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1、第8章 直流电动机,8.1 直流电机的构造,8.2 直流电机的基本工作原理,8.4 并励电动机的起动与反转,8.3 直流电动机的机械特性,8.5 并励(他励)电动机的调速,8.5 并励(他励)电动机的制动,第8章 直流电动机,1.了解直流电动机的基本构造和工作原理。2.掌握他励(并励)和串励直流电动机的电 压与电流的关系式,接线图、机械特性。3.掌握他励(并励)和串励直流电动机的起 动、反转和调速、制动的基本原理和基本方法。,本章要求,8.1 直流电机的构造,直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂,维修也不便,但由于它的调速性能较好和起动转矩较大,因此,对调速要求较高的生产机械或者需要较大
2、起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。,直流电机的优点:,(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。,应用:,轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。,8.1.1 直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。,2.转子(电枢)由铁心、绕组(线圈)、换向器组成。,1.磁极,励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通,称 为励磁。,用来在电机中产生磁场。,1.他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供
3、电。,8.1.2 直流电机的分类,直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2.并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联,由一个直流电源供电。,4.复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并,接在同一电源上。,3.串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,8.2 直流电机的基本工作原理,8.2 直流电机的基本工作原理,直流电从两电刷之间通入电枢绕组,电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接,无论线圈怎样转动,总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。,电刷,换向片,换向器作用:将外
4、部直流电转换成内部的交流电,以保持转矩方向不变。,线圈在磁场中旋转,将在线圈中产生感应电动势。由右手定则,感应电动势的方向与电流的方向相反。,1.电枢感应电动势,E=EK n,由图可知,电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反,所以称反电势。,式中:U 外加电压 Ra 绕组电阻,2.电枢回路电压平衡式,3.电磁转矩,单位:(韦伯),Ia(安),T(牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用,产生电磁力和电磁转矩,直流电机的电磁转矩公式为,4.转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时,电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡,即
5、,T=KT Ia,当电动机轴上的机械负载发生变化时,通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化,电磁转矩将自动调整,以适应负载的变化,保持新的平衡。,转矩平衡过程,例:,设外加电枢电压 U 一定,T=T2(平衡),此时,若T2突然增加,则调整过程为,达到新的平衡点(Ia、P入)。,T2,n,Ia,T,E,8.3 直流电动机的运行特性,直流电动机在正常运行时,虽然电源电压U和励磁电阻保持不变,但随着励磁方式不同,电动机的转矩、转速和机械特性有很大的区别。,一、并励电动机,1.转矩特性,由图可求得,由上分析可知:,当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变,即=常数。则,T=KT
6、Ia=KT Ia,即:并励电动机的磁通=常数,转矩与电枢电流成正比。,n,0,T,Ia,2.转速特性,8.3 直流电动机的运行特性,由以下公式,求得,n,0,T,Ia,式中:,8.3 直流电动机的机械特性,求得,3.机械特性,式中:,n=f(T)特性曲线,并励电动机在负载变化时,转速 n 的变化不大硬机械特性(自然特性)。,动画,nN很小,大约为3%8%,8.3 直流电动机的运行特性,二、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
7、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%,8.3 直流电动机的机械特性,求得,3.机械特性,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。,8.3 直流电动机的运行特性,三、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
8、通不会趋近于零,所以空载或轻载时,仍能正常运行。,例:有一并励电动机,其额定数据如下:P=22KW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.84,并已知Rf=27.5,Ra=0.04,试求:(1)额定电流I,额定 电枢电流Ia及额定励磁电流If;(2)损耗功率PaCu,及PO;(3)额定转矩T;(4)反电动势E。,解:(1)P2是输出功率,额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,(2)电枢电路铜损,励磁电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,(3)额定转矩,(4)反电动势,8.4 并励电动机的人为机械特性,1.电枢回路串联电阻R,根据,2.降低电枢电压U,3.减弱磁通,例:有
9、一他励电动机,其额定数据如下:P=22KW,UN=220V,nN=1500r/min,IN=115A Ra=0.125,试求:(1)电枢回路串联电阻R=0.75(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.8 的人为机械特性,解:根据额定数据可得,例:有一他励电动机,其额定数据如下:P=22KW,UN=220V,nN=1500r/min,IN=115A Ra=0.125,试求:(1)电枢回路串联电阻R=0.75(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱为=0.8 的人为机械特性,解:根据额定数据可得,(1)当R=0.75,T=TN时,,(2)电枢电压降低为U=150V(3)磁通减弱
10、为=0.8 的人为机械特性,(2)当电枢电压降低为U=150V,T=TN时,(3)磁通减弱为=0.8,T=TN时,8.5 并励电动机的起动与反转,起动,直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器;,起动时,n=0,1.起动问题:,(1)起动电流大,(2)起动转矩大,起动时,起动转矩为(1020)TN,造成机械冲击,使传动机构遭受损坏。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,2.起动方法,(1)电枢串电阻起动法,在满磁下将Rst置最大处,逐渐减小Rst使n升高。,n,n0,T,电阻增大,TL,T2,T1,此启动方法,启动设备简单,操作方便,但
11、启动能耗大。,3.注意事项,(2)降压起动法:,直流电动机在起动和工作时,励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则,磁路中只有很少的剩磁,可能产生事故:,目前基本采用可控硅整流电源作为调压电源。此启动方法,启动电流小,启动平稳,启动能耗小。,(1)如果电动机是静止的,由于转矩太小(T=KT Ia),电机将不能起动,这时反电动势为零,电枢电流很大,电枢绕组有被烧坏的危险。,(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路,反电动势E立即减小而使电枢电流增大,同时由于所产生的转矩不满足负载的需要,电动机必将减速而停转,更加促使电枢电流的增大,以至烧毁电枢绕组和换向器。,(3)如果电机在空
12、载运行,可能造成飞车,使电机遭受严重的机械损伤,而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。,2.反转,电磁转矩:T=KT Ia,(1)改变励磁电流的方向。(2)改变电枢电流的方向。,注意:改变转动方向时,励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,改变直流电机转向的方法有两种:,8.6 并励(他励)电动机的调速,并励(他励)电动机与异步电动机相比,虽然结构复杂,价格高,维护也不方便,但在调速性能上由其独特的优点。,1.调速均匀平滑,可以无级调速 2.调速范围大,调速比可达D=810 以上 3.调速静差率小。,主要优点:,由转速公式:,可见直流电机调速方法有三种。,8.6.1 弱磁调速,保持电枢电压U不变,
13、减小励磁电流If(调Rf)以减小磁通。,由式,TL,T,n,O,动画,调速过程:,直至T=TC达到新的平衡。,在高于n的转速下运行,弱磁调速时,减小,但Ia保持不变,所以转矩随调速的升高而下降,而允许输出的功率恒定。所以属于恒功率调速,且转速n 只能上调。,(1)调速平滑,可得到无级调速;但只能向上调,受 机械本身强度所限,n不能太高。(2)调速设备简单,经济,电流小,便于控制。(3)机械特性较硬,稳定性较好。(4)对专门生产的调磁电动机,其D可达,一般D=2,减小 调速的特点:,8.6.2 降压调速,由转速公式知:调电压U,n0变化,但斜率不变,所以调速特性是一组平行曲线。,特性曲线,改变电
14、压调速的特点:,(1)工作时电压不允许超过UN,而n U,所以调速 只能向下调。,(2)机械特性较硬,并且电压降低后硬度不变,稳 定性好。,(4)均匀调节电枢电压,可得到平滑无级调速。,(5)调速范围较大。一般D=810,调速过程:,保持If 为额定,减小电枢电压。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备,投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁,以改变它的转速。,(3)属于恒转矩调速。,8.6.3 电枢回路串电阻调速,电枢回路串电阻调速时,和Ia保持不变,所以属恒转矩调速而允许输出的功率随转速下降。且转速n 只能下调。,特点:(1)设备简单,操作方便。,(2)机械
15、特性软,稳定性差。,(4)能量损耗大,只用于小型直流机。,TL,(3)调速范围较小,一般D=22.5,例:有一他励电动机,已知U=220V,Ia=53.8A,n=1500r/min Ra=0.7。今将电枢电压降低一 半,而负载转矩不变,问转速降低多少?,解:由T=KT Ia可知,在保持负载转矩和励磁电 流不变的条件下,电流也保持不变。,电压降低后的转速n对原来的转速n之比为,例:有一他励电动机,已知:Ia=68.5A,PN=13KW nN=1500r/min Ra=0.225。UN=220V,(1)采用电枢串电阻调速,使n=1000r/min,应串入多大的电阻?,(2)采用降压调速,使n=10
16、00r/min,电源电压应降为多少?,(3)采用弱磁调速,=0.85N,电动机的转速为多少?能否长期运行?,(4)如要求静差率30%,分别采用(1),(2)种调速方法能达到的调速范围有多大?,(1)采用电枢串电阻调速时,当=N,T=TN时Ia=68.5A,根据,(2)降压调速时,当=N,T=TN时Ia=68.5A,根据,(2)弱磁调速时,当=0.85N,T=TN时,根据,电动机不能长期运行,(4)额定条件下,固有特性,根据,额定负载允许的转速降为,允许的最低转速为,调速范围为:,允许的最低转速为,调速范围为:,8.7 他励直流电动机的制动,7.7.1 能耗制动,制动方法,能耗制动反接制动发电反
17、馈制动,能耗制动时,电动机励磁电流不变,电枢电压U=0,因为电枢电流方向改变,所以电磁转矩方向也改变,为制动转矩。,8.7 他励直流电动机的制动,7.7.1 能耗制动,此时机械特性方程为,可见T=0 时,n=0;T0时,n0;所以,机械特性应在二、四象限,并通过原点。,n,制动过程:,能耗制动特点:,(1)设备简单,运行可靠,且不需从电网输入电能。,(2)能准确停车。,(3)低速时制动效果较差。,8.7.2 反接制动,1.电枢电压反接制动,此时电枢电流,由,变为,同样因为电枢电流方向改变,所以电磁转矩方向也改变,为制动转矩。,此时机械特性方程为,-n0,制动过程:,反接制动特点:,-U,Ia
18、反向,T 反向为制动转矩,C点时,n=0,n,T,(1)设备简单,制动转矩大,常用于反抗性负载的快速停车和快速反向运行。,(2)能量损耗大,8.7.2 反接制动,2.倒拉反转反接制动:只能适用于电动机拖动位能性负载,实现匀速下放重物。,此时机械特性方程为,当K闭合时,电动机为正向电动运行(提升重物)为使重物下放,断开K,,此时n反向为负值,E也为负值,所以电枢电流方向不变,所以电磁转矩方向也不变,但与n的方向相反,为制动转矩。,电枢电流,在电枢串入较大的电阻,使(n=0时的电磁转矩T)小于负载转矩TL,这样在位能负载转矩TL的作用下,时电动机反转(n为负,下放重物)。一直到D点稳定运行,8.7
19、.3 回馈制动,当位能性负载快速下放物体时,当nn0时,使EU,由原来的电动状态转为发电状态。,电枢电流,同样电枢电流方向改变,所以电磁转矩方向也改变,为制动转矩。,因为此时P1=UIa0,将位能转换为电能回馈电网,称回馈制动。,8.8 串励电动机的启动、调速及制动,启动,串励电动机的启动方法与他励电动机一样,采用电枢串电阻和降压启动。,串励电动机的调速方法与他励电动机一样,采用电枢串电阻和降压启动和弱磁调速。其原理与他励电动机相同。,调速,制动,串励电动机由于理想空载转速无穷大,所以没有回馈制动运行状态,只能进行能耗和反接制动。,1.额定功率PN:电机轴上输出的机械功率。,2.额定电压UN:
20、额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。(例:110V,220V,440V),3.额定电流IN:额定电压下轴上输出额定功 率时的电流(并励包括励磁和电枢电流)。三者关系:PN=UNIN(:效率),4.额定转速nN:在PN,UN,IN 时的转速。直流电机的转速一般在500r/min 以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低(如每分 钟几转)或很高(每分钟3000转以上)。,注意:调速时对于没有调速要求的电机,最大转速 不能超过1.2nN。,直流电动机的额定值,(3)恒功率负载(P 一定时,T和n 成反比),要选 软特性电机拖动。如:电气机车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1)恒转矩的生产机械(TL一定,和转速无关)要选 硬特性的电动机,如:金属加工、起重机械等。,(2)通风机械负载,机械负载 TL 和转速 n 的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。,直流电机有四个出线端,电枢绕组、励磁绕组各两个,可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。,8.5.4 电动机的连接,(1)绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,他励(并励)电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,(2)绕组的符号,(1)绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,