第3章直流电机

1、第3章 直流电机的工作原理与特性电机的分类a a 发电机，电动机发电机，电动机b b 直流，交流，步进直流，交流，步进：特点：特点： 直流电动机：直流电动机：可以实现可以实现无级调速无级调速（优点）（优点）, , 在传统的模拟控制系统中应用多在传统的模拟控制系统中应用多 交流电动机：交流电动机：简单、便宜、但调速复杂简单、便宜、但调速复杂 步进电动机：步进电动机：用脉冲工作、易于数字控制用脉冲工作、易于数字控制 直流发电机：直流发电机：一般用来为直流电动机配套；一般用来为直流电动机配套； 但可控硅取代很多的发电机但可控硅取代很多的发电机. .第3章直流电机的工作原理与特性 3.1 3.1直流电

2、机的基本结构和原理直流电机的基本结构和原理 3.2 3.2 直流发电机直流发电机 3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 3.4 3.4 直流他励电动机启动特性直流他励电动机启动特性 3.5 3.5直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 3.6 3.6直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性第三章直流电机的工作原理与特性第三章直流电机的工作原理与特性 本章要求：本章要求：1 1、了解直流电机的基本构造和工作原理。、了解直流电机的基本构造和工作原理。2 2、掌握直流电动机的电压与电流的关系式，、掌握直流电动机的电压与电流的关系式， 接线图和机械特性。接线图和机

3、械特性。3 3、掌握直流电动机的启动、反转、调速的基本原理、掌握直流电动机的启动、反转、调速的基本原理和基本方法。和基本方法。3.13.1直流电机的基本结构和原理直流电机的基本结构和原理 直流电机由定子（固定 不 动 ） 与 转 子（旋转）两大部分组成，定子与转子之间有空隙,称为气隙。3.1.13.1.1直流电机的结构直流电机的结构定子：包括机座、主磁极、换向极、端盖、电刷等； 主磁极：用来在电机中产生磁场 永磁式：用永久磁铁制成 励磁式：磁极上绕线圈（励磁绕组），线圈 中通以直流电形成电磁铁。转子（电枢） 包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。 电枢铁芯：由硅钢片叠装而成，导磁 电枢

4、绕组：由漆包铜线绕成， 换向器： 保持电枢绕组的电流方向不变直流发电机工作原理直流发电机工作原理原动机拖动转子旋转原动机拖动转子旋转N Seabcde+AB-电电刷刷换换向向片片n发电机模型n原动机 当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根当有原动机拖动转子以一定的转速逆时针旋转时，根据据法拉第电磁感应定律法拉第电磁感应定律可知，在切割磁场的线圈可知，在切割磁场的线圈abcdabcd中将中将产生感应电动势。两条有效边导体产生的感应电动势大小产生感应电动势。两条有效边导体产生的感应电动势大小应为：应为： e = B l v 若若B B 、l l、v v在空间相互垂直，则在空间相互垂直，则e

5、 e的大小等于三的大小等于三者的乘积，感应电动势方向由者的乘积，感应电动势方向由右手定则右手定则确定。确定。式中式中: : B B为导体所在处的磁通密度，为导体所在处的磁通密度，Wb/m.mWb/m.m； l l为导体为导体abab或或cdcd的有效长度，的有效长度，m m； v v为导体与为导体与B B间的相对线速度，单位为间的相对线速度，单位为m/s.m/s.在工程上在工程上, ,通常用下式计算直流电机电刷间的电动势通常用下式计算直流电机电刷间的电动势: : E=Ken （3-13-1） 式中式中: : : :一对磁极的磁通一对磁极的磁通WbWb n: n: 电枢转速电枢转速 (r/min

6、) ,(r/min) , Ke Ke 与电机结构有关的常数与电机结构有关的常数3.1.2.3.1.2.直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理 若把电刷若把电刷A, BA, B接到一直流电源上，电刷接到一直流电源上，电刷A A接电源的接电源的正极，电刷正极，电刷B B接电源的负极，此时在电枢线圈中将有接电源的负极，此时在电枢线圈中将有电流流过。如下图所示为直流电动机的简化模型电流流过。如下图所示为直流电动机的简化模型。直流电动机工作模型直流电动机工作模型N SiabcdFFii+AB-n电动机模型 位于位于N N极下线圈极下线圈abab边和位于边和位于S S极下线圈的极下线圈的cdcd边通以直

7、流边通以直流电流电流i i，根据，根据安培电磁力定律安培电磁力定律 可知，导体中产生电磁力可知，导体中产生电磁力F F的大小应为；的大小应为； FBl i 若若B B、i i 在空间相互垂直，则在空间相互垂直，则F F 的大小等于三者的乘的大小等于三者的乘积，方向由积，方向由左手定则左手定则确定。确定。式中: B B为导体所在处的磁通密度，单位为Wbm.m； l 为导体ab或cd的有效长度，单位为m； i 为导体中流过的电流，单位为A. 在工程上在工程上, ,通常用下式计算直流电机的电磁转矩通常用下式计算直流电机的电磁转矩: : T=KtIa （3-2）式中: T T: 电磁转矩(Nm)， :

8、 一对磁极的磁通(Wb) ， Ia: Ia: 电枢电流(A) KtKt: 与电机结构有关的常数。Kt=9.55Ke在发电机中EKen是输出电势TKtIa （负载转矩）为原动机负载, Ia为负载。在电动机中： TKtIa 为输出动力 EKen 为反电势 当TM 大大 n TM-TL=J(d/dt)E (U-E) Ia=(U-EM)/Ra TMTM 是负载3.2 3.2 直流发电机直流发电机对于直流电机按其励磁方式可分为他励电机、并励电机、串励电机、复励电机。他励电机他励电机：励磁绕组有独立的电源与电枢无关并励电机并励电机：励磁绕组与电枢并联串励电机串励电机：励磁绕组与电枢串联复励电机复励电机：有

9、串励也有并励磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。UUfIaM+_+_IffR stRIaUM+_IffR stR+_IEUIa+_IfM复励复励U+_IMIa 3.3 直流电动机的机械特性3.3.1他励电动机的机械特性他励电动机特点： 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。机械特性: 转速(n)与转矩(T)的关系，即 n=f(T)n=f(T)他励电动机接线图：其中：Uf 励磁电压 If 励磁电流 U 电枢电压 Ia 电枢电流他励电动机的机械特性方程式他励电动机的机械特性方程式他励直流电动机的机械特性方程式可以由他励直流电动机的基本方程式导出。根据电枢回路电压方程式： U=IaRa+

10、E 和 E=Ken ， T=KtIa ，可以求得机械特性方程式机械特性方程式： （3-4）Ra为电枢回路总电阻。 他励直流电动机的电路原理图 机械特性硬度机械特性硬度: : dT/dn 对于电机按值分类如下: 绝对硬度 = 硬 10 软 10 三种在生产中都有应用机械特性分固有机械特性和人为机械特性机械特性分固有机械特性和人为机械特性固有机械特性固有机械特性： 在额定条件下（n）与(T)的关系.人为机械特性人为机械特性： 人为改变参数时得到的机械特性, 如改变U，串联电阻R等固有机械特性曲线固有机械特性曲线根据求出他励直流电动机的机械特性曲线，如图所示.他励直流电动机的人为机械特性他励直流电动

11、机的人为机械特性1. 1. 电枢回路串电阻电枢回路串电阻RadRad 当电动机的U=UN,=N,R=Rad时，其人为机械特性的方程式为: 与固有特性相比， a.理想空载转速n0不变， b.转速降n增大，外加电阻Rad 越大，n 也越大，特性越“软”，如图中曲线1,2所示。这类人为机械特性是一组通过 n0,而不同斜率的直线。2 2改变电枢电压时的人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性当电动机的Rad=0,= N 时，改变电枢电压的人为机械特性的方程式为: 与固有特性相比较，a. 机械特性曲线的斜率不变，b b. 理想空载转速 随电压减小成正比减小。 改变电压时的人为特性是一组与固有机械特性平行

12、的直线，如图所示。3. 3. 改变磁通时的人为机械特性改变磁通时的人为机械特性 可以在励磁回路中串接上电阻Rf，或降低励磁电压Uf来减弱磁通，保持U=UN，Rad=0 时，减弱磁通的人为特性方程为:由于磁通 的减少，使得理想空载转速n0 和机械特性斜率都增大，其特性曲线如图所示。当TL小时E=Ken 因为所以n会发生飞车飞车 3.4 3.4 直流他励电动机启动特性直流他励电动机启动特性启动启动: : 电动机转子从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的过程。启动有如下要求启动有如下要求: : （1）启动转矩足够大（TMTL电动机才能顺利启动）。 （2）启动电流 要限制在一定的范围

13、内。 （3）启动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉。 （4）启动过程中能量消耗尽量少。1 1、启动问题、启动问题： 启动时，电动机转速 n=0 E=Ken=0，由电动势平衡方程式 U=IaRa+E 可知启动电流 ： 显然直接启动时启动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向火花，造成换向困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电网电压的下降，影响其他用户的正常用电；因此，除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不容许直接启动不容许直接启动的。2 2、启动方法、启动方法（1 1）电枢回路串联电阻启动）电枢回路串联电阻启动 电枢回路串电阻启动即启动时在电枢回路串入电阻，以减小启动电流I

14、st,电动机启动后，再逐渐切除电阻，以保证足够的启动转矩。（2 2）降压启动使）降压启动使U U从小到大逐渐增加到从小到大逐渐增加到U U 启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流 (一般限制在1.52IN). 这种启动方法需要专用电源，投资较大，但启动电流小，启动转矩容易控制，启动平稳，启动能耗小，是一种较好的启动方法。3. 3. 他励直流电动机的反转他励直流电动机的反转 要使电动机反转，必须改变电磁转矩的方向，而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决定。所以，只要将磁通 或Ia任意一个参数改变方向，电磁转矩TM即可改变方向。在控制时，通常直流电动机的反转实现方法有两种

15、：（1 1）改变励磁电流方向）改变励磁电流方向 保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通 即改变方向。（2 2）改变电枢电压极性）改变电枢电压极性 保持励磁绕组两端电压极性不变，将电枢绕组反接电枢绕组反接，电枢电流Ia即改变方向。 3.5直流他励电动机的调速特性电动机的调速电动机的调速 是指电动机的外负载（T）不变的情况下，人为人为地改变电动机的工作参数地改变电动机的工作参数，使工作速度发生变化的情况。由于电动机有: 当T不变时，影响的参数有 U, , Ra 所以调速的方式可以有以下三种: 变电压U; 变磁通; 变电阻Ra一、串联电阻调速一、串联电阻调速 在电

16、枢回路中串联电阻Rd 改变其机械特性，引起调速。由图可知：当R时n（TL不变） 特点：特点：1、当R时机械特性变软 2、TL越小,n（速度变化） 越小，不同TL,调速范围不同。 3、电阻耗能大（发热） 由于Ia比较大，当R时I2R 4、不易实现无级调速 5、调速的设备比较简单二、变电枢电压调速二、变电枢电压调速 当U改变时，n0变, 当T不变时,UU nn特点：特点：1、当U改变时，引起n0变化这时n不变，所以特性硬度不变，是一组平行线2、不同的TL时，调速范围一样（n）3、当n电源功率也 ，节能。4、通过专门的电源，可实现无级调速5、启动不需其它的设备6、电源设备，需要专门设计， 现已有配套

17、产品。 用直流电动机的调速中，主要用直流电动机的调速中，主要采用这种形式采用这种形式三、改变磁通调速三、改变磁通调速 由于磁路已饱和（额定处）If时不变,所以只能在的范围内调节,即弱磁调速当时,n0,n特点：特点：1、只能弱磁调速（）可以无级 变速,调速范围在额定n之上。2、,引起机械特性变软3、调速范围不大,受电机的允许最高 转速限制4、适用于恒功率调节由于使使EF,(U- EF)/Ra=Ia,T,n, EF, Ia,（U IaP不变）恒定3.6直流他励电动机的制动特性拖动拖动( (电动电动):):驱动负载运动驱动负载运动( (工作工作) )制动制动: :制止负载运动制止负载运动( (减速减

18、速) )自然停车自然停车: : 断电后自然停止断电后自然停止制动的用途制动的用途: :快速停车快速停车, , 与位能转矩平衡与位能转矩平衡, , 精确定位精确定位. .分类分类: : 反馈制动反馈制动, , 反接制动反接制动, , 能耗制动能耗制动. . 1 1、反馈制动、反馈制动 制动原理；反馈制动时，转速方向并未改变，而nn0，使EU, 电枢电流 Ia=（U E ）/R0反向，电磁转矩（TM 0）也反向，为制动转矩。制动时U未改变方向，而Ia 已反向为负，电源输入功率 P=UIa；而电磁功率P=UI0，表明电机处于发电状态，将电枢转动的机械能变为电能并回馈到电网，故称反馈制动。 实现方法；电动机在电动运行状态下，由于某种条件的变化（如带位能负载下降、降压调速等），使电枢转速n超过理想空载转速n0，则进入反馈制动。2 2、反接制动、反接制动 反接制动有电枢电压反接制动和倒拉反接制动两种。 （1 1）电枢电压反接制动）电枢电压反接制动 实现方法实现方法 如图所示，制动前，接触器的常开触头KM1闭合，另一个接触器的常开触头KM2断开， 假设此时电动机处于正向电动运行状态，电磁转矩 TM与转速n的方向相同,即电动机的U,Ia,TM,E,n均为正值。