第3章 直流电机的工作原理及特性.doc

第3章 直流电机的工作原理及特性教学内容3.1 直流电机的基本结构和工作原理3.2 直流发电机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教学安排 本章安排8个学时授课，直流电机的基本结构和工作原理、直流发电机2个学时，直流电动机的机械特性2个学时，直流他励电动机的启动特性和调速特性2个学时，直流他励电动机的制动特性2个学时。采用多媒体教学。知识点及其基本要求1 了解电磁感应、电磁力、电动势、反电动势、电磁转矩等基本概念，了解直流电机的基本结构和工作原理、直流发电机的励磁方式，掌握电动势和电磁转矩的计算公式。2 了解并掌握他励电动机机械特性的一般表达式、固有机械特性的计算和绘制，了解并掌握他励电动机外串电阻、改变电枢电压、改变磁通时人为特性的特点、计算和绘制，了解串励电动机机械特性的一般表达式和特点。3 了解启动直流他励电动机的两种方法：降压启动和在电枢回路串接电阻启动，及两种启动方法的优缺点。4 了解调速和速度变化两种概念，掌握直流他励电动机三种调速方法（改变电枢电路个串电阻、改变电枢电压和改变主极磁通）的特点及适用场合。5 了解电动与制动、制动与自然停车、稳定的制动状态和过渡的制动状态等概念，了解反馈制动、反接制动、能耗制动的概念、实现方法、特点和适用场合。重点和难点 重点:1机械特性是分析启动、调速和制动特性的依据，所以机械特性是电动机内容的重中之重； 2他励直流电动机的启动特性； 3他励直流电动机的调压调速特性。 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 TM、负载转矩TL、转速n、电枢电流Ia和电势E等符号的确定。 教学设计*第1次课*1展示直流电机结构图，介绍直流电机基本组成部分和各部分功能。定子：定子是电机的静止部分，主要用来产生磁场。它主要包括：主磁极 、换向极 、电刷装置 、机座和端盖。 转子：转子是电机的转动部分，转子的主要作用是感应电动势，产生电磁转矩，使机械能变为电能（发电机）或电能变为机械能（电动机）的枢纽。它主要包括：电枢 、换向器 、转轴。 气隙：在小容量电机中，气隙为0.53mm。气隙大小对电机运行性能有很大影响。 2首先介绍电磁感应现象、电磁力等概念，然后介绍直流电机的工作原理。（1）电磁感应现象闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时，导体中就会产生电流，这种现象叫电磁感应现象。 B-磁感应强度v-速度e-感应电势I-感应电流 右手螺旋定则（2）电磁力：载流导体在磁场中受到的力称为电磁力。B-磁感应强度I-感应电流f-电磁力 左手定则（3）直流发电机工作原理 Ke电势常数E电枢电势（V）主极磁通（Wb）n电枢转速（r/min）（4）直流电动机工作原理Kt转矩常数9.55KeIa电枢电流（A）（5）电枢反电势电机运行方式E和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相同相反电源电动势反电动势阻转矩驱动转矩T1=T+T0T=TL+T0（6）可逆性原理 如果从轴上输入机械功率，电机作发电机运行，向外输出直流电能。如果从电刷上输入电功率，电机即作电动机运行，向外输出机械功率。这种同一台电机在不同的外界条件下作发电机或电动机运行的原理，称为电机的可逆性原理。3.总结他励直流电动机的一些基本方程式。（1）电压平衡方程式（2）转矩平衡方程式 T电磁转矩 直流他励电动机原理电路图 T0空载转矩 TL负载静阻转矩（3）功率平衡方程式 电压平衡议程式两边同乘Ia得 UIa电源输入功率 Eia电枢反电势从电源吸收的电功率 Ia2Ra电枢铜损耗电磁功率PM=EaIa=KeIa=T（表明电动机从电源吸收的电功率全部转换成了机械功率T） 因此输入功率P1=PM+PacuPM=P0+P2P0=Pm+PFe其中 PM电磁功率 Pacu铜损耗 P0空载损耗 Pm机械损耗 PFe磁滞损耗和涡流损耗（简称铁损）4简单介绍直流电动机的额定数据直流电机按照国家标准及电机设计和试验数据规定的电机运行条件和运行状态运转时，其运转工况称为电机的额定运行情况。在额定条件下，电机各物理量的保证值称为电机的额定数据或额定值。直流电机的额定值一般有：PN（Kw），UN（V），IN（A），nN（r/min），IfN（A）额定功率 PN:指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 W 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。 额定电压 UN：指额定状态下电枢出线端的电压，以 V 为量纲单位。 额定电流 IN：指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 A 为量纲单位。 额定转速 nN：指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。 额定励磁电流 If：指电机在额定状态时的励磁电流值。 注意:对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。PNUNINN 在额定条件下的额定转矩 （PN单位为Kw）例3-1 一台他励直流电动机PN=13Kw,UN=220V,IN=69.5A, nN=1500r/min,电枢电阻Ra=0.28,额定励磁电压110V,励磁回路电阻142 。电动机在额定状态下运行。试求（1）额定励磁电流；（2）励磁铜损耗；（3）电枢回路铜损耗；（4）空载损耗；（5）额定电磁转矩及额定输出转矩；（6）空载转矩。解：（1）额定励磁电流（2）励磁铜损耗（3）电枢回路铜损耗（4）空载损耗 （5）额定电磁转矩及额定输出转矩 （6）空载转矩5通过结构示意图和电路图介绍直流发电机的4种励磁方式。课后练习:3.6*第2次课*1分析电路图，列出电压平衡方程式，了解他励电动机的机械特性。（1）他励电动机的机械特性电压平衡方程 -理想空载转速（T=0）n速度降落对于他励和并励而言，当Uf与U为同一电源时，这两种电动机励磁电流If的大小均与电枢电流Ia无关，因此他励和并励电动机的机械特性一样。（2）机械特性硬度当n=0时，（3.13）式为: 堵转矩堵转电流机械特性硬度绝对硬特性（）：同步电动机硬特性（10）：直流他励电动机，交流异步电动机机械特性的上半部。软特性（10）：直流串励电动机和直流积复励电动机。2运用反推法，介绍计算直流他励电动机固有机械特性的一般步骤和计算公式。固有机械特性，又称固有特性，是指在额定电压UN和额定磁通N下，电枢电路内不外接任何电组时的n=f（T）。由 求（1）估算电枢电阻Ra(2）计算额定条件下反电势: （3）求理想空载转速:（4）求额定转矩: 3通过分析直流他励电动机机械特性表达式，画出改变Rad、U、的人为机械特性，并总结其特点。人为机械特性是指供电电压U或磁通不是额定值、电枢电路外接电阻Rad时的机械特性。（1)串接电阻Rad串接电阻后n0不变；K斜率变大即机械特性变软。是一簇由同一点（0，n0）出发的一组直线。（2）改变电枢电压U和主极磁通改变n0(减小)n0增加斜率k不变机械特性硬度不变 斜率k变大，特性变软平行于固有曲线的一簇直线 注意：不能过分削弱磁通！否则，如果负载转矩不变，电动机电流将大大增加而严重过载； 造成飞车。因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运行过程中决不允许励磁电路断开或励磁电流为零。（直流他励电动机一般有“失磁”保护。） 4通过例题详细介绍直流他励电动机机械特性的计算和绘制方法。例3-2 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势EE1，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E1?解: 两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是稳态值。 注意：从不能判断E是如何变化的例3-3 一台他励直流电动机，功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=31A,nN=1500r/min,忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN)(1)估算Ra(2)求n0 (3)求TN也可求课后练习:3.8 3.10*第3次课*1分析直流电动机不能直接启动的原因启动过程:他励电动机轴上带一定负载,从静止启动到某一转速稳定运行的过程。启动时n=0 E=0 启动电流 要求：启动电流不得大于（1.52）额定电流 2展示电动机启动特性图，介绍两种启动方法的优缺点。u 降压启动。启动时，降低供电电源电压。u 在电枢回路内串电阻启动。（1）具有一段启动电阻的他励电动机只有一段电阻，在切除的瞬间，冲击电流仍然很大。（2）多段启动电阻启动的他励电动机原则:u I12INu T2(I2)基本相同 3通过示意图明了速度调节和速度变化两个概念。速度调节-在一定的负载下，人为改变参数,达到改变电动机稳定转速。速度变化-由于负载发生变化而引起电动机转速改变。4通过分析机械特性表达式和特性曲线，介绍三种调速方法的调速过程和特点。（1） 电枢电路外串电阻Rad缺点：1.机械特性变软，稳定性差；2.轻载时调速范围不大；3.无级调速困难；电阻上消耗大量电能；4.启动电阻不能用来调速。适用于起重机、卷扬机。（2） 改变电压调速特点：1.连续平滑调速，在nN以下调速；2.机械特性硬度不变；3.调速时电流不变，转矩不变，恒转矩调速。4.利用降压启动电机而不用其他设备。调节特性n=f(U)始动电压: （3）改变主磁通特点：（1）只能在n0以上进无级调速；（2）机械特性变软，调速范围不大；（3）恒功率调速（P=UIa）通常同调压调速配合使用（n0以下用调压，n0以上用调磁通的方法）。注意！轻载时产生飞车事故例3-4 有一台他励电动机，PN=22KW，UN=220V，IN=115A，Nn=1500r/min，电枢电阻Ra=0.1，电动机拖动恒转矩额定负载。（1）要求得到1100r/min的运行速度，采用串电阻调速方式，电枢回路应串入多大电阻？（2）要求得到900r/min的运行速度，采用降压调速方式，电枢电压应降至多少伏？（3）要求得到1800r/min的运行速度，弱磁程度如何？解：（1）电枢回路应串入的电阻Rad（2）电枢电压值（3）减弱磁通的程度（设为X）X=0.823是合适的解,即弱磁至=0.823N课后练习：3.12 3.15 3.18*第4次课*1首先明了几个容易混淆的概念。制动是从稳定转速开始减速到停止或者限制位能负载下降速度的一种运转状态。自然停车：是电动机脱离电网，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。电动状态：电动机发出的T和n方向相同；制动状态：（发电状态）转矩T与转速n方向相反。 稳定的制动状态(n=C)过渡的制动状态(n是变化的)2以形象生动的生活实例介绍三种制动产生的过程，通过分析公式和机械特性曲线介绍三种制动的特点以及适用场合。（1） 反馈制动特点：nn0 Ia=-Ia +TM-TM电动机变成发电机,将机械能变成电能向电源馈送称为反馈降压调速过程中的反馈制动调磁通调速过程中的反馈制动注意：反馈制动只在调磁降速过程中产生 Rf n下放重物时的反馈制动过程a