直流电机的工作原理和机械特性

第三章直流电机的工作原理及特性重点掌握：了解直流电机的基本结构及工作原理；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。直流电机交流电机直流电力拖动系统：启动转矩大，在较大的范围内能进行速度平滑调节，且控制简便。由于直流电机具有换向器和电刷，给运行带来了麻烦。交流电力拖动系统：交流电传输方便，交流电机结构简单，价格便宜且能在高速度恶劣条件下工作。交流电力拖动系统的调速性能（如调速范围，调速精度，平滑性，过载能力等）指标都不及直流电力拖动系统。第三章直流电机的工作原理及特性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轴承及端盖机座主磁极电枢绕组风扇换向器电枢铁芯励磁绕组电刷装置轴组成:定子、转子、换向器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剖面图：1电枢；2主磁极；3励磁绕组；4换向极；5换向极绕组；6机座电枢铁心及钢片换向器：1套筒；2云母环3换向片；4连接片直流电机的基本结构3．1直流电机的基本结构和工作原理基本的工作原理直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。1—主磁极3．1直流电机的基本结构和工作原理2—电枢绕组4—电刷3—换向片发电机原理：将机械能转换为电能。（右手定理）电动机原理：将电能转换为机械能。(左手定理)换向器作用：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，将直流电流转换为的交变电流，保持恒定的电磁转矩。3．1直流电机的基本结构和工作原理基本的工作原理电动势和电磁转矩电动势E两电刷间的感应电动势:nKEe式中：E——感应电动势（V）；Φ——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。直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。3．1直流电机的基本结构和工作原理电磁转矩TM电磁力和电磁转矩：amMIKT式中：TM——电磁转矩（N·m）；Φ——对磁极的磁通（Wb）；Ia——电枢电流（A）；Km——与电机结构有关的常数，Km=9.55Ke3．1直流电机的基本结构和工作原理电动势和电磁转矩运行方式E与I的方向E的作用TM的性质转矩关系发电机相同电源电动势阻转矩T1=TM+T0电动机相反反电动势驱动转矩TM=TL+T0发电机的电磁转矩是阻转矩，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。电动机的电磁转矩是驱动转矩，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。电动势和电磁转矩3．1直流电机的基本结构和工作原理直流电动机的分类直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：3．1直流电机的基本结构和工作原理他励并励串励复励GGGG电动机调速范围很宽，多用于主机拖动中转速调节方便，调节范围大负载在较大范围内变化的和要求有较大起动转矩的设备中兼有串励电动机和并励电动机的特点3.3.1直流他励电动机的机械特性机械特性的一般形式电动机的机械特性：转速与电磁转矩之间的关系。不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。aaRIEU式中:U——外加电枢电压（V）；E——感应电势（V）；aI——电枢电流（A）；aR——电枢回路内阻（Ω）电枢回路部分励磁回路部分nKEe∵amIKTaeaeIKRKUn……转速特性TKKRKUn2meae……机械特性机械特性的一般形式3.3.1直流他励电动机的机械特性aaRIEU∴1.理想空载转速：e0KUn2.转速降落TKKRnn2mea03.机械特性硬度%100ΔΔddnTnT理想空载转速机械特性的一般形式3.3.1直流他励电动机的机械特性根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。（1）绝对硬特性(交流同步电机)（2）硬特性10(直流他励和交流)（3）软特性10（直流串励和复励）%100ΔΔddnTnT机械特性的一般形式金属切削机床,冷轧机,造纸机等宜于选用硬特性的电动机.起重机、电车选用软机械特性曲线电机3.3.1直流他励电动机的机械特性固有机械特性固有机械特性：在额定条件（额定电压UN和额定磁通N)下和电枢电路内不外接任何电阻时的n=f(T)TKKRKUn2NmeaNeN是一条直线。固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,n0)和(TN,nN)即可绘出固有的机械特性。通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN和额定转速nN。3.3.1直流他励电动机的机械特性估算电枢电阻Ra依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗PN的50%～75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75.0~5.0()1(ΔNa2aNNNNNNNNNNNN　　　　＝　　　＝　　　＝＝输入功率－输出功率式中：NNNNIUP是额定运行条件下电动机的效率，且此时NaII故NNNNNa)1)(75.0~5.0(IUIUPR固有机械特性的计算步骤3.3.1直流他励电动机的机械特性求NeK额定运行条件下的反电势为：aNNNeRIUnKEN故NaNNNenRIUK求理想空载转速NeN0KUn得0,0n求额定转矩:NNNNN55.9nPPT得NN,nT根据、0,0nNN,nT可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线。Tfn固有机械特性的计算步骤3.3.1直流他励电动机的机械特性0500751NNaNNNpURUII=0.71NNaeNNUIRKn=0.132NoeNUnK=1667r/min955NNNPTn=35Nm固有机械特性举例例：一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额定转速1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性.解:分析只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械特性.3.3.1直流他励电动机的机械特性人为机械特性人为机械特性是指人为地改变电动机相关参数获得的机械特性电枢回路中串接附加电阻时的人为特性NN,UU电压平衡方程式为：)(adaaNRRIEU得到的人为机械特性方程式为：TKKRRKUn2NmeadaNeN3.3.1直流他励电动机的机械特性特性变软空载速度不变；随着电阻的增加，转速降落增加；人为机械特性3.3.1直流他励电动机的机械特性电枢回路中串接附加电阻时的人为特性改变电枢电压U时的人为特性0,adNR受绝缘耐压限制，电压只允许在其额定值以下调节TKKRKUn2NmeaNeNTKKRKUn2NmeaNe空载速度随着U的减小而减小；转速降落不变；特性硬度不变3.3.1直流他励电动机的机械特性人为机械特性改变磁通时的人为特性0,adNRUU转速降随磁通的改变而变化。理想空载转速随磁通的改变而变化；TKKRKUn2NmeaNeNTKKRKUn2meaeN特性变软3.3.1直流他励电动机的机械特性人为机械特性调磁只能向磁通小的方向调启动转矩Ist变小磁通能否一直降低，直到0？（1）当＝0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近，通常称为“飞车”；另外：当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。（2）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；人为机械特性3.3.1直流他励电动机的机械特性改变磁通时的人为特性3．3直流他励电动机的启动特性启动特性对直流电动机而言，将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：aNst/RUI电流很大，能达到其额定电流的（10～20）倍。过大的启动电流危害很大：对电动机本身的影响：(1)使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；(2)过大的电枢电流，可能引起绕组的损坏；对机械系统的影响：启动电流与启动转矩成正比，过大的动态转矩会在机械系统中产生过大的冲击，使机械传动部件损坏；对供电电网的影响：过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1.5～2倍。3．3直流他励电动机的启动特性启动特性启动方法限制电流降压启动：SCR自动调速系统的起动环节.是后面学习的一个重点.在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。电枢回路串电阻启动启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。3．3直流他励电动机的启动特性启动电阻的大小：保证2IN过渡过程分析：0-a-b-c存在问题：电流和转矩冲击仍很大方法：采用多段启动启动方法3．3直流他励电动机的启动特性单段启动电阻图中：1T－尖峰（最大）转矩；2T－换接（最小）转矩启动方法3．3直流他励电动机的启动特性多段启动电阻分析:(1)(2)(3)(4)启动方法3．3直流他励电动机的启动特性多段启动电阻启动级数愈多，T1、T2愈与平均转矩221avTTT接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（3～4）段。多级启动时，T1、T2的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩T1（或最大电流I1）不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的T2（或最小电流I2）也基本相同，一般选择：N12~6.1TTN22.1~1.1TT3．4直流他励电动机的调速特性速度调节和速度变化调速（又称速度调节）与速度变化的区别调速速度变化3．4直流他励电动机的调速特性调速指标1.调速范围：机械设备可能运行的最大转速nmax与最小转速nmin之比，D=nmax/nmin。2.静差率（相对稳定性）：就是指在负载转矩的变化下转速变化的程度，%=n0-nN/n0。显然机械特性越硬，转速变化越小，相对稳定性越好。技术指标3.平滑性：在一定的D内，调速的级数越多，则调速越平滑，平滑的程度用平滑系数来衡量=ni/ni-1（相邻两级转速之比）；=1时，称为无级调速。经济指标指调速设备的投资及运行费用，其中运行费用又取决于调速过程的功率损耗。调速方法TKKRRKUn2meadae改变串入电枢回路的电阻Rad3．4直流他励电动机的调速特性改变电枢供电电压U改变主磁通改变电枢电路外串电阻adR调速方法3．4直流他励电动机的调速特性存在问题：机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；在空载或轻载时，调速范围不大；实现无级调速困难；在调速电阻上消耗大量电能等。仅在有些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。改变电动机电枢供电电压U调速方法3．4直流他励电动机的调速特性可以平滑无级调速，一般只能在额定转速以下调节；固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；调速时转矩T=KmNIa不变调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速