7电机学直流电动机

1、3 36 6 直流电动机直流电动机 直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。 以并励为例推导直流电动机的基本方程式。 各物理量正方向的规定： 电枢电动势e ea a与电流i ia a方向相反； 电磁转矩t t与转速n n方向一致。 ra rf ia if i ea t,n u r 一、基本方程式一、基本方程式 （2）电势平衡式）电势平衡式 电枢回路：电枢回路：)( rrieu aaa u ea 重要的转速公式重要的转速公式 () aa uirr n ce ffff rirriu ) (励磁回路：励磁回路： ra rf ia if i ea t,n u r （1）电流方程）电流方程 f

2、a iii 基本方程式基本方程式 （3）转矩平衡式）转矩平衡式 tt0 t2tz t2：输出转矩; t0:空载制动转矩;tz:总负载转矩 推论：推论： z a t t i c （1） 若制动tz不变， 不变， 稳定后的ia不变。 （2） 实际空载时， ia 0。 1 2 () () aaaaf aaaafmcuacuf pu ieirriu i e iirruippp 0femecad pppp 2020 () ma a peitt tpp n 60 2 （4）功率平衡式）功率平衡式 功率平衡式功率平衡式 功率平衡式： 122 cuacuffemecad ppppppppp %100)1 (%

3、100 21 2 pp p p p 效率： 功率流程： 二、二、 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 工作特性工作特性: 是指在uun，ififn时， 转速n、电磁转 矩t和效率随输出功率p2而变化的关系。即 2 , ,()n tf p 或 , ,() a n tf i 机械特性机械特性:是指在uun，ififn时研究n与t之间的关系， 即。nf（t） ia n ( (一一) )并励（他励）电动机并励（他励）电动机 fnfn iiruu , 0, 时， )( a ifn 0 naa aa urr nini cecece 根据转速公式，可得 n0： 理想空载转速; 0 ce u n n 转

4、速下降不多， 考虑电枢反应， 有可能升高。 1 1、转速特性：、转速特性： ia t 根据转矩公式： tata tcic i 或者 2 2 /60 p t n 考虑去磁， 曲线有所下降。 2 2、转矩特性：、转矩特性： 思考题？思考题？ 2、如何改变并励电动机的旋转方向、如何改变并励电动机的旋转方向？ 1 1、如何改变他励直流电动机的旋转方向、如何改变他励直流电动机的旋转方向？ 当uun， ififn时， () a f i的关系叫效率特性效率特性。 2 1 (1) 100%(1) 100% () cuffemecadaa naf ppppi rp puii 其中， cuffemecad ppp

5、p 为不变损耗 aacua rip 2 为可变损耗 3 3、效率特性：、效率特性： 0 a di d 令 可得 nfn ii 忽略励磁电流 aaadmecfecuf ripppp 2 ia 与ia之间存在二次关系， 效率曲线 存在一个最大值。 %100) )( 1 (%100)1 ( 2 1 fan aaadmecfecuf iiu ripppp p p 电动机效率特性电动机效率特性 结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时， 此时效率最高。此时效率最高。 推论： （1）额定运行时总损耗 ； （2）可从额定数据来估算电枢回路总电阻。 anr

6、 ip 2 2 2 2 1 n nnn a i piu r t n 机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规律。 2 a eet ru nt cc c aaaeaaea t t uei rcni rcnr c 2 aet rc c 机械特性是稍下降的直线， 计及饱和， 成为水平或上翘。 4 4、机械特性：、机械特性： 硬特性硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而 稍有变化。 用转速变化率来表征： %100% 0 n n n nn n n 0 t (1)(1)固有机械特性固有机械特性 当uun，n，电枢回路无外接电阻时，转速与转矩 之间的关系,称为固有机械特性。 2 na enetn

7、ur nt cc c n0 tn nn 分析： 1. 电磁转矩越大， 转速越低， 机械特性是一条下斜直线； t0 0 n 固有机械特性分析固有机械特性分析 2. 当转矩等于零点， 为理想空载转速。 此时ia0， eaun， 是一种理想工作状态。 ne n c u nn 0 4 为机械特性斜率。增大， 也增大。 通 常称小的机械特性为硬特性，大的机械特性为软特性。 2 a etn r c c n n 0 t n0 t0 n0 tn nn 3. 为电动机的实际空载转速， 比n0略低。对应于 空载转矩。 000 2 a etn r nnt c c 0 n 固有机械特性分析固有机械特性分析 5. 额定

8、转速变化率 ，表示电机额定负载时 的转速比n0降落的程度。 %n %100%100% 0 n n n n n n n nn n 6. nn0时为发电机状态，此时 eau, ia反向， ea与ia同向， 向电网送出电功率。 7.堵转点： 电枢电流： 为短路电流； 电磁转矩： 为电机堵转转矩。 0,0 aen necn k a n a i r u i tnkk tcit n 0 t n0 t0 tn nn 0 n (2)(2)人为机械特性分析人为机械特性分析 根据转速、转矩公式 2 eet ur nt cc c 人为地改变电动机参数u、r或得到的机械特性，称为 人为机械特性。 有三种人为机械特性：

9、 （1）电枢回路串电阻的人为机械特性； （2）改变端电压时的人为机械特性； （3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性； t 0 n 电枢回路串电阻的人为机械特性电枢回路串电阻的人为机械特性 保持uun 及 n 不变而在电枢回路中串入电阻 rc，所得的nf（t）关系。 0 2 nac enetn urr ntnt cc c 对于给定的rc，为常数。 ra+rc1 ra+rc2 人为 rc2rc1 固有 ra n0 电枢回路串电阻的人为机械特性电枢回路串电阻的人为机械特性 电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同； （2）斜率 ，特性变软， 在同一个转矩下，转速下降

10、更多。 2 ac n etn rr c c t 0 n 改变端电压时的人为机械特性改变端电压时的人为机械特性 保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(rc=0),只 改变电枢电压时的机械特性。 表达式： 2 0 a enetn n ru nt cc c nt 一般都为降低的电压。 人为 unu1u2 固有 un n0 u1 u2 改变端电压时的人为机械特性改变端电压时的人为机械特性 改变端电压人为特性的特点： （1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速 低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。 （2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有 特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。 t 0 n 减

11、弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通的人为机械特性 保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(rc=0),只 改变励磁电流的机械特性。 表达式： 2 0 na eet n ur nt cc c nt 额定时，接近饱和，一般都 为减弱的磁通。 n n 固有 n n0 人为 n 减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通的人为机械特性 减弱电机主磁通人为特性的特点： （1）由于 n，理想空载转速比固有特性的 理想空载转速高。 （2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大， 即人为特性比固有特性软。 人为特性的几点补充人为特性的几点补充 （1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定 性。通过补偿

12、绕组改善。 （2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nn，tn) （3）通过电机的数据铭牌估算机械特性 0 , n en u n c annna n nn eui r ce nn 三、电力拖动系统的动力学基础三、电力拖动系统的动力学基础 以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产 机械， 称为电力拖动。 电 源 控制设备电动机传动机构工作机构 电力拖动系统的构成 基础基础 运动方程： 2 375 z dgddn ttj dtdt 60/2n g gdd g g mj 4 ) 2 ( 2 22 g： 重力加速度， 9.8米/秒2；gd2：系统的飞轮矩（牛米2）； n： 转速（转/分）；

13、t、tz：转矩（牛米） 注意：gd2是一个完整的符号;t、tz具有方向性， 与转速方向 一致为正。 负载转矩的大小 与速度无关，但 其方向始终与转 向相反 tz n 0 负载转矩特性负载转矩特性 反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载 恒功率负载通风机型负载 转矩具有固定的 方向，不随转速 方向的改变而改 变 n tz 0 负载的功率为常 数，不随转速的 变化而改变 负载的转矩与 转速的平方成 正比 tz n 0 tz n 0 稳定运行条件稳定运行条件 电机的机械特性需要与负载特性同时存在。 分析拖动系统运 行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。 平衡点稳定点？ 稳定点：在受到外界扰动后

14、， 仍能还原的点。 稳定点的条件： z dtdt dndn 恒转矩负载，恒转矩负载，下降的机械特下降的机械特 性电动机能稳定运行性电动机能稳定运行 在交点处，转速之上在交点处，转速之上 则则ttz if=0 当励磁回路断路时，气隙中的磁通将骤然降至 微小的剩磁，电枢回路中的感应电势也将随着 减小。 由于惯性，电机速度不能突变，电枢电流将急 剧增加，使电动机严重过载。 电磁转矩的变化 （1）当电枢电流的增加程度不足以补偿每极磁 通的减小程度时，电磁转矩减小，因而使电动 机减速； （2）当电枢电流的增加程度超过每极磁通的减 小程度时，电磁转矩将增大，使电动机加速， 直至转速上升到危险的高值（达到电

15、压平衡） 思考题：思考题：并励电动机突然励磁失磁并励电动机突然励磁失磁 ia n （二）串励电动机（二）串励电动机 nana a eae urur ni cecec ic 根据转速公式，可得 串励电动机的特点 ， fffa k ik i fa iii 特点：重载时， n很小；轻载时，飞车。 结论：串励电动机不允许在小于结论：串励电动机不允许在小于1520的额定负载下起动。的额定负载下起动。 1 1、转速特性、转速特性 “飞速”的解释 1. 在满载或较重负载时，电枢电 流较大，if=ia较大，气隙磁通 较大，电机只需不太高的转速 便能产生较高的反电势与电网 电压平衡。 2. 在空载或很轻负载时，

16、if=ia很 小，使主磁通很小，电机必须 以很高的转速才能产生反电势 保持电压平衡。 ia t 根据转矩公式： 2 tatfaata tcickiic i 特点：特点：串励电动机有较大起动转 矩与过载能力。大负载时，该曲 线接近直线变化。 结论：结论：适用于重载起动场合， 不允许在空载和很轻负载下运行。 2 2、转矩特性、转矩特性 t n 3 3、机械特性、机械特性 1 () tf as ef c k nurr c kt 从电压方程 f () () ( k) aaaseaaseasa uei rrcn i rrcn rr i 以及 ta tci 得 转速随所需电磁转矩的增加而迅速 变化，该特性

17、称为软特性。 ia n （三）复励电动机的工作特性（三）复励电动机的工作特性 复励是串励和并励共同合成得励磁方式。复励是串励和并励共同合成得励磁方式。 并励起主要作用， 接近并励特性； 串励起主要作用， 接近串励特性； 他励 串励 复励 以并励为主的积复励以并励为主的积复励： 当负载转矩突然增加时，电枢电流增 大（电枢反应去磁作用增强），串励 磁势增加，使主磁通增大。 使电磁转矩很快的增大以克服突然 增大的负载转矩； 使反电势很快的增大以减小电枢电 流的冲击值。 当电枢反应去磁作用很强时，仍能 使电机有下降的机械特性，保持其稳 定运行。 3 37 7直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动

18、、调速和制动 对电动机起动的基本要求：对电动机起动的基本要求： （1）起动转矩要大； （2）起动电流要小； （3）起动设备要简单、经济、可靠。 直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转 速的过程， 称为起动过程。 一、他励直流电动机的起动一、他励直流电动机的起动 ( (一一) )他励直流电机直接起动他励直流电机直接起动 0,0,0 aa ner 将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。 优点优点：操作简单，无需另加设备。 缺点缺点：冲击电流大(1020in)，引起换向困难，产 生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小 的电动机。 , n ststtst a u itci r t n 0 将

19、起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将 起动电阻切除。 ( (二二) )电枢回路串变阻器起动电枢回路串变阻器起动 r3r2r1 r1+r2+r3 r1+r2 r1 电枢回路串变阻器起动电枢回路串变阻器起动 起动电流 321ccca n st rrrr u i 将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的rst， 其步骤: （1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻ra； （2）选取最大起动电流i1，计算最大起动电阻； （3）决定起动电阻级数 （4）计算起动电流比。 ( (三三) )降压起动降压起动 开始时，降低端电压， 使 ia(1.52.0)in, tst=(1.52.0）tn。 随着

20、转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制 在一定范围内。 优点优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。 缺点缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源， 投资费用大。 二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速 机械调速：机械调速：改变传动机构的传动比改变工作机构的速度。 电气调速：电气调速：人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电 流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到 不同转速。 电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调 节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的 方法简单、经济。 直流电动机调速直流电动机调速 直流电动机的转速公式： () aaj e uirr n c 直流电动

21、机的调速方法直流电动机的调速方法： （1）改变励磁电流从而改变磁通； （2）改变施加在电枢两端的电压u； （3）改变串入电枢回路的调节电阻； t n ( (一一) )改变励磁调速改变励磁调速 改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的 调速， 所以又称弱磁调速弱磁调速。 弱磁调速：保持uun，rj0，仅减小电动机的 励磁电流if使主磁通减小，达到调速目的。 if1 p if2 q if1if2 从两个稳定点p、q对应转速说 明减小励磁可以使转速升高。 弱磁调速的过程弱磁调速的过程 if减小瞬间 速度不变 减小 if1 if2 p q if1if2 t n nce ea a a r eu i ta

22、 tci z tt 机组加速 nea ia t ttz 新的平衡，新的ia和n 弱磁调速弱磁调速 调速前后的量： （1）假定负载转矩不变， 1122tata tcici 12 21 a a i i (2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和iara的变化 2 12 1122 211 , f f i n ecencen ni （3） 恒转矩负载， ， 基本不变 np iup a 2 1 弱磁调速特点弱磁调速特点 v优点优点：设备简单，调节方便，能耗小。 v缺点缺点： 单方向调节，转速调得过高，励磁过弱， 电枢电 流变大， 换向变坏， 出现不稳定。 ( (二二) )改变端电压调速改变端电压调速 保持电动

23、机的 n不变且无外接电枢电阻， 仅降低施加于电动机电枢两端电压u达到调速的 目的， 称为降压调速。 t n u1 u1u2u3 u2 u3 p q 电压越低， 转速越低， 调速 方向从基值往下调。 （1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线， 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。 （2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引 起的转速波动不大。静态稳定性好， 调速范围大。 （3）可平滑调节端电压， 使转速平滑调节，实现无 级调速。 （4）调节过程能量损耗小。 调压调速的特点：调压调速的特点： t n u1 u1u2u3 u2 u3 p q ( (三三) )改变电枢回路电阻调速改

24、变电枢回路电阻调速 保持uun且 n不变，电枢回路中串入调速电阻rc，使 同一个负载得到不同转速的方法， 称为电枢串电阻调速。 r2 r1 p q r1r2r3 t n r3 串入电枢回路的电阻越大， 转 速越低。 电机运行于固有机械特性上的转 速称为基速。 电枢回路串电阻调 速的方法， 只能从基速往下调。 串电枢电阻调速串电枢电阻调速 该调速的特点： （1）设备简单、操作方便。 （2）低速时， 机械特性很软， 当负载变化时， 转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。 （3）由于电阻的不连续调节， 因此速度调节不 平滑， 属有级调速。 （4）电枢电流在rc上消耗的能量大， 调速时 效率低。

25、效率与转速成正比。 r2 r1 p q r1r2r3 t n r3 调速性能指标调速性能指标 （1）调速范围调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时， 最 高转速与最低转速之比。用d表示。 （2）静差率静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动 机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 静差率越 小， 转速的相对稳定性越好。 （3）调速的平滑性平滑性：无级调速平滑性最好， 有级调速 由相邻两级转速中， 高一级转速与低一级转速之比。 （4）调速时电动机的容许输出容许输出：电动机在不同转速时 轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不 同。 （5） 经济性经济性 电动机调速时的容许输出电动机调速

26、时的容许输出 在某转速下， 电机即能充分利用， 又能安全运行时输出 的功率和转矩称为， 调速时的允许输出功率和转矩允许输出功率和转矩。 (1)调压调速的允许输出 在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。 允许输出功率与转速成正比。 降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。 10009550 n t tcia ttn p 95509550 itnnn in ii tcitk tnt pnk n 保持i不变 弱磁调速时的允许输出弱磁调速时的允许输出 弱磁调速时，保持电流iin 2nna e uirk c nn 32 3 4 95509550 itntn i i kk tcici

27、nn tnkn pk n 弱磁调速时， 在整个调速范围内的允许输出功率为常 数， 是恒功率调速方式。 其允许输出转矩与转速成反比。 负载与调速方式的配合负载与调速方式的配合 t n un u nmax nmin tn tl n t nmax nmin n tl 恒转矩控制恒功率控制 两种调速方式，在整个调速范围内，除nnmax外所有的转速点， 输出转矩多小于允许输出，速度越低，电机越不能充分利用。 相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些。 三、直流电动机的制动三、直流电动机的制动 直流电动机的两种运转状态： （1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向 与旋转方向相同 ，此时电网

28、向电动机输入电 能， 并转变为机械能带动负载。 （2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向 与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变 为电能。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求 制动运行。 直流电动机的制动直流电动机的制动 断开电源 抱闸 能耗制动 反接制动 回馈制动 机械制动 电气制动 自由停车 （一）能耗制动的方法和原理（一）能耗制动的方法和原理 保持励磁电流if的大小及方向不变， 将开关接至rt， 电枢 从电网脱离经制动电阻rt闭合。 参数特点： n， u0， 电枢回路总电阻rrart 实际上是一台他励直流发电机。 轴上的机械能转化成电能， 全 部消耗于电枢回路的电阻上，

29、 所以称为能耗制动。 if un rt ea ia n t n 固有 能耗制动时的机械特性能耗制动时的机械特性 2 at etn rr nt c c 能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗 制动时的机械特性： 制动过程： 串电阻 反抗性负载停车 位能性负载稳速下放 能耗制动的特点能耗制动的特点 能耗制动的特点： （1）操作简单，停车准确 （2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网； （3）低速时制动转矩小，停转慢； （4）动能大部分都消耗在制动电阻上。 制动初瞬的最大电流： na b at cen i rr 制动电阻：a n n t r i u r 2 （二）反接制动（二）反接制动 反接制动 转速反向（用于位能负载） 电枢反接（用于反抗性负载） （电动势反向） （电压反向） 转速反向的反接制动转速反向的反接制动 i if f及端电压及端电压u un n不变，不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻仅在电枢回路串入足够大的制动电阻r rt t， 使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的 rt，可得到不同的稳定转速。 n t 0 na b c d a nd 电压平衡式：电压平衡式： eueurri taa )()( 机械特性：机械特性： 00 2 atat ll etnen rrrr nntni c cc t t 转速反向的反接制动转速反向的反