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1、电机与电气控制,第1章 直流电机,教学重点 直流电机的运行原理、机械特性、启动、制 动、调速。教学难点 感应电动势和电磁转矩计算、换向、制动。,第1章 直流电机,本章主要介绍了直流电机的概念、基本结构、应用、工作原理、电枢绕组、电磁转矩等基础知识，以及直流电动机的基本方程、工作特性、机械特性及各种运行状态。,第1章 直流电机,直流电机主要由定子和转子两大部分构成，如图1-1所示为直流电机的结构示意图。,1风扇； 2机座； 3电枢绕组； 4主磁极； 5刷架；6换向器； 7接线板； 8出线盒； 9换向磁极 ；10端盖图1-1 直流电机的结构示意图,1.1 直流电机的基本知识1.1.1 直流电机的结
2、构,第1章 直流电机,定子部分 直流电机的定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置组成。转子部分 直流电机的转子主要由电枢铁芯、电枢绕组和换向器组成，如图1-3所示。,1换向器 ；2电枢铁芯； 3电枢绕组 图1-3 直流电机转子,第1章 直流电机,1.1.2 直流电动机的基本原理直流发电机 直流发电机的工作原理是基于电磁感应定律，即在磁感应强度为B的磁场中，若导体作切割磁感线运动，则在导体内部产生感应电动势，如图1-6所示。若B、l、v三者相互垂直，感应电动势e的大小可用下式来计算e=Blv 式中，B为磁感应强度；l为导体长度、v为导体切割磁感线的速度，e的方向由右手定则确定。,第1章 直
3、流电机,图1-6 直流发电机工作原理示意图,第1章 直流电机,直流电动机 直流电动机的工作原理是基于电磁力定律，即载流导体在磁场中会受到电磁力的作用，如图1-7所示。当磁感应线与导体的方向相互垂直时，作用在载流导体上的电磁力f的大小可用下式来计算：f=BlI 式中，B为磁感应强度；l为导体长度；I为载流导体中流过的电流；f方向由左手定则确定。,第1章 直流电机,图1-7 直流电动机工作原理示意图,第1章 直流电机,直流电机的可逆原理 在电机理论中，一台电机既能做电动机运行又能做发电机运行的原理称为可逆性原理。励磁方式 励磁方式是指直流电机的励磁线圈与其电枢线圈的连接方式。根据不同的连接方式，常
4、见的直流电机的励磁方式有他励、并励、复励和串励等。,第1章 直流电机,1.1.3 直流电机的铭牌数据 每台直流电机机座的外表面上都有一块铭牌，上面标注着电机的额定数据，主要有额定电压、额定电流、额定功率、额定转速、额定励磁电流和励磁方式等。,第1章 直流电机,第1章 直流电机,第1章 直流电机,1.3 直流电机的运行原理1.3.1 直流电动机的基本方程式直流电动机在进行机电能量转换时，必须要有能反映其内部电磁过程和机电过程的方程式，即基本方程式。其主要有电压平衡方程、转矩平衡方程、功率平衡方程和励磁特性公式。,第1章 直流电机,在写基本方程式时应规定好各参量的方向。通常，可以任意规定，但一旦规
5、定好后所有的方程式都应按参考方向进行列式，一般情况按如图1-9所示的参考方向规定，若各参量得方向与规定的参考方向一致为正，反之为负。,图1-9 电动机参考方向规定示意图,第1章 直流电机,电压平衡方程 由基尔霍夫定律可知电枢回路的电动势平衡方程为,第1章 直流电机,功率平衡方程,第1章 直流电机,转矩平衡方程,第1章 直流电机,第1章 直流电机,图1-10 他励电动机的工作特性,第1章 直流电机,1.4 他励直流电动机的机械特性1.4.1 机械特性的表达式 他励直流电动机的机械特性是指电动机在稳定运行情况下，转速n与电磁转矩Tem之间的关系，如图1-11所示。它是电动机机械性能的主要表现，是分
6、析电动机的启动、调速和制动等问题的重要工具。,第1章 直流电机,图1-11 他励直流电动机的机械特性,第1章 直流电机,1.4.2 固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指当电动机电源电压、磁通为额定值，且电枢回路不串联电阻时的机械特性，其表达式为 因为机械特性为一条向下倾斜的直线，故斜率较 小，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，如图1-12曲线1所示。,第1章 直流电机,图1-12 他励直流电动机固有特性和电枢串电阻人为特性,第1章 直流电机,当电动机刚启动时，转速n=0，感应电动势Ea=Cen=0，此时电枢电流Ia即为启动电流。由于电枢电阻Ra较小，故在额定电压下启动电流远远
7、超过电动机的最大允许电流，这样会烧毁电动机，故直流电动机一般不能直接启动。,第1章 直流电机,1.4.3 人为机械特性 通过人为的改变磁通、电源电压和电枢回路串联电阻等参数得到的机械特性称为人为机械特性。常见的人为机械特性有电枢回路串电阻时的人为机械特性、降低电枢电压时的人为机械特性和减弱励磁磁通时的人为机械特性。电枢回路串电阻时的人为机械特性 当保证电动机电源电压U和磁通为额定值不变时，电枢回路串电阻的人为机械特性为,第1章 直流电机,降低电枢电压时的人为机械特性当保证电枢回路不串接电阻且磁通为额定值不变时，改变电源电压的人为机械特性为,其机械特性曲线如图1-13所示。,第1章 直流电机,图
8、1-13 他励直流电动机降低电源电压时的机械特性,第1章 直流电机,第1章 直流电机,图1-14 他励直流电动机减弱磁通时的机械特性,第1章 直流电机,1.4.4 电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统的稳定运行是指电力拖动系统在某种外界因素干扰下，导致系统的转速离开了原来的平衡状态，当外界干扰因素消失后，系统能恢复到原来的平衡状态，或在新的条件下达到新平衡的能力。电动机在电力拖动系统中运行时，一般有稳定运行和不稳定运行两种情况，如图1-16所示。,第1章 直流电机,a) 稳定运行 b) 不稳定运行图1-15 电力拖动系统稳定运行的条件,第1章 直流电机,1.4.5 电力拖动系统稳定运行的条件
9、 必要条件电动机的机械特性与负载特性曲线有交点，即Tem=TL。 充分条件在交点对应的转速之上有TemTL。由此可见，对于恒转矩负载，若电动机的机械特性曲线是向下倾斜的，则系统能够稳定运行；若电动机的机械特性曲线是向上翘的，则系统不能稳定运行。,第1章 直流电机,1.5 他励直流电动机的启动所谓启动就是指当电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程，电动机在启动时，必须先加额定励磁电流，然后再加电枢电压。一般直流电动机的启动有如下的要求：要有足够大的启动转矩，一般Tst（1.11.2）TN。启动电流要限制在一定的范围之内。启动设备简单、可靠。启动时限制电流的方法有两个：一是增加电枢回
10、路电阻；二是降低电枢电压。,第1章 直流电机,图1-16 电枢回路串电阻启动的原理图,1.5.1 电枢回路串电阻启动如图1-16所示为电枢回路串电阻启动的原理图。启动时，触点KM1、KM2、KM3断开，分级电阻全部串入电枢回路，在启动的过程中，依次闭合触点KM1、KM2、KM3。启动结束时，触点KM1、KM2、KM3全部闭合，电动机稳定运行。,第1章 直流电机,电枢回路串电阻启动的机械特性如图1-17所示。电枢回路串电阻启动的优点是操作简单、可靠，缺点是启动时电阻消耗的电能较大、效率较低。,图1-17 电枢回路串电阻启动的机械特性,第1章 直流电机,1.5.2 降压启动所谓降压启动，是指启动前
11、降低电动机电枢绕组两端的电压，以减小启动电流的启动方法。当直流电源电压可调时，可以采用此方法，降压启动机械特性如图1-18所示。,图1-18 降压启动机械特性,第1章 直流电机,1.6 他励直流电动机的制动 所谓电动机的制动状态是指电动机的电磁转矩Tem与转子转速n的方向相反。此时，电磁转矩Tem是制动转矩，电机将机械能转换为电能。常见的制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动。,第1章 直流电机,1.6.1 能耗制动如图1-19所示为他励直流电动机能耗制动电路原理图。当电动机为电动状态时，触点KM闭合、KM1断开。能耗制动时，触点KM断开、KM1闭合，能耗电阻Rb接入电枢回路，实现能耗制动。,
12、第1章 直流电机,图1-19 他励直流电动机能耗制动电路原理图,第1章 直流电机,1.6.2 反接制动常见的反接制动有电压反接制动和倒拉反接制动两种。电压反接制动电压反接制动是指把正在运行的他励直流电动机的电源电压突然反接的制动过程，也叫反抗性负载。如图1-21所示为电压反接制动原理图。,图1-21 电压反接制动原理图,第1章 直流电机,倒拉反接制动倒拉反接制动是指制动时在电枢回路中串入大电阻，使电磁转矩小于负载转矩的制动过程，倒拉反接制动只能适用于位能性负载。如图1-23所示为倒拉反接制动电路原理图，其机械特性如图1-24所示。,第1章 直流电机,图1-23 倒拉反接制动电路原理图 图1-2
13、4 倒拉反接制动机械特性,第1章 直流电机,1.6.3 他励直流电动机回馈制动所谓回馈制动是指电动机工作过程中，在外部条件作用下会出现实际转速大于理想空载转速的情况，此时电枢电动势EaUN，电枢电流Ia0，Tem0，电磁转矩由驱动转矩变为制动转矩，此时电动机作为发电机运行将机械能转换成电能回馈给电网，也称为再生发电制动，其机械特性如图1-25所示。,第1章 直流电机,图1-25 回馈制动的机械特性,第1章 直流电机,1.7 他励直流电动机的调速所谓调速，就是根据生产机械的要求人为地改变电动机的转速。如果机械特性不变，由于负载变化引起的电动机转速的变化不能称为调速。 1.7.1 调速指标调速范围
14、相对稳定性平滑性经济性,第1章 直流电机,1.7.2 调速方法常见的调速方法有电枢回路串电阻调速、降低电源电压调速和减弱磁通调速。电枢回路串电阻调速当他励直流电动机运行于额定电压和额定励磁电流时，通过在电动机电枢回路中串入不同的电阻而实现调速的方法称为电枢回路串电阻调速。如图1-28所示为他励直流电动机串电阻调速的电路原理图。电动机正常运行时，触点KM1、KM2闭合，当需要调速时，依次断开KM1、KM2，此时电枢回路串入电阻， 从而实现调速。其机械特性如图1-29所示。,第1章 直流电机,电枢回路串电阻调速的优点是方法简单、操作方便；缺点是相对稳定性差，而且串入电阻使能耗增大，经济性较差。常用
15、于电动机拖动的电车、炼钢车间等生产机械上。,图1-28 他励直流电动机串电阻调速的电路原理图,图1-29 串电阻调速时的机械特性,第1章 直流电机,降低电源电压调速当他励直流电动机在额定励磁电流下运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节电动机电枢两端的电压而实现调速的方法称为降低电源电压调速。由于电动机的工作电压不允许超过额定电压，故电枢电压只能在额定电压以下进行调节，如图1-30所示为降低电源电压调速时的机械特性。,图1-30 降低电源电压调速时的机械特性,第1章 直流电机,降低电源电压调速的优点由于电源电压可连续调节，故可以实现无级调速。调速前后机械特性的斜率不变，负载变化时 转速稳定性好。调
16、速范围较宽，一般为 2.512。调速过程能耗，且经济性好。降低电源电压调速的缺点调速时需要一套电压可连续调节的直流电压，设备投资大。,第1章 直流电机,减弱磁通调速当他励直流电动机在额定电压运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节励磁电流（磁通）而实现调速的方法称为减弱磁通调速。由于电动机在额定状态下运行时，磁路已基本饱和，即使励磁电流增大很多，磁通也增加很少，而且一般也不允许磁路过饱和，故改变磁通只能在额定值以下的范围调节。如图1-31所示为减弱磁通调速时的机械特性。,第1章 直流电机,图1-31 减弱磁通调速时的机械特性,第1章 直流电机,减弱磁通调速的优点由于励磁电流IfIa，因而控制方便且能耗较小。设备简单，平滑性好，可实现无级调速。减弱磁通调速的缺点由于受到电动机机械强度和换向火花限制，调速范围D不大，一般为1.21.5。,
