直流电机的工作原理及特性.ppt
第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性n直流电机的分类：n直流电动机n直流发电机n直流电机的优缺点：n优：良好的启动性能和调速性能n缺：结构复杂n直流电机的应用场合：n调速要求高n正、反转频繁n启、制动频繁第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性n3.1 直流电机的基本结构和工作原理n3.3 直流电动机的机械特性n3.4 直流他励电动机的启动特性n3.5 直流他励电动机的调速特性n3.6 直流他励电动机的制动特性第三章 直流电机的工作原理及特性3.1 3.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理n3.1.1 直流电机的基本结构定子转子n定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机n转子的作用是产生感应电动势及产生机械转矩以实现能量的转换n定子和转子之间由空气隙分开n定子n主磁极：产生磁场主磁极：产生磁场n换向极：改善电枢电流的换向性能换向极：改善电枢电流的换向性能n机座：固定主磁极，换向极和端盖等机座：固定主磁极，换向极和端盖等n电刷，电刷座：接通电枢绕组和外电路电刷，电刷座：接通电枢绕组和外电路n端盖端盖n轴承轴承n转子n电枢铁心：主磁通磁路的一部分，用钢硅片叠成n电枢绕组：实现能量转换的关键部分n换向器：将电枢绕组内感应的交流电势转换成直流电势n轴n风扇n3.1.1 直流电机的基本结构 (定子剖面图)主磁极换向极磁极数主磁极的个数磁极对数=磁极数/2n3.1.1 直流电机的基本结构 (转子结构图）转子换向片转轴电枢线圈n3.1.1 直流电机的基本结构 (转子硅钢冲片图）电枢铁芯硅钢冲片背景知识背景知识 导体在磁场中做切割磁力线的运动产生感生电动势应用导体在磁场中做切割磁力线的运动产生感生电动势应用右手定则（法拉第）；右手定则（法拉第）； 通电导体在磁场中受到电磁力的作用应用通电导体在磁场中受到电磁力的作用应用左手定则（安培）。左手定则（安培）。B-磁感应强度v-速度方向e-感应电势I-电流 方向f-电磁力 方向右手定则右手定则左手定则左手定则第三章 直流电机的工作原理及特性3.1.2 3.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理) 1 . 3(nKEen 电动势（v）n 一对磁极的磁通（wb）n 电枢转速n 与电机结构有关的常数nEeKn电枢在磁场中旋转，每一有效边的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当转到S极下时是另一个方向。n换向片：电刷A总是同N极下的有效边相连的换向片接触；而电刷B总是和S极下的有效边相连的换向片接触。所以电刷A，B间就有一个极性不变的电动势。n当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下，电路中就产生一定方向的电流。2 . 3atIKTn 电磁转矩n 一对磁极的磁通n 电枢电流n 与电机结构有关的常数， 且Kt=9.55KeTaIn将直流电源接在电刷之间。nN极下的有效边电流总是一个方向，S极下的有效边电流总是另一个方向，这样两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因此而转动。n可以发现：电动机电枢线圈通电后在磁场中受力而转动；同时，当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势（右手定则），而这个电动势的方向与外加电流的方向总是相反，所以称反电动势。第三章 直流电机的工作原理及特性3.1.2 3.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 E对于直流发电机而言是电源的电动势，而对于电动机而言，感生电流和感生电势的方向始终与外加电流和电压的方向相反，故称之为反电势；同理，T对于直流电动机而言是拖动转矩，而对于发电机而言则为阻转矩。电机运行方式E与Ia的方向E的作用T的性质转矩之间的关系发电机电动机同向反向电源电动势反电动势阻转矩驱动转矩T1=T+T0T=TL+T0注：Ia-电枢电流；T0-电机空载损耗转矩3.2 直流发电机n通常按照励磁方法分为他励、并励、串励和复励；n他励发电机的励磁绕组是由外电源供电的，励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。而其余三种发电机的励磁电流即为电枢电流或为电枢电流的一部分，所以也称为自励发电机3.2 直流发电机n3.2.2 并励发电机n励磁电流比电枢电流小得多；n在并励发电机中，励磁电流从何而来？电压是如何建立的？n1.发电机的磁极要有剩磁；n2.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，磁场的加强使电动势随之增大，电动势的增大使励磁电流增大，进而再使磁通及电动势增大，如此反复，直至磁饱和；n3.励磁电阻不能过大。3.2 直流发电机n3.2.3 复励发电机n结构：在发电机磁极上除绕上并励绕组外，再绕一个与电枢串联的串励绕组，则它就构成了一台复励发电机。n在复励发电机的这两个磁极绕组中通入电流后，它们产生之磁场的方向是相同的。n在并励发电机中，其端电压随着负载电流的增大而下降；而在复励发电机中，当负载电流增大时，串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。所以在复励发电机的正常运行范围内，其端电压变化不大，这是它的优点。第三章 直流电机的工作原理及特性3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性( (直流电动机按励磁方式分他励、并励、串励和复励。) 3.3.1 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性113.RIEUaa123.IKRKUnnKEaeaeeatIKT13.302nnTKKRKUnteaen0-理想空载转速（T=0）n-转速降nTTn0nNnNTo第三章 直流电机的工作原理及特性3.33.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性可以看到 越大，机械特性越直。绝对硬特性硬特性软特性硬特性和软特性具有不同的应用场合：比如一般金属切削机床、连续式冷轧机、造纸机等需要硬特性的电动机，而起重机、电车等则需选用软特性的电动机。%100nTdndT1010nn0T机械特性硬度硬特性10软特性10绝对硬特性 影响n=f(T)曲线的有: 根据这三个量变化与否，直流电机的机械特性分固有机械特性与人为机械特性第三章 直流电机的工作原理及特性3.33.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性aRU、TKKRKUnteae21.固有机械特性 n=f(T)在额定电压 UN ，额定磁通 N下，并且电枢电路不接任何电阻时的n=f(T)。此时 它为一直线。可由（0,n0），（ TN, nN）两点确定。通常，电机铭牌上给出PN，UN，IN，nN。只需求n0，TN。TKKRKUnNeaNeN2t第三章 直流电机的工作原理及特性3.33.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性NNNNNNNNNNN2NNNNNNNNNN(1)-U IPU IU I(1)U I(0.50 0.75)(1)U IP /U I(0.50 0.75)(1)U /IaNaaRPI RR估算电阻输入功率 输出功率故有式中则直流他励电机固有机械特性曲线的绘制:Tn0nNnNTo（0,n0)（TN,nN)NN0NaNNaNNNn55. 9T)4(K/U) 3(n/ )RIU(KRIUK)2(NNNNeNeNeNePPnnK求额定转矩求理想空载转速得由求所以，得到（0,n0），（ TN, nN），就可以得出他励电动机近似的机械特性曲线。第三章 直流电机的工作原理及特性3.33.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性2. 人为机械特性TKKRKUnteae2第三章 直流电机的工作原理及特性3.33.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性1)电枢回路串接电阻Rad(U=UN, = N）时的人为机械特性特点：1、串接电阻后，理想空载转速n0不变； 2、串接电阻后，斜率变大即机械特性变软。18302.nnTKKRRKUnteadae第三章 直流电机的工作原理及特性3.33.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性 = N)特点：1、U改变时，理想空载转速n0发生变化； 2、斜率不变，即机械特性硬度不变； 3、值得注意的是，电枢电压只允许在其额定值以下调节nnTKKRKUnNteaNe020noT01n02n03nNU1U2U3U321UUUUNn第三章 直流电机的工作原理及特性3.33.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性nnTKKRKUnteae02TstT1stT2stTo0n01n02nnN1221NLT特点：1、由于线圈发热和电机磁饱和的限制，只适用于n0,电动机变成发电机，把机械能变转化成电能向电源馈送，称为反馈制动，也称再生制动或发电制动。当电车由平路行驶，电磁转矩T=Tr，并以速度na转速稳定在点a工作；当变为下坡时，电车位能负载转矩Tp使电车加速，转速n增加，则电动机转矩T的方向与电动运转方向相反，直到TP=T+Tr，电动机以nb的稳定转速控制电车下坡。)(2TKKRRKUnteadae第三章 直流电机的工作原理及特性3.6.1 3.6.1 反馈反馈制动制动00221102MbadabadaaTIEUnnRREUIRREUI当降压调速过程中的反馈制动当电动机电枢电压突然降低，机械特性曲线由1变为2，电枢电流将发生变化：即当U1降为U2的瞬间，电流Ib变为负值，产生制动转矩。从点b到n02这段特性上，电动机进行反馈制动，转速逐步降低，转速下降至n02时，E=U2，电动机的制动电流和由它建立的制动转矩下降为零，反馈制动结束。电动下放重物制动下放重物n 卷扬机下放重物时，也会产生反馈制动过程0IaadaeRRnKU在ab段:nn0n 改变加在电枢上的电压极性，特性曲线在第三象限，在电磁转矩T与位能转矩TL的共同作用下重物迅速下降，且越来越快，此时电枢电流不断减小，电动机转矩也减小，传动系统状态由a点向b点移动n 系统在重力作用下继续加速，当时，EU，Ia改变方向，电动机转矩T变为正值，其方向与TL相反，电动机进入反馈制动状态。在TL的作用下，状态由b点继续向c点移动，电磁制动转矩也随之增大，直到n=-nc，T=TL。0nn 第三章 直流电机的工作原理及特性3.6.1 3.6.1 反馈反馈制动制动特点：改变电枢电路电阻Rad可以改变重物的下放速度，Rad越小，下放速度越慢，但下放时nn0，故下放重物较重时不安全。电动下放重物制动下放重物n 改变电枢电路中的附加电阻Rad的大小，可以调节反馈制动状态下电动机的转速；n 附加电阻越大，电动机转速越高（d点）。为使重物下降速度不致过高，串接的附加电阻不宜过大。n当他励电动机的电枢电压U或电枢电动势E中的任一个在外部条件作用下改变了方向，即二者由方向相反变为方向一致时，电动机都将运行于反接制动状态。n1. 把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动。n2. 把改变电枢电动势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。第三章 直流电机的工作原理及特性3.6.2 3.6.2 反接反接制动制动n1.电源反接制动（U反向）22. 3adaaRRIUEn首先，电动机稳定运行在第一象限中特性曲线1的点a，转速为na。n若电枢电压的极性突然反接，则U的极性如图中实线所示，此时的电动势平衡方程式：n进而可以推导出电源反接制动状态的机械特性表达式：n此时，机械特性曲线如线2所示，其反接制动特性曲线在第二象限。)(2TKKRRKUnteadaen系统状态变化过程：（1）a点b点c点：系统发出与转速方向相反的转矩T，与负转矩一起作用，使电动机转速迅速下降，制动转矩也随之减小，当n下降到0时，反接制动过程结束。n（2）此时若电枢不变，电动机将反向启动，并将在d点（当TL为反抗转矩时）建立系统稳定平衡点；在f点（当TL为位能转矩时）建立系统稳定平衡点。n1.电源反接制动（U反向）注意：反接时U与E串联相加，电流很大，应用Rad进行限流。应用：一般应用于生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。反接电动正向电动反接制动位能负载时反馈制动第三章 直流电机的工作原理及特性3.6.2 3.6.2 反接反接制动制动n1.电源反接制动（U反向
