第六章 直流电动机

下一页,总目录,章目录,返回,上一页,第,9,章 直流电动机,9.1,直流电机的构造,9.2,直流电机的基本工作原理,9.4,并励电动机的起动与反转,9.3,直流电动机的机械特性,9.5,并励,(,他励,),电动机的调速,第,9,章 直流电动机,1.,了解直流电动机的基本构造和工作原理。,2.,掌握他励（并励）和串励直流电动机的电,压与电流的关系式，接线图、机械特性。,3.,搞清他励（并励）和串励直流电动机的起,动、反转和调速的基本原理和基本方法。,本章要求,9.1,直流电机的构造,直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起,动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或,者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动,机驱动。,直流电机的优点：,(1),调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。,(2),起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。,(3),易于控制。,应用,:,1),轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、,矿山竖井,提升机以及起重设备,等调速范围大的大型设备。,2),用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等,N,S,N,S,9.1.1,直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定,子,(,磁极,),、转子,(,电枢,),和机座等,部分构成。,2.,转子,(,电枢,),由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。,1.,磁极,永磁式,:,由永久磁铁做成。,励磁式,:,磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，,形成电磁铁。,励磁,:,磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称,为励磁。,电枢铁心：由硅钢片叠装而成。,电枢绕组：单个绕组元件组成。,用来在电机中产生磁场。,1.,他励电动机,励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。,9.1.2,直流电机的分类,直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2.,并励电动机,励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。,U,U,f,I,a,M,+,_,+,_,I,f,他励,I,a,U,M,+,_,I,f,+,_,I,E,并励,4.,复励电动机,励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,3.,串励电动机,励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,串励,U,I,a,+,_,I,f,M,复励,U,+,_,I,M,I,a,9.2,直流电机的基本工作原理,9.2,直流电机的基本工作原理,I,U,+,S,b,N,a,c,d,直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向,如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是,S,极有效边的电流方向向里,N,极有效边的电流方向向外。电动机电,枢,绕组通电后中受力,(,左手定则,),按顺时针方向旋转,。,U,+,U,+,电刷,换向片,U,+,I,F,F,T,n,换向器作用：,将外部直流电,转换成内部的,直流电，以保,持转矩方向不,变。,U,+,E,E,T,n,S,b,N,d,F,F,a,c,I,I,换向片,电刷,线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。,K,E,:,与电机结构有关的常数,n,:,电动机转速,：,磁通,1.,电枢感应电动势,E,=,E,K,n,U,+,E,E,T,n,S,b,N,d,F,F,a,c,I,I,换向片,电刷,由图可知，,电枢感应电动势,E,与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称,反电势,。,式中：,U ,外加电压,R,a,绕组电阻,2.,电枢回路电压平衡式,R,a,I,a,E,+,+,U,M,K,T,:,与电机结构有关的常数,:,线圈所处位置的磁通,I,a,：,电枢绕组中的电流,3.,电磁转矩,单位,:,(,韦伯,),，,I,a,(,安,),，,T,(,牛顿,米,),直流电动机电枢绕组中的电流,(,电枢电流,I,a,),与磁通,相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为,4.,转矩平衡关系,电动机的电磁转矩,T,为驱动转矩,它使电枢转动。,在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空,载损耗转矩相平衡，即,T,=,K,T,I,a,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,T,2,:,机械负载转矩,T,0,:,空载转矩,例：,设外加电枢电压,U,一定，,T,=,T,2,(,平衡,),，此时，,若,T,2,突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点,(,I,a,、,P,入,),。,T,2,n,I,a,T,E,9.3,直流电动机的机械特性,特点,:,励磁绕组与电枢并联,由图可求得,由上分析可知：,当电源电压,U,和励磁回路的电阻,R,f,一定时,励,磁电流,I,f,和磁通,不变，即,=,常数,。,则,I,a,U,M,+,_,I,f,+,_,I,E,9.3,直流电动机的机械特性,令：,T,=,K,T,I,a,=,K,T,I,a,即：并励电动机的磁通,=,常数，转矩与电枢电流,成正比。,由以下公式,求得,I,a,U,M,+,_,I,f,+,_,I,E,式中：,n,=,f,(,T,),特性曲线,n,0,n,N,T,N,并励电动机在负载变化时，转速,n,的变化不大,硬机械特性（自然特性）。,改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线,动画,n,0,T,n,例,:,有一并励电动机，其额定数据如下：,P,=22KW,U,N,=110V,n,N,=1000r/min,=,0.84,并已知,R,f,=,27.5,，,R,a,=,0.04,试求,:(1),额定电流,I,额定,电枢电流,I,a,及,额定励磁电流,I,f,;(2),损耗功率,P,aCu,及,P,O,;(3),额定转矩,T,;(4),反电动势,E,。,解：,(1),P,2,是输出功率，额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,（,2,）电枢电路铜损,励磁电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,（,3,）额定转矩,（,4,）反电动势,9.4,并励电动机的起动与反转,起动,直流电动机不允许在额定电压,U,N,下直接起动。,I,ast,太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；,起动时,n,=0,1.,起动问题：,(1),起动电流大,(2),起动转矩大,起动时，起动转矩为,(1020),T,N,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。,一般,I,ast,限制在,(1.52.5),I,N,。,2,.,起动方法,3.,注意事项,(1),电枢串电阻起动法,(2),降压起动法：,直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：,在满磁下将,R,st,置最大处，逐渐减小,R,st,使,n,升高。,最大起动电压,U,st,为,(1),如果电动机是静止的，由于转矩太小,(,T=K,T,I,a,),电机将不能起动,，这时反电动势为零，电枢电流,很大，电枢绕组有被烧坏的危险。,(2,),如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势,E,立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩,不满足,负载,的需要，电动机必将减速而停转，,更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换,向器。,(3),如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭,受严重的机械损伤，而且因电,枢,电流过大而将绕组,烧坏,。,（,E,I,a,T,T,0,n,飞车）,2.,反转,例：,串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。,电磁转矩：,T=K,T,I,a,(1),改变励磁电流的方向。,(2),改变电枢电流的方向。,注意：,改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,改变直流电机转向的方法有两种：,9.5,并励,(,他励,),电动机的调速,并励,(,他励,),电动机,与异步电动机相比，虽然结,构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上,由其独特的优点。,1.,调速均匀平滑，可以无级调速,(,注：异步机改,变极对数调速的方法叫有级调速,),。,2.,调速范围大，调速比可达,200,以上,(,调速比等,于最大转速和最小转速之比）,因此机械变速,所用的齿轮箱可大大简化。,主要优点：,由转速公式,:,可见直流电机调速方法有三种。,可见：在,U,一定的情况下，改变,可改变转速,n,。,9.5.1,改变磁通调速,保持电枢电压,U,不变，改变励磁电流,I,f,(,调,R,f,),以改变磁通,。,由式,R,f,I,f,n,一般只采用减少励磁电流,(,减弱磁通,),的方法调速,即,改变磁通调速的方法：,减小磁通，,n,只能上调。,改变,时的机械特性如图。,T,L,T,n,（,减小,）,R,f,增,加,O,动画,调速过程,:,直至,T=T,C,达到新的平衡。,电压,U,保持,一定,减小磁通,。,R,f,E,I,n,I,a,E,瞬间,T,T,T,(1),调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受,机械本身强度所限，,n,不能太高。,(2),调速设备简单，经济，电流小，便于控制。,(3),机械特性较硬，稳定性较好。,(4),对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达,例如,5302120,r/min,及,3101 240,r/min,。,减小,调速的特点：,(1),若调速后,I,a,保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。,(2),这种调速方法只适用于恒功率调速,(,如用于切削机,床,),。,使用调磁调速时应注意：,9.5.2,改变电压调速,由转速公式知：,调电压,U,，,n,0,变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,n,0,n,0,电压降低,T,c,特性曲线,n,0,n,T,0,改变电压调速的特点,:,(1),工作时电压不允许超过,U,N,，而,n,U,所以调速,只能向下调,。,(2),机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳,定性好。,(3),均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。,(4),调速幅度较大。,调速过程,:,保持,I,f,为额定,减小电枢,电压,。,U,I,a,T,T,=,T,C,稳定,n,E,I,a,T,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。,近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,例,:,有一他励电动机，已知,U,=220V,I,a,=53.8A,n,=1500r/min,R,a,=,0.7,。,今将电枢电压降低一,半，而负载转矩不变，问转矩降低多少？,解,:,由,T,=,K,T,I,a,可知，在保持负载转矩和励磁电,流不变的条件下，电流也保持不变。,电压降低后的转速,n,对原来的转速,n,之比为,9.5.3,电枢回路串电阻调速,电枢中串入电阻,使,n,、,n,0,不变，即电机的特性曲线,变陡,(,斜率变大,),，在相同力,矩下,n,。,特性曲线如图。,R,a,n,n,0,T,电枢回路串电阻调速需,在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，,因此,n,只能下调。,特点：,(1),设备简单，操作方便。,(2),机械特性软，稳定性差。,(3),能量损耗大，只用于小型直流机。,R,a,+,R,电阻增大,1.,额定功率,P,N,:,电机轴上输出的机械功率。,2.,额定电压,U,N,:,额定工作情况下的电枢上加,的直流电压。（例：,110,V,，,220V,，,440V,）,3.,额定电流,I,N,:,额定电压下轴上输出额定功,率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。,三者关系：,P,N,=U,N,I,N,（,：,效率）,4.,额定转速,n,N,:,在,P,N,U,N,I,N,时的转速。,直流电机的转速一般在,500,r/min,以上。特,殊的直流电机转速可以做到很低（如每分,钟几转）或很高（每分钟,3000,转以上）。,注意,:,调速时对于没有调速要求的电机，最大转速,不能超过,1.2,n,N,。,。,直流电动机的额定值,(3),恒功率