直流电机的工作原理及特性

单击此处编辑母,a,版标题样式,单击此处,ab,编辑母版文本样式,第二级,ab,第三级,ab,第四级,ab,第五级,ab,*,机电传动控制,第三章 直流电机的工作原理及特性,直流电机的分类：,直流电动机,直流发电机,直流电机的优缺点：,优：良好的启动性能和调速性能,缺：结构复杂,直流电机的应用场合：,调速要求高,正、反转频繁,启、制动频繁,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,3.3,直流电动机的机械特性,3.4,直流他励电动机的启动特性,3.5,直流他励电动机的调速特性,3.6,直流他励电动机的制动特性,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,3.1.1,直流电机的基本结构,定子,转子,定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机,转子的作用是产生感应电动势及产生机械转矩以实现能量的转换,定子和转子之间由空气隙分开,定子,主磁极：产生磁场,换向极：改善电枢电流的换向性能,机座：固定主磁极，换向极和端盖等,电刷，电刷座：接通电枢绕组和外电路,端盖,轴承,转子,电枢铁心：主磁通磁路的一部分，用钢硅片叠成,电枢绕组：实现能量转换的关键部分,换向器：将电枢绕组内感应的交流电势转换成直流电势,轴,风扇,3.1.1,直流电机的基本结构,(,定子剖面图,),主磁极,换向极,磁极数,主磁极的个数,磁极对数,=,磁极数,/2,3.1.1,直流电机的基本结构,(,转子结构图,）,转子,换向片,转轴,电枢线圈,3.1.1,直流电机的基本结构,(,转子硅钢冲片图,）,电枢铁芯硅钢冲片,背景知识,导体在磁场中做切割磁力线的运动产生感生电动势应用,右手定则（法拉第）；,通电导体在磁场中受到电磁力的作用应用,左手定则（安培）。,B-,磁感应强度,v-,速度方向,e-,感应电势,I-,电流,方向,f-,电磁力,方向,右手定则,左手定则,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.1.2,直流电机的工作原理,电动势（,v,）,一对磁极的磁通（,wb,）,电枢转速,与电机结构有关的常数,电枢在磁场中旋转，每一有效边的电动势是交变的，即在,N,极下是一个方向，当转到,S,极下时是另一个方向。,换向片：电刷,A,总是同,N,极下的有效边相连的换向片接触；而电刷,B,总是和,S,极下的有效边相连的换向片接触。所以电刷,A,，,B,间就有一个极性不变的电动势。,当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下，电路中就产生一定方向的电流。,电磁转矩,一对磁极的磁通,电枢电流,与电机结构有关的常数，,且,Kt=9.55Ke,将直流电源接在电刷之间。,N,极下的有效边电流总是一个方向，,S,极下的有效边电流总是另一个方向，这样两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因此而转动。,可以发现：电动机电枢线圈通电后在磁场中受力而转动；同时，当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势（右手定则），而这个电动势的方向与外加电流的方向总是相反，所以称反电动势。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.1.2,直流电机的工作原理,E,对于直流发电机而言是电源的电动势，而对于电动机而言，感生电流和感生电势的方向始终与外加电流和电压的方向相反，故称之为反电势；同理，,T,对于直流电动机而言是拖动转矩，而对于发电机而言则为阻转矩。,电机运行方式,E,与,Ia,的方向,E,的作用,T,的性质,转矩之间的关系,发电机,电动机,同向,反向,电源电动势,反电动势,阻转矩,驱动转矩,T,1,=T+T,0,T=T,L,+T,0,注：,I,a,-,电枢电流；,T,0-,-,电机空载损耗转矩,3.2,直流发电机,通常按照励磁方法分为他励、并励、串励和复励；,他励发电机的励磁绕组是由外电源供电的，励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。而其余三种发电机的励磁电流即为电枢电流或为电枢电流的一部分，所以也称为自励发电机,3.2,直流发电机,3.2.2,并励发电机,励磁电流比电枢电流小得多；,在并励发电机中，励磁电流从何而来？电压是如何建立的？,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，磁场的加强使电动势随之增大，电动势的增大使励磁电流增大，进而再使磁通及电动势增大，如此反复，直至磁饱和；,3.,励磁电阻不能过大。,3.2,直流发电机,3.2.3,复励发电机,结构：,在发电机磁极上除绕上并励绕组外，再绕一个与电枢串联的串励绕组，则它就构成了一台复励发电机。,在复励发电机的这两个磁极绕组中通入电流后，它们产生之磁场的方向是相同的。,在并励发电机中，其端电压随着负载电流的增大而下降；而在复励发电机中，当负载电流增大时，串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。所以在复励发电机的正常运行范围内，其端电压变化不大，这是它的优点。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,直流电动机的机械特性,(,直流电动机按励磁方式分,他励,、并励、串励和复励。,),3.3.1,他励电动机的机械特性,n,0,-,理想空载转速（,T=0）,n-,转速降,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,.,1,他励电动机的机械特性,机械特性硬度,:,可以看到 越大，机械特性越直。,绝对硬特性,硬特性,软特性,硬特性和软特性具有不同的应用场合：,比如一般金属切削机床、连续式冷轧机、造纸机等需要硬特性的电动机，而起重机、电车等则需选用软特性的电动机。,n,n,0,T,机械特性硬度,硬特性,10,软特性,10,绝对硬特性,影响,n=f(T),曲线的有,:,根据这三个量变化与否，直流电机的机械特性分固有机械特性与人为机械特性,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,.,1,他励电动机的机械特性,1.,固有机械特性,n=f(T),在额定电压,U,N,，额定磁通,N,下，并且电枢电路不接任何电阻时的,n=f(T),。此时,它为一直线。可由（,0,n,0,），（,T,N, n,N,）两点确定。,通常，电机铭牌上给出,P,N,，,U,N,，,I,N,，,n,N,。只需求,n,0,，,T,N,。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,.,1,他励电动机的机械特性,直流他励电机固有机械特性曲线的绘制,:,（,0,n,0,),（,T,N,n,N,),所以，得到（,0,n,0,），（,T,N, n,N,），就可以得出他励电动机近似的机械特性曲线。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,.,1,他励电动机的机械特性,2.,人为机械特性,由于供电电压、磁通及电枢电路电阻变化时引起的机械特性,n=f(T),的变化称为人为机械特性。,（,1,）电枢回路中串接电阻时,R,（,2,）改变电枢电压时,U,（,3,）当改变磁通时,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,.,1,他励电动机的机械特性,1),电枢回路,串接电阻,R,ad,(U=U,N,=,N,）,时的人为机械特性,特点：,1,、串接电阻后，理想空载转速,n,0,不变；,2,、串接电阻后，斜率变大即机械特性变软。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,.,1,他励电动机的机械特性,2,）,改变电枢电压,(Rad=0,=,N,),时的人为机械特性,特点：,1,、,U,改变时，理想空载转速,n,0,发生变化；,2,、斜率不变，即机械特性硬度不变；,3,、值得注意的是，电枢电压只允许在其额定值以下调节,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.3,.,1,他励电动机的机械特性,3),改变磁通,（,U=U,N,，,R,ad,=0,）时的人为机械特性,特点：,1,、由于线圈发热和电机磁饱和的限制，只适用于,n,0,电动机变成发电机，把机械能变转化成电能向电源馈送，,称为反馈制动,，也称再生制动或发电制动。,当电车由平路行驶，电磁转矩,T=T,r,，并以速度,n,a,转速稳定在点,a,工作；,当变为下坡时，电车位能负载转矩,T,p,使电车加速，转速,n,增加，则,电动机转矩,T,的方向与电动运转方向相反，直到,T,P,=T+T,r,，电动机以,n,b,的稳定转速控制电车下坡。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.6.1,反馈,制动,降压调速过程中的反馈制动,当电动机电枢电压突然降低，机械特性曲线由,1,变为,2,，电枢电流将发生变化：,即当,U,1,降为,U,2,的瞬间，电流,I,b,变为负值，产生制动转矩。从点,b,到,n,02,这段特性上，电动机进行反馈制动，转速逐步降低，转速下降至,n,02,时，,E=U,2,，电动机的制动电流和由它建立的制动转矩下降为零，反馈制动结束。,电动下放重物,制动下放重物,卷扬机下放重物时，也会产生反馈制动过程,在,ab,段,:nn,0,改变加在电枢上的电压极性，特性曲线在第三象限，在电磁转矩,T,与位能转矩,T,L,的共同作用下重物迅速下降，且越来越快，此时电枢电流不断减小，电动机转矩也减小，传动系统状态由,a,点向,b,点移动,系统在重力作用下继续加速，当,时，,E,U,，,I,a,改变方向，电动机转矩,T,变为正值，其方向与,T,L,相反，电动机进入反馈制动状态。在,T,L,的作用下，状态由,b,点继续向,c,点移动，电磁制动转矩也随之增大，直到,n=-n,c,，,T=T,L,。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.6.1,反馈,制动,特点：,改变电枢电路电阻,R,ad,可以改变重物的下放速度，,R,ad,越小，下放速度越慢，但下放时,nn,0,，故下放重物较重时不安全。,电动下放重物,制动下放重物,改变电枢电路中的附加电阻,R,ad,的大小，可以调节反馈制动状态下电动机的转速；,附加电阻越大，电动机转速越高（,d,点）。为使重物下降速度不致过高，串接的附加电阻不宜过大。,当他励电动机的电枢电压,U,或电枢电动势,E,中的任一个在外部条件作用下改变了方向，即二者由方向相反变为方向一致时，电动机都将运行于反接制动状态。,1.,把改变电枢电压,U,的方向所产生的反接制动称为,电源反接制动。,2.,把改变电枢电动势,E,的方向所产生的反接制动称为,倒拉反接制动。,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.6.2,反接,制动,1.,电源反接制动（,U,反向）,首先，电动机稳定运行在第一象限中特性曲线,1,的点,a,，转速为,n,a,。,若电枢电压的极性突然反接，则,U,的极性如图中实线所示，此时的电动势平衡方程式：,进而可以推导出电源反接制动状态的机械特性表达式：,此时，机械特性曲线如线,2,所示，,其反接制动特性曲线在第二象限,。,系统状态变化过程：,（,1,）,a,点,b,点,c,点：系统发出与转速方向相反的转矩,T,，与负转矩一起作用，使电动机转速迅速下降，制动转矩也随之减小，当,n,下降到,0,时，,反接制动过程结束。,（,2,）此时若电枢不变，电动机将反向启动，并将在,d,点（当,T,L,为反抗转矩时）建立系统稳定平衡点；在,f,点（当,T,L,为位能转矩时）建立系统稳定平衡点。,1.,电源反接制动（,U,反向）,注意,：反接时,U,与,E,串联相加，电流很大，应用,R,ad,进行限流。,应用：,一般应用于生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。,反接电动,正向电动,反接制动,位能负载时反馈制动,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.6.2,反接,制动,1.,电源反接制动（,U,反向）,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.6.2,反接,制动,2.,倒拉反接制动,(E,反向,),1.,开始，以,n,a,稳定运转，提升货物。,2.,若欲放下重物，串入附加电阻,R,ad,，电动机运动状态由,a,点移至,c,点,3.n,下降，,E,下降，,I,上升，,T,上升,4.,达到点,d,时，电动机转速为,0,，重物停止上升，反电动势也为,0,5.,继续产生堵转转矩,T,st,，但由于仍然小于,T,L,，电动机电枢开始反方向旋转，重物开始下降，电动机工作进入第四象限,6.,此时电动势,E,也反向，,E,和,U,同方向，电流增大，转矩增大，直到到达,b,点，以稳定的转速,n,b,放下重物,注意,：选用不同的,R,ad,可改变下放速度但不能太小，交叉点必须在四象限。,2.,倒拉反接制动,(E,反向,),可以看出：,1.,重物是靠位能负载转矩,T,L,下放的，而电动机转矩,T,使反对重物下放，故电动机这时起制动作用，这种工作状态称为倒拉反接制动或电动势反接制动状态；,2.,适当选取不同的附加电阻可以得到不同的下降速度，附加电阻越小，下降速度越低；这种制动方式弥补了反馈制动的不足，它可以得到极低的下降速度，保证生产安全。,3.,缺点：,（,1,）,对,T,L,估计不准则本应下降的重物可能向上升的方向运动；（,2,）机械硬度小，速度的稳定性差。,2.,倒拉反接制动,(E,反向,),倒拉反接制动状态下的电动势平衡方程式、机械特性曲线在形式上均与电动状态下的相同，分别为：,可见，倒拉反接制动状态下的机械特性曲线实际上是第一象限中电动状态下的机械特性曲线在第四象限中的延伸。,若电动机反向运转在电动状态，则倒拉反接制动状态下的机械特性曲线就是第三象限中电动状态下的机械特性曲线在第二象限的延伸。,当电枢电压变为,0,，且串接一个附加电阻,R,ad,时，便能得到能耗制动状态；,此时，机械特性曲线由,1,变为,2,，状态点,a,过渡到点,b,，即电枢电流反向，电磁转矩,T,反向。转矩变为制动转矩。,此时工作机械的机械能带动电动机发电，使传动系统储存的机械能转变为电能通过电阻转化成热量消耗掉，故称之为“能耗”制动。,如果电动机带动的是,反抗性负载,，能耗制动的作用是消耗掉传动系统储存的动能，使电动机迅速停车。（即由点,b,到达坐标原点）,采用这种制动方式和电源反接制动相比存在什么优点？,如果是,位能负载,，在制动到,n=0,时，重物还将继续拖着电动机反转，即电动机进入第四象限的能耗制动状态,转速升高、电动势,E,增加、电流和制动转矩也增加，当,T=T,L,时，系统进入稳定平衡状态，电动机以,-n,2,的转速使重物匀速下降,采用能耗制动的方法，和倒拉反接制动比有什么优点？,第三章 直流电机的工作原理及特性,3.6.3,能耗,制动,(,U=0,串接,R,ad,),位能负载制动状态,优点,：运行速度稳定不会出现倒拉制动那样因计算不准而引起不降反而上升的事故,反抗矩负载制动,优点,：不会出现反向起动的危险,一般应用于拖动系统需要迅速而准确的停车及卷扬机重物的匀速下放的场合,第三章 直流电机的工作原理及特性,制动总结,1,电机可工作于电动和制动二种状态，分别工作于一、三和二、四象限。,2,电动状态过纵轴延伸到二、四象限变为反馈制动。,3,电动状态过横轴延伸到二、四象限变为反接制动，可能产生反向启动。,4,能耗制动为过原点，穿过二、四象限的直线，第二象限对应于电动机原处于正转状态时的情况，第四象限对应于反转时的情况。,第三章 直流电机的工作原理及特性,作 业,3.6 3.9 3.10 3.13 3.15,第三章 直流电机的工作原理及特性,小 结,重点和难点,重点（,3.2,节、,3.4,节、,3.5,节）,1.,理解直流他励电动机的,固有特性和人为机械特性,2.,掌握直流他励直流电动机的,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,3.,掌握直流发电机（复励和并励）的基本结构、工作原理,难点,本章较难理解的内容是电流、电势的换向过程和电动机的制动过程；电动机在各种运转状态下电磁转矩,T,M,、负载转矩,T,L,、转速,n,、电枢电流,I,a,和电势,E,等符号的确定。,考核：填空、选择、问答、计算,