电机及电力拖动系统(直流部分)

1、第一节 直流电机的基本工作原理和结构一. 直流电机的主要结构主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：换向磁极：改善换向。改善换向。电刷装置：电刷装置：与换向片配合与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖：机座和端盖：起支撑和固定作用。起支撑和固定作用。定子定子转子转子电枢铁心：电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：换向器：与电刷装置配合与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互

2、换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。 直流电动机是将电能转变直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机当电磁转矩大于阻转

3、矩时，电机转子逆时针方向旋转。转子逆时针方向旋转。dtdJTTLgGDmJ4/2260/2 ndtdnGDTTL3752MTnLTU T:电磁转矩 m：质量 TL:负载转矩 G：重量 J:转动惯量 ：半径 n:转速（角速度?） D：直径 d?/dt=?角加速度 GD2=4gJ：飞轮矩两级传动速比：j1=n/n1，j2=n1/n2 两级传动效率：1，2LTLLTT 22212,GDGDGDGDLdLTn为电机转速，n1中间级转速，n2 为负载侧转速LLLTPLLTPLLPP 1LLLLLLTjnnTTTcLLCLLjTTPP112121,jjjc22112221212121LLdJJJJ2g22

4、1221212211LLdjjGDjGDGDGD221dGDGDT TL LnT TL Ln55. 955. 9602knTnTTPLLLLT TL Ln2knTL02TknTLT TL LnTL0理想的通理想的通风机特性风机特性实际通风实际通风机特性机特性)(RsRaIaEaUnCeEaIaCtT电枢回路感应电动势电磁转矩TCeCtRsRaCeUn2aNPCe60aNPCt2CeCt55. 9 与电机参数有关0 n0nNnnTNT0T实际空载转速实际空载转速:020TCCRCUnTee理想空载转速理想空载转速:CUne0令U=UN, =N, RS=0 得固有机械特性曲线：TnTCeCtRaC

5、eUnNNN02IaCeRannN0TCeCtRsRannN20SaRR 0nnaRT特点：特点：1 1） 不变，不变， 变大；变大； 2 2） 越大，特性越软。越大，特性越软。0nTCeCtRaCeUnNN21UNUU101n0nnNUemT特点：特点：1)1) 随随 变化变化, , 不变不变; ; 2) 2) 不同不同, ,曲线是一组平行线。曲线是一组平行线。0nUU保持保持 不变，只改变电枢电压时的人为特性：不变，只改变电枢电压时的人为特性：Na,RRTCeCtRaCeUnN2下降-n0上升下降=上升特性上移，变软(3)改变励磁电流If特点：特点：1 1）弱磁，）弱磁， 增大；增大； 2

6、 2）弱磁，）弱磁， 增大增大0n保持保持 不变，只改变励磁回路调节电阻不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：的人为特性：NaUU,RRSfR01n11kT202n2kTNn0nemTkTN12机械特性求取机械特性求取一、固有特性的求取一、固有特性的求取 )nn,(Tem00)nn,T(TNNem已知已知 ，求两点，求两点:1:1）理想空载）理想空载点点 和额定运行和额定运行 。NNN,Nn,IU,P具体步骤：具体步骤：(1)(1)估算估算:Ra2NNNNaIPIU)(R3221(2)(2)计算计算:CCNTNe和NNNNNenPIUCNeNTCC9.55(3)(3)计算理想空载点：计算理

7、想空载点：NeNemCUn,T00(4)(4)计算额定工作点：计算额定工作点：NNNTNnn,ICT二、人为特性的求取二、人为特性的求取 在固有机械特性方程在固有机械特性方程 : : 的基础上，根据人为特性所对应的参数的基础上，根据人为特性所对应的参数RsRs或或U U或或变化，重新计算变化，重新计算n n0 0和和,然后得到人为机械特然后得到人为机械特性方程式。性方程式。em0TnnstTstNstaTC IUIR 起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很起动时由于转速为零，电枢电动势为零，而且电枢电阻很小，所以起动电流和起动转矩将达很大值。起动时间和起动电小，所以起动电流和起动转

8、矩将达很大值。起动时间和起动电流要达到平衡。流要达到平衡。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户过大的起动电流将引起电网电压下降、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。坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。枢回路串电阻或降低电枢电压起动。MaRS1SU1stR2stR3stR2S3S33st2st1staRRR

9、RRLLIT2IT21IT1IT0nabn1122aststRRRRbncd211astRRRef3aRNnghfn3.起动电阻计算(Ra+Rst1+Rst2+Rst3)/ (Ra+Rst1+Rst2)=I1/I2= (1)31aNRIUmaNRIU1由方程式（2）得：maNRIU1lglg121RaIUmIIN三三 降压起动降压起动 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐电压的降低而正比减小。

10、随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。一定的数值上，保证按需要的加速度升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。TCeCtRsRaCeUn2LTIaCtTIaRUE未串电阻时未串电阻时的工作点的工作点串电阻后串电阻后, ,工作点由工作点由AABAAB0aRn0nNnLTTASaRR 1nAB由机械特性曲线分析)(LTTT

11、IEnTIR2 2）低速时特性曲线斜率大）低速时特性曲线斜率大, ,静差率大静差率大, ,所以转速的相对所以转速的相对稳定性差稳定性差3 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围D D一般一般2 24 4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速）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。的部分被串联电阻消耗了。缺点：缺点：1 1）由于电阻只能分段调

12、节，所以调速的平滑性差；）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；LTIaCtTIaRUELTIaCtTIaRUE)(LTTTIEnTIUT0nnNUTLNnA1U01nAB1n调速压前调速压前工作点工作点A A降压瞬间降压瞬间工作点工作点稳定后工稳定后工作点作点 降压调速降压调速过程与电枢串过程与电枢串电阻调速过程电阻调速过程相似，调速过相似，调速过程中转速和电程中转速和电枢电流（或转枢电流（或转矩）随时间变矩）随时间变化的曲线也相化的曲线也相似似。由机械特性曲线分析不变LTIaCtTIa)(载很大时速度减小负载小时速度上升，负上升，用于升速CeRaIaUn)(LTTTIaEnIaCtTI

13、aE调节磁场前调节磁场前工作点工作点弱磁瞬间工作弱磁瞬间工作点点AAAA弱磁稳定后的弱磁稳定后的工作点工作点Nn0nANnemTLT01n11nBA减弱磁通后，减弱磁通后，理想空载转速理想空载转速上升上升, 曲线的曲线的斜率值增大。斜率值增大。 由机械特性曲线分析优点：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，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，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，

14、电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2 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）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，一般围不可能很大，一般 调速范围调速范围D2D2； 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，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 调调速。速。思考：当电机运行时，励磁电源突然掉电，则会发生什么情况思考：当电机运行时，励磁电源突然掉电，则会发生

15、什么情况? ?缺点：缺点：1 1）机械特性的斜率变大，特性变软；）机械特性的斜率变大，特性变软；0010nnnnnNminmaxnnD min0min0minmin0minnnnnnNDnn/maxmin)1 (minminmaxNnnD 当电磁转矩的方向与转速方向相同时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电机运行于电动机状态态; ;当电磁转矩方向与转速方向相反时当电磁转矩方向与转速方向相反时, ,电机运行于制动状态。电机运行于制动状态。 U电动电动MaEaInTfIS制动制动SRaBIBT电动状态，如图所示。电动状态，如图所示。将开关将开关S S投向制动电阻投向制动电阻

16、上即实现制动上即实现制动. .SR 由于惯性，电枢保持原来方向继续旋由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势转，电动势 方向不变。由方向不变。由 产生的电枢产生的电枢电流电流 的方向与电动状态时的的方向与电动状态时的 方向相方向相反反, ,对应的电磁转矩对应的电磁转矩 与与 方向相反方向相反, ,为为制动性质制动性质, ,电机处于制动状态。电机处于制动状态。aEaEaBIaIBTT 制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。能，消耗在电阻上，直到电

17、机停止转动。TCeCtRsRan2能耗制动时的机械特性为：能耗制动时的机械特性为：SRRaBn0naRACLTT电动机状态工电动机状态工作作点点制动瞬间制动瞬间工作点工作点制动过程制动过程工作段工作段电动机拖动反抗性电动机拖动反抗性负载，电机停转。负载，电机停转。若电动机带若电动机带位能性负载位能性负载, ,即下放重物，即下放重物，稳定工作点稳定工作点TCeCtRsRan2能耗制动时的机械特性为：能耗制动时的机械特性为：SRRaDBn0naRACLTT电动机状态工电动机状态工作作点点制动瞬间制动瞬间工作点工作点制动过程制动过程工作段工作段电动机拖动反抗性电动机拖动反抗性负载，电机停转。负载，电

18、机停转。若电动机带若电动机带位能性负载位能性负载, ,即下放重物，即下放重物，稳定工作点稳定工作点TCeCtRsRan2电压反接制动时接线如图所示。电压反接制动时接线如图所示。 U电动电动MaEaInemTfIS制动制动SRaBIemBT 开关开关S S投向投向“电动电动”侧时，电枢接正极侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向关投向“制动制动”侧，电枢回路串入制动电阻侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：产生反向电流：SRaaaBaBaBUEUEIRRRR

19、反向的电枢电流产生反向反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的的电磁转矩，从而产生很强的制动作用制动作用电压反接制动电压反接制动。TCeCtRsRaCeUn2SRRaCBn0naRA0LTTLT0nDTCeCtRsRaCeUn2SRRaCBn0naRA0LTTBTDKT电枢回路串入较大电电枢回路串入较大电阻阻 后特性曲线后特性曲线BR正向电动状态提正向电动状态提升重物升重物(A(A点点) )负载作用下负载作用下电机反向旋电机反向旋转转( (下放重物下放重物) )电机以稳电机以稳定的转速定的转速下放重物下放重物D D点点工作点由工作点由A-B-A-B-C-D,CDC-D,CD段为制段为制

20、动段动段TCeCtRaCeUn2Bn0nA0LTTLT 0n当电车下当电车下坡时，运坡时，运行转速可行转速可能超过理能超过理想空载转想空载转速速, ,进入第进入第二象限二象限电压反电压反向反接向反接制动带制动带位能性位能性负载进负载进入第四入第四象限象限CdtdnGDTTL3752TCeCtRsRaCeUn2CLnTCeCtRsRaCeUndtdnCeCtRsRaGD22237522375)(tesamCCRRGDTcmnndtdnTcTtnCenmcTtCBnennnm)(LTtLBTeTTTm)(aLTtaLaBaIeIIIm)(EDTtEDBGfefffm)(EDMEEDBGmMEnnn

21、nTtlnEDMEEDBGmMETTTTTtlnaEDaMEaEDaBGmMEIIIITtln22375)(tesamCCRRGDTLTtLTeTRsRaUCtTm)(TCeCtRsRaCeUn2CtTeCtTRsRaUIaLTtLm)(232121375)(testststamCCRRRRGDT23222375)(teststamCCRRRGDT2323375)(testamCCRRGDT22375teamCCRGDTCCBmLpLBmbnnnTTTTTTt0lnlnRIaEIaUIa2nCeEa0nCeUIaCtT)0( ,LTdtdJTxBGxBGdJRdtIaWtt)(02)(000BGxttttttxBGxBGxBGJdJdtCTCUIadtE2005 . 0)(JdJWxBG20JExBGdJW)(25 . 0BGJ0E200005 . 1)()(0JdJdJWxBG200)0(JJE200002)(JdJW4)电压反向反接制动空载