电机与电器——直流电机

1、电机与电器直流电机 直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理 : : : : aaaa a a a a aa EUIR E U I R EU 感 应 电 动 势 输 出 端 电 压 电 枢 电 流 电 枢 回 路 内 阻 注 意 ： 电机与电器直流电机 2 2、发电机的转矩平衡方程式、发电机的转矩平衡方程式 10 1 0 : : : MMM M M M 原动机驱动转矩 电磁转矩 电机的各种损耗引起的空载转矩，永远与n反向 电机与电器直流电机 3 3、发电机的功率平衡关系、发电机的功率平衡关系 1100 22 2 2 2 () :() : : m ma aaaaa a aaaaa aa PMMM

2、PP PME IUI R I U II RPI R P I R 原动机输入功率： 电磁功率 输出电功率 电枢回路内阻功耗 电机与电器直流电机 二、二、 直流发电机的特性直流发电机的特性 a U a I f I a I直流发电机的四个基本物理量：直流发电机的四个基本物理量： 、 、I If f、n n。 （n n由原动机拖动，保持不变）由原动机拖动，保持不变） 运行特性：在运行特性：在 、 、 n 之间，保证其中一个量之间，保证其中一个量 不变，另外两个物理量之间的函数关系。不变，另外两个物理量之间的函数关系。 a U 电机与电器直流电机 二、二、 直流发电机的特性直流发电机的特性 主要特性：

3、（1）n额定转速， 常数， f（If）；负载特性 （2）n额定转速， If常数， f（ ）；外特性 （3）n额定转速， 常数，Iff（ ）；调节特性 注意：不同励磁方式的发电机，特性不同，需分别讨论注意：不同励磁方式的发电机，特性不同，需分别讨论 a I a I a I a U a U a U 电机与电器直流电机 他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性 a I a U f I 空载时， a EU nCE ea n等于常数 a E )()( 0ff IfIfu 空载特性曲线实质即为磁化曲线空载特性曲线实质即为磁化曲线 电机与电器直流电机 他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性 电机与电器直流

4、电机 a I a U aaaaeaa UEI RCnI R 定义：定义：n n额定转速，额定转速， I If f常数，常数， f f（ ） 他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性 电机与电器直流电机 端电压下降有两个原因：端电压下降有两个原因： 1 1、负载电流增大，电枢反应的去磁作用增强，电动势减小；、负载电流增大，电枢反应的去磁作用增强，电动势减小； 2 2、电枢回路上的电阻压降增加、电枢回路上的电阻压降增加 他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性 电机与电器直流电机 %100 0 N N U UU U 一般他励直流发电机的电压变化率约为510%。 他励直流发电机的特性他励直流发电机的

5、特性 电机与电器直流电机 并励直流发电机的特性并励直流发电机的特性 电机与电器直流电机 1 1）当电机内部有剩磁时，原动机带动电枢旋转时切割剩磁，）当电机内部有剩磁时，原动机带动电枢旋转时切割剩磁， 产生剩磁电动势产生剩磁电动势 2 2）若励磁绕组与电枢绕组并联极性正确，即使此时励磁绕组）若励磁绕组与电枢绕组并联极性正确，即使此时励磁绕组 中电流所建立的磁动势与原先的剩磁方向一致，则电枢电动中电流所建立的磁动势与原先的剩磁方向一致，则电枢电动 势因为磁场的增强而增大，则励磁电流也增大（势因为磁场的增强而增大，则励磁电流也增大（ U U0 0 I If f R Rf f）。）。若二者方向相反，则

6、磁场抵消，无法建立稳定电压。若二者方向相反，则磁场抵消，无法建立稳定电压。 3 3）3 3）若）若Rf Rf 小于某一个值，则在小于某一个值，则在U0U0 If Rf If Rf的同时也满足的同时也满足 空载特性空载特性U0U0f f（If0If0）时，则会使空载端电压稳定在某一个时，则会使空载端电压稳定在某一个 数值处。数值处。 并励直流发电机的自激过程并励直流发电机的自激过程 电机与电器直流电机 并励直流发电机的自激过程并励直流发电机的自激过程 I U dt dI LRIU f fff 0 )( fff IfRI )( 0f IfU )( ff RI dt d 电机与电器直流电机 并励直流

7、发电机的自激条件并励直流发电机的自激条件 注意：不同的转速，注意：不同的转速， 具有不同的临界电阻具有不同的临界电阻 电机与电器直流电机 并励直流发电机的特性 1 1、空载特性：、空载特性： 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特并励发电机的空载特性与一般电机的空载特 性一样，也是磁化曲线。性一样，也是磁化曲线。 由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲 线只在第一象限。线只在第一象限。 电机与电器直流电机 并励直流发电机的特性并励直流发电机的特性 1 1、外特性、外特性： 端电压下降有三个原因：端电压下降有三个原因： 1 1、负载电流增大，电枢反应的去

8、磁作用增强，电动势减小；、负载电流增大，电枢反应的去磁作用增强，电动势减小； 2 2、电枢回路上的电阻压降增加、电枢回路上的电阻压降增加 3 3、由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，、由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小， 端电压进一步下降。端电压进一步下降。 电机与电器直流电机 直流测速发电机直流测速发电机 电磁式直流测速发电机 （微型他励直流发电机） 永磁式直流测速发电机 （微型直流发电机） 直流测速发电机 电机与电器直流电机 直流测速发电机直流测速发电机 电机与电器直流电机 a L a R R U EIREU 00 Cnn R R C U L a e 1 0 直流测

9、速发电机 电机与电器直流电机 U R L 1 R L= R L 2 R L 1 R L 2 直流测速发电机直流测速发电机 电机与电器直流电机 直流电动机 一、直流电动机的基本方程一、直流电动机的基本方程 1 1、电势平衡方程、电势平衡方程 aaaa aaaae aaa e UEI R EUI RC n UI R n C 电机与电器直流电机 直流电动机的基本方程 2 2、转矩平衡方程、转矩平衡方程 0 0 : : : L L MMM M M M 驱动转矩（电磁转矩） 负载转矩 空载转矩 电机与电器直流电机 直流电动机的机械特性 机械特性：在一定的电压和励磁电流下，转速机械特性：在一定的电压和励磁

10、电流下，转速n n和和 电磁转电磁转 矩矩M M之间的关系。之间的关系。 注意：不同励磁方式的电机，机械特性不同。注意：不同励磁方式的电机，机械特性不同。 电机与电器直流电机 特性大：表示机械特性为软 特性小：表示机械特性为硬 机械特性的斜率 一、他励（并励）直流电动机的工作特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性 : : : ma ae aaa MCI EC n UEI R 电磁转矩 感应电势 电势方程 2 0 a eem RU nM CC C nM 机械特性： 直流电动机的机械特性 0 : e U n C 理想空载转速 电机与电器直流电机 a I n 0 n 直流电动机的机械特性 当电压和

11、电枢绕组回路总电阻不变时，当电压和电枢绕组回路总电阻不变时， 转速与转矩呈直线关系转速与转矩呈直线关系 电机与电器直流电机 时 aNN RRUU, T CC R C U n NTe a Ne N 2 电机与电器直流电机 时 RRRUU aNN , T CC RR C U n NTe a Ne N 2 n a R 1 RRa 2 RRa 1 2 3 21 RR 特点： 1、电枢串电阻的人为 机械特性比固有机械特 性软； 2、但理想空载转速不 变。串接不同电阻时的 机械特性为交于纵坐标 一点的射线族。T 电机与电器直流电机 时 aN RR , T CC R C U n NTe a Ne 2 n T

12、 N U 1 U 2 U 21 UUU N 电机与电器直流电机 时 aN RRUU,T CC R C U n Te a e N 2 T scN T 1sc T 2sc T 21 N 曲线不同时的)(Tfn 1 2 N 电机与电器直流电机 T CC R C U n NTe a Ne N 2 aa aa UI R RI 很小， 很大，容易烧坏电机。 电机与电器直流电机 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁 电流呈线性关系。即： 2 1 2 2 22 1 2 a mama a m a eem a maa eaema a e e m kI MCIC I M I C k RU nM CC

13、 C RU nC kI I C kIC C k I RU n C k M C k C k 又： 结论： n与sqrt(M)成反比 电机与电器直流电机 em T n 串励电动机的机械特性 电机与电器直流电机 电机与电器直流电机 生产机械的负载机械特性 电机与电器直流电机 生产机械的负载机械特性 z T n z T n 反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性 电机与电器直流电机 生产机械的负载机械特性 nKTz/ n z T 电机与电器直流电机 生产机械的负载机械特性 2 KnTz n z T 电机与电器直流电机 电机拖动稳定运行的条件 n T 1 1、必

14、要条件：电动机的、必要条件：电动机的 机械特性与负载转矩特性机械特性与负载转矩特性 有交点有交点 2 2、充分条件：干扰消除、充分条件：干扰消除 后，拖动系统必须有能力后，拖动系统必须有能力 使转速恢复到原来的稳定使转速恢复到原来的稳定 点点 0 dM dn 电机与电器直流电机 直流伺服电动机直流伺服电动机 f U f I c U c I 电机与电器直流电机 直流伺服电动机直流伺服电动机 n n1 1 Uc1U c 2Uc3 n2 2 1 Uc1 n3 3 2 Uc2 3 Uc3 0 T1 T2 T 3 3、特性分析（电枢控制）：、特性分析（电枢控制）： 1 1） 2 0 a eem RU n

15、M CC C nM 机械特性： 改变控制电压改变控制电压U U，斜率，斜率 不变，理想空载转速不变，理想空载转速 改变。因此，改变。因此， 直流伺服电动机的机直流伺服电动机的机 械特性是一组平行的械特性是一组平行的 直线。直线。 电机与电器直流电机 直流伺服电动机直流伺服电动机 2 a eem RU nM CC C 电机与电器直流电机 直流伺服电动机直流伺服电动机 2 0 a eem a a m aaa RU nM CC C R UM C UR I 电机与电器直流电机 n T2T10 1 T=0 n1 T1 2 n2 1 T2 3 n3 2 3 0 U1 Uc3 U2 Uc2 Uc1 Uc 直

16、流伺服电动机直流伺服电动机 电机与电器直流电机 直流电机的起动直流电机的起动 1 1、起动过程：直流电动机接到电源以后，、起动过程：直流电动机接到电源以后， 转速从零达到稳定转速的过程。转速从零达到稳定转速的过程。 2 2、起动的特点：、起动的特点： 电流很大，易造成线路电压瞬间降低，对电流很大，易造成线路电压瞬间降低，对 其他设备产生影响。其他设备产生影响。 3 3、对电动机起动的基本要求：、对电动机起动的基本要求： （1 1）起动转矩要大；）起动转矩要大； （2 2）起动电流要小；）起动电流要小； （3 3）起动设备要简单、经济、可靠。）起动设备要简单、经济、可靠。 0,0 a a a a

17、 En R EU I则，又起动时 是额定电流的十几倍直接起动时 a I 电机与电器直流电机 直流电机的起动直流电机的起动 a N aaa R U IREn, 0, 0, 0 优点：操作简单，无需另加设备。 缺点：冲击电流大，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。 电机与电器直流电机 直流电机的起动直流电机的起动 电机与电器直流电机 直流电机的起动直流电机的起动 n 1Q T 2Q T z T b a c d e f g 1 2 3 2 R 1 R a R h 电机与电器直流电机 直流电机的起动直流电机的起动 起动时，串接所有外接电阻，机械特性为起动时，串接所有外

18、接电阻，机械特性为1 1， 起动电流大，对应的起动转矩大于负载转矩，转起动电流大，对应的起动转矩大于负载转矩，转 速沿机械特性速沿机械特性1 1开始上升；开始上升； 在在b b点处切除部分外接电阻，机械特性变为点处切除部分外接电阻，机械特性变为2 2， 设计恰当时，转矩又增大到设计恰当时，转矩又增大到c c点，转速再次上升；点，转速再次上升； 在在d d点再切除剩下的电阻，电机沿机械特性为点再切除剩下的电阻，电机沿机械特性为3 3 继续升速，直到继续升速，直到g g点稳定，起动完毕。点稳定，起动完毕。 电机与电器直流电机 直流电机的起动直流电机的起动 12 12 12 21 ab abab UEUE II RR nnEE IR IR 因为 所以 n T 1Q T z T b a c