当速度降至0时，在位能性负载转矩作用下电机被迫反转并加速。电动势方向变为与电源电压同向，而电枢电流，方向不变，电磁转矩方向也不变，但随着反向转速的升高而增加，至b点时系统进入稳定运行。由于这时U与E同极性串联，电磁转矩方向与实际旋转方向相反，故称为反接制动。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材普通高等院校普通高等院校

13、“十二五十二五”规划教材规划教材倒拉反接制动的电压方程和机械特性方程 ()aadUEI RR2NaadLeNemNURRnTKK K普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材倒拉反接制动的应用和能量关系 2(),0aadUIEIIRRE普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材3.6.3 能耗制动 一台运行于正转电动状态的他励电动，将电枢电路从电源中脱离，并串接一个附加电阻。由于机械惯性，电机旋转方向不变，电枢电势也不变，电势在电枢和电阻形成的回路内产生电流反向，则电磁转矩也反向成为制动转矩。 普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材普通高等院校普通

14、高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材能耗制动的电压方程和机械特性方程 ()0aadUEI RR20aademNRRnTK K普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材能耗制动的应用和能量关系 2(),0aadEIIRRI普通高等院校普通高等院校“十二五十二五”规划教材规划教材0nn表表3-3：各种制动方法的优缺点和适用场合的比较：各种制动方法的优缺点和适用场合的比较制动形制动形式式优点优点缺点缺点适用场合适用场合回馈制回馈制动动1.1.不需要改接线路即可不需要改接线路即可从电动状态自行转换到从电动状态自行转换到回馈制动状态回馈制动状态2.2.电能可以回馈电网，电能可以回馈电网，较经济较经济时，制动不能实时，制动不能实现现可应用于位能性可应用于位能性负载稳速下放的负载稳速下放的场合场合反接制反接制动动1.1.制动过程中制动转矩制动过程中制动转矩较稳定，制动效果较强较稳定，制动效果较强烈烈2.2.在电动机停转时也存在电动机停转时也存在制动转矩在制动转矩1.1.制动过程有大制动过程有大量的能量损耗量的能量损耗2.2.制动到转速为制动到转速为零时如不切断电零时如不切断电源，会自行