直流电机的工作原理及特性.ppt

1、机 电 传 动 控 制,第3章 直流电机的工作原理及特性,本章要求,掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别是直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所。,电机,利用电磁作用原理进行能量转换的机械装置,直流电机,1、进行直流电能与机械能 之间的转换 2、直流电动机主要应用场合： 起动性能和调速性能好，过载能力大 ； 3、直流发电机主要应用场合： 供给直流电动机、电解、电镀等所需的直流电能 4、主要缺点： 结构复杂，使用有色金属多，生产工艺复杂，价格昂贵，运行可靠性差,31 直流电机的基本结构和工作原理,结构要点：定子、转子、换向器 原理要点：电

2、磁感应定律、电磁力定律、电路定律以及电势方程、转矩方程、电压方程 分类：直流电机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励、复励四种,一、直流电机的基本结构,直流电机的组成,1、定子：产生磁场、支撑电机 2、转子：产生电磁转矩和感应电动势，进行能量转换,（一） 定子部分,1主磁极：产生主磁场。 主磁极铁心 励磁绕组 2、换向极：改善换向 3、机座 固定 主磁路的一部分 4、电刷装置 引入或引出直流电压和直流电流,主磁极,换向极,电刷盒,转子结构图,电枢绕组,换向器,电枢铁心,转轴,（二） 转子(电枢)部分,1、电枢铁心 作为主磁通磁路的主要部分 嵌放电枢绕组 2、电枢绕组 能量转换的关键部件， 产

3、生电磁转矩和感应电动势以实现能量转换 3、换向器 ：与电刷配合使用 直流电动机中：将外加直流电源转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变； 直流发电机中：将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为对外引出的方向不变的直流电动势。,电枢铁心钢片、换向器,二直流电机的基本工作原理,建立在电磁力和电磁感应的基础上,1、电机的能量转换,电机是转换能量形态的一种机械。 1、发电机将机械能转换成电能。 2、电动机将电能转换成机械能。 3、变压器将一种电压等级的电能转变成另一种电压等级的电能。 电机的工作原理是建立在电磁感应定律、电磁力定律、电路定律等基本理论之上。,2、法拉第电磁感应定律,设有一个

4、匝数为的线圈放在磁场中，不论什么原因，例如线圈的移动、转动或磁场强度发生变化等，造成与线圈相交链的磁通随时间发生变化，这时线圈内部会感应出电势，这种现象叫电磁感应。,3、右手定则,如果磁场是恒定的，但线圈与磁场之间有相对运动，引起与线圈相交链的磁通发生变化，因而在线圈中感应出电势，则称这种电势为运动电势。,4、电磁力定律,载流导体在磁场中受到力的作用，由于这种力是由于磁场和电流的相互作用产生的，故称之为电磁力。若磁场与导体互相垂直，则作用在导体上的电磁力为：,左手定则,5、电路定律,在电路里，对任何一个回路，若沿某一方向环绕回路一周，则回路内所有电势的代数和等于所有电压降的代数和。,（一）直流

5、发电机的工作原理,直流发电机基本工作原理,原动机驱动电枢在磁场中旋转 电枢线圈的有效边切割磁力线 电枢线圈中产生感应电势 e 交变的感应电势在换向器的作用下变换成电刷之间的直流电势E 接负载后，电枢中产生电流 i 载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁转矩T 原动机克服T的作用将机械能转变成电能,（二）直流电动机的工作原理,直流电动机基本工作原理,电枢线圈通电后在磁场中成为 载流导体 载流导体在磁场中受到电磁力 作用产生电磁转矩T 电枢在电磁转矩T作用下旋转 旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感应电势E 由于换向器的作用，感应电势E总是与外加电压的方向相反，称为反电势,三、电动势和电磁转矩,

6、电动势E 根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。,式中：E 感应电动势（V）； 一对磁极的磁通（Wb）； n 电枢转速（r/min）； Ke 与电机结构有关的常数,方向: 直流发电机总是与电流的方向相同，常称为电源电动势。 直流电动机总是与电流的方向相反，常称为反电动势。,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。,式中：T 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=9.55 Ke,大小：,作用,发电机：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。 在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转

7、矩T及空载损耗转矩T0相平衡。 电动机：驱动转矩，它与电枢转动的方向相同，使电枢转动。 在等速转动时，电动机的电磁转矩T必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,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，但作用正好相反。,发电机,电动机,电路方程,32 直流发电机,一直流发电机的分类,1、他励直流发电机：励磁绕组由外电源提供电流 2、自励发电机：励磁电流为电枢电流或为电枢电流的一部分，可分为： 并励直流发电机 串励直流发电机 复励直流发电机,直流发电机的分类,他励,并励,串励,复励,二、他励发电机,空载特性,外特性U=f(I),大约为5%10%,三、并励发电

8、机,，,并励发电机的工作原理,并励发电机的电压建立的条件,1、发电机的磁极要有剩磁。 2、起始励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同，这样，磁场才能加强。 3、合适的电阻Rf，当Rf过大时，电压就建立不起来。,并励发电机的外特性,四、复励发电机,优点：在正常运行范围内，其端电压变化不大。,33 直流电动机的机械特性,机械特性是直流电动机最重要的运行特性。 机械特性反映了电机转速与转矩之间的关系。 机械特性是分析研究电机启动、调速和制动的重要依据。 机械特性分固有机械特性和人为机械特性。,一、他励电动机的机械特性,n=f(T),T0,n0-理想空载转速（T=0） n速度降,机械特性方程的

9、推导,（一）他励电动机的机械特性表达式,直流电动机的机械特性的一般表达式,机械特性曲线及其方程,（二）机械特性硬度,1、定义 2、分类 (1)绝对硬特性( ) (2)硬特性( 10) (3)软特性( 10) 3、机械特性硬度的选择,（三）机械特性的分类,固有特性（自然特性）：指在额定条件下的机械特性。 人为特性：指上式中供电电压或磁通不是额定值、 电枢回路内接有外加电阻时的机械特性,1、固有机械特性,一般就用理想空载点（0，n0） 和额定运行点（TN，nN） 近似地来作出直线。,（1）估算电枢电阻Ra,固有机械特性曲线的绘制步骤,（2）计算 额定条件下反电势,（3）求理想空载转速,（4）求额定

10、转矩,固有机械特性曲线的绘制步骤,2、人为机械特性,人为机械特性就是指供电电压U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，亦称人为特性。 电动机有三种人为机械特性。 1）电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 2）改变电枢电压U时的人为特性 3）改变磁通时的人为特性,电枢回路串接附加电阻时的人为特性,改变电枢电压U时的人为特性,改变磁通时的人为特性,应避免的现象 1、过载 2、飞车现象,二、串励电动机的机械特性,软特性,第一段,代入,第二段 C,串励电动机的机械特性相关分析,1硬度 2优点 1）串励电动机负载的大小对电动机的转速影响较大 2）起动时的励磁电流大 3、注意事项 （1

11、）不容许空载运行。 （2）反转运行不能用改变电源极性的方式。,三、复励电动机的机械特性,具有他励和串励电动机的性质,他励磁通es=70%总磁通 串励磁通s=30%总磁通,他励,复励,串励,一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势EE1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小于还是等于E1?,注意：从 不能判断E是如何变化的,解：两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是稳态值。,例题1,例题2,例、一台他励直流电动机，其功率 PN=5.5KW、 U

12、N=220V、 IN=31A、nN=1500r/min,忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。,解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN),(1)估算Ra,(2)求n0,(3)求TN,34 直流他励电动机的启动特性,启动电流,启动时n=0 E=0,启动电流过大的危害,1）不利于换向； 2）易损坏可控硅； 3）产生较大的动态冲击，易损坏机械设备； 4）对电网产生危害。 通常规定启动电流IST=（1.52.0）IN,限制启动电流常用的两种方法,降压启动 在电枢回路内串接外加电阻启动,（IST=U/Ra）,具有一段启动电

13、阻的他励电动机,具有三段启动电阻的他励电动机,原则 T1(I1)2TN 2. T2(I2)基本相同,35 直流他励电动机的调速特性,一、速度调节与速度变化,速度调节与速度变化,速度调节-在一定的负载下，人为改变参数，从而改变电动机稳定转速。负载不变 速度变化-由于负载发生变化而引起电动机转速改变。特性不变,二、直流电动机调速的方法,(1)改变电枢电路外串电阻; (2)改变电动机电枢供电电压; (3)改变电动机主磁通。,选择不同调速方法的实质： 使电枢回路中的电流在不同速度下始终接近或等于额定值。,选择电动机调速方法的注意事项,一台电动机能否正常地长期运行，取决于它的电枢电流。额定电流是指电动机

14、长期工作所能容许的电流值。调速时，无论转速高低，都不允许长期超过额定值。 电机在运行中，电压、磁通的大小都是可以人为控制的，转速虽然和转矩有关，但基本也可以由操作者决定，而转矩和电流完全取决于负载。即电机能否正常工作要看电流，而电流的大小要看负载。,串电阻调速,缺点 1.机械特性变软，稳定性差； 2.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； 5.启动电阻不能用来调速。 适用于起重机、卷扬机。,调压调速（恒转矩调速）,特点： (1) 一般只能在额定转速以下调节； (2) 机械特性硬度不变，速度稳定度较高，调速范围较大； (3)恒转矩调速 (4)可以靠调节电枢电压来启动电

15、机，不用其它启动设备。,调磁调速（恒功率调速）,特点 （1）只能在nN以上进行无级调速（弱磁调速）； （2）机械特性变软，调速范围不大； （3）恒功率调速（P=UIa） (4) 在电流较小的励磁回路中进行调节，控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。 通常同调压调速配合使用（nN以下用调压，nN以上用调磁通的方法）。,注意：轻载时产生飞车事故,36 直流他励电动机的制动特性,一电动机的制动,1 启动与制动 （1）启动：从静止开始加速到某一稳定转速 （2）制动：从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能负载下降速度的一种运转状态。,2、 制动与自然停车,（1）自然停车：脱离电网、靠摩擦阻转矩消

16、耗机械能，需时较长 （2）制动：联在电网上，电动机运行在发电机状态，快速停止,3、电动机的电动状态与制动状态,电动状态：电动机发出的T和n方向相同；,制动状态：（发电状态）转矩T与转速n方向相反。,稳定的制动状态(n=C) 过渡的制动状态(n是变化的),电机的可逆原理,同一台电机在某一外界条件下，可以作为发电机运行，将机械能转换成电能，而在另一外界条件下，又可作为电动机运行，将电能转换成机械能。这就是说，在不同的外界条件下，电机转换能量的方向可以改变。这就是电机的可逆原理。 可逆原理是电机中的一个普遍规律，无论交流电机，还是直流电机都适用。,如何判断电机的运行状态,不论是电动机还是发电机，始终

17、存在两个基本物理量：电枢电势E和电磁转矩T 对直流电机来说，可以根据下列关系来判断电机的运行状态。 对电动机而言,发电机运行状态就是制动状态 利用直流电动机产生的电磁力作为制动力,当EU，T与n反方向，发电机运行状态,当EU，T与n同方向，电动机运行状态,二直流他励电动机制动状态,反馈制动：电动机为正常接法、电动机的实际转速大于其理想空载转速 反接制动：电源反接制动、倒拉反接制动 能耗制动：外加电枢电压突然下降为零、将电枢串接一个附加电阻短接起来,（一）反馈制动,特征：实际转速由于外部条件的作用，使得nn0 实例：1）电车下坡；2）突降U；3）卷扬机下放重物。 特性：E=Ken；U=E+IR

18、当n n0时，EU，导致Ia反向，从而T反向，电动机转为发电机运行状态，将机械能转变成电能，向电网反馈，故称之为反馈制动。,电车下坡的反馈制动,特点： nn0 Ia0 TM0,电枢电压突然降低时的反馈制动过程,调磁通调速过程中的反馈制动,n03n01,反馈制动只在调磁降速过程中产生,-T,TL,下放重物时的反馈制动过程,制动矩,反向 电动状态,a点b点 nEIa-TM ,反馈制动状态,b点 C点nn0 Ia0、TM T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,(二）反接制动,电枢电压U和电枢电势E在外部条件的作用下，方向由相反变为一致，由此使得T与n的方向相反，故称之为反接制动。 将改变电枢电压U所产生的反接制动称为电源反接制动。 将改变电枢电势E所产生的反接制动称为倒拉反接制动。,电源反接时的反接制动过程,正向电动,反接制动,反接电动,位能负载时反馈制动,注意：反接时U与E相加，电流很大,用Rad限流 应用：快停、经常正反转,倒拉反接制动状态下的机械特性,注意：T没有反向 选用不同的Rad可改变下放速度但不能太小，交叉点必须在四象限,（三）能耗制动状态下的机械特性,反抗负载制动 优点：不会出