机电传动控制3直流电机的工作原理及特性

1、第3章 直流电机的工作原理及特性,掌握直流电机的电势方程式，转矩方程式和电压平衡方程式； 掌握直流电动机的机械特性，特别是人工机械特性； 掌握直流电动机起动，制动，调速的各种方法和应用场所； 了解用机械特性来分析直流电动机运行状态的方法。,3.1直流电机的基本结构和工作原理,一.直流电机的基本结构,主磁极,电枢铁心,换向器,电刷装置,直流电机的结构图,剖面图：电枢1； 主磁极2；换向 极4；机座6,电枢铁心冲片,换向器：换向片3； 连接片4；云母环2,二、直流电机工作原理,直流电机的主要结构可简化为一对磁极,一个线圈，其工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律的。 直流电动机是根据载流导体在磁场

2、中受力这一基本原理工作的。 直流发电机则是根据切割磁场的导体会产生感生电势这一基本理论工作的。,发电机,电动机,.电磁力定律,载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直 (图1-1c)，作用在导体上的电磁力大小为： = B,、电磁感应定理,在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场、导体和导体的运动方向三者互相垂直则作用导体中感应的电势大小为： = Bv,1)感应电势E,2.直流电机的基本方程式,2)电磁转矩T,- 一对磁极的磁通(Wb); n-电枢转速(r/min); Ke -与结构有关的常数.,式中:E-电动势(V);,-一对磁极的磁通(Wb); Ia-电枢电流(A); Kt-

3、与结构有关的常数.,式中: T-电磁转矩(Nm);,3.2 直流发电机,1.按激磁方法分类 1)他激发电机: 发电机的激磁绕组由外电源供电. 2)自激发电机: 发电机的激磁电流为电枢电流或电枢电流的一部分.它又分为:,(1)并激发电机; (2)串激发电机; (3)复激发电机.,2、直流发电机工作原理,直流发电机是根据导体在磁场中作切割运动就会产生感生电动势这一基本的电磁理论而制成的。原动机拖动转子逆时针方向旋转，在线圈abcd中就有感生电动势产生，根据电磁感应定律可知，导体ab和cd中产生的感生电动势e相等.,1.他激发电机原理,电枢回路方程为：Ea=U+IaRa 式中Ra为电枢回路总电阻，

4、它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。 励磁回路方程为：Uf=IfRf 式中Rf为励磁回路总电阻， 它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。 从发电机电压基本方程式可见：电枢电势Ea必须大于电枢端电压U，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。,2.并激发电机,U=Ea-IaR a Ia= (Ea-U)/Ra If=U/Rf I=U/R Ia=If+II,根据基尔霍夫电压定律得：,并励发电机的自励条件和外特性,自励过程：并励发电机建立电压的过程。 并励发电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联，由发电机自已供给励磁电流，而不需要另外励磁电源。 一、并励直流发电机的自励条件,并励发电机的建压过程,并励直流

5、发电机自励的三个条件: （1）电机必须有剩磁 （2）励磁绕组并联到电枢的极性必须正确 （3）励磁回路中电阻小于 rfc（称为临界值） 二、并励直流发电机的运行特性,3.他激和并激发电机的外特性曲线 电源-外特性 U=f(I) 硬特性 从空载到满载电压变化率5%-10%,4、串励电动机,1). 转矩特性,当Ia较小时，铁心不饱和,特点：,当Ia较大时，铁心饱和,与并励类似,2. 转速特性,当Ia较小时，,可得,根据,当Ia较大时，铁心饱和,与并励类似,从上式可见，当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机的损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的30%,求得,3. 机

6、械特性,串励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化大软机械特性（自然特性）。,适合于拖动启动频繁、负载变化大的负载。,当负载增加时，转速快速下降，当负载减小时，转速快速上升，这样不仅可以确保安全，而且可以提高生产效率。,5、复励电动机,他的工作特性介于并励和串励之间。如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与串励电动机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正常运行。,如果串励与并励绕组的磁势方向相同，则称为加复励（或叫积复励），反之为差复励（或叫减复励）。,一般来说，并励绕组起主导作

7、用，串励绕组起调节性能的作用。 一、开路特性 U0=f(If)开路时串励绕组不起作用，则其开路特性同并励发电机的开路特性。 二、外特性 U=f(I) 负载运行时，串励绕组产生磁势，这个磁势将影响主磁通的大小和电机性能。 对加复励发电机来说串励磁势起增磁作用即升压作用，而电阻压降和电枢反应的去磁作用起降压作用，二者的相对影响力会决定发电机的外特性。 如果串励绕组作用较大，即在额定电流时端电压超过额定电压，则为过复励。 如果串励绕组的作用不足，即在额定电流时端电压小于额定电压，则为欠复励。 如果串励绕组的作用适当，即在额定电流时端电压等于额定电压则为平复励。 差复励发电机的串励绕组为一个去磁磁势，

8、负载增大时端电压迅速下降。,3.3直流电动机的机械特性,1.他激和并激直流电动机的机械特性 1)原理电路图,电枢回路电压方程式,U=Ea+IaRa 其中反电势Ea=Cen，若为并励时，存在： U=If（rf+Rfad）=IfRf 由于Ra很小，电枢回路上电阻压降很小，电源电压大部分降落在反电势Ea上。,转矩方程式,电动机空载时，轴上输出转矩T2=0，则有： T=T0 当负载转矩为TL，轴上输出有T2=TL，电动机匀速稳定运行时有： T=T2+T0 其中电磁转矩为拖动性质转矩，可用公式T=CTIa计算，（T2+T0）为总的阻转矩，方向与T相反。,2)直流电动机机械特性方程式,上式为直流电动机机械

9、特性的一般表达式,由,将Ia值再代入,得:,由,得,3)机械特性硬度,在机械特性方程式中, no称为理想空载转速; n称为转速降落. 机械特性硬度是衡量机械特性平直程度的:,绝对硬特性 .如交流同步电动机的机械特性,10 硬特性 如直流他激电动机和异步电动机的机械特性,10 软特性 如直流串激电动机的机械特性,机械特性曲线n=f(T),4.固有(自然)机械特性和人工机械特性 1)他激直流电动机的自然机械特性(正转) 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的机械特性即为自然机械特性.,额定负载时,转速降落不多,是硬特性;,金属切削机床,冷轧机,造纸机等宜于选用硬特性的电动机.,2)自然机械

10、特性曲线的作法 已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra, Ke ,(1)电枢电阻Ra的估算:,(2)理想空载转速no计算:,(3)额定转矩Nn的计算:,no,TN,找出两个点,即理想空载点(o,no)和额定运行点(TN,nN),通过这两点作出自然机械特性.,3)举例,(1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额定转速1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性. 解:分析 只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械特性.,=0.71,=0.132,=1667r/min,=35Nm,4)电动机人工机械特性(三种),(1)电枢

11、回路串附加电阻Rad的人工机械特性 在自然机械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串电阻的人工机械特性方程式:,附加电阻Rad越大,机械特性越软.,(2)改变电枢电压的人工机械特性,U改变,但转速降不变 .因此,变电枢电压的人工机械特性是一簇与自然机械特性平行的特性曲线. 只允许在额定电压以下调节. 在后面的自动调速系统学习中有广泛的应用.,随U的变化而变化,(3)改变磁通的人工机械特性,从机械特性方程可知,改变磁通时,电动机的理想空载转速和转速降落都会随磁通的变化而变化. 磁通只能在额定值以下调节,理想空载转速和转速降落都要增大-弱磁增速. 使用中,要防止电动机过载,更要防止飞车,

12、因此,直流他激电动机设有失磁保护.,2.串激直流电动机的机械特性,1)特点:电枢电流就是激磁电流. 2)机械特性分析: 第一段,电动机轻载时,机械特性具有双曲线的形状,理想空载转速趋近无穷大. 第二段,电动机负载较重时,磁路趋于饱和,机械特性近似一条直线. 3)注意事项: 直流串激电动机不允许空载运行-飞车事故.,3.4 直流他激电动机的起动特性,直流他激电动机的起动电流是额定电流的(10-20)倍,不允许直接起动.限制其起动电流的方法有两种. 1.降压起动: 组成SCR-M自动调速系统的起动环节.是后面学习的一个重点. 2.电枢电路串外接电阻起动 右图为具有三段起动电阻的他激电动机电路原理图

13、和起动特性, 其起动特性就是前面刚刚学习过的一种人工机械特性.,3.5直流他激电动机的调速特性,由直流他激电动机人工机械特性方程式 直流电动机的调速方法: 式中, Ke,Kt,Ra 均为常数,因此,电动机有3种调速方法 1.变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压U; 3.变磁通 .,1.改变电枢电路外接电阻调速,电动机电枢电路串电阻后,其人工机械特性如右图示.,1)应用: 起重机,卷扬机; 2)缺点:机械特性软,实现无级调速困难; 3)注意:串电阻调速与起动特性相似,但起动电阻与调速电阻不同.,2.改变电动机电枢供电电压调速,变电枢电压调速的机械特性如右图.,1)特点:容易实现无级调速;机

14、械特性是一组平行线,硬度不变;不需用其他起动设备. 2)应用;适用于恒转矩负载,组成SCR-M系统，在工业生产中广泛应用.第11章将重点学习.,3.改变电动机主磁通调速,变磁通调速的机械特性如右图示.,1)特点:可以实现无级调速;机械特性软;调速范围不大. 2)应用:适用于恒功率负载.一般与调压配合使用. 3)注意:在额定转速以上调节-弱磁增速.,例题,例:一台直流他激电机的额定数据为;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7欧 ;如果电动机在额定转矩下运行,求(1)电动机的电枢电压降到180V时,电动机的转速是多少?(2)激磁电流If=IfM

15、(即磁通为额定值的0.8时)时,电动机的转速是多少?(3)电枢电路串入2欧的附加电阻时,电动机的转速是多少? 解:,(1)此时,U=180V,Ra=1.7欧,=14,例题求解,(2)此时,U=UN=220V,Ra=1.7欧,(3)此时,U=UNa=220V;电枢电路总电阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7,(以上转速单位为r/min),3.6直流他激电动机的制动特性,直流他激电动机的工作状态分为电动状态和制动状态,如右图所示. 图中,(a)为电动状态; (b)为制动状态. 1)特点:电动机的转矩T与转速n方向相反,电机处于发电工作状态. 2)制动形式:稳定的制动状态; 过渡的制动状态. 3)

16、制动方法有3种: 反馈制动; 反接制动; 能耗制动.,1.反馈制动,1)实现条件:外部作用使电动机的转速n大于其理想空载转速no.如,电车下坡,起重机下放重物. 2)机械特性:正转时,是第一象限的机械特性在第二象限内的延伸,如右图所示.,3)特点: (1)利用位能转矩带动电动机发电,将机械能变成电能,向电源馈送. (2)重物下放时电动机的转速仍高于理想空载转速,运行不太安全.,2.反接制动,1)实现条件:电枢电压或电枢电势反向. 2)分类: (1)电源反接制动.改变电枢电压U的方向所产生的制动. 机械特性方程式为;,为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻. 应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上.,(2)倒拉反接制动.改变电枢电势方向所产生的制动. 如:起重机的重物下降时,电枢反转,电势反向.此时,位