机电传动控制(第3章)直流电机的工作原理及特性.ppt

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； 掌握直流电动机电压平衡方程、机械特性方程及其相关 的计算方法。,31 直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。,二、直流电机的基本工作原理,1、作为发电机工作,2、作为电动机工作,发电机运行条件： 1.存在磁场 2.需外加机械能即由原动机输入T1 ，最终产生感生电势E和感生电流Ia，输出直流电U。 电动机运行条件： 1.存在磁场 2.外加直流电U， 最终产生电磁转矩T使转子以转速n旋转。,四、直流电动机的分类,32 他励直流电动机的机械特性,一、机械特性方程,32 他励直流电动机的机械特性,一、机械特性方程,电压平衡方程,机械特性方程,机械特性的硬度,（1）绝对硬特性,（2）硬特性10,（3）软特性10,机械特性的软硬无好坏之分。实际中应根据生产机械和工艺过程的具体要求来选用电机。 对于直流他励电动机其特性硬一些好。,二、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机械特性 n=f(T),即:,(1) 估算电枢电阻Ra,固有特性的计算方法：,(2) 求,还可以根据要求进一步求出以下变量,(1) 求理想空载转速: n0,(2) 求额定转矩:,三、人为机械特性,人为地改变U和的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。,1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性,电压平衡方程式为：,人为机械特性方程式为：,2. 改变电枢电压U时的人为特性,1）特性曲线平行，k不变；,2）转速降落不变，硬度不变；,3）由于UUN，所以nnN,3改变磁通 时的人为特性,2）N，nnN,1）随着的减小，n0增加，k变大，特性变软；,例3.1：一台Z2系列他励直流电动机， PN=22KW,UN=220V,IN=116A,nN=1500r/min，试计算： 1.固有机械特性 2.电枢回路串Rad=0.4电阻的人为特性 3.电源电压降为100V时的人为特性 4.弱磁至=N时的人为特性,33 直流他励电动机的启动特性,一、启动特性,在未启动之前n=0 , E=0,这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（1020）倍以上。,直流电动机不允许直接启动,st为过载能力系数，通常为1.5到2.5,二、启动方法,1. 降压启动：,2. 电枢回路串电阻启动,1) 串一段电阻启动,2)串多段电阻逐级切除的启动方法,34 直流他励电动机的调速特性,一、速度调节和速度变化,速度调节：在负载不变的条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。,速度变化：在电动机参数不变的条件下，由于负载波动引起的速度的改变。,二、调速方法,从直流他励电动机机械特性方程式,直流电动机调速的方法有以下三种： 改变串入电枢回路的电阻Rad ； 改变电枢供电电压U 改变主磁通,1、改变电枢电路外串电阻 调速,特点： 1）R增加，k增加，特性变软 2）有级调速 3）R越大，耗能越大,2改变电动机电枢供电电压U,3）恒转矩调速,1）可以实现无级调节,2）特性曲线互相平行，机械特性硬度不变，调速范围较大；,4）UUN，nnN,3改变电动机主磁通,1）可以实现无级调节,2）随着的减小，n0增加，k变大，特性变软；,3）恒功率调速,4）N，nnN,35 直流他励电动机的制动特性,1制动与启动,启动：电动机速度从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态；,制动：电动机速度是从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。,2. 制动与自然停车,1）自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。,2）制动：电动机脱离电网，外加阻力转矩使电动机迅速停车。,3. 电动机的两种工作状态,1) 电动状态：,n与T同向,2）制动状态：,n与T反向,4. 电动机工作在制动状态下的两种情况,1）使转速迅速减速到停止；,2）限制位能负载的下降速度。,一、反馈制动（也称再生制动或发电制动） 特点： 1）在外部条件的作用下，nn0； 2）n与T反向 1电车走下坡路时的反馈制动,2电枢电压突然下降时的反馈制动,二、反接制动,特点：,1）U与E由相反变为相同；,2）T与转速n的方向相反。,改变U的方向所产生的反接制动称为电源反接制动； 改变E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。,1电源反接制动,电动机的机械特性为：,2倒拉反接制动,三、能耗制动,例3-2 有一台他励电动机，PN5.6kW，UN220V，IN3lA，nN1000rmin，Ra0.4，负载转矩TL49Nm，电动机的过载倍数2，试计算： (1)电动机拖动摩擦性负载，采用能耗制动过程停车，电枢回路应串入的制动电阻最小值是多少?若采用反接制动停车，电阻最小值是多少? (2)电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以300rmin速度下放重物，采用倒拉反接制动，电枢回路应串多大电阻?若采用能耗制动，电枢回路应串多大电阻? (3)想使电机以n-1200rmin速度，在再生发电制动状态下，下放重物，电枢回路应串多大电阻?若电枢回路不串电阻，在再生发电制动状态下，下放重物的转速是多少?,3.8 一台他励直流电动机所拖动的负载转矩TL常数，当电枢电压或电枢附加电阻改变时，能否改变其稳定运行状态下电枢电流的大小?为什么?这时拖动系统中哪些量必然要发生变化? 3.9 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势E=E1，如负载转矩TL常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小于还是等于El? 3.12 一台他励直流电动机的技术数据如下：PN6.5kW，UN=220V，IN=34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.242, 试计算出此电动机的如下特性： 固有机械特性； 电枢附加电阻分别为3和5时的人为机械特性； 电枢电压为UN2时的人为机械特性； 磁通0.8N时的人为机械特性。 并绘出上述特性的图形。,3.19 有一台他励电动机：PN=10kW，UN=220V，IN=53.8A，nN=1500rmin，Ra=0.29，试计算： (1)直接起动瞬间的堵转电流Iu； (2)若限制起动电流不超过2IN，采用电枢串电阻启动时，应串入启动电阻的最小值是多少?若用降压启动，最低电压应为多少? 3.20 有一台他励直流电动机：PN=18kW，UN=220V，IN=94A，nN=1000rmin，在额定负载下，求： (1)想降至800rmin稳定运行，外串多大电阻?采用降压方法，电源电压应降至多少伏? (2)想升速到1100rmin稳定运行，弱磁系数N为多少?,3.21 有一台他励直流电动机，PN7.5kW，UN220V，IN=4lA，nN1500rmin，Ra0.38，拖动恒转矩负载，且TLTN，现将电源电压降到U=150V，问： (1)降压瞬间的电枢电流及电磁转矩各多大? (2)稳定运行转速是多少? 3.22 有一台他励直流电动机，PN=21kW，UN220V，IN=115A，nN980rmin，Ra=0.1，拖动恒转矩负载运行，弱磁调速时从N调到0.8N，问： (1)调速瞬间电枢电流是多少?(TLTN) (2)若TLTN和TL0.5TN，调速前后的稳态转速各是多少?,3.23 有一台他励直流电动机，PN29kW，UN440V，IN76A，nN1000rmin，Ra0.377，负载转矩TL=0.8TN，最大制动电流为1.8IN。求当该电动机拖动位能性负载时，用哪几种方法可使电动机以500rmin的转速下放负载，在每种方法中电枢回路应串电阻为多少欧?并画出相应的机械特性，标出从稳态提升重物到以500rmin转速下放重物的转换过程。 3.24