第三部分 直流电机.ppt

1、第一节 直 流 电 机 直流电机：通以直流电流的旋转电机，它是直流发电机和直流电动机的总称。它具有可逆性，即一台直流电机既可作发电机运行，也可以作直流电动机运行。 直流发电机：将机械能转换为电能。 直流电动机：将电能转换为机械能。,直流电机与交流电机相比，虽然其结构比较复杂，使用维护较麻烦，但由于直流发电机能够直接作为稳定的直流电源，而直流电动机具有调速性能好，起动转矩大等优点，因而直流电机在工业生产中仍获得了广泛应用。,（一）直流电机的工作原理 1.直流发电机工作原理 两极直流发电机原理如图3-l所示。,一、直流电机的基本原理与结构,2.直流电动机工作原理,直流电动机 的作用：将电能转化成机

2、械能,工作原理：当直流电动机电枢绕组接至电源上时，根据电磁力定律，载流导体在磁场中受电磁力的作用，产生了一个转矩，在转矩的作用下，电枢便按逆时针方向旋转起来。,（二）直流电机的基本结构 直流电机的结构:它由定子和转子两个基本部分组成。,直流电机,1、直流电机的定子部分基本结构,（1)主磁极 包括：主磁极铁心：导磁，固定绕组 主磁极绕组（励磁绕组）： 通入直流励磁电流产生主磁场,(2) 换向磁极： 作用：其作用是产生换向磁场，以改善电机的换向，消除电刷与换向器间的火花。 包括：换向极铁心、换向极绕组。,换向极绕组与电枢绕组串联连接。,(3)电刷及换向器的作用： 把旋转电路与外电路联系起来 把电枢

3、绕组中的交流电整流为外电路中的直流电,注意：直流电机电枢导体中的电势为交变电势。经换向器和电刷的整流作用后，电刷引出的电势为直流电势。,(4)机座：磁路的一部分；起机械支撑作用。,2、直流电机的电枢部分 由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等组成。 (1)电枢铁心：用于嵌放电枢绕组，电机磁路的一部分。 (2)电枢绕组：是产生感应电动势，并形成感应电流，使电枢得到电磁转矩作用而旋转，从而使电机实现机电能量转换。,(3)换向器：其作用是将电枢绕组中的交流电动势和电流转换成电刷间的直流电动势和电流。 (4)转轴：是电枢主要支撑件，用于传递转矩。 (5)风扇：用于降低电机运行中的温升。,（三）直流

4、电机的分类 1励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。 2直流电机按励磁方式分为有： （1）他励直流电机；（2）并励直流电机；（3）串励直流电机；（4）复励直流电机等四种，如图37所示。 并励绕组匝数多，导线细；串励绕组匝数少，导线粗。,复励直流电机有：并励和串励两个励磁绕组。 若串励绕组产生的磁通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励。若两个磁通势方向相反，则称为差复励。 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。,直流电枢绕组是双层绕组。按照连接方式的不同，主要分为叠绕组和波绕组两大类型(见图251)。,二、直流电机的电枢绕组,绕组元件可以是单匝也可以是多匝。元件的两个端点，即首端和尾端，

5、分别连接到两换向片上。元件嵌放在电枢铁心的槽内，它的一边放在某一槽的上层，另一边放在另一槽的下层。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。,第一节距y1：同一元件的上层边和下层边之间的距离。一般用槽数来表示。为了使元件获得最大电动势，第一节距y1 应等于或接近于一个极距，即,如果是整数，则绕组元件的第一节距y1称为整距绕组； 当不是整数时，,使y1凑成整数的一分数值。y1的绕组元件称为短距绕组元件,第二节距y2：前一元件的下层与紧接串联的后一元件的上层边之间的距离，称为第二节距y2。以槽数表示之。 合成节距y：两个相连的元件对应边之间的距离，称为合成节距y，以槽数表示之。 绕组元件之间的关系式可以

6、写为 叠绕组： y=y1-y2 波绕组：y=y1+y2,换向器节距yk：每个元件的两端所接的两个换向片之间的距离，称为换向器节距yk，以换向片数表示之。 从图251还可以看出，合成节距和换向器节距总是相等的，即y=yk 。 绕组元件数S一定等于换向片数K，即S=K。如果在各个槽内，槽的每一层只放一个元件边，则电枢的槽数Z，也一定等于绕组元件数S，即Z=S=K,实际生产的电机，为了提高槽的利用率和制造工艺简单起见，常在每槽上、下层嵌放两个、三个或更多的元件边。如果将每一上层和下层的元件看作一个“虚槽”，则虚槽数Zv=2Z、3Z或更多。如图252所示，每一个实槽包含两个虚槽，即Zv=2。由此可见，

7、当一个实槽包含u个虚槽时，则虚槽数与实槽数的关系可表示为Zv=uZ,单叠绕组:磁极对数=支路对数=电刷对数,反映了单叠绕组的重要特性。= p=b,单波绕组不论其极数为多少，所得的并联支路数总等于2，即支路对数=1,反映了单波绕组的重要特性。,三、直流电机的电枢反应,当主极绕组中通入励磁电流后，电机中便建立起主磁场； 当电机运行时，电枢绕组中有电流通过，就会产生电枢磁场。 电枢磁场对主磁场的影响叫电枢反应。 电枢反应有的影响： 其一是使主磁场发生扭转畸变，使合成磁场的物理中性线m-m与几何中性线n-n不相重合。,其二是使主磁场被削弱。 这两方面的影响将使电机的换向火花增大，使发电机输出的电压降低

8、，使电动机输出的转矩减小。,在发电机中，物理中性线沿电机旋转方向偏移角，而在电动机中则与此相反。如图2-6所示；,四、直流电机的换向,1换向过程 当直流电机旋转时，电枢绕组元件从一条支路经电刷进入另一条支路时，元件中电流的方向发生改变，这种电流方向的改变称为换向。 正在换向的元件，称为换向元件。 元件中电流方向的改变过程，称为换向过程。 换向过程十分复杂。换向不良将产生火花，而火花严重时则会使换向器表面损坏，使电机不能工作。,2换向时产生火花的原因 产生换向火花的原因有电磁方面的也有机械和电化学等方面的。 （1）电磁方面的原因：是指在换向过程中，换向元件中的电抗电动势ex(包括自感电动势和互感

9、电动势)和旋转电动势ea(电枢反应电动势)两者的合成电动势ex+ea，将在换向元件回路中产生附加电流，而引起换向火花。 对有换向极(换向极电动势ek)的直流电机而言，该合成电动势为ex+ea-ek，故采用换向极可以改善直流电机的换向。,2换向时产生火花的原因 （2）机械方面的原因：主要有换向器偏心、换向片凸出、电刷压力不合适和电刷跳动等。 3改善换向的方法 （1）加装换向极(对无换向极的直流电机而言) （2）合理选用电刷和移动电刷位置,五、 直流电动机的基本特性 （一）基本公式 1直流电动机的电磁转矩T T=CTIa （31） 可知TIa 式中 CT与电动机结构有关的常数； 每极磁通（Wb）

10、Ia电枢电流（A）； T电磁转矩（Nm）。 2.直流电动机的转矩T与转速n及轴上输出功率P的关系 式为 ： T=9550 P/n （32） 式中 n一电动机转速（rmin）； T电动机电磁转矩（Nm）。 P一电动机轴上输出功率（kw）；,3.直流电动机电枢电动势 Ea=Cen （33） 式中 Ce与电动机结构有关的另一常数； 每极磁通（Wb）； n 电动机转速（rmin）； Ea 电枢电动势（V）。 Ean Ea与Ia方向相反，在电路中起着限制电流的作用。,（二）基本方程式,U=Ea+IaRa,反电势Ea与电枢电流Ia方向相反,Ea=Cen 电动机启动时n=o，Ea=0，Ia很大,（三）他励直

11、流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性：是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f ( T )。 1.他励直流电动机机械特性方程式,还可以写成 n=n0T=n0n,U=Ea+IaRa=Cen +IaRa,一般并励电动机的n为38。因此，并励电动机适用于要求转速比较稳定的场合，如金属切削机床、造纸机械等。,2.他励直流电动机的固有机械特性 当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻Rpa时的机械特性称为固有机械特性，其特性方程为,固有机械特性为硬特性。,3.他励直流电动机的人为机械特性 人为地改变电动机气隙磁通、电源电压U和电枢回路串联电阻Rpa等参数，

12、获得的机械特性为人为机械特性。,(1)电枢回路串接电阻Rpa时的人为特性 特性方程为：,因此：改变电阻Rpa大小，可以改变电动机的转速。,(2)改变电源电压时的人为机械特性 特性方程为：,因此，降低电源电压也可用于调速，U越低，转速越低。,（3）改变磁通时的人为机械特性,随着减弱，n0升高，曲线斜率变大。若用于调速，则越小，转速越高。,特性方程式：,六、 他励直流电动机的起动、反转、制动及调速,在起动瞬间，电动机的转速n= 0，反电动势Ea = 0，起动电流IstIN（约为1020倍的IN）。,直流电动机的起动方法有： 电枢串电阻起动和降压起动两种。,1.全压启动 电枢电流Ia为,（一）他励直

13、流电动机的启动,2. 减压起动（降压起动） 当直流电源电压可调时，可以采用降压方法起动。 在起动瞬间，n = 0，反电动势Ea = 0，降低电源电压U ， 将起动电流限制在允许的范围内。,起动电流通常限制在(1.52)IN内，则起动电压应为 Ust=IstRa=(1.52)INRa,3. 电枢回路串电阻起动 在额定电源电压下，电枢回路串入分级起动电阻Rst，在起动过程中将起动电阻逐步切除。 下 图为他励直流电动机三级起动时的电气原理图。,（二）他励直流电动机反转 直流电动机反转的方法有以下两种： 1.改变励磁电流方向 将励磁绕组反接，使励磁电流反向。 2.改变电枢电压极性 将电枢绕组反接，Ia

14、即改变方向。,（三） 他励直流电动机的制动 包括：机械制动和电气制动 1电气制动：是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动。,2常用的电气制动方法有： 能耗制动：用于准确停车,电枢反接制动：用于快速停车 倒拉反接制动：用于起重机低速下放重物,反接制动：,发电回馈制动：用于高速下放重物,1.能耗制动 （1）制动原理：能耗制动是把正处于电动机运行状态的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻Rbk上构成闭合回路。控制电路如图3-18a所示。,能耗制动开始瞬间电动机电枢电流为,2.反接制动 反接制动有1）电枢反接制动2）倒拉反接制动两种方式。 （1）电枢反接制动

15、1）制动原理：电枢反接制动是将电枢反接在电源上，同时电枢回路要串接制动电阻Rbk。控制电路如图3-21所示。,（2）倒拉反接制动 控制电路如图3-22a所示。,（3）发电回馈制动,1） 直流电动机拖动的电车下坡时：电磁转矩T与负载转矩TL共同作用，使电动机转速上升，当nno时，EaU，Ia反向，T反向成为制动转矩，电动机运行在发电回馈制动状态。,2）降低电枢电压调速时的发电回馈制动,制动原理：当电动机电枢电压突然降低时，因惯性电动机转速不能突变，使nan01，EaUl，致使电动机电枢电流Ia和电磁转矩T变为负值，电动机转速迅速下降。从特性b点至n01点之间电动机处于发电回馈制动状态。,（四）

16、他励直流电动机的调速,调速方法有：（1）降压调速；（2）电枢回路串电阻调速；（3）减弱磁通调速三种。,1.电枢电路串联电阻的调速 电枢回路串接电阻Rpa时的人为机械特性曲线如图325所示。,（1）电枢串电阻的特点： l）是基速以下调速，且串入电阻越大特性越软。 2）是有级调速，调速的平滑性差。 3）调速电阻消耗的能量大，不经济。 4）电枢串电阻调速方法简单，设备投资少。 （2）适用范围：适用于小容量电动机调速。但调速电阻不能用起动变阻器代替。因为启动电阻是按短时设计的 ，而调速电阻是连续工作的。,2.降低电枢电压调速 降低电枢电压后的人为机械特性曲线如图326所示。,1.降压调速的特点： 1）调速性能稳定，调速范围广。 2）调速平滑性好，可实现无级调速。 3）损耗减小，调速经济性好。 4）调压电源设备较复杂。,3.减弱磁通调速 减弱磁通调速的人为机械特性曲线如图327所示,减弱磁通调速的特点： l）特性变软，调速范围不大。 2）调速平滑，可实现无极调速。 3）能量损耗小。 4）控制方便，控制设备投资少。,由图可见，串励电动机的转速随转矩的增加而急剧下降，这种机械特性称为软特性。 串励电动机适用于负载转矩变化较大、要求起动转矩大而不可能空载运行的