直流电动机的机械特性

3.2直流发电机的工作特性3.3直流电动机的机械特性3.1直流电机的基本结构和工作原理3.4直流电动机的启动与反转3.5直流电动机的调速3.6直流电动机的制动特性第3章直流电机的工作原理和特性学习要求:在了解直流电动机的基本结构的基础上,着重掌握直流电机的基本工作原理,特别应掌握转矩方程式、电势方程式和电压平衡方程式；掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性；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；学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据,确定电动机启动等运行特性。重点:掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性；他励直流电动机的启动特性；他励直流电动机的调压调速特性。分析方法：结构基本工作原理转矩方程式电势方程式电压平衡方程式机械特性启动、调速和制动分析依据：电磁力定律、电磁感应定律3.1直流电机的构造和工作原理直流发电机—将机械能变为直流电能直流电动机—将直流电能变为机械能一、直流电机的结构定子转子直流电机直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律主磁极磁极对数(P)=磁极数/2气隙换向极磁极数:主磁极的个数转子（电枢）定子机座—起支撑作用;作为部分磁路主磁极—产生主磁通换向极—产生附加磁场，改善换向电刷—引入或引出直流电换向极换向绕组定子的作用：产生主磁场及机械支撑励磁绕组主磁极转子电枢铁心—其槽孔中放置电枢绕组电枢绕组—产生感应电动势、电磁转矩转轴—输入或输出机械功率换向器—与电刷一起，共同完成直流电和交流电的转换换向极换向绕组转子的作用：产生感应电动势及电磁转矩.励磁绕组主磁极转轴转子电枢线圈转子结构图电枢绕组线圈换向片电枢铁心硅钢片电枢铁心---由外圆开糟的硅钢片彼此绝缘地叠成的.有效边电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触.电刷装置将电枢电路与外部电路连接起来电刷换向器两极直流电机的磁路磁路：当励磁绕组中通直流励磁电流时产生恒定主磁通,经主磁极铁心、空气隙、电枢铁心、磁轭（机座）形成的闭合回路.主磁极机座(磁轭)励磁绕组空气隙电枢I(励磁电流)二、直流电机的基本工作原理磁极N,S不动;线圈（绕组）旋转;换向片旋转;电刷A,B不动主磁极电枢绕组两极直流电机模型电刷换向片电枢旋转时,换向片与电刷滑动接触.为了便于分析直流电机的工作原理,将电机简化为以下模型:T1abcde+–+–abcdabcd+–abcde+–dcban1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场(N→S)；1.直流发电机的工作原理—基于电磁感应定律2.设原动机(T1)带动电枢线圈以n旋转；3.线圈导体(有效边)切割磁场在导体内将感应交流电势e.(右手定则）4.通过换向器与电刷AB输出直流电动势E.RLE电磁感应定律BT1abcde+–+–abcdabcd+–abcde+–dcban直流发电机的工作原理演示RLE结论：(1)绕组中的感应电动势是交变的。---交流(2)电刷A、B间的电动势的极性是不变的。--直流(3)换向片的作用：将绕组中的交流电变换为电刷的直流电。(1)发电机旋转时，电枢绕组中将产生电源电动势（e与ia方向相同）。当发电机带负载(I≠0)后，电磁转矩T是制动转矩，和原动机的力矩T1相平衡。（2)nT1+–IeiaTfEiaff2.直流电动机的工作原理—基于电磁力定律cdababcdffabcdabcdffTndcbaffnTU电磁力定律3.载流的电枢导体将受到电磁力f的作用。4.所有导体产生的电磁力作用于转子，产生电磁转矩T驱动转子以n(转/分)旋转，以便拖动机械负载。2.将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流ia流过。1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场（N→S）；Biaff直流电动机的工作原理演示ffffTnffnTU2）电动机旋转时，电枢绕组中将产生反电动势（与ia反向），与电源电压U相平衡。1)电动机的电磁转矩T是驱动转矩。结论：TndcbaffnTiaeUE(1)直流电机的可逆性：(2)换向器的作用：结论：若输入机械能,可作为直流发电机,从电刷上输出直流电能；若从电刷上输入直流电能,又可作为直流电动机，从轴上输出机械能。将电机内部的交流电外部的直流电。三、电动势和电磁转矩E=KenT=KtIaKt=9.55Ke每极主磁通电枢电流结构常数电势常数当电枢以转速n转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线，产生感应电势；当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩。发电机和电动机均有电枢电势E、电磁转矩T，但性质却有很大不同。（见下表）发电机电动机直流发电机T与n反方向，T是制动转矩直流电动机T与n同方向，T是拖动转矩T1TT1=T+T0（稳态运行时）T=T0+TL（稳态运行时）nTE和Ia反方向,称为反电势nT0T0T0---电机空载损耗转矩(由摩擦引起的反抗转矩）E和Ia同方向，称为电源电动势TL电机在发电状态和电动状态下,E和T的作用四.直流电机的分类----依据励磁绕组与电枢绕组的连接方式分类(1)他励方式UfRf'他励励磁绕组（T1T2）由外电源（Uf）供电，励磁电流（If）不受电枢（H1H2）端电压（U）的影响。原理电路图UfRf'UH1H2T1T2I(2)并励方式Rf'并励励磁绕组（B1B2）与电枢（H1H2）并联。U=UfUfRf'B2B1H1H2原理电路图'Rf---调磁电阻，改变，即可调节If'RfI(3)串励方式Rf'串励励磁绕组（C1C2）与电枢（H1H2）串联。Ia=If原理电路图UfRf'H1H2C1C2(4)复励方式Rf'复励方式有两个励磁绕组，其并励励磁绕组（B1B2）与电枢（H1H2）并联。串励励磁绕组（C1C2）与电枢（H1H2）串联。UfRf'H1H2B1B2C1C2原理电路图五、直流电机的额定值及分类1.型号2.额定值(1)额定功率（PN）：发电机PN=UNIN；电动机PN=UNINN；(2)额定电压（UN）：电枢电压的额定值；(3)额定电流（IN）：电机电流的额定值；(4)额定转速（nN）：额定状态下的转速;如：Z3-112Z3—表示第三次改型设计的直流电动机112—规格代号：11号机座，2号铁心(5)额定转矩（TN）：额定状态下电动机轴上输出的机械转矩；(6)励磁方式（IfN）：接线盒3.2直流发电机当保持发电机的转速n为常数时，发电机的运行主要特性有2种：空载特性外特性下面以他励发电机(G)为例介绍直流发电机的运行特性.他励发电机(G)电路原理图IaIUQEGRRaRf'UfIf–+U=E–IaRaIa=II=RUE：电枢电动势；Ia：电枢电流Ra：电枢电阻R：负载电阻Rf：调整励磁电阻U：电枢电压I：负载电流电压平衡方程式(1)空载特性E=f(If)|I=0E0EIf02)E0--励磁电流If=0时，E=E0，由剩磁通0产生，称为剩磁电动势。E;1)与B-H磁化曲线形状类似，因为E=KenB;IfHE-If类似B-H曲线指发电机空载时,电枢电势E与励磁电流If的关系曲线剩磁电动势的测量：？空载特性的特点:EIf0当调整励磁电阻RfIf'E工作点通常选在特性弯曲点A附近。此时发电机磁路接近饱和而未饱和。空载特性反映了通过调整励磁电流来得到需要的电压A空载时Ia=I=0，U0=E=KenU0:空载电压空载特性的获得:E0剩磁电动势的测量:If=0；发电机空载；发电机以n旋转。此时测量电枢电压U即为E0(2)外特性U=f(I)|IfN保持If=IfNn=nN，当调整负载电阻RUIINUNU0IU0电压调整率：U————–100%U0–UNUN通常他励电动机U(5~10)%反映发电机电枢端电压U随负载电流I变化的特性。3.3直流电动机的机械特性要求:掌握电动机的机械特性，特别是人为机械特性。机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推出来的，它又是分析启动、调速和制动特性的依据。所以机械特性是电动机内容的重中之重。电动机的机械特性：电动机的电磁转矩T与转速n的关系n=f(T)励磁方式不同,电动机的机械特性也不同.一.他励（并励）电动机(M)的机械特性1.机械特性的一般形式MRf'RaEIaUI电路原理图IfUfU=E+IaRa=———–U–IaRaKeEn=——Ke=——–Ra·TKe–————KeKt2UTT=KtIaE=Ken，转速特性机械特性n电动机的电压平衡方程式—机械特性n0TLnTn0n0—理想空载转速n—带负载后的转速降对他励、并励电动机的特性比较“硬”,大,n=(2~8)%·nNn=——–Ra·TKe–————KeKt2U=n0–nn其中：—机械特性硬度T=——×100%ndT=——dn表示当转矩变化时转速的稳定度衡量机械特性的平直程度TnT0当U=UN，=N，电枢回路不加附加电阻条件下2.固有机械特性n=——–RaKeN–—————TKeKtN2UN其中：T=KtNIa电动机稳态运行时：有T=TL+T0固有机械特性数学表达式固有机械特性曲线T（N.m）n（r/min）根据固有机械特性表达式画出固有机械特性曲线故固有机械特性为过（0，n0），（TN，nN）的一条直线=——–KeNUNn0TN′=TN+T0nNTN′n0=KtNIaN近似固有机械特性曲线一般情况下：可忽略T0，此时的机械特性称为近似固有机械特性。T（N.m）n（r/min）=——–KeNUNn0TN--额定负载转矩nNTNn0近似固有机械特性为过（0，n0），（TN，nN）的一条直线利用电动机的铭牌数据来求近似固有机械特性。已知铭牌数据（PN，UN，IN，nN）（0，n0），（TN，nN）步骤：（1）估算Ra（或测量）Ra=（0.50.75）（1-————）——PNUNINUNIN（2）求KeNKeN=——=——————ENnNUN-INRanN（3）求n0n0=————UNKeN（4）求TNTN=———=9.55———PNNPNnN（5）利用（0，n0），（TN，nN）绘出近似固有机械特性近似固有机械特性曲线T（N·m）n（r/min）n0nNTN绘制近似固有机械特性时注意：1、KeN=（UN–INRa）/nN对一台电动机而言是唯一的；2、额定转矩TN=9.55PN/nN是轴上的输出转矩.电动机反转时近似固有机械特性曲线T（N·m）n（r/min）-n0-nN-TN3、IN是额定负载时电枢绕组的电流.3.人为机械特性当人为改变电动机的参数U、、及电枢回路增加Rad时，得到的机械特性即人为机械特性.n=——–Ra·TKe–————KeKt2U电动机的人为机械特性是对电动机控制（如启动、正反转、调速、制动停车等）的依据。(1)电枢回路串接附加电阻RadRf'UfIfMRaEIaIU–+RadRa+Rad–————TKeKtN2——–KeNUNn=条件：U=UN，=N，电枢回路串接RadTn0有：U=E+Ia（Ra+Rad）n0RaRad1Rad2Rad增加RaRad1Rad2特点：1）n0不变。2）n，。=n0–n(2)改变电枢电压U（UUN）条件：Rad=0，=N，改变U（UUN）Ra–————TKeKtN2——–KeNUn=特点：1）n0。2）n不变，不变。Tn0n0UNn01U1n02U2U减小UNU1U2=n0–n防止电枢绕组绝缘击穿IaIUUfIf–MRaE+(3)改变磁通（N）条件：Rad=0，U=UN，改变（N）Ra–————TKeKt2——–KeUNn=Tn0n0N减小N121n012n02特点：1）n0。2）n，。=n0–n防止磁路饱和导致励磁线圈过热IaIUUfIf–MRaE+n=—————–U–Ia(Ra+Rf)Ke2.串励电动机的机械特性=———–UC1TRa+RfC2TNnNTn0注意