第3章-直流电机的工作原理及特性

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3·1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设有一个匝数为ω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Φ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。Blveve母指方向四指方向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：if四指方向母指方向Blif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。ue（一）直流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1.电动势E根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。nKEe式中：E—感应电动势（V）；Φ—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。atIKT式中：T——电磁转矩（N·m）；Φ——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=9.55Ke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。电机运行方式E与I的方向E的作用T的性质转矩之间的关系发电机相同电源电动势阻转矩T1=T+T0电动机相反反电动势驱动转矩T=TL+T0aaUERI发电机aaEURI电动机电路方程3·2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nKEURUIIIRUEIRIUEeaaaaa0//)(空载特性)(fIfE外特性U=f(I)6.3%1000NNUUUU大约为5%～10%三、并励发电机，aaRIEUaaRUEI/)(ffRUI/RUI/IIIIfa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。3·3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。nnTKKRKUnteae02一、他励电动机的机械特性11.3aaRIEU12.3aeaeeIKRKUnnKEtaatKTIIKT/13.3002nnKTnTKKRKUnteaen=f(T)T0n0---理想空载转速（T=0）△n—速度降机械特性方程的推导（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nnTKKRKUnteae02机械特性曲线及其方程nnTKKRKUnteae02（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%100nTdndT（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nnTKKRKUnteae02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NNNNPIUPNNNNNNNNIUIUIU1NNNNNaNNNaaIUIUPRIURI175.050.0175.050.02～～固有机械特性曲线的绘制步骤（2）计算额定条件下反电势16.3/NaNNNeaNNNNeNNenRIUKRIUnKEK（3）求理想空载转速NeNKUn/0（4）求额定转矩17.355.9NNNNnPPTNNeNNtNIKIKT55.9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Φ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Φ时的人为特性nnTKKRKUnteae02电枢回路串接附加电阻时的人为特性KTnTKKRRKUnNteadaNeN02改变电枢电压U时的人为特性KTnTKKRKUnNteaNe02改变磁通Φ时的人为特性应避免的现象1、过载2、飞车现象KTnTKKRKUnteaeN02二、串励电动机的机械特性软特性第一段19.3//2ttataKCTCKIKTCI代入nnTKKRKUnteae02CKCKCKCCRTCUCKRKCTKUneteaNeateN2121/20.3/第二段Φ＝CnnTKKRKUnteae02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）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φes=70%总磁通串励磁通φs=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E＝E1，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?aatLICIKTT1EEEICRCURIUEaaaa注意：从不能判断E是如何变化的nKEe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、UN=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71.031220105.515.015.03NNNNNaIUIUPR1min/132.01500/71.031220/rVnRIUKNaaNNNe(2)求n0min/1667132.0/220/0rKUnNeN(3)求TNmNnPTNNN351500105.555.955.933·4直流他励电动机的启动特性启动电流nKEeaaEURINNstIRUI2010/～启动时n=0E=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=（1.5~2.0）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）具有一段启动电阻的他励电动机NstaNstIRRUI25.1/～具有三段启动电阻的他励电动机原则1.T1(I1)≤2TN2.T2(I2)基本相同NNTTTT2.11.126.121～～3·5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。TKKRKUnteae2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