《电机与电气控制》..

电机与电气控制第1章直流电机教学重点直流电机的运行原理、机械特性、启动、制动、调速。教学难点感应电动势和电磁转矩计算、换向、制动。第1章直流电机本章主要介绍了直流电机的概念、基本结构、应用、工作原理、电枢绕组、电磁转矩等基础知识，以及直流电动机的基本方程、工作特性、机械特性及各种运行状态。第1章直流电机直流电机主要由定子和转子两大部分构成，如图1-1所示为直流电机的结构示意图。1—风扇；2—机座；3—电枢绕组；4—主磁极；5—刷架；6—换向器；7—接线板；8—出线盒；9—换向磁极；10—端盖图1-1直流电机的结构示意图1.1直流电机的基本知识1.1.1直流电机的结构第1章直流电机定子部分直流电机的定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置组成。转子部分直流电机的转子主要由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成，如图1-3所示。1—换向器；2—电枢铁芯；3—电枢绕组图1-3直流电机转子第1章直流电机1.1.2直流电动机的基本原理直流发电机直流发电机的工作原理是基于电磁感应定律，即在磁感应强度为B的磁场中，若导体作切割磁感线运动，则在导体内部产生感应电动势，如图1-6所示。若B、l、v三者相互垂直，感应电动势e的大小可用下式来计算e=Blv式中，B为磁感应强度；l为导体长度、v为导体切割磁感线的速度，e的方向由右手定则确定。第1章直流电机图1-6直流发电机工作原理示意图第1章直流电机直流电动机直流电动机的工作原理是基于电磁力定律，即载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，如图1-7所示。当磁感应线与导体的方向相互垂直时，作用在载流导体上的电磁力f的大小可用下式来计算：f=BlI式中，B为磁感应强度；l为导体长度；I为载流导体中流过的电流；f方向由左手定则确定。第1章直流电机图1-7直流电动机工作原理示意图第1章直流电机直流电机的可逆原理在电机理论中，一台电机既能做电动机运行又能做发电机运行的原理称为可逆性原理。励磁方式励磁方式是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。根据不同的连接方式，常见的直流电机的励磁方式有他励、并励、复励和串励等。第1章直流电机1.1.3直流电机的铭牌数据每台直流电机机座的外表面上都有一块铭牌，上面标注着电机的额定数据，主要有额定电压、额定电流、额定功率、额定转速、额定励磁电流和励磁方式等。第1章直流电机1.2直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.2.1直流电机的电枢电动势电枢旋转时，主磁场在电枢绕组中感应的电动势称为电枢电动势。ΦnCΦnapNeaNEe602pa式中，aapNCe60为电枢绕组并联支路对数；为电动势常数；N为电枢导体总数。第1章直流电机1.2.2直流电机的电磁转矩电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场相互作用而产生的电磁力形成的。aaaem2222ΦICΦIπapNπpτaIllτΦNTT式中，apNC2T为转矩常数。eT55.9CCemTΦaI通常，电磁转矩与磁通和电枢电流故有，成正比，第1章直流电机1.3直流电机的运行原理1.3.1直流电动机的基本方程式直流电动机在进行机电能量转换时，必须要有能反映其内部电磁过程和机电过程的方程式，即基本方程式。其主要有电压平衡方程、转矩平衡方程、功率平衡方程和励磁特性公式。第1章直流电机在写基本方程式时应规定好各参量的方向。通常，可以任意规定，但一旦规定好后所有的方程式都应按参考方向进行列式，一般情况按如图1-9所示的参考方向规定，若各参量得方向与规定的参考方向一致为正，反之为负。图1-9电动机参考方向规定示意图第1章直流电机电压平衡方程由基尔霍夫定律可知电枢回路的电动势平衡方程为式中，aIaR为电枢电流；为电枢回路总电阻。aaaRIEU+第1章直流电机功率平衡方程aCuem1PPP+a1UIP式中，为直流电源输入的电功率；aaemIEP为电磁功率；2aaCuaIRP为电枢回路绕组的铜损耗。第1章直流电机02emTTT+式中，emT为电磁转矩；2T为电动机的输出机械转矩；0T为空载转矩。转矩平衡方程第1章直流电机)(2Pf直流电动机的工作特性是指电压、1.3.2他励直流电动机的工作特性常数NUU常数时，fNfII)(2Pfn)(2emPfT电动机的转速n、电磁转矩T和效率三者与输出功率电枢回路不串入附加电阻、励磁电流之间的关系，用曲线2P表示。第1章直流电机图1-10他励电动机的工作特性第1章直流电机1.4他励直流电动机的机械特性1.4.1机械特性的表达式他励直流电动机的机械特性是指电动机在稳定运行情况下，转速n与电磁转矩Tem之间的关系，如图1-11所示。它是电动机机械性能的主要表现，是分析电动机的启动、调速和制动等问题的重要工具。第1章直流电机图1-11他励直流电动机的机械特性第1章直流电机1.4.2固有机械特性他励直流电动机的固有机械特性是指当电动机电源电压、磁通为额定值，且电枢回路不串联电阻时的机械特性，其表达式为因为机械特性为一条向下倾斜的直线，故斜率较小，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，如图1-12曲线1所示。em2NTeaNeNTΦCCRΦCUn第1章直流电机图1-12他励直流电动机固有特性和电枢串电阻人为特性第1章直流电机当电动机刚启动时，转速n=0，感应电动势Ea=CeФn=0，此时电枢电流Ia即为启动电流。由于电枢电阻Ra较小，故在额定电压下启动电流远远超过电动机的最大允许电流，这样会烧毁电动机，故直流电动机一般不能直接启动。第1章直流电机1.4.3人为机械特性通过人为的改变磁通、电源电压和电枢回路串联电阻等参数得到的机械特性称为人为机械特性。常见的人为机械特性有电枢回路串电阻时的人为机械特性、降低电枢电压时的人为机械特性和减弱励磁磁通时的人为机械特性。电枢回路串电阻时的人为机械特性当保证电动机电源电压U和磁通为额定值不变时，电枢回路串电阻的人为机械特性为em2NTesaNeNTΦCCRRΦCUn+第1章直流电机降低电枢电压时的人为机械特性当保证电枢回路不串接电阻且磁通为额定值不变时，改变电源电压的人为机械特性为其机械特性曲线如图1-13所示。emNTeaNeTCCRCUn2FF第1章直流电机图1-13他励直流电动机降低电源电压时的机械特性第1章直流电机emTeaeTCCRCUn2FF减弱励磁磁通时的人为机械特性当保证电枢回路不串接电阻且电源电压U为额定值不变时，改变磁通的人为机械特性为其机械特性曲线如图1-14所示。第1章直流电机图1-14他励直流电动机减弱磁通时的机械特性第1章直流电机1.4.4电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统的稳定运行是指电力拖动系统在某种外界因素干扰下，导致系统的转速离开了原来的平衡状态，当外界干扰因素消失后，系统能恢复到原来的平衡状态，或在新的条件下达到新平衡的能力。电动机在电力拖动系统中运行时，一般有稳定运行和不稳定运行两种情况，如图1-16所示。第1章直流电机a)稳定运行b)不稳定运行图1-15电力拖动系统稳定运行的条件第1章直流电机1.4.5电力拖动系统稳定运行的条件必要条件电动机的机械特性与负载特性曲线有交点，即Tem=TL。充分条件在交点对应的转速之上有TemTL，在交点对应的转速之下有TemTL。由此可见，对于恒转矩负载，若电动机的机械特性曲线是向下倾斜的，则系统能够稳定运行；若电动机的机械特性曲线是向上翘的，则系统不能稳定运行。第1章直流电机1.5他励直流电动机的启动所谓启动就是指当电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程，电动机在启动时，必须先加额定励磁电流，然后再加电枢电压。一般直流电动机的启动有如下的要求：■要有足够大的启动转矩，一般Tst≥（1.1~1.2）TN。■启动电流要限制在一定的范围之内。■启动设备简单、可靠。启动时限制电流的方法有两个：一是增加电枢回路电阻；二是降低电枢电压。第1章直流电机图1-16电枢回路串电阻启动的原理图1.5.1电枢回路串电阻启动如图1-16所示为电枢回路串电阻启动的原理图。启动时，触点KM1、KM2、KM3断开，分级电阻全部串入电枢回路，在启动的过程中，依次闭合触点KM1、KM2、KM3。启动结束时，触点KM1、KM2、KM3全部闭合，电动机稳定运行。第1章直流电机电枢回路串电阻启动的机械特性如图1-17所示。电枢回路串电阻启动的优点是操作简单、可靠，缺点是启动时电阻消耗的电能较大、效率较低。图1-17电枢回路串电阻启动的机械特性第1章直流电机1.5.2降压启动所谓降压启动，是指启动前降低电动机电枢绕组两端的电压，以减小启动电流的启动方法。当直流电源电压可调时，可以采用此方法，降压启动机械特性如图1-18所示。图1-18降压启动机械特性第1章直流电机1.6他励直流电动机的制动所谓电动机的制动状态是指电动机的电磁转矩Tem与转子转速n的方向相反。此时，电磁转矩Tem是制动转矩，电机将机械能转换为电能。常见的制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动。第1章直流电机1.6.1能耗制动如图1-19所示为他励直流电动机能耗制动电路原理图。当电动机为电动状态时，触点KM闭合、KM1断开。能耗制动时，触点KM断开、KM1闭合，能耗电阻Rb接入电枢回路，实现能耗制动。第1章直流电机图1-19他励直流电动机能耗制动电路原理图第1章直流电机1.6.2反接制动常见的反接制动有电压反接制动和倒拉反接制动两种。电压反接制动电压反接制动是指把正在运行的他励直流电动机的电源电压突然反接的制动过程，也叫反抗性负载。如图1-21所示为电压反接制动原理图。图1-21电压反接制动原理图第1章直流电机倒拉反接制动倒拉反接制动是指制动时在电枢回路中串入大电阻，使电磁转矩小于负载转矩的制动过程，倒拉反接制动只能适用于位能性负载。如图1-23所示为倒拉反接制动电路原理图，其机械特性如图1-24所示。第1章直流电机图1-23倒拉反接制动电路原理图图1-24倒拉反接制动机械特性第1章直流电机1.6.3他励直流电动机回馈制动所谓回馈制动是指电动机工作过程中，在外部条件作用下会出现实际转速大于理想空载转速的情况，此时电枢电动势EaUN，电枢电流Ia0，Tem0，电磁转矩由驱动转矩变为制动转矩，此时电动机作为发电机运行将机械能转换成电能回馈给电网，也称为再生发电制动，其机械特性如图1-25所示。第1章直流电机图1-25回馈制动的机械特性第1章直流电机1.7他励直流电动机的调速所谓调速，就是根据生产机械的要求人为地改变电动机的转速。如果机械特性不变，由于负载变化引起的电动机转速的变化不能称为调速。1.7.1调速指标■调速范围■相对稳定性■平滑性■经济性第1章直流电机1.7.2调速方法常见的调速方法有电枢回路串电阻调速、降低电源电压调速和减弱磁通调速。电枢回路串电阻调速当他励直流电动机运行于额定电压和额定励磁电流时，通过在电动机电枢回路中串入不同的电阻而实现调速的方法称为电枢回路串电阻调速。如图1-28所示为他励直流电动机串电阻调速的电路原理图。电动机正常运行时，触点KM1、KM2闭合，当需要调速时，依次断开KM1、KM2，此时电枢回路串入电阻，从而实现调速。其机械特性如图1-29所示。第1章直流电机电枢回路串电阻调速的优点是方法简单、操作方便；缺点是相对稳定性差，而且串入电阻使能耗增大，经济性较差。常用于电动机拖动的电车、炼钢车间等生产机械上。图1-28他励直流电动机串电阻调速的电路原理图图1-29串电阻调速时的机械特性第1章直流电机降低电源电压调速当他励直流电动机在额定励磁电流下运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节电动机电枢两端的电压而实现调速的方法称为降低电源电压调速。由于电动机的工作电压不允许超过额定电压，故电枢电压只能在额定电压以下进行调节，如图1-30所示为降低电源电压调速时的机械特性。图1-30降低电源电压调速时的机械特性第1章直流电机降低电源电压调速的优点■由于电源电压可连续调节，故可以实现无级调速。■调速前后机械特性的斜率不变，负载变化时转速稳定性