郝用兴主编-华中科技大学出版社-第二版-机电传动控制课件--第3章

第3章直流电机的工作原理及特性本章重点：1.直流电机的机械特性；2.直流电机的基本方程和能量转换关系2.直流电机的启动、调速和制动的方法及应用场合3.1直流电机的基本结构和工作原理3.1.1直流电机的基本结构•1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极•5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心转子：5电枢铁芯、4电枢绕组、3换向器、1转轴、6风扇、2/7轴承定子：2主磁极、3励磁绕组、4换向极、5换向极绕组、6机座和电刷装置3.1.2直流电机的工作原理•1.直流发电机的工作原理eEKn(a)ab边正对N极(b)ab边正对S极•2.直流电动机的工作原理maTKI3.1.3直流电机的可逆性•还是作电动机运行，关键在于外加的条件，也就是输入功率的形式。•如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，则从电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，电机将机械能转换成电能而成为发电机；•如在电刷上加直流电压，将电能输入电枢，则从电机轴上输出机械能，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机。TEEaI和1LTTT0LTTT电机运行方式的方向的作用的性质转矩之间的关系发电机相同电源电动势制动转矩电动机相反反电动势拖动转矩3.2直流发电机和电动机的基本方程•3.2.1•根据励磁绕组的励磁方法来分类，直流电机可分为他励和自励两类。•他励：励磁电流是由另外的直流电源单独供电的。•自励：励磁电流是由电机电枢提供，它又可分为三类：并励、串励和复励。a)他励，其励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由其他电源对励磁绕组供电；b)c)串励，其励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源d)所示为复励，有并励和串励两个励磁绕组3.2.2直流发电机的基本方程•电压平衡方程•转矩平衡方程aaUEIR10TTT0eUEKn3.2.3直流电动机的基本方程式•电压平衡方程•转矩平衡方程•功率平衡方程aaUEIR0LTTT12PPP1eCuaPPP0mfePPP02ePPP电动机的输出功率2P机械损耗mP•直流电动机的机械特性是指电机在一定的电枢电压和励磁电压下，转速与输出转矩之间的函数关系：3.3直流电动机的机械特性()nfTeEKnaaUEIR3.3直流电动机的机械特性•3.3.1机械特性方程的一般表达式aaeeRUnIKK02aeemRUnTnnKKKn称为转速降落，它反映了电枢电阻在运行时消耗能量的大小及运行过程中相对稳定的好坏。理想空载转速0n3.3.2电动机的铭牌数据•额定功率•额定电压•额定电流•额定转速•额定转矩NPUNINnNTN3.3.3机械特性的计算•1.固有机械特性•（1）估算电枢电阻•（2）求反电动势•（3）求理想空载转速•（4）求额定转矩•（5）绘出机械特性曲线2NaeNemNURnTKKK(0.5~0.75)(1)NNaNNNPURUIINNaeNNUIRKn0NeNUnK9550260NNNNNNPPPTnnNeNNNNaEKnUIR2.人为机械特性•（1）电枢回路串附加电阻时的人为特性02NaadeNemNURRnTnnKKK•（2）改变电枢电压时的人为特性02aeNemNRUnTnnKKK•（3）改变磁通时的人为特性02NaeemURnTnnKKKststaEIRUstE0stI不变stTmstKI过分削弱磁通Ia大大增加过载飞车启动前加励磁运行中加失磁保护•例3.1：有一台他励直流电动机，其额定值为•当电动机端电压为额定值，磁通减弱为额定值的0.5倍时，电磁转矩增大到多少倍？•解：（1）•（2）弱磁前，•弱磁后30NPKW220NUV158.5NIA0.1aR1000/minNnr220158.50.10.20421000NNaeNNUIRKn19.55mNNeNNTKIKI0.50.50.20421000102.1eNeNNEKnKnV220102.111790.1NaUEIAR29.55meTKIKI219.550.50.511793.729.55158.5eeNNNKITITKII0.5N3．4直流他励电动机的启动特性•启动电流(10~20)(0.05~0.1)NNstNaNUUIIRR•1．降低电枢电压启动•2．电枢回路串电阻启动2stNaSCRUIIRR2()NstNastUIIRR•图3-14具有一段启动电阻的他励电动机图3-15具有三段启动电阻的他励电动机3.5直流他励电动机的调速特性•3.5.1改变电枢电路外串电阻调速•调速方法的特点是简单，但缺点是机械特性较软，速度的稳定性差；空载或轻载时调速范围不大；在调速电阻上耗能多。因此目前应用很少，仅在起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中使用。3.5.2改变电动机电枢供电电压调速•可实现无级调速，由于机械特性硬度不变，所以调速的稳定性高，调速范围较大，是直流传动系统中应用最广泛的调速方法。但受电枢材料绝缘性能的限制，电枢电压必须在低于额定电压范围内变化，故该调速方法只能在额定转速以下调节。mNaTKI适合对恒转矩负载进行调压调速只改变电源电压大小只会影响电动机的稳定转速，而不会改变电枢电流3.5.3改变电动机主磁通调速•可实现无级调速，但只能采用弱磁升速的方法，即在额定转速以上调节。由于调速特性较软，且受电动机换向条件和机械强度的限制，最高转速不得超过额定转速的1.2倍，所以调速范围不大。一般与调压调速配合使用,即在额定转速以下，采用降压调速，而在额定转速以上，则采用弱磁调速。•图3-18改变主磁通的调速特性3.6他励电动机的制动特性•就能量转换而言，电动机有两种运行状态，即电动状态和制动状态。•电动状态的特点是电动机发出的转矩与转速的方向相同。•制动状态的特点：电动机发出的转矩与转速方向相反，电动机处于发电运行状态，电动机吸收或消耗位能或动能并将其转化为电能•电动机的制动状态有两种形式：1、稳定的制动，如卷扬机、起重机下放重物，维持重物的匀速下降。2、过渡的制动，如生产机械由高速旋转迅速降速或停车，速度变化。•制动状态分为回馈制动、反接制动和能耗制动三种形式。3.6.1回馈制动•当电动机在外部条件作用下使其实际转速大于其理想空载转速时，感应电势大于电源电压，使电枢电流反向，电磁转矩也反向变为制动转矩，此时，电动机变为发电机，将机械能变为电能向电网馈送，故称回馈制动或再生发电制动。回馈制动时的电压方程和机械特性方程()aadUEIRR2aadeemRRUnTKKK0I0T回馈制动的能量关系•电机将轴上多余的机械能变为电能，一部分消耗在电阻上，一部分回馈给了电网，故这种制动方式是一种较为节能的制动方式。2(),0aadEIUIIRRI图3-20电车下坡时的回馈制动过程图3-21下放重物时的回馈制动过程•改变电枢电阻的大小可以调节回馈制动下电动机的转速图3-22过渡过程中的回馈制动增磁时的回馈制动降压时的回馈制动3.6.2反接制动•反接制动是指电动机的电枢电压或电枢反电势中的任何一个在外部条件的作用下，改变方向，即二者由方向相反变为顺极性串联的制动方式。电源反接制动的电压方程和机械特性方程()aadUEIRR02NaadeNemNURRnTnTKKK0I0T电源反接制动的应用和能量关系2()aadUIEIIRR2()aadUIEIIRR倒拉反接制动•若在电枢回路中串入一个较大的电阻，电枢电流将减少，电磁转矩减少，当速度降至0时，在位能性负载转矩作用下电机被迫反转并加速。电势变为与电源电压同向，而电枢电流，方向不变，电磁转矩方向也不变，但随着反向转速的升高而增加，至b点时系统进入稳定运行。由于这时U与E同极性串联，电磁转矩方向与实际旋转方向相反，故称为反接制动。倒拉反接制动的电压方程和机械特性方程()aadUEIRR2NaadLeNemNURRnTKKK00eNnEKn倒拉反接制动的应用和能量关系2(),0aadUIEIIRRE弥补了回馈制动的不足，可以得到极低的下放速度，保证了生产的安全。缺点是受负载的影响大，速度的稳定性差。3.6.3能耗制动•电机运行于正转电动状态•将电枢电路从电源中脱离，并串接一个附加电阻。由于机械惯性，电机旋转方向不变，电枢电势也不变，电势在电枢和电阻形成的回路内产生电流反向，即，则电磁转矩也反向成为制动转矩。能耗制动的电压方程和机械特性方程()0aadUEIRR20aademNRRnTKK能耗制动的应用和能量关系2(),0aadEIIRRI0nn表3-3：各种制动方法的优缺点和适用场合比较制动形式优点缺点适用场合回馈制动1.不需要改接线路即可从电动状态自行转换到回馈制动状态2.电能可以回馈电网，较经济时，制动不能实现可应用于位能性负载稳速下放的场合反接制动1.制动过程中制动转矩较稳定，制动效果较强烈2.在电动机停转时也存在制动转矩1.制动过程有大量的能量损耗2.制动到转速为零时如不切断电源，会自行反向启动可应用于位能性负载低速稳定下放及要求迅速反转、制动强烈的场合能耗制动1.制动减速平稳、可靠2.控制线路简单3.便于实现准确停车1.制动转矩随转速成比例地减小2.制动效果不如反接制动可应用于不要求反转、减速要求平稳的场合