No.04第四章 直流电机的工作原理及特性

1、第四章第四章 直流电机的直流电机的 工作原理及特性工作原理及特性n4.1 直流电机的基本结构和工作原理n4.2 直流发电机n4.3 直流电动机的机械特性n4.4 直流他励电动机的启动特性n4.5 直流他励电动机的调速特性n4.6 直流他励电动机的制动特性主要内容第四章 直流电机的工作原理及特性4.1 4.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理n4.1.1 直流电机的基本结构换向器定子转子第四章 直流电机的工作原理及特性4.1 4.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理n4.1.1 直流电机的基本结构 (定子剖面图)主磁极换向极磁极数主磁极的个数磁极对

2、数=磁极数/2第四章 直流电机的工作原理及特性4.1 4.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理n4.1.1 直流电机的基本结构 (转子结构图）转子换向片转轴电枢线圈第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1 4.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理n4.1.1 直流电机的基本结构 (转子硅钢冲片图）电枢铁芯硅钢冲片第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1 4.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理电刷换向片n4.1.1 直流电机的基本结构 (换向器图）第四章 直流电机的工作原理及特性4.1.2 直流电机直流电机的工作原理的工作

3、原理有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理量 1. 磁感应强度磁感应强度B(磁场强弱和方向)NSNSNNSS电流方向右手螺旋法则第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机直流电机的工作原理的工作原理有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理量2. 右手定则右手定则 左手定则左手定则 B-磁感应强度v-速度方向e-感应电势I-电流 方向f-电磁力 方向第四章 直流电机的工作原理及特性4.1.2 直流电机直流电机的工作原理的工作原理n有关磁场的几个物理量有关磁场的几个物理量n3. 电路电路 磁路磁路n电流 I 磁通 n电动势 E 磁通势 Fn电压降 U=IR 磁压降n电阻 R 磁阻 Rmn

4、欧姆定律 磁路欧姆定律RU(E)I mRNIF)(mRFHl第四章 直流电机的工作原理及特性4.1.2 4.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理NSne,i) 1 . 3(nKEemaTKIKe电势常数(pN/60a) Km-转矩常数(pN/2a)=9.55Ke 1. 电动势电动势E 根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:nKE e 式中：E感应电动势（V）； 对磁极的磁通（Wb）； n电枢转速（r/min）； Ke与电机结构有关的常数。 直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。 第四章 直流电

5、机的工作原理及特性4.1.2 4.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 2电磁转矩电磁转矩TM 电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示： amM IKT 式中：TM电磁转矩（Nm）； 对磁极的磁通（Wb）； Ia电枢电流（A）； Km与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke第四章 直流电机的工作原理及特性4.1.2 4.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。 发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩T

6、M及空载损耗转矩T0相平衡。 电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。第四章 直流电机的工作原理及特性4.1.2 4.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理应用单轴拖动系统的动力学方程 从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩TM ，但二者的作用正好相反。电机运行电机运行方式方式E与与I的方的方向向E的作用的作用TM的性质的性质转矩之间的转矩之间的关系关系发电机发电机相同相同电源电动势电源电动势阻转矩阻转矩T1=TM+ T0电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动转矩驱动

7、转矩TM= TL+ T0第四章 直流电机的工作原理及特性4.1.2 4.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理第四章 直流电机的工作原理及特性4.2 4.2 直流发电机直流发电机他励并励串励复励励磁方式第四章 直流电机的工作原理及特性4.2 4.2 他励发电机他励发电机5 . 3/3 . 3/3 . 3RUIIIRUEIRIEUaaaaa当发电机空载时，Ia=0nKEUe0fIfE 空载特性电压平衡方程第四章 直流电机的工作原理及特性4.3 4.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性4.3.1 他励电动机电压平衡方程4.11aaUEI RaaREUIfNaIII4.11aaUEI

8、R4.12eaaeeEKnRUnIKKtaatKTIIKT/0204.13aeetRUnTnKTKK Knnn=f(T)T0n0-理想空载转速（T=0）n速度降第四章 直流电机的工作原理及特性4.3 4.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性4.3.2 他励电动机机械特性nn0Td Tn当n=0时，（4.13）式为NadatdeteaIRUIRUKKnTKUTKKR/02堵转矩堵转电流机械特性硬度他励电动机的机械特性100%dTTdnn硬特性10软特性10绝对硬特性第四章 直流电机的工作原理及特性4.3 4.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性4.3.2 他励电动机机械特性1.固

9、有机械特性 n=f(T)由求（1）估算电枢电阻RaNNNNPIUPNNNNNNNNIUIUIU120.500.75 10.500.751aaNNNNNaNNNI RU IPURU II第四章 直流电机的工作原理及特性4.3 4.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性4.3.2 他励电动机机械特性第四章 直流电机的工作原理及特性4.34.3. .1 1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性（2）计算额定条件下反电势/eNNeNNNNaeNNNaNKEKnUI RKUI Rn（3）求理想空载转速NeNKUn/0（4）求额定转矩9.55NNNNPPTnNNeNNtNIKIKT55. 9aN

10、NtdRUKKnT0第四章 直流电机的工作原理及特性4.34.3. .1 1 他励电动机的机械特他励电动机的机械特性性2. 人为机械特性（改变U、Rad）1)串接电阻Rad18. 302KTnTKKRRKUnteadae串接电阻后1. n0不变；2. K斜率变大即机械特性变软。n2. 人为机械特性（改变U、 Rad）002aeetRUnTnKTnnKK K1.改变n0(减小)2.斜率k不变机械特性硬度不变1.n0增加2.斜率变大，特性变软第四章 直流电机的工作原理及特性4.3 4.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性4.3.2 他励电动机机械特性第四章 直流电机的工作原理及特性 电动机

11、的机械特性例题电动机的机械特性例题n 例4-1 一台他励直流电动机在稳态下n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。 aatLICIKTT1EEEICRURIUEaaaa注意：从 不能判断E是如何变化的nKEe第四章 直流电机的工作原理及特性 电动机的机械特性电动机的机械特性例题例题n例4-2 一台他励直流电动机，n功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=

12、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。n解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN)NNNNNeNeNnRIUKKUn/0(1)估算Ra71. 031220105 . 515 . 015 . 03NNNNNaIUIUPR1min/132. 01500/71. 031220/rVnRIUKNNNNNe第四章 直流电机的工作原理及特性 电动机的机械特性电动机的机械特性例题例题(2)求n0min/1667132. 0/220/0rKUnNeN(3)求TNmNnPTNNN351500105

13、. 555. 955. 93atdRUKKnT0也可求第四章 直流电机的工作原理及特性4.44.4 直流他励直流他励电动机的启动特性电动机的启动特性/aaaaUEI RIUER启动时n=0 E=0 启动电流NNstIRUI2010/启动电流不得大于（1.52）额定电流NstaNstIRRUI25 . 1/第四章 直流电机的工作原理及特性4.44.4 直流他励直流他励电动机的启动特性电动机的启动特性多段启动电阻启动NNTTTT2 . 11 . 126 . 121原则1. T1(I1)2TN2. T2(I2)基本相同第四章 直流电机的工作原理及特性4.44.4 直流他励直流他励电动机的启动特性电动

14、机的启动特性多段启动电阻启动的启动控制启动前，合上电源开关Q1和Q2，励磁回路通电，为启动做好准备。按下启动按钮SB2， KM线圈得电并自锁，主触头闭合，接通电动机电枢回路，串入电阻R1、R2、R3降压启动。当电动机转速从零开始上升时，接触器KM1线圈电压也随之上升，达到KM1的动作值时，KM1线圈得电，动合触头闭合，将电阻R1短接。电动机转速继续上升。随后KM2和KM3动合触头闭合，将电阻R2和R3短接，全压启动。第四章 直流电机的工作原理及特性4.44.4 直流他励直流他励电动机的启动特性电动机的启动特性时间继电器控制的启动线路启动前，合上电源开关Q1和Q2，励磁回路通电，为启动做好准备。

15、按下启动按钮SB2， KM线圈得电并自锁，主触头闭合，接通电动机电枢回路，串入电阻R1、R2、R3降压启动。当电动机转速从零开始上升时，接触器KM1线圈电压也随之上升，达到KM1的动作值时，KM1线圈得电，动合触头闭合，将电阻R1短接。电动机转速继续上升。随后KM2和KM3动合触头闭合，将电阻R2和R3短接，全压启动。第四章 直流电机的工作原理及特性4.54.5 直流他励直流他励电动机的电动机的调速调速特性特性速度调节-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。第四章 直流电机的工作原理及特性4.54.5 直流他励直流他励电动机的电

16、动机的调速调速特性特性02aadeetRRUnTnKTKK K4.5.1 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。第四章 直流电机的工作原理及特性4.54.5 直流他励直流他励电动机的电动机的调速调速特性特性4.5.2 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。第四章 直流电机的工作原理及特性4.54.5 直流他励直流他励电动机的电动机的调速调速特性特性4.5.2

17、改变电压调速(调节特性n=f(U)TKKRKUnteae2aataaRIKTRUUn00nKEUUCURICTeaaaaaa00始动电压始动电压T1T2n0 Ia=-Ia +TM-TMaeaaaRnnnKEUIREUI0atMatMIKTIKT电动机变成发电机机械能变成电能向电源馈送称为反馈第四章 直流电机的工作原理及特性4.6.1 4.6.1 反馈反馈制动制动adabadaaRREUIRREUI21降压调速过程中的反馈制动LMLbbTTnnTTIIEUnn22102第四章 直流电机的工作原理及特性4.6.1 4.6.1 反馈反馈制动制动调磁通调速过程中的反馈制动-Tn3n01注意：反馈制动只

18、在调磁降速过程中产生 Rf nTL第四章 直流电机的工作原理及特性4.6.1 4.6.1 反馈反馈制动制动下放重物时的反馈制动过程下放重物时的反馈制动过程下放电动状态下放制动状态提升电动状态 a点b点nEIa-TM 制动矩B点 C点nn0 Ia=-Ia-TMTM与n反方向制动改变Rad改变下降的nRad太大n很高不安全第四章 直流电机的工作原理及特性4.6.2 4.6.2 反接反接制动制动n1.电源反接制动aaadEUIRR 2aadeetRRUnTKK K注意：反接时U与E相加，电流很大用Rad限流应用：快停、经常正反转反接电动正向电动反接制动位能负载时制动第四章 直流电机的工作原理及特性4.6.2 4.6.2 反接反接制动制动反接制动控制线路第四章 直流电机的工作原理及特性4.6.2 4.6.2