电工技术第8章-直流电动机-课件

第 8 章直流电动机第 8 章直 流 电 动 机8.1直流电动机的结构与工作原理直流电动机的结构与工作原理8.2直流电动机的分类和铭牌数据直流电动机的分类和铭牌数据8.3直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性8.4直流电机的启动、直流电机的启动、制动和调速制动和调速本章小结本章小结第 8 章直流电动机8.1 直流电动机的结构与工作原理直流电动机的结构与工作原理8.1.1 直流电动机的结构直流电动机的结构 直流电动机主要由定子和转子两大部分组成，定子与转子之间有很小的气隙。其结构示意图如图8-1所示。第 8 章直流电动机图8-1 直流电动机的结构示意图(a)外形;(b)结构示意图第 8 章直流电动机1.定子 定子由机座、主磁极、换向极、端盖和电刷装置等部分构成，如图8-2所示。图8-2 直流电动机的定子（a）定子铁芯、绕组与磁极;（b）定子端盖与电刷第 8 章直流电动机2.转子直流电动机的转子习惯上称为电枢，如图8-3所示，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。图8-3 直流电动机的转子第 8 章直流电动机8.1.2 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理1.转动原理现以最简单的电动机的模型来说明电动机的转动原理。如图8-4所示，N、S为一对主磁极，通过直流电源励磁，产生恒定磁场（励磁绕组未画出）。图中，电枢绕组只画了一个线圈，1、2为两个换向片，与电枢绕组相连；A、B两个电刷，与外电路相连。第 8 章直流电动机图8-4 直流电动机的转动原理图(a)初始位置；(b)转过180后的位置第 8 章直流电动机接通直流励磁电源之后，电刷两端加上一个直流电压，A刷为正，B刷为负，换向片1与A刷相接触，直流电流Ia从A刷流入，经换向片1、线圈abcd、换向片2和电刷B流出，形成一个回路。利用左手定则，可以判断电枢绕组的ab边和cd边都受到电磁力的作用，如图8-4所示，ab边受到的力向左，cd边受到的力向右，这一对力对电枢产生电磁力矩使得电枢沿逆时针方向转动起来。第 8 章直流电动机2.电磁转矩 根据电磁力定律，电枢绕组通入直流电后，每根有效导体受到的力可以表示为F=BIl式中,B为电磁感应强度，与每极磁通成正比；l为每根有效导体的长度，取决于电动机的结构，是个定值；I为每根导体中的电流，与电枢电流Ia成正比。第 8 章直流电动机直流电动机受到的电磁转矩T是由所有有效的导体所受电磁力F共同产生的，是转子上所有导体受力产生的转矩之和。可以用下式来表示T=CTIa (8-1）式中,CT为电磁转矩系数，与电机结构有关，是个常数；为每极磁通，单位韦伯（Wb）；Ia为电枢电流，单位安培(A)；T的单位为牛米（Nm）。第 8 章直流电动机3.电枢电动势和电枢电流 前面讲过，当电枢旋转时，电枢绕组切割磁力线作运动，那么在每根导体两端将产生感应电动势，其有效值为E=Blv式中,v指导体运动的线速度，单位为m/s。第 8 章直流电动机直流电动机的电枢绕组由许多导体按一定规律连接，保证所有导体的感应电动势都是叠加的，即电枢电动势与每根导体中的感应电动势成正比，导体运动的线速度v与电枢绕组的转速n成正比，由于习惯上用磁通来表示各个电量，所以电动机的电枢电动势为Ea=Cen (8-2）式中,Ce为电枢电动势系数，与电动机的结构有关，是个常数；n为电动机的转速。第 8 章直流电动机在直流电动机中，电枢电流Ia的受力引起了电枢的转动，而电枢感应电动势Ea总是阻碍电枢电流Ia的变化，即阻碍电枢的转动。因此，电枢中感应电动势Ea的方向与电枢电流Ia的方向相反，是一个反电动势。它总是如图8-5所示。第 8 章直流电动机图8-5 直流电动机的电枢电路第 8 章直流电动机根据基尔霍夫电压定律，由图8-5可以得出，外加电压U与电枢电动势Ea和电枢电流Ia的关系为U=Ea+IaRa (8-3）式(8-3)称为直流电机的电压平衡关系式，式中Ra为电枢回路总电阻。由上式变化后得出电枢电流的关系式为(8-4）第 8 章直流电动机8.2 直流电动机的分类和铭牌数据直流电动机的分类和铭牌数据8.2.1 直流电动机的分类直流电动机的分类1.他励直流电动机励磁绕组与电枢绕组采用两个电源供电，各有各的电源开关，没有直接的电联系，如图8-6（a）所示，电枢电流Ia由电枢端电压U决定，而励磁电流If由励磁绕组端电压U1决定。第 8 章直流电动机2.并励直流电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，采用同一个电源U供电，由一个开关控制，如图8-6（b）所示。其特点是励磁绕组的电压即为电枢电压，电源电流为电枢电流Ia与励磁电流If之和。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为电枢电流的5%，为保证足够的磁通，励磁绕组一般导线较细，匝数多，电阻大。第 8 章直流电动机3.串励直流电动机 励磁绕组与电枢绕组串联之后，外接一个直流电源，由一个开关控制，如图8-6（c）所示。其特点是励磁电流If与电枢电流Ia相同，这个电流一般较大，所以串励直流电动机的励磁绕组导线较粗，匝数少，电阻小。第 8 章直流电动机4.复励直流电动机 既有串励又有并励，一部分励磁绕组与电枢绕组串联，另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，如图8-6（d）所示。其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共同产生。第 8 章直流电动机图8-6 直流电动机的励磁方式(a)他励；(b)并励；(c)串励；(d)复励第 8 章直流电动机8.2.2 直流电动机的铭牌数据直流电动机的铭牌数据 1.型号 如Z2-41,Z表示直流电动机；2表示第二次统一设计;41中4表示机座号，1表示电枢铁芯的长度序号。还有其他的型号表示方法，如ZF2-151-1B，ZD2-121-1B等，细节可查阅电工手册。第 8 章直流电动机2.额定电压 对于电动机，额定电压是指电动机额定工作状态下，电动机的输入电压；对于发电机，额定电压是指电动机额定工作状态下，电动机的输出电压。3.额定电流 对于电动机，额定电流是指电动机长期连续运行时，从电源输入的电流；对于发电机，额定电流是指长期连续运行时，供给负载的电流。第 8 章直流电动机4.额定转速额定转速是电动机在额定运行时，转轴的转速。5.额定功率额定功率是电动机额定运行状态下，电动机轴上输出的机械功率；发电机是指供给负载的电功率。6.额定励磁电流额定励磁电流是电动机在额定运行情况下，通过励磁绕组的电流。第 8 章直流电动机7.励磁励磁是指直流电机的励磁方式。还有额定转矩，额定励磁电压，额定温升，工作方式等。直流电动机的额定转矩计算式与交流电动机的额定转矩计算式相同，为(8-5）第 8 章直流电动机例8-1 一台Z2-41的直流电动机，技术数据PN=5.5 kW，UN=220 V，nN=3000 r/min，IN=30.3 A。求额定转矩及额定效率。解 额定转矩为17.5 Nm电动机的额定效率等于额定输出功率与额定输入功率之比，即第 8 章直流电动机8.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 由前面所学可知，直流电动机电枢绕组两端的感应电动势为Ea=Cen或Ea=UIaRa由以上两式得(8-6）第 8 章直流电动机又由于 T=CTIa故(8-7）将式（8-7）代入式（8-6）得转速公式(8-8）第 8 章直流电动机8.3.1 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性他励直流电机的励磁绕组单独使用一个电源，其磁通不受负载的影响，当励磁电压一定时，是个定值，则式（8-8）可以表示为n=n0CT (8-9）图8-7中的曲线1为他励直流电动机的机械特性曲线，是一条略微下斜的直线。第 8 章直流电动机图8-7 直流电动机的机械特性第 8 章直流电动机8.3.2 串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，励磁电流与电枢电流相同。因此，串励直流电动机的励磁电流较大，且负载变化时，励磁电流随电枢电流的变化而变化，主磁通若不考虑饱和，则有=KfIf=KfIa式中,Kf为比例系数。将上式代入电磁转矩公式，有(8-10）第 8 章直流电动机再将式(8-10)代入式(8-8)得(8-11）第 8 章直流电动机式(8-11)给出了串励直流电机的转速与转矩之间的关系，据此可以作出串励直流电动机的机械特性曲线，如图8-7中曲线3所示。该曲线表明，当轻载或空载时，转速很高，容易发生飞车事故；负载增加时，转速下降很快，特性很软，所以串励直流电机不允许轻载或空载运行。第 8 章直流电动机例8-2 Z2-71型并励直流电动机，其铭牌数据如下：PN=30 kW,UN=220 V，N=0.88，Ra=0.1，nN=3000 r/min，If=1.765 A。求额定电流、电枢电流、励磁回路的电阻、反向电动势。解 (1)额定功率PN=30 kW，效率N=0.88，则额定电流第 8 章直流电动机(2)电枢电流Ia=INIf=1551.765=153.235 A(3)励磁回路电阻(4)反电势Ea=UNIaRa=220153.2350.1=204.68 V第 8 章直流电动机 8.4 直流电机的启动、直流电机的启动、制动和调速制动和调速 8.4.1 启动启动 1.直接启动直流电动机直接启动时，刚开始，转速为零，电枢反动势也为零，启动电流为第 8 章直流电动机另外，直接启动的启动转矩为 Tst=CTIst 由于启动电流本身很大，所以启动转矩更大，较大的启动转矩对电动机的机械传动部件产生很大的冲击力，造成机械性损伤，这也说明直接启动对稍大容量的直流电动机是不合适的。第 8 章直流电动机2.降低电枢电压启动这种启动方法需要专用的可调直流电源，启动时，降低电源电压，启动电流随之降低，随着启动过程的进行，转速逐渐升高，反电势也逐渐增加，慢慢提高电源电压，直到电源电压的额定值。工程应用中，传统上采用直流发电机-电动机组，调节发电机发电电压来改变电动机的电枢电压进行调速，目前则更多采用可控硅整流电源来代替直流发电机。第 8 章直流电动机3.电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动是指电源电压不变，在电枢回路串入电阻，启动时，所串电阻全部接入电路，相当于降低了电枢绕组两端的电压，从而使得电枢电流减小，随着转速的升高，逐级切除启动电阻，待转速接近额定转速时，切除全部电阻，启动过程结束。第 8 章直流电动机使用直流电动机时，需特别注意磁场问题：直流电动机在启动时，应该保证首先有主磁通，所以在接通电枢电压之前，先接通励磁回路；另外，直流电机在工作时，励磁绕组必须可靠连接，不允许磁场突然消失；因为上述两种情况都会产生很大电枢电流，如果电动机原来处于空载运行，还会造成转速急剧上升，出现“失磁飞车”事故，危及设备和操作人员的安全。其理论根据可利用电流、速度公式进行分析。第 8 章直流电动机例8-3 一台直流并励电动机，PN=10 kW，IN=54.8 A，UN=220 V，电枢电阻Ra=0.4 。若直接启动，启动电流为多少？若采用电枢回路串电阻启动，将启动电流降为额定值的1.5倍，则应串多大的启动电阻？解 （1）直接启动时，启动电流为第 8 章直流电动机（2）电枢回路串电阻启动时，启动电流为则启动电阻为第 8 章直流电动机8.4.2 制动制动1.能耗制动如图8-8所示，制动时，把电枢绕组从电源端切断，迅速打向制动电阻侧，开始能耗制动。电机的励磁电流不变，由于惯性，电机继续旋转，电枢绕组仍然切割磁力线，电动机处于发电状态，仍产生感应电动势，其方向如图示，该感生电动势将削减原来的电枢电流(当然，电流不能突变),使电枢电流迅速减弱到零并反向（反向后的Ia如图标示）。第 8 章直流电动机图8-8 能耗制动接线图第 8 章直流电动机2.反接制动反接制动是指当电动机需要停车时，把电枢电源突然反接，励磁电源方向不变，如图8-9所示。由于电枢电源反向，U与Ea方向相同，则产生一个很大的反向电枢电流，因为电磁转矩与电枢电流成正比，所以同时也产生一个很大的反向电磁转矩，使得转速迅速下降，当转速接近于零时，应切断电源，避免电机反转。第 8 章直流电动机图8-9 反接制动线路图第 8 章直流电动机3.回馈制动 回馈制动只能用于电动机下放重物以及下坡等场合。在励磁不变的条件下，设电动机的负载转矩使其加速运行，使得nn0，则感应电动势Ea会大于U，Ea与U在回路中共同作用的结果是电枢电流在原方向上迅速减小并反向，故电磁转矩反向，进入制动状态。第 8 章直流电动机8.4.3 调速调速 根据直流电机的机械特性表达式可知，负载T不变时，通过改变电源电压U、电枢电阻Ra和励磁磁通三个电路参数可以对直流电动机进行调速。第 8 章直流电动机1.改变电源电压U调速以他励直流电动机为例，在负载不变的情况下，保持励磁、电枢电阻不变，只能将电源电压从额定值往下调，从UNUU，理想空载转速减小，机械特性曲线斜率不变，往下平移，稳态速度沿负载线向下平移。如图8-10所示。第 8 章直流电动机图8-10 调压调速的机械特性第 8 章直流电动机2.电枢回路串电阻调速当负载不变时，保持电源电压与励磁不变，增大电枢电阻，从机械特性表达式可知，理想空载转速n0不变，随着RaRaRa逐渐增大，机械特性曲线的斜率增大，曲线下斜，如图8-11所示。第 8 章直流电动机图8-11 电枢串电阻调速的机械特性第 8 章直流电动机3.改变励磁磁通调速保持电枢电压及电枢电阻不变，通过改变励磁回路中串联的励磁电阻Rf，从而改变励磁电流和励磁磁通，实现调速。从较小的电阻Rf到电阻逐渐增大到Rf、Rf，随着所串电阻的增大，励磁电流逐渐减弱，磁通依次变小。按照机械特性表达式，主磁通减小，第一项理想空载转速上升，第二项斜率与磁通的平方成反比，所以曲线的斜率增大也比较显著，曲线位于固有特性曲线上方上移且变陡，如图8-12所示。第 8 章直流电动机图8-12 改变励磁调速的机械特性第 8 章直流电动机例8-4 一台他励直流电动机，PN=26 kW，UN=230 V，IN=113 A，nN=960 r/min，Ra=0.04，在负载不变的情况下，求：（1）若采用变压调速，电枢电压降低为额定电压的50%，电机的转速和电枢电流；（2）若采用变励磁电流调速，励磁电流减小10%，电机的转速和电枢电流。第 8 章直流电动机解 （1）电机的额定转速当电枢电压降为额定电压的50%时，由于励磁电流不变，主磁通也就不变，恒负载调速，所以电枢电流不变，电机的转速第 8 章直流电动机将上两式相比，得第 8 章直流电动机（2）当励磁电流减小10%，主磁通降为额定值的90%，电枢电流于是，电机的转速为=1064 r/min第 8 章直流电动机本本 章章 小小 结结(1)直流电动机由定子与转子（电枢）构成。定子绕组通入直流电在主磁极中产生恒定磁场，转子的电枢绕组通过换向器和电刷与电源相接，电枢绕组切割磁力线产生电磁转矩，使得电枢转动起来。(2)电枢的转向由电磁转矩的方向决定，电磁转矩的方向由电枢外加电源的极性和励磁绕组所产生的磁场方向决定。第 8 章直流电动机(3)电磁转矩可以通过公式T=CTIa求得，电枢反电势Ea=Cen，电枢回路电压方程为U=IaRa+Ea。(4)直流电动机按其励磁方式可分为他励、并励、串励和复励四种，励磁方式不同，机械特性不同。负载变化时，他励与并励直流电动机的励磁基本不变，其机械特性曲线基本相同，特性较硬；串励直流电动机的励磁受负载变化影响较大，其机械特性属于软特性，因此一般不采用串励方式。复励直流电动机的机械特性介于并励与串励之间。第 8 章直流电动机(5)直流电动机通常采用降低电枢端电压和电枢串电阻两种启动方式。直流电动机要求在启动时先加励磁电压，后加电枢电源，且不允许在启动和运行中失去励磁，否则将出现“飞车”事故。(6)直流电动机有机械制动和电气制动两种制动方式，电气制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方法。第 8 章直流电动机(7)直流电动机的调速方法：有调压调速、电枢串电阻调速和弱磁调速三种方法。调压调速机械特性硬度不变，且可以实现无极调速，应用范围较广；串电枢电阻调速时机械特性变软，调速范围较窄，电枢损耗增大，工作效率降低，只能实现有级调速；弱磁调速靠增加励磁电阻实现，可以实现无级调速，但只能往上调速，调速范围小，电枢电流大，效率较低，一般与调压调速配合使用。谢谢！