电机学课件-直流电动机

1、直流电动机,了解串励直流电动机的工作特性；了解直流电动机的起动和制动方法。 掌握直流电动机基本方程式和他励直流电动机的工作特性。 掌握直流电动机调速方法。,正方向的规定：,电枢电动势Ea与电流Ia 电磁转矩Tem与转速n,（1）电势平衡式,电枢回路：,励磁回路：,EaU,他励,并励:,一、基本方程式,一、基本方程式,（2）转矩平衡式（稳态）,em 02,2：输出转矩; 0:空载制动转矩,（3）功率平衡式,方向与n同相,动态转矩平衡方程式,机组总负载制动转矩,亦可用Tz 表示。,J机组旋转部分的转动惯量；,惯性转矩,转子减速，,转子匀速，,Tc为驱动转矩；,稳定运行。,Tc正方向：与转速正方向相

2、反为正,功率平衡式,P1：输入电功率; Pem：电磁功率,这是电动机产生的总机械功率。,电动机的电磁功率是指在能量转换过程中机械能与电能互相转换所对应 的那部分功率。,是电源输入到电动机的电功率并被转换成机械功率输出,Rj=0时,产生电磁转矩,使电动机电枢旋转，并拖动机械负载。,功率平衡式,pmec：机械损耗; pFe: 铁心损耗； pad： 附加损耗,并励电动机,并励电动机总损耗,发电机电枢回路内电阻总损耗,p0：空载损耗功率;,他励电动机,功率和效率,功率平衡式：,效率：,直流电动机的工作特性,一、他励电动机的工作特性,1、速率特性,为常值时，,来表征）,称电动机的理想空载转速,称电动机的

3、实际空载转速,电动机空载时,1、速率特性他励并励,转速调整率,对于他励并励电动机，通常,基本上是一种恒速电动机,一般来说，电枢回路电阻压降的影响较电枢反应 的影响为大，故其速率特性曲线略向下倾斜。,1、速率特性他励并励,若在轻负载下发生励磁绕组断开， 将导致电动机“飞速”，可能损坏电机。,并励电动机运行时，励磁绕组不能断路。,2、转矩特性他励并励,4、机械特性他励,电动机的转速与电磁转矩的函数关系,称为直流电动机的机械特性。,、,4、机械特性他励,、,4、机械特性他励,、,改变端电压的人工机械特性其硬度不变,他励直流电动机的机械特性,1）电枢串电阻时的人为特性,保持 不变，只在电枢回路中串入电

4、阻 的人为特性：,特点：（1）n0不变，变大； （2）Rj越大，特性越软。,他励直流电动机的机械特性,2）降低电枢电压时的人为特性,保持 不变，只改变电枢电压 的人为特性：,特点：（1）n0 随 U 变化, 不变； （2）U 不同，曲线是一组 平行线。,他励直流电动机的机械特性,3）减弱励磁磁通时的人为特性,保持 不变，只增加励磁回路调节电阻 的人为特性：,特点：（1）弱磁，n0 增大； （2）弱磁，增大，特性变软。,二、串励电动机的工作特性,Rj=0,If=Ia,当电机磁路线性时，,1、串励电动机的速率特性,将导致转速非常高， 从而引起危险，俗称“飞车”。,串励电动机在空载或轻载时,1、串励

5、电动机的速率特性,1、串励电动机的速率特性,串励电动机在空载或轻载时，磁通很小，,电枢必须以非常高的转速才能产生足够的 电势，来与电网电压相平衡。 因此，串励电动机不允许空载运行。 通常规定串励电动机与生产机械连接时，不允许采用皮带等容易发生滑脱 的传动机构，应使用齿轮等传动。,转速调整率,从物理意义上分析：,2、串励电动机的转矩特性,若磁路高度饱和，则 基本不变，,在一般情况下，电磁转矩按大于电流一次方的比例增加。,串励电动机起动和过载时Ia较大,电磁转矩较大,具有较大的起动转矩 和过载能力.当负载减轻时，转速又会自动上升。串励电动机的这些 特点特别适用于电力机车等场合。,为了克服空载时发生

6、“飞车”现象，又保持串励电动机的优点，通常采用复励电动机。,3、串励电动机的机械特性,、,当电机磁路线性时，,3、串励电动机的机械特性,、,当电机磁路线性时，,这是一条双曲线。可见，当负载转矩增大时，转速下降很快。 故串励电动机的机械特性很软,当电机磁路饱和时，,转速下降的程度减小，但其机械特性仍较软,当电机磁路高度饱和时，,机械特性变直线,三、复励电动机的工作特性,复励电动机同时具有并励绕组和串励绕组， 其工作特性介于并励和串励电动机两者之间。 为避免运行时产生不稳定现象，通常采用积复励。,并励绕组起主要作用时，其工作特性接近于并励电动机。 但当电枢反应的去磁作用较强时，仍能获得下降的速率特

7、性，以保证电动机的稳定运行。此时，称串励绕组为“稳定绕组”。,串联绕组起主要作用时， 其工作特性接近于串励电动机。 但空载时不会出现“飞车”危险。,23.3 他励直流电动机的起动,电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。,23.3 他励直流电动机的起动,一、起动过程,23.3.1 电枢回路串电阻起动,二、分组起动电阻的计算,23.3.1 电枢回路串电阻起动,设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：,b点,c点,d点,e点,f点,g点,比较以上各式得：,在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:,二、分组起动电阻的计

8、算,23.3.1 电枢回路串电阻起动,（6）计算各级起动电阻。,（1）估算或查出电枢电阻 ；,（2）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流 ；,（3）选取起动级数 ；,（5）计算转矩:,，校验：,如果不满足，应另选 或 值并重新计算，直到满足该条件为止。,计算各级起动电阻的步骤：,23.3.2 降压起动,当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。,起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。,降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起

9、动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。,23.3.2 电力电子技术PWM降压,脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变ton,为导通占空比,电压平均值,23.4 他励直流电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速； 通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为

10、调速。,23.4 他励直流 电动机的调速,一、电枢回路串电阻调速,未串电阻时的工作点,串电阻Rj1后,工作点由AAB,串电阻瞬时的工作点,串电阻稳定的工作点,转速不突变 Ea不突变,一、电枢回路串电阻调速,调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变,调速过程转速变化曲线,t,t=0,n1,nN,IaN,ia,n,ia,n,结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低，稳定电流不变。,23.4 他励直流 电动机的调速,一、电枢回路串电阻调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,2）低速时特性曲线斜率大,所以转速的相对稳定性差， 有冲击时转速波动大；,3）轻载时调速范围小；,4）损耗大，效率低，不

11、经济。对恒转矩负载，调速前、后Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；,23.4 他励直流 电动机的调速,二、降低电源电压调速,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,23.4 他励直流 电动机的调速,转速不突变 Ea不突变,2.4 他励直流电动机的调速,二、降低电源电压调速,优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性

12、好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同， 调速比一般可达 D=2.512。,4）输入功率同步减小，电能损耗较小。,缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。,三、减弱磁通调速,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工作点AA,弱磁稳定后的工作点,23.4 他励直流 电动机的调速,转速不突变， 但Ea减小 电流增大,三、减弱磁通调速,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线,结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,23.4 他励直流 电动机的调速,23.4 他励直流电动机的调速,三、减弱磁通调速,优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小

13、，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。,缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；,23.5 他励直流电动机的制动,当 与 的方向相同时，电机运行于电动机状态， 当 与 方向相反时，电机运行于制动状态。,2.5.1 能耗制动,需要制动时,将开关S投向制动电阻 上即可。,由于惯性，电枢保持原来

14、方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。,制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。,23.5.1 能耗制动,能耗制动时的机械特性为：,电动机状态工作点,制动瞬间工作点,制动过程工作段,电动机拖动反抗性负载，电机停转。,若电动机带位能性负载,稳定工作点,23.5.1 能耗制动,但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是,能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了

15、尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。,改变制动电阻 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。 越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。,即：,其中 为制动瞬间的电枢电动势。,23.5.2 反接制动,电压反接制动时接线如图所示。,一、电压反接制动,开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：,反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用电压反接制动。,23.5 他

16、励直流电动机的制动,23.5.2 反接制动,一、电压反接制动,机械特性为：,工作点变化为： 。,制动过程中, 、 、 均为负，而 、 为正。,可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。,23.5 他励直流电动机的制动,23.5.2 反接制动,二、倒拉反转反接制动,倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。,电枢回路串入较大电阻 后特性曲线,正向电动状态提升重物(A点),负载作用下电机反向旋转(下放重物),电机以稳定的转速下放重物D点,2.5 他励直流电动机的制动,23.5.2 反接制动,第二章 直流电动机的电力拖动,二、倒拉反转反接制动,倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有,倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。,倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。,23.5 他励直流电动