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电机的拆装与维修,张金环电气自动化专业,项目一、直流电动机的拆装与维修 项目二、变压器的运行特性与维修 项目三、交流电机的拆装与维修 项目四、控制电机的应用,本门课的教学内容,直流电机是通以直流电流的旋转电机，是电能和机械能相互转换的设备。将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能是直流电动机。 直流电动机具有良好的调速特性和宽广的调速范围，在调速性能和指标要求较高的场合，直流电机得到了广泛的应用。,项目一 直流电机的拆装与维修,任务一 认识直流电机及直流电机的基本工作原理 任务二 直流电动机的运行特性 任务三 直流电动机的拖动 任务四 直流电动机的常见故障与维修,项目一 直流电机的拆装与维修,任务一 直流电机的拆装,一、直流电机的用途,1、直流电动机的用途：由于直流电动机具有良好的启动和调速性能，常应用于对启动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、地铁列车、城市电车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型精密机床和大型起重机等生产机械中，,2、直流发电机的用途：直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源，直流励磁机等,二、直流电动机的结构,直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和气隙三部分构成。,任务一 直流电机的拆装,直流电机的外部结构,直流电机的内部结构,二、直流电动机的结构,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电机的轴向剖面图,任务一 直流电机的拆装,风叶,磁极,电刷,电枢转子,转轴,换向器,换向片,压紧环,电枢绕组,绕组端部,结构细说,换向器,任务一 直流电机的拆装,1、直流电机的定子（内部结构）,任务一 直流电机的拆装,定子部分组成：,主磁极： 其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成。铁心的上部叫极身，下部叫磁靴。磁靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。 机座 有两个作用，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁轭；二是作为电机的机械支撑。 换向极 换向极的作用是改善直流电机的换向性能，消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电机格不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。 电刷装置 其作用有两个，一是使转子绕组与电机外部电路接通；二是与换向器配合，完成直流电机外部直流与内部交流的互换。,任务一 直流电机的拆装,2.转子部分,转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。 电枢铁心 有两个作用：一是作为磁路的一部分；二是将电枢绕组安放在铁心的槽内。 为了减小由于电机磁通变化产生的涡流损耗，电枢铁心通常采用0.350.5mm硅钢片冲压叠成。 电枢绕组 作用是产生感生电动势和电磁转矩，从而实现电能和机械能的相互转换。,1 转轴；2轴承；3换向器；4电枢铁心；5电枢绕组；6风扇；,任务一 直流电机的拆装,2.转子部分,转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。 换向器 是直流电机的关键部件，它与电刷配合，在直流电机中，能将电枢绕组中的交流电动势或交流电流转变成电刷两端的直流电动势或直流电流。 换向器的种类很多，主要取决于电机的容量与转速。在中小型直流电机中最常用的为拱形换向器。,1换向片；2套筒；3V形环；4片间云母；5云母；6螺母,任务一 直流电机的拆装,2.转子部分,转子是直流电机的重要部件。由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。 转轴 转轴、支架和风记扇 对于小容量的直流电机，电枢铁心装在轴上。对于大容量的直流电机，为减少硅钢片的消耗和转子重量，轴上装有金属支架，电枢铁心装在金属支架上。为了加强电机的散热，轴上还装有风扇。,1转轴；2轴承；3换向器；4电枢铁心；5电枢绕组；6风扇；,任务一 直流电机的拆装,换向器和电刷装置,1.额定功率PN: 电机轴上输出的机械功率。,2.额定电压UN : 额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：110V，220V，440V）,3.额定电流IN : 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：直流电动机：PN=UNIN （ ：效率） 直流发电机：,4.额定转速nN: 在PN , UN , IN 时的转速。 直流电机的转速一般在500r/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）。,三、直流电机的额定值和系列,PN=UNIN,任务一 直流电机的拆装,5、直流电机主要系列 Z4系列：一般用途的小型直流电动机； ZT系列：广调速直流电动机； ZJ系列：精密机床用直流电动机,任务一 直流电机的拆装,四、直流电机的基本工作原理,1、直流电动机的基本工作原理,任务一 直流电机的拆装,四、直流电机的基本工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中有电流流过。在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。换向器和电刷作用：将外部直流电转换成内部的交流电，以保持转矩方向不变。,任务一 直流电机的拆装,任务一 直流电机的拆装,当电枢旋转到下图所示位置时，原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,直流电动机的工作原理示意图:,任务一 直流电机的拆装,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。由于换向片和线圈固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向外, N极有效边的电流方向向内。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按逆时针方向旋转。,任务一 直流电机的拆装,2、直流电机的可逆原理,从直流电机的工作原理来看，一台直流电机若在电刷两端加上直流电压，输入电能，即可拖动生产机械，将电能变为机械能而成为电动机；反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，将机械能变为电能而成为发电机。一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。,直流电机工作原理总结,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。,1. 电枢感应电动势,Ea,U,+,电刷,换向片,T,n,A,B,Ea,Ea,任务一 直流电机的拆装,由图可知，电枢感应电动势 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 Ra 绕组电阻,2. 电枢回路电压平衡式,任务一 直流电机的拆装,Ea,项目一、直流电动机的拆装与维修 任务一、认识直流电机及直流电机的基本工作原理,班级： 组成员： 学号： 日期：,1、直流电机的结构 2、直流电机的工作原理 3、直流电动机的启动 （1）启动前注意事项 （2）电路图（接线图） （3）直流电机启动 邮箱：zhjhgzm Qq：1343196329,内容：,六、 直流电机的电枢绕组,对电枢绕组的要求：,在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下，所消耗的有效材料最省， 强度高（机械、电气、热）， 运转可靠，结构简单等。,电枢绕组：直流电机的电磁感应的关键部件之一, 是直流电机的电路部分，亦是实现机电能量转换的枢纽。,1、电枢绕组的基本知识：,元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。,元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用表示。,首端,末端,式中： -电枢铁芯外径；Z-电枢总槽数,绕组实物图,或,2、电枢绕组的形式,环形绕组,鼓形绕组,叠绕组,波绕组,3、 单叠绕组,双层单叠绕组的连接规律是：电枢表面的每个槽分上下两层放置两个元件边，当一个线圈的一个边在某槽中占有上层位置时，则该线圈的另一边必须放在电枢表面所跨过的距离为一个节距的另一槽下层。所有的相邻元件依次串联（即第一个元件的下层边（虚线）的尾端和第二个元件的上层边（实线）的首端连接到一个换向片上， ），同时每个元件的出线端依次连接到相邻的换向片上，最后形成一个闭合回路。特点： 槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同。,单叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的首端紧叠在前一个元件尾端，整个绕组成折叠式前进。下面通过p2， ZSK16例子说明单叠绕组如何连接，有何特点。,单叠绕组放置,元件1： 上元件边在1槽，和1号换向片相连， 下元件边放在相距y1=4即5槽下层。和2号换向片相连。 元件2： 上元件边在2槽，和2号换向片相连，下元件边放在相距y1=4即6槽下层。和3号换向片相连。 以此类推,对电枢槽、绕组元件和换向片进行编号，一个绕组元件的上层边所在的槽、上层边所连接的换向片和该元件标号相同。例如1号元件上层边放在1号槽，并与1号换向片相连。,单叠绕组连接示意图,元件连接顺序表,绕电枢一周， 所有元件互相串联构成一闭合回路。,某一瞬间电刷、磁极放置,磁极：磁极均匀分布，N、S极交替安排。,电刷：实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。为使正、负电刷间引出的电动势最大，我们已知被电刷所短路的元件电动势为零，在元件端接线对称的情况下，电刷的实际位置应在磁极中性线下，所以习惯上称为“电刷放在几何中性线位置”,单叠绕组展开图,槽展开,将电枢表面某处沿轴向剖开，展成一个平面，得到绕组的平面展开图：,绕组电路图：,结合电刷的放置， 得到该瞬时的电路图,每个极下的元件组成一条支路。即单叠绕组的并联支路数正好等于电机的极数2a=2p 。,这是单叠绕组的重要特点之一。,单叠绕组的特点：,元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。 并联支路数等于磁极数，2a=2p; 每条支路由不相同的电刷引出，电刷不能少，电刷数等于磁极数; 正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压; 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流 之和，即,七、直流电机的电枢电动势和电磁转矩,1、电枢电动势： 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的电动势。 一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为，则一根导体的平均电动势为：,其中：,因为一条支路里的串联总导体数,（N 为电枢总导体数），于是，,电枢电动势为：,式中，,是一个常数，称为电动势常数。,1、电枢电动势：,2、电磁转矩：,1）先求一个导体的平均电磁力： 2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均电磁转矩：,电枢绕组中每个导体所受电磁转矩之和。,导体电流，即支路电流,3）电枢绕组的电磁转矩为：,式中： 是一个常数，称为转矩常数，,是电枢总电流,， 对于一个具体的电机而言，是一个常数，并且通过换算，两者之间有一固定的关系:,3、直流电机的电磁功率：,发电机:机械能 转化为电能 ； 电动机:电能 转化为机械能 .,电磁功率(续),对于电动机，Ia与Ea反向，EaIa为转子电枢吸收的电功率，对应的T为转子输出可以驱动机械负载的机械功率。所以Pem是电机的能量转换过程中，电功率和机械功率之间可以互相转换的功率。,电动机,(L一机械负载),对于发电机，电刷电动势Ea与电枢电流同方向， EaIa表示转子电枢输出电功率，对应的T便是轴上的机械功率，由于能量守恒，两者相等。,电磁功率(续),发电机 (DM一原动机),T,1、小型直流电动机拆卸方法 （1）拆去接至电动机的所有接线1； （2）拆掉电动机的底脚螺栓，要记录底脚下面的垫片2厚度； （3）拆除与电动机相连接的传动装置； （4）拆除轴伸端的联轴器或带轮； （5）拆除换向器端的轴承外盖螺钉、端盖螺钉，并取出轴承外盖3； （6）打开换向器端的视察窗4，从刷盒中取出电刷5，再拆下刷杆上的连接线11； （7）拆下换向器端的端盖6，取下刷架； （8）用纸板将换向器7包好； （9）拆下轴伸出端的端盖螺钉，把带有端盖的电动机转子10抽出，对于中型电动机，可将后轴承盖8拆下，再卸下后端盖9； （10）轴承如有故障或必须更换时，再卸开轴承。,任务一 直流电机的拆装,八、直流电机的拆装方法（扫描图解电动机修理操作技能）219,1接线 2垫片 3轴承外盖 4视察窗 5电刷 6端盖 7换向器 8轴承盖 9后端盖 10转子 11连接线,2、小型直流电动机装配方法 （1）修配零部件，达到装配要求。 (2)装配定子； （3）套装轴承内盖和热套轴承； （4）装刷架于前端盖内； （5）转子穿入定子膛内； （6）装端盖及轴承外盖，要对称拧紧螺栓； （7）检查气隙并调整均匀； （8）将电刷放入刷盒内，压好弹簧； （9）研磨电刷，测各刷压正常； （10）装地脚螺栓，并装各引线和出线盒； （11）装好联轴器或带轮以及其他零部件； （12）调整电刷中性线； （13）试验检查。,任务一 直流电机的拆装,八、直流电机的拆装方法（扫描图解电动机修理操作技能）219,九、直流电动机的检查试验,1、绝缘电阻的测试,（1）测试项目：用绝缘电阻表可以测试直流电动机的电枢绕组、励磁绕组对机壳和绕组相互间的绝缘电阻，以及测试出转子绕组对转轴的绝缘电阻，各绕组应分别测试。 （2）测试标准：直流电机的绝缘电阻与初次绝缘电阻比较不应降低50%。按一般规定，磁极绕组的最低允许绝缘电阻值见下表中规定;,2、电枢直流电阻的测试（见链接） 直流电阻的测定标准：绕组的直流电阻值与原始测量值比较，不应大于2%；测试的电源电压要稳定，通乳绕组的电流应小于额定电流的10%，转子静止不动，否则会影响测量精度。 3、直流电动机空转检查 （1）空转前，电动机气隙应调整合格，装配质量良好； （2）电动机启动后，电枢转动平稳，轴承声音正常，所有电刷不应有火花出现，换向器无跳动现象。 （3）用测振仪测量电动机的振动，没有测振仪，可使用千分尺测电动机垂直和水平方向的振动。振幅大小见下表：,地铁列车,返回,城市电车,返回,电动自行车,返回,电解铝车间,返回,发电厂,励磁机,返回,直流电机的定子内部结构,返回,主磁极,返回,单片主磁极铁芯图,主磁极铁芯叠加图,主励磁绕组图,换向极图-1,换向极图-2,返回,电刷示意图,电刷结构图,返回,直流电机的转子,直流电机的转子,转子结构图-1,转子结构图-2,返回,电枢铁芯示意图,单片电枢铁芯图,单片电枢铁芯图（a）矩形（b）梨形,返回,电枢绕组图,返回,换向器,返回,任务二、直流电动机的运行特性,一、直流电机的分类； 二、直流电机的基本方程式； 三、直流电动机的工作特性的测定。,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。,一、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。,任务二、直流电动机的运行特性,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。,一、直流电机的分类,任务二、直流电动机的运行特性,任务二、直流电动机的运行特性,二、直流电机的基本方程式,1、电动势平衡方程式,他励电动机,电动机：,发电机电动势平衡方程式？电路图？,2、转矩平衡方程式,发电机转矩平衡方程式？,电枢回路总电阻,3、功率平衡方程式,任务二、直流电动机的运行特性,直流电机从电网吸收电能，电枢绕组中有电流，电枢回路产生铜耗 ，输入电能扣除铜耗即为由电枢吸收的电功率，即电磁功率 ，也是电动机获得的总的机械功率 机械功率会使电动机的转子旋转，电动机的转子旋转的过程中由于摩擦产生机械损耗 、铁耗 、和附加损耗 ，输入功率扣除所有的损耗即为电动机输出的功率 ，所以：,不变损耗：,可变损耗为铜耗：,三、直流电动机的工作特性的测定,（1）、转速特性：当 、 、电枢回路不外串电阻时， ，,由方程式可得,忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化,（2）、转矩特性：当 、 、电枢回路不外串电阻时，,任务二、直流电动机的运行特性,其中：,测定（见链接）,测定（见链接）,（3）、效率特性,由方程式可得,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。,定义：当 、 时，,任务二、直流电动机的运行特性,一般中小型直流电动机的效率在7585之间，大型直流电动机的效率在8594之间。,测定（见链接）,例: 有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知 Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 额定电流I , 额定 电枢电流Ia及额定励磁电流If ; (2) 损耗功率PCua , 及空载损耗PO ; (3) 额定转矩T; (4) 反电动势E。,解：(1) P2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,任务二、直流电动机的运行特性,（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,任务二、直流电动机的运行特性,任务三、直流电动机的拖动,一、直流电动机的机械特性及测定； 二、直流电动机的启动和制动； 三、直流电动机的调速。,一、直流电动机机械特性及测定,表征电动机运行状态的两个主要物理量是转速n和电磁转矩T。以他励电动机为例，其机械特性就是研究电动机的转速n和电磁转矩T之间的关系，即n=f (T)。,式中：,（一）、机械特性方程式,任务三、直流电动机的拖动,式中：,n0,T0,T,n, n,n0,n,T,A,B,TK,B堵转点,任务三、直流电动机的拖动,（二）、直流电动机的固有机械特性及测定（见链接） 固有机械特性是指电动机的工作电压、励磁磁通为额定值、电枢回路中没有外串电阻时的机械特性。,固有机械特性曲线：,当T 时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械特性。,任务三、直流电动机的拖动,（三）、直流电动机的人为机械特性,为了满足生产机械加工工艺的要求，例如起动、调速和制动等各种工作状态的要求，还需要人为地改变电动机的参数，如电枢电压、电枢回路电阻和励磁磁通，相应得到的机械特性即是人为机械特性。 电枢回路串电阻的人为机械特性及测定 改变电枢电压的人为机械特性及测定 减弱磁通的人为机械特性及测定,任务三、直流电动机的拖动,1、电枢回路串电阻的人为机械特性及测定（见链接）,电枢加额定电压UN ，励磁磁通N ，电枢回路串入电阻R后的人为机械特性方程式为 电枢串入不同电阻R时的人为 机械特性曲线如图所示,任务三、直流电动机的拖动,特点：1） 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。,2、改变电枢电压的人为机械特性及测定（见链接）,保持励磁磁通N，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压大小及方向的人为机械特性的方程为 改变电枢电压的人为机械特性 如图所示,任务三、直流电动机的拖动,0,特点：1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。,3、减弱磁通的人为机械特性及测定（见链接）,电枢电压为额定值，电枢回路不串电阻，励磁回路串入调节电阻使磁通减弱。减弱磁通的人为机械特性方程为：,T,n,O,固有机械特性曲线,任务三、直流电动机的拖动,其特点是理想空载转速随磁通的减弱而上升，机械特性斜率则与励磁磁通的平方成反比。随着磁通的减弱增大，机械特性变软。不同励磁磁通的人为机械特性如图所示 。,对于一般电机，当 时，磁路已经饱和，再增加磁通已不容易，所以人为机械特性一般只能在 的基础上减弱磁通。,特点：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大,（四）、 生产机械的负载转矩特性,生产机械的负载转矩特性是指生产机械的转速和转矩之间的关系特性 1、恒转矩负载特性 （1）、反抗性恒转矩负载特性 （ 2）、位能性恒转矩负载特性 2、恒功率负载转矩特性 3、风机、泵类负载转矩特性,任务三、直流电动机的拖动,二、直流电动机的启动和制动,（一）、启动的概念： 电动机的转速由零上升到某一稳定转速的过程。电动机启动时特别注意，应首先向励磁绕组中通入励磁电流，再向电枢绕组中通入电枢电流。励磁绕组可以直接加励磁电压，但如果将电枢额定电压直接加到电枢绕组上，电枢电流,由于电枢电阻很小，会产生过大的启动电流，启动电流过大会引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。,起动时,n =0 ,起动转矩大：,一般Iq限制在(1.52.0)IN。,任务三、直流电动机的拖动,1、降低电源电压； 2、加大电枢回路电阻,（二）、直流电机的启动方法 ：,1、降低电源电压启动及试验（见链接）,目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法，启动电流小，启动平稳，启动能耗小。,任务三、直流电动机的拖动,二、直流电动机的启动和制动,n0,n,0,启动注意事项：,(1)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; (2)如果电动机是静止的，由于转矩太小 ,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。 (3)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。 (4)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。,任务三、直流电动机的拖动,在满磁下将Rq置最大处，逐渐减小Rq使n升高。此启动方法，启动设备简单，操作方便，但启动能耗大。,任务三、直流电动机的拖动,2、电枢串电阻起动及试验（见链接）,3、反转及试验（见链接）,电磁转矩：T=CT Ia,(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：,任务三、直流电动机的拖动,三、 他励直流电动机的制动,1、 能耗制动及试验（见链接）,制动方法,机械制动,电气制动,能耗制动 反接制动 回馈制动,能耗制动时，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。电枢电压 U=0，电枢电流方向改变 ，所以电磁转矩方向也 改变，与转动方向相反， 为制动转矩。,自由停车,任务三、直流电动机的拖动,当电磁转矩的方向与转速方向相同时,电机运行于电动机状态;当电磁转矩方向与转速方向相反时,电机运行于制动状态。,此时机械特性方程为:,n,n0,T,TL,A,B,-T,任务三、直流电动机的拖动,制动运行时，依靠电磁感应的作用将电机高速旋转的机械能转换成电能，消耗在电枢回路的电阻上，直到电机停止转动。,制动瞬间工作点,电动机状态工作点,制动过程工作段,电动机拖动反抗性负载，电机停转。,制动过程:,能耗制动特点：,U=0,Ia 反向,T 反向为制动转矩,n=0,n ,T ,（1）设备简单，运行可靠，且不需从电网输入电能。,（2）能准确停车。,（3）低速时制动效果较差。,任务三、直流电动机的拖动,电源反接制动接线如图所示。,电动,制动,开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流:,反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用电压反接制动。,2、电源反接制动及试验（见链接）,任务三、直流电动机的拖动,：,电枢电流由,电枢反接制动时的机械特性为：,曲线如图中 所示。,工作点变化为： 。,制动过程中 、 、 均为负,而 、 为正,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。,2、电源反接制动及试验（见链接）,任务三、直流电动机的拖动,制动过程:,反接制动特点：,（1）设备简单，制动转矩大，常用于反抗性负载的快速停车和快速反向运行。,（2）能量损耗大,任务三、直流电动机的拖动,倒拉反转反接制动：只能适用于电动机拖动位能性负载，实现匀速下放重物。,此时机械特性方程为,当K闭合时，电动机为正向电动运行（提升重物）为使重物下放，断开K，,任务三、直流电动机的拖动,此时n反向为负值，E也为负值,所以电枢电流方向不变，所以电磁转矩方向也不变，但与n的方向相反，为制动转矩。,电枢电流,在电枢串入较大的电阻，使（n=0时的电磁转矩T)小于负载转矩TL，这样在位能负载转矩TL的作用下，时电动机反转（n为负，下放重物）。一直到D点稳定运行,任务三、直流电动机的拖动,3、 回馈制动及试验（见链接）,当位能性负载快速下放物体时，当nn0时，使EU，由原来的电动状态转为发电状态。,电枢电流,同样电枢电流方向改变，所以电磁转矩方向也改变，为制动转矩。,因为此时P1=UIa0，将位能转换为电能回馈电网，称回馈制动。,任务三、直流电动机的拖动,电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。,改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上。,他励直流电动机的转速公式为：,负载T不变时， 通过改变电源电压U、 电枢电阻Rc和励磁磁通三个电路参数可以对直流电动机进行调速。电气调速方法:1.调压调速;2.电枢串电阻调速;3.调磁调速。,三、并励(他励)电动机的调速及试验（见链接）,任务三、直流电动机的拖动,一、调速指标,（一）调速范围:,（二）静差率（相对稳定性）,指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。,%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。,D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。,任务三、直流电动机的拖动,（三）调速的平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数,越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,（四）调速的经济性,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,任务三、直流电动机的拖动,二、电枢电路串电阻调速及试验（见链接）,0,未串电阻时的工作点,串电阻后,工作点经 由A点过渡到B点,结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。,任务三、直流电动机的拖动,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,缺点：,1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；,2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差,3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；,4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使电磁转矩和电枢电流不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,任务三、直流电动机的拖动,二、电枢电路串电阻调速及试验（见链接）,三、降低电枢电压调速及试验（见链接）,T,TL,A,调速压前工作点A,降压瞬间工作点,稳定后工作点,降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。,任务三、直流电动机的拖动,优点： 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。,任务三、直流电动机的拖动,三、降低电枢电压调速及试验（见链接）,三、弱磁调速及试验（见链接）,减弱磁通后，理想空载转速上升, 曲线的斜率值增大。,调节磁场前工作点,弱磁瞬间工作点AA,弱磁稳定后的工作点,任务三、直流电动机的拖动,弱磁调速前、后的电枢电流和转速的变化情况：,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线,结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,缺点： 1）机械特性的斜率变大，特性变软；,2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。,任务三、直流电动机的拖动,三、弱磁调速及试验（见链接）,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 ， 负载不变。 （1） 若采用调压调速， 电枢电压降低为额定电压的50%， 求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%， 求电机的转速和电枢电流。,任务三、直流电动机的拖动,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,任务三、直流电动机的拖动,（2） 当励磁电流减小10%， 主磁通降为额定值的90%时， 电枢电流,将上两式相比， 得,于是， 电机的转速为,任务三、直流电动机的拖动,小结,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。 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。,任务三、直流电动机的拖动,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。 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。,任务三、直流电动机的拖动,直流电动机通常采用降低电枢端电压和电枢串电阻两种起动方式。 直流电动机要求在起动时先加励磁电压， 后加电枢电源， 且不允许在起动和运行中失去励磁， 否则将出现“飞车”事故。 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。,任务三、直流电动机的拖动,直流电动机的调速有调压调速、 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。,任务三、直流电动机的拖动,例: 有一他励电动机， 已知U=220V , Ia=53.8A, n=1500r/min Ra=0.7 。今将电枢电压降低一 半，而负载转矩不变，问转速降低多少？,解: 由T=CT Ia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,任务三、直流电动机的拖动,例: 有一他励电动机， 已知 :Ia=68.5A, PN=13KW nN=1500r/min Ra=0.225 。 UN=220V,(1)采用电枢串电阻调速，使n=1000r/min，应串入多大的电阻？,(2)采用降压调速，使n=1000r/min，电源电压应降为多少？,(3)采用弱磁调速， =0.85N ，电动机的转速为多少？能否长期运行？,任务三、直流电动机的拖动,(1)采用电枢串电阻调速时，当= N,T=TN时Ia=68.5A,根据,任务三、直流电动机的拖动,(2)降压调速时，当= N,T=TN时Ia=68.5A,根据,任务三、直流电动机的拖动,(2)弱磁调速时，当= 0.85N,T=TN时,根据,电动机不能长期运行,任务三、直流电动机的拖动,直流电机的换向故障是直流电机拖动控制中的经常遇到的重要故障，换向不良，不但将严重影响直流电机的正常工作，还会危及直流电机的安全，造成大的经济损失。换向故障的分析，正确的检测、维护是现场技术人员必不可少的基本技能。,2.1 直流电机换向故障分析与维护,1.直流电机换向不良的主要征象 直流电机换向不良的征象很多,也很复杂,但主要表现在； 换向火花增大 换向器表面烧伤 换向器表面的氧化膜被破坏 电刷镜面出现异常现象,1.1.1 直流电机换向故障分析与维护,2.换向火花状态 换向火花是衡量换向优劣的主要标准。 换向火花的形状，从直观现象可分为点状火花、粒状火花、球状火花、舌状火花、爆呜状火花、飞溅火花、和环状火花。 在正常运行时，一般是在电刷边缘出现少量点状火花或粒状火花，分布均匀。 当换向恶化、不良时，会出现舌状火花或爆呜状飞溅火花和环状火花，这些火花危害极大，可烧坏换向器和电刷。,2.换向火花状态 火花状态的另一种反映是火花颜色。 一般可分为蓝、黄、白、红、和绿色。 换向正常时，一般为蓝色、淡黄色或淡白色。 当换向不良时则会出现明亮色或红色火花，严重情况会出现绿色火花。,3.换向器表面的状态 在正常换向运行时，换向器表面是平滑、光亮，无任何磨损、印迹或斑点。当换抽不良进，换向器表面会出现异常烧伤。 （1）烧痕 在换向器表面出现一般用汽油擦不掉的烧伤痕迹。若换向片倒角不良、云母片突出，换向片棱边上将出现烧痕；当换向片研磨不良时换向片中间可能出现烧痕；当换向极绕组接线极性不对时，则换向片可能全发黑。,3.换向器表面的状态 （2）节痕 节痕是指换抽器表面出现有规律的变色或痕迹。一种是槽距弄节痕，其痕迹规律是按电枢槽间距出现的伤迹，主要的原因为换向极偏强或偏弱；另一种是极距型节痕，伤痕是按极数或极对数间隔排列的。主要的原因是并接线套开焊或升高片焊接不良造成。,4.电刷镜面状态 正常换向，电刷与换向器的接触面是光亮平滑的，通常称为镜面。当电机换向不良时，电刷镜面会出现雾状、麻点和绕伤痕迹。 如果电刷材质中含有碳化硅或金钢砂之类物质时，镜面上就会出现白色斑点或条痕。 当空气湿度过大，或空气含酸性气体时，电刷表面会沉积着一些细微的铜粉末，这种现象称为“镀铜”，当电机发生镀铜时，换向器的氧化膜被破坏，使换向恶化。,1.1.2 直流电机换向故障原因及维护,直流电机的换向情况可以反映出电机运行是否正常良好的换向可使电机安全可靠地运行和延长它的寿命。 直流电机的内部故障，大多数会引起换向出现有害的火花或火花增大严重时灼伤换向器表面，甚至妨碍直流电机的工常运行。 以下就机械方面和由机械引起的电气方面、电枢绕组、定子绕组、电源等故障，从而引起换向恶化的主要原因做一概要的分析并介绍一些基本维护方法。,1.机械原因及维护 直流电机的电刷和换向器的连接属下滑动接触、保持良好的滑动接触才可能有良好的换向。但腐蚀性气体、空气湿度、电机振动电刷和换向器装配质量及安装工艺等因素都对电刷和换向器的滑动接触情况有影响，当电机振动、电刷和换向器的机械原因使电刷和换向器的滑动接触不良时就会在电刷和换向器之间产生有害的火花。 电机振动 换向器 电刷,1.机械原因及维护 直流电机的电刷和换向器的连接属下滑动接触、保持良好的滑动接触才可能有良好的换向。但腐蚀性气体、空气湿度、电机振动电刷和换向器装配质量及安装工艺等因素都对电刷和换向器的滑动接触情况有影响，当电机振动、电刷和换向器的机械原因使电刷和换向器的滑动接触不良时就会在电刷和换向器之间产生有害的火花。 电机振动 换向器 电刷,（1）电机振动 电机振动对换向的影响是由电枢振动的振幅和频率高低所决定的。与电枢向某一方向振动时，就会制成电刷与换向器的接触面的压力波动，从而使电刷在换向器表面跳动、随着电机转速的增高，振动加剧，电刷在换向器表面跳动幅度就越大。电机的振动过大多是由于电枢两端的平衡块脱落使位置移动造成电枢的不平衡，或是在电枢绕组修理后未进行平衡校正引起的。般说来，对低速运行的电机，电枢应进行静平衡校验；对高速运行电机，电枢必须进行动平衡校验。所加平衡块必须牢靠地固定在电枢上。,1.机械原因及维护 直流电机的电刷和换向器的连接属下滑动接触、保持良好的滑动接触才可能有良好的换向。但腐蚀性气体、空气湿度、电机振动电刷和换向器装配质量及安装工艺等因素都对电刷和换向器的滑动接触情况有影响，当电机振动、电刷和换向器的机械原因使电刷和换向器的滑动接触不良时就会在电刷和换向器之间产生有害的火花。 电机振动 换向器 电刷,换向器是直流电机的关键部件要求表面光洁圆整，没有局部变形。在换向良好的情况下，长期运转的换向器表面与出刷接触的部分将形成一层坚硬的褐色薄膜。这层薄膜有利于换向，并能减少换向器的磨损。当换向器装配质量不良造成变形或片间云母突出以及受到碰撞，使个别换向片凸出或凹下，表面有撞击疤痕或毛刺时，电刷就不能在换向器上平稳滑动，使火花增大。换向器表面粘有油腻污物也会使电刷接触不良，而产生火花。,1.换向器，2，刷握，3，电刷，4，弹簧秤，5，纸片面性,1.机械原因及维护 直流电机的电刷和换向器的连接属下滑动接触、保持良好的滑动接触才可能有良好的换向。但腐蚀性气体、空气湿度、电机振动电刷和换向器装配质量及安装工艺等因素都对电刷和换向器的滑动接触情况有影响，当电机振动、电刷和换向器的机械原因使电刷和换向器的滑动接触不良时就会在电刷和换向器之间产生有害的火花。 电机振动 换向器 电刷,换向器表面如有污物，应用沾有酒精的抹布擦净。 换向器表面出现不规则情况时，用与换向片表面吻合的木块垫上细玻璃砂纸来磨换向器，若还不能满足要求，则必须车削换向器的外圆。 若因换向片间的绝缘云母突出，应将云母片下刻，下刻深度为1.5mm左右为益，过深的下刻易在片间堆积炭粉，造成片间短路。下刻片间云母后，应研磨换向器外圆，使换向器表面光滑。,1.换向器，2，刷握，3，电刷，4，弹簧秤，5，纸片面性,1.机械原因及维护 直流电机的电刷和换向器的连接属下滑动接触、保持良好的滑动接触才可能有良好的换向。但腐蚀性气体、空气湿度、电机振动电刷和换向器装配质量及安装工艺等因素都对电刷和换向器的滑动接触情况有影响，当电机振动、电刷和换向器的机械原因使电刷和换向器的滑动接触不良时就会在电刷和换向器之间产生有害的火花。 电机振动 换向器 电刷,为保征电刷和换向器的良好接触，电刷表面至少要有3/4与换向器接触，电刷压力要保持均匀，电刷间压力相差不超过10%，以保证各电刷的接触电阻基本相当，从而使各电刷电流均衡。 若电刷弹簧压力不合适，电刷材料不符合要求，电刷型号不一至，电刷与刷合之间配合太紧或太松，电刷伸出盒太长，都会影响电刷的受力，产生有害火花。,1.机械原因及维护 直流电机的电刷和换向器的连接属下滑动接触、保持良好的滑动接触才可能有良好的换向。但腐蚀性气体、空气湿度、电机振动电刷和换向器装配质量及安装工艺等因素都对电刷和换向器的滑动接触情况有影响，当电机振动、电刷和换向器的机械原因使电刷和换向器的滑动接触不良时就会在电刷和换向器之间产生有害的火花。 电机振动 换向器 电刷,电刷压力弹簧应根据不同的电刷而定。一般电机用的D104或D172电刷，其压力可取15002500Pa。 其电刷压力的测定与调整如图2-1所示。若是双辫电刷，用弹簧秤勾住刷辫，若是单辫电刷，则用弹簧秤勾住电刷压指，然后将普通打印纸片垫入电刷下，放松并调整弹簧秤位置，使弹簧秤轴线与电刷轴线一致，然后使弹簧秤的拉力逐渐加大，当纸片能轻轻拉动时，弹簧秤读数即为电刷所受的压力。,2.电气原因及维护 不良的主要原因，一般在电机设计与制造时都作了较好的补偿与处理，电刷通过换向器与几何中心线的元件接触，使换向元件不切割主磁场。 但是由于维修后换向绕组、补偿绕组安装不准确，磁极、刷盒装配偏差，造成各磁极间距离相差太大、各磁极下的气隙不均匀、电刷不对齐中心、电刷沿换向器圆周不等分（一般电机电刷沿换向器圆周等分差不超过0.5mm）。 上述原因都可使增大电枢反应电势，从而使换向恶化，产生有害火花。,2.电气原因及维护 在检修时，应使各个磁极、电刷按装合适，分配均匀。换向极绕组、补偿绕组按装正确，就能起到改善换向的作用。 电刷中心位置测定一般有三种方法. 感应法 正反转发电机法 正反转电动机法,这是最常用的一种方法，将毫伏表（或用万用表的电流表替代）接入相邻两组电刷上，接通励磁开关S瞬间，指针会左右摆动，这样反复移运电刷位置测试，直到摆动最小或几乎摆动时的位置，就是要找的几何中心线位置。,2.电气原因及维护 在检修时，应使各个磁极、电刷按装合适，分配均匀。换向极绕组、补偿绕组按装正确，就能起到改善换向的作用。 电刷中心位置测定一般有三种方法. 感应法 正反转发电机法 正反转电动机法,正反转发电机法 采用它励方式，保持转速不变，使电机正反转，用万用表测电枢端压，逐渐移动电刷的位置，在相同的电压下测出正反转时电机端压读数，直到正转与反转时电枢端压读数大小相等时，这时电刷的位置就是几何中位置。,在直流电机端压。与励磁保持恒定，改