直流电机的工作原理及特性

1、HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,3.直流电机的工作原理及特性,3.1 直流电机的基本结构和工作原理 3.2 直流发电机 3.3 直流电动机的机械特性 3.4 直流他励电动机的启动特性 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.6 直流他励电动机的制动特性,本章内容安排：,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.0 重点和难点,重点：,（1）电动机机械特性是最重要的内容，是分析启动、调速、制动的理论基础；,（2）他励直流电动机的启动特性；,（3）他励直流电动机的调压调速特性。,难点：,（1）电流、电势的换向过程和电动机的制动过程；,（2）电动机在各种运转状态下电磁转

2、矩T、负载转矩TL、转速n、电枢电流Ia和电势E等符号的确定。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理,直流电机的机构包括定子和转子两大部分,定子用于建立磁场，并作为机械支撑；,转子（亦称电枢）用于产生感应电势、电流，实现机电能量转换,3.1.1 直流电机的基本结构,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理,直流电机是以导体在磁场中运动产生感应电动势和载流导体在磁场中受力为基础来实现机电能量转换

3、的。,直流电机分电动机和发电机。,3.1.1 直流电机的基本结构,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理,直流电机的工作原理是建立在电磁力和电磁感应的基础之上的。,3.1.2 直流电机的工作原理,直流电机中能量转换的方向是可逆的。同一台电机既可做发电机运行，将机械能转换为电能，也可作电动机运行，将电能转换为机械能。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理,3.1.2 直流电机的工作原理,左、右

4、手定则,右手定则,左手定则,右手定则用于确定动生电动势,左手定则用于判断安培力,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理,3.1.2 直流电机的工作原理,发电机依电磁感应定理（右手定则） 电动机依安培电磁力定律（左手定则）,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理,3.1.2 直流电机的工作原理,Ke电势常数 Kt-转矩常数=9.55Ke,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育

5、学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.1 直流电动机的基本结构和工作原理,3.1.2 直流电机的工作原理,电机在不同运行方式下E和T的作用,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电动机的工作原理及其特性 3.2 直流发电机,按励磁方式分类,（a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励 常用的是他励和并励,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.2.1 他励发电机,当发电机空载时，Ia=0,空载特性：发电机空载及转速为常数（额定值）的条件下，电动势E与励磁电流If之间的关系,电压平衡方

6、程,即发电机的电势为负载电压和电枢电阻压降所平衡，（与电动机相区别）,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.2.1 他励发电机,他励发电机的外特性 表示发电机端电压U与负载电流I之间的关系曲线,从空载到满载（额定负载）电压的变化率,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.2.2 并励发电机,电压平衡方程,并励发电机电压建立的条件： 1.发电机的磁极要有剩磁； 2.起始励磁电流所产生的磁场方向与剩磁磁场的方向相同； 3.励磁电路电阻Rf不能太大。,HTTP:/DLS.ZZ

7、U.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3 直流电动机的机械特性,3.3.1 他励电动机的机械特性 电压平衡方程,电动机的外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡（与发电机相区别）,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,将直流电机的电势方程和转矩方程代入直流电动机电压平衡方程式中，整理可得他励直流电机的机械特性方程为：,理想空载转速,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性

8、,转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值 ，用于衡量机械特性的平直程度。,机械特性硬度,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,1.固有机械特性（自然特性）,是指在额定电压和额定磁通下，电枢电路内不接任何电阻时的n=f（T）曲线。当U=UN，=N时，n=f（T）是一条直线。通常用（0，n0）和（TN，nN ）两点来作直线。,电机正转在第一象限，反转在第三象限。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,1.固有机

9、械特性 n=f(T),（1）估算电枢电阻Ra,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,（2）计算 额定条件下反电势,（3）求理想空载转速,（4）求额定转矩,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,例：一台Z2-51型他励电动机，已知PN=5.5kW，UN=220V， IN=31A，nN=1500r/min，认为额定运行时的电磁转矩近似等于额定输出转矩，试绘出这台电机近似的固有机械特性。,解：因他励电动机的n=f（

10、T）是一条直，故只要求出：（0，n0）、（TN，nN ）两点即可。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,估算Ra,计算KeN,计算n0,求TN,画出机械特性曲线,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,2. 人为机械特性,是指供电电压或磁通不是额定值、电枢电路内接有外加电阻Rad时的机械特性；电动机的启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,

11、第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,2. 人为机械特性（改变U、Rad） 1)串接电阻Rad,串接电阻后 1. n0不变； K斜率变大即n变大，特性变软。 由同一点（O，n0）出发的一组曲线,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的机械特性,1. n0随着U的变化而改变 2. 平行于固有特性曲线的一 簇曲线,2. 人为机械特性（改变U、 Rad） 2）改变电压,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.3.1 他励电动机的

12、机械特性,2. 人为机械特性（改变U、 Rad） 3）改变磁通,1. n0增加 2. 随着的降低，斜率变大， T减小，nnN，电动机工作在交点左侧区语,注意： 消弱磁通时，注意“飞车”现象，一般要加“失磁”保护。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.4 直流他励电动机的启动特性,启动时n=0 E=0 启动电流,若直接启动，则启动电流很大，造成危害,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.4 直流他励电动机的启动特性,常用启动方法有两种： 降压启动和电枢回路外接电阻启动

13、。,生产机械对电机启动的要求是：有足够的启动转矩、启动时间短、启动平稳。 限流 Ist=（1.5-2）IN,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.4 直流他励电动机的启动特性,1. 降压启动,UUNn、EUU=UN、n=nN,2.电枢回路内串接外加电阻启动 满足启动要求：Ist=UN/（Ra+Rst） Rst（3-4级） T1、T2的数值按照电动机的具体启动条件决定： T1=（1.6-2）TN T2=（1.1-1.2）TN,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.4 直

14、流他励电动机的启动特性,外接电阻启动,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,例题：一台他励直流电动机，其额定数据为：PN=17kW，UN=220V，IN=91A， nN=1500r/min, Ra=0.22。试求：,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.4 直流他励电动机的启动特性,（1） TN=？ （2）直接启动时的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？此时启动转矩为多少？ （4）如果采用降压启动，启动电流不超过额定电流的两倍，电源电压应为多少？,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工

15、作原理及特性 3.4 直流他励电动机的启动特性,解：,（1）TN=？,（2）直接启动时的Ist=？,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.4 直流他励电动机的启动特性,（3）串入启动电阻Rad,启动转矩：,注意：,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.4 直流他励电动机的启动特性,（4）降压启动时的电源电压：,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.5 直流他励电动机的调速特性,调速在一定的负载条件下，人为

16、地改变电机的机械特性，以改变电机的稳定转速。 注意：速度调节与速度变化是两个完全不同的概念。速度变化是在某条机械特性下，由于负载改变而引起的，而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,由式子,可知调速可采用的的三种方式为：,1. 改变电枢供电电压U； 2. 改变电枢电阻Rad； 3. 改变磁通。,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.5 直流他励电动机的调速特性,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.5 直流他励电动机的调速特性,电枢电路外串电阻

17、Rad调速,特点： 1.Rad越大，特性越软； 2.空载和轻载时调速范围不大； 3.无级调速困难； 4.电阻上消耗大量电能。,应用： 已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机等设备中采用,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.5 直流他励电动机的调速特性,改变电压调速,工作点由b点过渡到g点,在g点由于TgTL系统加速n EIT 工作点由g点向a点移动 到a点：T=TL、n=na（系统稳定）,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.5 直流他励电动机的调速特性,改变电压调速,

18、特点 1.在在nN以下调速，可实现平滑无级调速； 2.机械特性硬度不变，调速稳定性高，范围大； 3.调速时电枢电流不变，转矩不变，恒转矩调速； 4.可以利用调压方法启动电动机。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.5 直流他励电动机的调速特性,改变主磁通调速,特点 （1）可在nN以上实现无级调速； （2）机械特性变软，调速范围小； （3）属于恒功率调速（调速时P=UIa不变）,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6直流他励电动机的制动特性,定义： 制动是指从某一稳

19、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。,制动和自然停车的区别： 制动和自然停车是两个不同的概念。,从能量转换角度来看： 电动机有电动和制动两种运转状态。电动状态T与n方向相同；制动状态T与n方向相反。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6直流他励电动机的制动特性,直流他励电动机制动形式有： 反馈制动 反接制动 能耗制动,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.1 反馈制动,电动机在负载的拖动下，其实际转速大于理想空载转速n0（即nn0），E

20、U，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机工作在发电机状态，把机械能转变为电能，向电源馈送，故称反馈制动，也称再生制动或发电制动。,常见发生场合 （1）电动机带动位能转矩型负载的情况，如电车下坡，重物下放时； （2）降压调速变速的瞬间； （3）增磁调速变速的瞬间。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.1 反馈制动,电动机带动位能转矩型负载：电车下坡,在二、四象限，反馈制动状态，电动机的机械特性的表达式仍为：,所不同的是T改变了符号，而理想空载转速和斜率均与电动状态下一致。,Tp位能负载转矩,HTTP:/DLS.

21、ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.1 反馈制动,电动机带动位能转矩型负载： 下放重物,下放 电动状态,下放制动状态,提升电动状态,a点b点 nEIa-TM ,制动矩,B点 C点 nn0 Ia=-Ia -TMTM与n反方向制动 改变Rad改变下降的n Rad太大n很高不安全,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.1 反馈制动,降压调速变速的瞬间,即：当n02n1时，U2E，则电流Ib为负值并产生制动转矩，从b点到n02这一段工作在制动状态。,突变为,HTTP:/DLS.ZZU.

22、EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.1 反馈制动,增加磁通调速的瞬间,电动机在弱磁状态用增加磁通的方法来降速时，也产生反馈制动过程，以实现迅速减速。,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.2 反接制动,当他励直流电机的电枢电压U或电枢电势E中任何一个在外部条件作用下改变了方向，即两者由方向相反变为方向一致时，电动机即处于反接制动状态。分为： 电源反接制动（改变U） 倒拉反接制动（改变E）,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性

23、3.6.2 反接制动,电源反接制动,U突然反接变为-U，机械特性变为,系统状态由1的a点变到2的b点，电磁转矩变为负值，此时在电磁转矩和负载转矩的作用下使转速迅速下降，系统状态沿着直线2由b点向c点移动，当n=0时反接制动结束。,正向电动,反接制动,反向电动,反馈制动,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,在c点处，反接制动结束，此时若不切断电源，将导致反向启动。分反抗性负载和位能性负载两种情况。分别平衡与d点或f点。 注意： 反接制动期间，E和U是串联相加，为了限制电枢电流Ia，应有足够大的限流电阻。,电源反接制动 改变U,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.

24、2 反接制动,应用： 要求迅速停车、减速、反向、经常正反转的机械上,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.2 反接制动,倒拉反接制动 改变E,提升重物时，当电机处于正向电动状态，系统工作点为a点，n=na,HTTP:/DLS.ZZU.EDU.CN 郑州大学远程教育学院,第三章 直流电机的工作原理及特性 3.6.2 反接制动,倒拉反接制动 改变E,欲下放重物，传入Rad，人为机械特性改变，工作点由a到c，不平衡，沿2曲线移动,反接制动平衡点,图3.35（b）倒拉反接制动机械特性,d点处，Tst称为堵转矩，TstTL继续下降，E改变方向，n改变方向，n与T反向，制动