直流电动机的机械特性ppt课件.ppt

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1、3.2 直流发电机的工作特性,3.3 直流电动机的机械特性,3.1 直流电机的基本结构和工作原理,3.4 直流电动机的启动与反转,3.5 直流电动机的调速,3.6 直流电动机的制动特性,第3章 直流电机的工作原理和特性,学习要求:,在了解直流电动机的基本结构的基础上,着重掌握直流电 机的基本工作原理,特别应掌握转矩方程式、电势方程式 和电压平衡方程式；,掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性；,掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种 方法的优缺点和应用场所；,学会根据他励直流电动机的铭牌技术数据,确定电动机启 动等运行特性。,重点:,掌握直流电动机的机械特性,特别是人为机械特性

2、；,他励直流电动机的启动特性；,他励直流电动机的调压调速特性。,分析方法：,结构,基本工作原理,转矩方程式电势方程式电压平衡方程式,机械特性,启动、调速和制动,分析依据：,电磁力定律、电磁感应定律,3.1 直流电机的构造和工作原理,直流发电机 将机械能变为直流电能,直流电动机 将直流电能变为机械能,一、 直流电机的结构,定子,转子,直流电机,直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律,主磁极,磁极对数(P)=磁极数/2,气隙,换向极,磁极数:主磁极的个数,转子（电枢）,定子,机座 起支撑作用; 作为部分磁路,主磁极 产生主磁通,换向极 产生附加磁场，改善换向,电刷 引入或引出直流电,换向

3、极,换向绕组,定子的作用：产生主磁场及机械支撑,励磁绕组,主磁极,转子,电枢铁心 其槽孔中放置电枢绕组,电枢绕组 产生感应电动势、电 磁转矩,转轴 输入或输出机械功率,换向器 与电刷一起，共同完成 直流电和交流电的转换,换向极,换向绕组,转子的作用：产生感应电动势及电磁转矩.,励磁绕组,主磁极,转轴,转子,电枢线圈,转子结构图,电枢铁心硅钢片,电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触.,电刷装置将电枢电路与外部电路连接起来,电刷,换向器,两极直流电机的磁路,磁路：当励磁绕组中通直流励磁电流时产生恒定主磁通 ,经主磁极铁心、

4、空气隙、电枢铁心、磁轭（机座）形成的闭合回路.,二、直流电机的基本工作原理,磁极 N,S 不动; 线圈（绕组）旋转;换向片旋转;电刷 A,B 不动,两极直流电机模型,电枢旋转时,换向片与电刷滑动接触.,为了便于分析直流电机的工作原理,将电机简化为以下模型:,+,1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场( N S)；,1.直流发电机的工作原理基于电磁感应定律,2.设原动机( T1 )带动电枢线圈以 n 旋转；,3.线圈导体(有效边)切割磁场 在导体内将感应交流电势 e. (右手定则）,4.通过换向器与电刷 A B 输出直流电动势 E.,电磁感应定律,+,直流发电机的工作原理演示,结论：,(1)

5、 绕组中的感应电动势是交变的。-交流(2) 电刷A、B间的电动势的极性是不变的。-直流 换向片的作用：将绕组中的交流电变换为电刷的直流电。,(1)发电机旋转时，电枢绕组中将产生电源电动势 （e 与 ia 方向 相同）。,+,I,e,E,2. 直流电动机的工作原理基于电磁力定律,c,d,a,b,U,电磁力定律,3.载流的电枢导体将受到电磁力 f 的作用。,4.所有导体产生的电磁力作用于转子，产生电磁转矩 T 驱动转子以 n ( 转/分 )旋转，以便拖动机械负载。,2.将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 ia 流过。,1.励磁绕组通过直流励磁电流,产生恒定磁场 （ N S ）；,直流

6、电动机的工作原理演示,U,2）电动机旋转时，电枢绕组中将产生反电动势（与ia反向）， 与电源电压U相平衡。,1) 电动机的电磁转矩 T 是驱动转矩。,结论：,n,T,ia,U,E,(1) 直流电机的可逆性：,(2) 换向器的作用：,结论：,若输入机械能, 可作为直流发电机 , 从电刷上输出直流电能；若从电刷上输入直流电能, 又可作为直流电动机，从轴上输出机械能。,将电机内部的交流电 外部的直流电。,三、电动势和电磁转矩,E = Ke n,T = Kt Ia,Kt = 9.55 Ke,每极主磁通,电枢电流,结构常数,电势常数,当电枢以转速n转动时，电枢绕组的导体便会切割磁力线， 产生感应电势；,

7、当电枢绕组通过电流时，与气隙磁场作用会产生电磁转矩。,发电机和电动机均有电枢电势 E 、电磁转矩 T，,但性质却有很大不同。（见下表）,发电机,电动机,直流发电机,T 与 n 反方向， T 是制动转矩,直流电动机,T 与 n 同方向，T 是拖动转矩,T1 = T + T0 （稳态运行时）,T = T0 + TL （稳态运行时）,E 和 Ia 反方向, 称为反电势,T0-电机空载损耗转矩(由摩擦引起的反抗转矩）,E 和Ia 同方向，称为电源电动势,电机在发电状态和电动状态下, E 和 T 的作用,直流电机的分类 -依据励磁绕组与电枢绕组的连接方式分类,(1) 他励方式,他励励磁绕组（T1T2）由

8、外电源（Uf）供电，励磁电流（If）不受电枢（H1H2）端电压（U ）的影响。,(2) 并励方式,并励励磁绕组（B1B2）与电枢（H1H2）并联。U = Uf,(3) 串励方式,串励励磁绕组（C1C2）与电枢（H1H2）串联。Ia = If,(4) 复励方式,复励方式有两个励磁绕组，其并励励磁绕组（B1B2）与电枢（H1H2）并联。串励励磁绕组（C1C2）与电枢（H1H2）串联。,五、直流电机的额定值及分类,1. 型号,2. 额定值,额定功率（PN）：发电机 PN =UN IN； 电动机 PN =UNINN；,(2) 额定电压（UN） ：电枢电压的额定值；,(3) 额定电流（IN） ：电机电流

9、的额定值；,(4) 额定转速（nN） ：额定状态下的转速;,如：Z3 -112,Z3 表示第三次改型设计的直流电动机,112 规格代号：11号机座，2号铁心,(5) 额定转矩（TN） ：额定状态下电动机轴上输出的机械转矩；,(6) 励磁方式（IfN） ：,3.2 直流发电机,当保持发电机的转速n为常数时，发电机的运行主要特性有 2 种：,空载特性,外特性,下面以他励发电机 ( G )为例介绍直流发电机的运行特性.,他励发电机 ( G )电路原理图,Q,G,R,Ra,U = E IaRa,E ：电枢电动势；,Ia ：电枢电流,电压平衡方程式,(1)空载特性,E= f ( If )|I = 0,E

10、0,2) E0 - 励磁电流 If = 0时，E=E0 ， 由剩磁通0 产生，称为剩磁电 动势 。, E;,1) 与B-H磁化曲线形状类似， 因为,E = Ke n, B;,If H,指发电机空载时,电枢电势 E 与励磁电流 If 的关系曲线,剩磁电动势的测量：？,空载特性的特点:,工作点通常选在特性弯曲点 A 附近。此时发电机磁路接近饱和而未饱和。,空载特性反映了通过调整励磁电流来得到需要的电压,空载时 Ia = I = 0，U0 = E = Ke n,U0 : 空载电压,空载特性的获得:,E0,剩磁电动势的测量 : If = 0；发 电机空载；发电机以 n 旋转。 此时测量电枢电压 U 即

11、为 E0,(2) 外特性,U = f (I) | I fN,保持 If = IfN n = nN，,电压调整率：,通常他励电动机 U ( 5 10)%,反映发电机电枢端电压 U 随负载电流 I 变化的特性。,3.3 直流电动机的机械特性,要求: 掌握电动机的机械特性，特别是人为机械特性。机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推出来的，它又是分析启动、调速和制动特性的依据。所以机械特性是电动机内容的重中之重。,电动机的机械特性：,电动机的电磁转矩T与转速n的关系 n = f (T),励磁方式不同,电动机的机械特性也不同.,一. 他励（并励）电动机( M )的机械特性,1. 机械特性的一般形式,

12、M,Ra,电路原理图,U = E + IaRa,T = Kt Ia,E = Ke n，,转速特性,机械特性,电动机的电压平衡方程式, 机械特性,n0 理想空载转速, n 带负载后的转速降,对他励、并励电动机的特性比较“硬”, 大,n = (28)%nN,= n0 n,其中：, 机械特性硬度,表示当转矩变化时转速的稳定度, 衡量机械特性的平直程度,当 U = UN， = N ，电枢回路不加附加电阻条件下,2. 固有机械特性,其中：T = KtN Ia,电动机稳态运行时：有,T = TL+ T0,固有机械特性数学表达式,固有机械特性曲线,根据固有机械特性表达式画出固有机械特性曲线,n0,TN =

13、TN + T0,= KtN IaN,近似固有机械特性曲线,一般情况下：可忽略T0，此时的机械特性称为近似固有机械特性。,TN - 额定负载转矩,近似固有机械特性为过（0，n0），（TN，nN）的一条直线,利用电动机的铭牌数据来求近似固有机械特性。,已知铭牌数据（PN，UN，IN，nN）（0，n0），（TN，nN）,步骤：,（5）利用（0，n0），（TN，nN）绘出近似固有机械特性,近似固有机械特性曲线,T（Nm）,n（r/min）,n0,nN,TN,绘制近似固有机械特性时注意：,1、 KeN = （UN INRa）/ nN 对一台电动机而言是唯一的；,2、额定转矩 TN = 9.55PN /

14、nN 是轴上的输出转矩.,电动机反转时近似固有机械特性曲线,3、IN 是额定负载时电枢绕组的电流.,3.人为机械特性,当人为改变电动机的参数 U、 、及电枢回路增加Rad时，得到的机械特性即人为机械特性.,电动机的人为机械特性是对电动机控制（如启动、正反转、调速、制动停车等）的依据。,(1)电枢回路串接附加电阻 Rad,M,Ra,条件：U= UN， = N， 电枢回路串接 Rad,有：U = E + Ia（Ra + Rad）,特点 ： 1） n0 不变。 2）n ， 。,= n0 n,(2) 改变电枢电压 U （UUN）,条件： Rad = 0， = N， 改变 U （UUN）,特点 ： 1）

15、 n0 。 2） n 不变， 不变。,= n0 n,防止电枢绕组绝缘击穿,(3) 改变磁通 （ N ）,条件： Rad = 0， U= UN，改变 （ N ）,特点 ： 1） n0 。2） n， 。,= n0 n,防止磁路饱和导致励磁线圈过热,2.串励电动机的机械特性,注意：串励电动机不允许空载 ，否则有 n 。,有：U = E + Ia（Ra + Rf ）,3. 复励电动机的机械特性,复励,串励,并励,Ra,M,特点：复励电动机的机械特性界于并励、串励之间。,本节小结,1、直流电动机的三大方程式：,U = E + IaRa,T = Kt Ia,E = Ke n,转矩方程式,电势方程式,电压平

16、衡方程式,一般表达式：,固有机械特性,-当电动机的参数为额定值时,人为机械特性,2、直流电动机的机械特性：,- 当改变电动机的参数（ 、U、Rad） 时，可得到三种人为机械特性,重点：人为机械特性,3.4 直流他励电动机的启动与反转,要求掌握电动机启动和反转的各种方法,一、直流他励电动机的启动,1. 启动要求：,1）起动电流 Ist 不能太大， Ist = （1.5 2） IN,2）起动转矩 Tst 合适,太小 Tst TL， 无法启动,太大 撞击力大会撞坏齿轮， 造成机械损坏。,2. 直接启动存在的问题,n = 0, E = 0,Tst = KtN Ist,Rad = 0，U = UN, =

17、 N,直接启动：,启动有：,E = Ke n,故直流他励电动机一般不能直接启动。,3. 启动方法：,1）降压启动 U ,（1.5 2 ）IN,方法：启动时降低电枢电压 U ，以限制启动电流，待转速 n 上升到一定值时，再使U = UN ，当 n = nN 时 ，启动完毕。,2）电枢回路串入起动电阻 Rst,， 之后，随着 n Rst ，,当 n nN 时，使 Rst = 0,启动时电枢回路内串入启动电阻以限制启动电流，,（1.5 2 ）IN，,Rst的选择：,此时，Tst = KtN Ist,以保证一定的 Tst 。, 完全切除起动电阻，启动完毕。,s,缺点：在切除启动电阻时有较大的冲击（Ia

18、Ib）,1-a（T TN）,S,切除Rst,n不变,2-b,沿特性 2,开始启动（串入Rst ）,1 Ra +Rst 时的机械 特性2 Ra时的机械特性,分析启动过程（TL =TN）：,由 n 和 T 决定的电动机工作点沿机械特性移动,欲使启动过程平稳: T 1 = （1.6 2）TN T2 = （1.11.2）TN,a,b,c,d,二、电动机的反转,电动机的转动方向由 电磁转矩 T 决定。n 与T 同向。,反转：改变T 的方向即可实现n的反转。,而 T = Kt Ia, 反向,Ia 反向,反转,或,I,-反转时电动机的机械特性在第三象限,+,注意： 不能同时改变 和 Ia 的方向,本 节 小

19、 结,1、直流电动机的启动方法：,2、直流电动机的反转方法：,1) 降压启动（常用）,2) 电枢回路串电阻启动,2) 对调电枢绕组的接线，改变 Ia 的方向,1) 对调励磁绕组的接线，改变 的方向,3.5 直流他励电动机的调速,要求掌握电动机调速的各种方法、优缺点和应用场所.,调速 在负载一定（ TL 一定或 PL一定）的条件下 ，人 为改变电动机的参数（Rad , U , ）， 以改变电动 机的稳定转速的过程。,三种调速方法： , Rad , U, n,如图,当 TL 一定,转速调节 : nA nB,Rad 变化: 特性1 特性 2,注意调速和速度变化的区别,速度变化 -由于电动机的负载转矩

20、发生变化（增 大与减小）而引起电动机转速的变化 （下降或上升）。,如图:,当 TL 变化: T1 T2,引起转速变化 : nA nB,一、电枢回路串接 Rad 调速,U= UN， = N， TL一定， 电枢回路串接 Rad,T,n,0,TL,2-B,n不变,沿特性 2,调速过程：,U,Uf,If,M,Ra,E,+,Ia,n0,调速前后：,（1）分别运行在 n = nA 和 n = nC 两个稳定状态。,（2）工作在两个不同的机械特性上。,调速特点：,（1）串入 Rad 后， ,（2）n0 不变。,（4）空载或轻载时，调速 范围小。,（5）Rad 消耗能量。,T,n,0,n0,Ra,A,nC,T

21、L,nA,2,1,C,适用场合：低速运转时间不长的场合。如起重机、卷扬机等。,（3）n nN 。,二、改变电枢电压 U（UUN）,条件： Rad = 0， = N，改变 U （UUN）,T,n,0,TL,2-B,n 不变,沿特性2,调速过程：,调速前后：,（1）分别运行在 n = nA 和 n = nC 两个稳定状态。,（2）工作在两个不同的机械特性上。,调速特点：,（1）U 连续变化，可实现连续无 级调速。,（2）n0 ， 不变。,（3）n nN 。,（4）调速范围大，可与电机启动 共用一套调压设备。,（5）恒转矩调速，适合带恒转矩负载。,T,n,0,n0,UN,n01,U1,TL,nA,n

22、C,适用场合：有调压装置及变流装置的场合。是最常用的调速方式,稳定运行时电动机的 Ia=IN ，故调速前后 T = KtN IaN = 常数，且调速过程中负载转矩 TL 不变，故称为恒转矩调速。,恒转矩调速：,三、弱磁调速 （ N ）,条件：Rad = 0，U = UN ，PL一定，改变 （ N ）, 1,2-B, N 1,n不变,沿特性 2,调速过程：,调速前后：,（1）分别运行在n = nA 和 n = nC 两个稳定状态。,（2）工作在两个不同的机械特性上。,调速特点：,（1）可实现连续无级调速（n 1.2 nN ）。,（2）当调整 Rf n0 , n， .,（3） n（ n nN ）。

23、若 调得 很小, 将使 n。尤其 = 0 (励磁回路断开）时,应注意: 不要将励磁回路开路,满载则 n 0,“闷车”,“飞车”,空载则 n ,（4）调速范围小。,（5）恒功率调速，适合带恒功率负载。,当稳定运行时，电动机的 Ia=IN ，故调速前后 P = UNIN =常数，且调速过程中负载功率 PL 不变，故称为恒功率调速，此时电动机的 T = Kt Ia 随 改变。,弱磁调速一般不单独使用，可配合降压调速使用：n nN 采用降压调速n nN 采用弱磁调速,调速特点：,恒功率调速：,本 节 小 结,直流电动机的三种调速方法：,1）电枢回路串入附加电阻调速：,2）改变电枢电压调速：,3）改变励

24、磁磁通调速：,例1：一台直流他励电动机额定数据为: PN=17KW，电压UN=220V，电流IN=91A , nN=1500r/min, Ra=0.22。试求： 额定转矩TN;直接启动时的启动电流Ist;如果要使启动电流不超过额定电流的2倍，求Rst =？Tst=？如果采用降压启动，启动电流仍限制为额定电流的2倍，电源电压应为多少？,解：,额定转矩 TN,2）直接启动时的启动电流 Ist,3）如果电枢串入启动电阻 Rst 后的启动电流 Ist ,则：, Tst = KtN Ist , Tst = KtN Ist ,= 1.27 2 91 = 231 Nm,4）降压启动时,= 2 IN, U =

25、 2 IN Ra = 2 91 0.22 = 40 V,故电源电压应为 40V。,例2：一台直流他励电动机额定数据为: PN = 2.2KW，UN = 220V，IN = 12.4 A , nN = 1500 r/min, Ra = 1.7。如果这台电动 机在额定转矩下运行，如果忽略损耗，试求： 1）电动机的电枢电压降到180V时，电动机的转速是多少？ 2）励磁电流If = 0.8IfN（ = 0.8 N ），电动机的转速是多少？ 3）电枢回路中串入 Rad = 2时，电动机的转速是多少？,1）此时： U = 180V， = N ， Rad = 0 ,KtN = 9.55KeN,2）此时： U

26、 = UN = 220V， = 0.8 N ， Rad = 0 ,= 9.55 0.132 = 0.16 Nm /rmin-1,Ke = 0.8KeN,而,3）此时： U = UN = 220V， = N ， Rad = 2 ,补充：电动机的功率平衡方程式及电动机效率,U = E + Ia Ra,P1 Pem PCu,Pem = P2 + P0,电动机效率：, P2 / P1 P2 / UIa,输出机械功率,TL=9.55P2 / n,1.他励电动机,各式与上面推导相同，只是电源还要提供励磁功率,2. 并励电动机,P1 = P2 + P0 + Pcu + Pf,电动机效率：, P2 / P1

27、P2 / UI,要求掌握电动机制动的各种方法、优缺点和应用场所，掌握电动机运行在制动状态下的特征.,3.5 直流他励电动机的制动特性,一、 他励直流电动机的制动,1 .制动与启动：,制动：（1）使电动机迅速准确停车： nN 0 （2）使电动机稳定在某一转速上（限速） 带位能负载时,启动：电动机的速度由 0 nN,2.电动机的两种工作状态,电动状态,制动状态,其中： T = TL T与n同向，T驱动转矩 TL制动转矩 E与Ia反向 E反电势,（2）制动状态,将电能机械能 ，处于电动状态,其中： T = TL T与n反向，T制动转矩 TL驱动转矩 E与Ia同向 E电源电动势,提升重物匀速上升,G,

28、Ia,（1）电动状态,将机械能电能，处于制动发电状态,（1）电动机接法;（2）T 与 n 反向，T制动转矩，机械特性在二、四象限;（3）E 与 Ia 同向，E电源电动势，电动机处于制动发电状态;（4）将机械能（位能或动能）电能;,反馈制动、反接制动、能耗制动,二、反馈制动,电动机在运行中，在外部条件的作用下，出现 n n0 ，此时电动机将进入反馈发电制动。,1. 电车下坡时的反馈制动,3. 电动机处于制动状态下特点：,4. 制动分类：,（1）电车在平路上匀速运行,（2）电车下坡时,T = TL = Tr ； n = na T 与 n 同向， E 与 Ia 反向 电动机处于电动状态,（1）电车在

29、 T + TL 共同作用下加速。,（2）加速到 C 点： n = n0， T = 0,电动机进入制动状态,TL = Tp-Tr，与 n 同向,n0,T,n,（5）b点： T = Tp-Tr，电动机重新达到了平衡。以n = nb 稳定运行在反馈制动状态。,实质：将负载的位能电能，反馈给电网。 反馈制动也称再生制动或发电制动。,2. 电枢电压 U 突然下降时的反馈制动,T,n,0,TL,B点： 若U2 降低至使 n02 n1 , T 反向, 进入制动状态。,电动机接法；在外部条件的作用下，出现 nn0 ；T与n反向，T制动转矩；机械特性在二、四象限；电动机处于制动发电状态，将机械能电能反馈给电网。

30、,反馈制动还可发生在以下几种情况:,反馈制动一般用在：对负载进行限速。,调速时磁通突然增加时，位能负载下放时。,反馈制动特点：,二、反接制动,电动机在运行中，在外部条件的作用下，出现 E 与 U 同向 ，T 与 n 反向，此时电动机将进入反接制动状态。,1.电源反接（U 反向）,2.电势反接（ E 反向）,n,T,TL,正转电动,n,TL,Ia,负载,1.电源反接（U 反向）-带位能负载,T,BC段:电源反接制动,规定提升负载时电动机的转动方向为 n 参考正方向,n,T,TL,n,TL,Ia,负载,T,TL,C点：及时拉开电源, 电动机停车。否 则电动机将反向启动。,D点：以 n2 稳定运行,

31、反转电动,如果负载为反抗性负载,BC段:电源反接制动,n,T,TL,1,CD段：电势反接制动,T,n,TL,Ia,负载,2.电势反接（ E 反向）-带位能负载,Rad 的选择：必须使 Tst TL，否则将不降反升。,n1,n,T,TL,n01,Ra,Tst,Rad,Tst,上图中 Rad ( Tst TL )合适，而Rad1 ( Tst TL )不合适,电动机接法；在外部条件的作用下，出现 U与 E 变为同向 ；T 与 n 反向，T制动转矩；Ia很大，必须加 Rad；机械特性在二、四象限；电动机处于制动发电状态，将机械能电能。,反接制动一般用在：使反抗性负载迅速停车、反 向及对位能性负载进行限

32、速。,反接制动特点：,四、能耗制动,电动机在运行中，将电枢电压降为零（U = 0），同时将电枢串入一个附加电阻 Rad 短接，此时电动机将进入能耗制动状态。,T,n,TL,Ia,负载,Rad,n,T,TL,0,0点：n = 0 ，T = 0 停车（反抗负载）,能耗制动,能耗制动,从电网断开；T 与 n 反向，T制动转矩；当带反抗性负载时，不会反向启动；不会象电势（倒拉）反接那样出现不降反升的危险 ；机械特性在二、四象限；电动机处于制动发电状态，将机械能电能消耗在Rad上。,能耗制动一般用在：迅速停车、限速的场合。,能耗制动特点：,T与n反向，T制动转矩；机械特性在二、四象限；电动机处于制动发电状态，将机械能电能回馈给电网或消耗在 Rad 上。,制动特征：,n,T,本节小结,直流电动机的三种制动方法：,反馈制动,注意：反接制动时，E、U 同向，Ia 很大，电枢回路中必须串入限流电阻 Rad .,反接制动,能耗制动,本 章 小 结,