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1、电子课件,直流电动机的启动、调速、反转与制动,宁波职业技术学院海天学院电机控制系统的安装调试与维修课程教学团队,电机控制系统的安装调试与维修,直流电动机(Direct Current Motor)的启动、调速、反转与制动,能力目标：1、能正确分析直流电动机的工作原理 2、能根据直流电动机的结构类型，定性地分析其机械特性 3、能定性分析直流电动机的启动、调速和制动方法知识目标：1、掌握直流电机工作原理 2、了解直流电机励磁的类型和调速特性 3、了解直流电机应用场合,任务1 认识直流电动机,任务2 直流电动机的启动、调速、反转和制动,直流电动机应用图片,任务1 认识直流电机,一、直流电动机的工作原
2、理,图中N和S是一对固定的（主）磁极，用来建立恒定磁场。两磁极之间有一个可以转动的圆柱形铁心，铁心上固定着线圈abcd。线圈的ad端接在随电枢一起旋转的两片半圆形铜片上，这两个铜片合称为换向器，换向器固定在转轴上且与转轴绝缘。铁心、线圈和换向器组合在一起形成电枢。电刷A、B分别与换向片接触而通向外电路。,通电线圈在磁场中要受到磁场力的作用。假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源的负极相连，电流经A-d-c-b-a-B形成回路。根据左手定则，线圈ab受力向右，线圈cd受力向左。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针方向旋转，,二、直流电动机的基本结构,直流电机由定子（固定不动）与转子（旋转）两大部分
3、组成，定子与转子之间有空隙,称为气隙。定子部分包括主磁极、换向极、电刷、机座等；转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。,直流电机的主磁极,1、定子部分,（2）换向磁极 减小电刷与换向器之间的火花。由铁心和绕组构成。换向极铁心一般用整块钢制成，如换向要求较高，则用1.0mm1.5mm厚的钢板叠压而成，其绕组中流过的是电枢电流。换向极装在相邻两主极之间，用螺钉固定在机座上。,（1）主磁极 主磁极的作用是产生气隙磁场，由铁心和绕组（励磁绕组）构成。铁心一般由1.0mm1.5mm厚的低碳钢板冲片叠压而成，包括极身和极靴两部分。极靴做成圆弧形，以使磁极下气隙磁通较均匀。极身上面套有励磁绕
4、组，绕组中通入直流电流。整个磁极用螺钉固定在机座上。,16,13,（3）电刷装置 电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和外电路连接并把电枢绕组中的交流量转变成电刷端的直流量。电刷装置如图所示。电刷组的个数，一般等于主磁极的个数。,直流电机的电刷装置,（4）机座 机座既可以固定主磁极、换向极、端盖等，又是电机磁路的一部分（称为磁轭）。机座一般用铸钢或厚钢板焊接而成，具有良好的导磁性能和机械强度。,2、转子(电枢)部分,（1）电枢铁心 电枢铁心是电机磁路的一部分，其外圆周开槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心一般用0.5mm厚、两边涂有绝缘漆的硅钢片冲片叠压而成，如图所示。电枢铁心固定在转轴或转子支
5、架上。铁心较长时，为加强冷却，可把电枢铁心沿轴向分成数段，段与段之间留有通风孔。,（2）电枢绕组 作用是感应电动势、通过电枢电流。通常用绝缘导线绕成线圈，按一定规律连接而成。,电枢绕组,（3）换向器 换向器是由多个紧压在一起的梯形铜片构成的一个圆筒，片与片之间用一层薄云母绝缘，电枢绕组与换向片按一定规律连接。换向器与转轴固定在一起。,（4）转轴 对于小容量直流电机,电枢铁心就装在转轴上。,三、直流电动机的分类,直流电机的励磁方式,复励：励磁绕组一部分与电枢绕组串联，另一部分与电枢绕组并联。并励绕组匝数多而线径细，串励绕组匝数少而线径粗。,他励：励磁绕组的电流由独立电源提供的。即励磁电路与电枢电
6、路没有电的连接。,并励：励磁绕组与电枢绕组并联。励磁电压等于电枢电压，励磁绕组匝数较多，电阻较大。（是他励的特殊方式）,串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁电流和电枢电流相等。,四、直流电动机的铭牌,(1)型号。国产电动机的型号一般采用大写的汉语拼音字母和数字表示电动机的结构和使用特点。例如：,2号铁心长度,Z2-56/4-2,铭牌1,产品代号的含义如下：Z系列：一般用途直流电动机，如Z2、Z3、Z4等系列；ZJ系列：精密机床用直流电动机；ZT系列：广调速直流电动机；ZQ系列：牵引直流电动机；ZH系列：船用直流电动机；ZA系列：防暴安全型直流电动机；ZKJ系列：挖掘机用直流电动机；ZZJ系列：冶
7、金起重机用直流电动机。,(2)额定功率PN。指电动机在额定情况下轴上输出的机械功率。单位是kW或W。,(3)额定电压UN。在额定情况下，电动机直流电源的电压。单位是V。,(4)额定电流IN。在额定负载时，电源输入到电动机的允许电流，单位是A。,(5)额定转速nN。电机运行在额定电压、额定电流、额定功率时所对应的转速，单位是r/min。,(6)励磁。指电机的励磁方式，包含他励、并励、串励、复励等。,(7)励磁电压。电机在额定状态下励磁绕组两端所加的电压，对于并励的电机，励磁电压等于电机的额定电压；对于他励电机，励磁电压要根据情况来定。单位是V。,(8)励磁电流。电机产生主磁通所需要的励磁电流，单
8、位是A。,Z2-56/4-2,(9)定额。指电机在额定状态下可以持续运行的时间和顺序。例如标有“连续”，则表示电机可以不受时间限制连续运行;标有“25%”，则表示电机在一个周期内工作25%的时间，休息75%的时间。,(10)温升。表示电机允许发热的一个限度。温升限度取决于电机所使用的绝缘材料。,Z2-56/4-2,铭牌2,一台直流电动机的额定数据为：PN=13KW，UN=220V，nN=1500r/min，N=87.6%，求额定输入功率PIN、额定电流IN和额定输出转矩T2N。,解：,五、直流电动机的特征,(1)电压方程式,(2)转矩方程式,电动机(并励)的基本方程式,(3)功率方程式,P1=
9、P2?,T=TL?,一、并励（他励）直流电动机的启动,启动的含义：直流电动机的转速从0加速到稳定运行速度的整个过程。,生产机械对启动的要求：（1）启动电流在允许的范围内,Ist=2-2.5IN（2）启动转矩TstTL,Tst=2-2.5TN（3）启动时间短,符合生产技术要求（4）启动设备简单、经济、可靠,他励直流电动机的固有机械特性,任务2 直流电动机的启动、调速、反转和制动,启动特点：（1）Ist很大，是IN的1020倍；（2）操作简单、启动时间短，不需启动其他设备；（3）应用于容量很小的直流电动机（大型直流电机电枢电阻更小）。,1、直接启动,将电机直接接到额定电源的启动方法。,启动方法：先
10、建立磁场，然后全压启动,启动计算：,例：一直流电机PN=0.8KW，UN=220V，IN=5A，Ra=4。若电动机直接接入电网启动，启动电流=？,一台Z2-61/4-2他励直流电动机。已知：PN=10KW,UN=220V,nN=1500r/min,IN=53.8A,Ra=0.286,求：（1）直接启动时的启动电流。（2）在额定磁通下启动的启动转矩。,解：（1）,（2),则TstIst,电枢回路串电阻启动降压启动,常用的启动方法直接启动,2、电枢回路串电阻（分级）启动,图(a)所示为他励电动机的启动接线图，图中KM1、KM22分别为短接启动电阻Rst1、Rst2的接触器。启动时，先接通励磁电源，
11、KM合上，KM1、KM2全部断开，启动电阻全部接入。随着转速的上升，再将启动电阻逐步切除。,缺点:在启动过程中启动电阻上有能量损耗,（a）（b）,一台他励直流电动机，PN=10KW，UN=220V，IN53.8A，nN=1500r/min,Ra=0.286,求：（1）直接启动时的启动电流（2）若限制启动电流不超过100A，采用电枢回路串电阻起动，则开始时应串入多大电阻？,解：（1）,（2）,3、减压启动,减压启动是指通过暂时降低供电电压的方式启动。启动时，励磁电压保持额定值，电枢电压从零逐渐升高到额定值。降压启动只能在电动机有专用电源时才采用，目前多采用晶闸管可控直流电源作为降压启动的供电电源
12、。,降压启动时启动电流小，启动过程中能耗小，缺点是需要有专用电源，设备投资大。,减压启动机械特性曲线,一台直流电机PN=60kW，UN440V，IN150A，Ra0.156,nN=1000r/min，驱动额定恒转矩负载。试求：(1)若直接启动，则启动电流是多少？（2）若要求Ist=2IN，采用电枢回路串电阻启动，则启动开始时应串入多大阻值的启动电阻？（3）如果要求降压启动，则启动电压是多少?,解：(1),(2）,Ist=2IN=2150=300A,Ust=IstRa=3000.156=46.8 V,（3）,PN=10kW，UN220V，IN53.8A，Ra0.286,nN=1500r/min的
13、他励电动机。试求：(1)若直接启动，则启动电流是多少？（2）若要求启动电流限制在额定电流的2.5倍，采用降压启动，则启动电压是多少?（3）如果要求启动电流限制在额定电流的2.5倍，电枢回路串电阻启动，则启动开始时应串入多大阻值的启动电阻？,解：(1),(2）,Ist=2.5IN=2.553.8=134.5A,Ust=IstRa=134.50.286=38.5 V,（3）,Ist=2.5IN=2.553.8=134.5 A,二、直流电动机的调速,1、电气传动系统,用电动机作为原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生产过程，称为电气传动。,2、生产机械的负载特性,(1)恒转矩负载特性,(2)恒
14、功率负载特性,(3)通风型负载特性,3、他励直流电动机的调速,n0：理想空载转矩,直流他励电动机的固有机械特性,(1)机械特性,直流他励电动机的固有机械特性,（1）随着T的增大，n降低，特性曲线是一条略为向下倾斜的直线。（2）机械特性斜率很小，曲线较平，为硬特性。（3）当T=0，n=n0，电机处于理想空载状态。（4）当T=TN，n=nN，为电动机的额定工作点。（5）电动机启动时，n=0，Ea=0，由于Ra很小，电枢电流Is（启动电流）=10-20IN、启动转矩Ts=10-20TN。,由特性方程可知，改变以下三项参数可改变电动机的速度。电枢回路电阻：Ra输入电压：U磁通：,(2)调速人为机械特性
15、,（3）只能在额定转速以下进行平滑调速。（4）转速越低，机械特性越软，负载波动时转速的稳定性越差。（5）串入的电阻越大，电能损耗越大，经济性差。（6）调速范围小。（7）在各种转速下，能输出相同的转矩，为恒转矩调速。,a、电枢回路串电阻调速,串联电阻调速的特点：（1）改变电枢回路电阻，理想空载转速n0不变。（2）RP越大，斜率越大，特性越软。,应用场合:调速性能要求不高的生产机械起重机,(3)转速只能从额定转速往下调。(4)调速前、后机械特性斜率不变，机械特性硬度高，速度稳定性好，调速范围广，最高转速与最低转速之比可打10倍以上。(5)当电压连续可调时，转速也连续可调，可实现无级调速。(6)降压
16、调速是通过减小输入功率来降低转速的，故调速时损耗减小，调速经济性好。(7)在各种转速下，能输出相同的转矩，为恒转矩调速。,b、降低电源电压调速,降低电源电压调速的优点是：(1)理想空载转速n0与电枢电压U成正比。(2)改变电枢电压后斜率不变。,降低电源电压调速的缺点：要有电压可调的直流电源，设备多，较复杂，初次投资大。,应用场合:调速性能要求较高的生产机械机床,c、改变励磁磁通调速(弱磁调速),改变励磁磁通调速的优点是：(1)理想空载转速随磁通的减弱而上升。(2)斜率随磁通的减弱而增大，机械特性变软。,(3)电阻能连续调节，可实现无级调速，调速平滑。(4)励磁电流小,能量损耗少，调速前后电动机
17、的效率基本不变，经济性比较好。(5)机械特性较硬，转速稳定。(6)在各种转速下,能输出相同的功率,为恒功率调速。,三种调速方法的比较,一台并励电动机，其额定数据如下：PN=25kW,UN=110V,=86%,nN=1200 r/min,Ra=0.04,Rf=27.5，试求：（1）额定电流、额定励磁电流、额定电枢电流；（2）额定转矩；（3）感应电动势。,解：（1）额定功率PN就是指输出的机械功率P2，输入电功率为,（2）,（3）感应电动势,一台并励电动机，其额定数据如下：PN=7.5kW,UN=220V,IN=42.61A,nN=1500r/min,Ra=0.1014,Rf=46.5，试求：（1
18、）、电枢电流、输出转矩T2；（2）感应电动势。,解：（1）,（2）,4、串励电动机的机械特性,（1）空载时,转速很高，不允许空载启动和空载运行。（2）T=KI2，启动和过载能力较强。主要用于地铁、电车、电梯等牵引设备中。,三、直流电动机的反转,改变转向的方法：1、电枢电流不变，改变励磁电流的方向,即改变主磁通的方向；,反转：就是改变电动机的转动方向。,2、励磁电流的方向不变,改变电枢电流Ia的方向。,由于励磁绕组的匝数多，电感大，电磁惯性较大，为了实现电动机高效、快速地反转，往往采用电枢反接的方法。,四、他励直流电动机的制动,为了使电动机在停车时能迅速停止，需要对电动机进行制动。,制动过程的要
19、求：制动过程要有足够大的转矩；制动电流不应大于额定电流的2-2.5倍;不要造成明显的机械冲击；制动时间尽可能短。,制动方法：图(b)所示。这时他励直流电动机由于转子惯性的作用，电动机仍按原来的方向旋转。由于磁通方向不变，因此产生的电枢绕组中产生感应电动势Ea方向也不变，电动机此时作发电机运行，电枢电流方向及其产生的电磁转矩的方向都改变了，使电磁转矩的方向与旋转方向相反，成为制动转矩。电动机由自身惯性和生产机械的作用而驱动发电，把电动机储存的动能和生产机械转换为电能，再消耗到Rb上。,1、能耗制动,（a）电动状态（b）能耗制动状态,能耗制动适用于要求迅速停车的场合。,2、反接制动,需接入制动电阻Rz,反接制动适用于要求迅速反转的场合。,本模块结束,
