直流电机工作原理.ppt

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1、直流电机原理,电机概述,电机的定义 电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。将电能转换为机械能的电机称为电动机；将机械能转换为电能的电机称为发电机。工作原理 电磁感应定律、电磁力定律及电流的磁效应。,电机分类：,直流电机基本理论及结构,直流电机优缺点：优点：起动性能和调速性能好，过载能力大。缺点：存在电流换向问题，结构工艺复杂，使用有色金属多，价格昂贵，运行可靠性差。,直流电机发展形势：随着近年来电力电子学和微电子学的迅速发展，将逐步被交流调速电动机取代，直流发电机则正在被电力电子器件整流装置所取代。但在今后一个相当长的时期内，直流电机仍将在许多场合继续发挥作用。,直流

2、电机的可逆原理,直流电机,直流电机的可逆原理：一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行。,感应电动势“发电作用”电磁转矩“电动作用”,发电机：主电动势 反转矩 电动机：反电动势 主转矩,原动机 EaU 电负载,电源 EaU 机械负载,发电机,电动机,电机分交流电机和直流电机两种：,直流电机工作电压为直流；,交流电机工作电压为交流。,直流电机分直流电动机和直流发电机两种：,直流电动机将电能转换为机械能；,直流发电机将机械能转换为电能。,直流电机与交流电机的比较,交流电机较直流电机的结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠；,直流电机有交流电机不能比拟的启动和调速性能；,直流电机更适合于调速要

3、求高、正反转、启动和 制动频繁的场合；,直流电机即可作电动机使用，亦可作发电机使用；,交流电机的正反转和调速需借助于复杂的控制电路。,直流电机的基本工作原理,电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。,力的方向用左手定则确定：,若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=BLIF：力，N B：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，m I：导体中的电流，A,若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：E=BLVE：感应电势，V B：磁感应强度,Wb/m2或T(特斯拉)L:导体的有效长度，m V：导体的运动速度，m/s,感应电动势的方向用右手定则确定：,直

4、流电机的基本工作原理,(2)电磁感应定律：若导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。,直流电机的基本工作原理,(3)电流磁效应：通电的导体周围会产生磁场。,磁场的方向用右手螺旋定则确定：,直流电机基本工作原理,直流电机的物理模型如图所示。线圈在磁场中旋转，线圈的两条边分别与两个彼此绝缘而且与线圈同轴旋转的铜片连接，铜片上又各压着一个固定不动的电刷。,电刷,换向片,直流发电机原理,1.原动机提供机械转矩T1，带动线圈逆时针旋转，当换向片A接电刷A，换向片B接电刷B时,线圈感应电动势：A为高电位，B为低电位；电流：由A流出，由B流入；电磁转矩：方向顺时针；,2.原动机提供机械转矩T1，带动线圈逆时

5、针旋转，当换向片A接电刷B，换向片B接电刷A时,线圈感应电动势：B为高电位，A为低电位；电流：由B流出，由A流入；电磁转矩：方向顺时针；,结论：线圈内部电流 I 交变，感应电动势 Ea交变，但电刷电动势方向不变，电磁转矩T方向与T1相反。,直流电动机原理,1.电源正接换向片A，电源负接换向片B,电流：由A流进，由B流出；电磁转矩：方向逆时针；线圈感应电动势：A为高电位，B为低电位。,2.线圈逆时针旋转电源正接换向片B，电源负接换向片A,电流：由B流进，由A流出；电磁转矩：方向逆时针；线圈感应电动势：B为高电位，A为低电位。,结论：线圈内部电流 Ia交变，感应电动势 Ea交变，且与电流方向相反，

6、电磁转矩T方向不变。,发电机右手定则判定电流方向左手定则判定转矩方向,电动机左手定则判定T方向右手定则判定感应电动势 方向,电动机和发电机都有电磁转矩。,电枢电势的性质,直流发电机的工作原理图,直流电动机的工作原理图,直流发电机：电源电势(与电枢电流同方向)直流电动机：反电势(与电枢电流反方向),电磁转矩的性质,直流发电机的工作原理图,直流电动机的工作原理图,发电机制动转矩(与转速方向相反)电动机驱动转矩(与转速方向相同),（产生励 磁磁场）,（产生电动势，流过电 流，产生电磁转矩）,1、结构,直流电机,永磁直流电动机,直流电机整体结构图,励磁绕组和串换向极后的电枢绕组出线,定子机座,换向极铁

7、心,换向极绕组,主磁极铁心,主磁极绕组（励磁绕组）,换向极绕组与励磁的串联接线,直流电机定子,轴,端盖,电枢铁心,电枢绕组和槽碶,电枢绕组端部,换向器,轴承,直流电机的转子,换向器,电枢铁心 电枢绕组,电枢铁心冲片(0.5mm厚)（硅钢片）,涂绝缘漆冲片叠压而成,轴向通风孔,直流电枢的铁心模型,2.主磁极 在 主磁极铁心 上固定 励磁绕组，产生磁场并使电枢表面的气隙磁密按一定形状在空间分布。主磁极铁心是由11.5mm的 低碳钢板 叠成。,极身,极靴,机座,主磁极,励磁绕组,3.换向极 一般用于1kW以上的直流电机中，位置在两主极之间，帮助电枢换向并消除或减弱电枢反应。换向极铁心用整块钢或钢板绝

8、缘后叠装而成，换向绕组一般由粗的扁铜线绕成，且与电枢绕组相串联。,主极,换向极,4.电刷装置电刷：由 石墨 做成的导电块；刷握（刷盒）；刷杆支臂；刷辫：将电动势或电流引出或引入电机，由细铜丝编成。,1.铭牌数据根据国家标准，直流电机的额定数据有：额定功率 PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 W 为量纲单位。若大于 1kW 或 1MW 时,则用 kW 或 MW 表示。对于直流发电机，PN是指发电机带额定负载时，电刷输出的功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。PNUNIN 对于直流电动机，PN是指电动机带额定负载时，转轴上输出的机械功率，所以公式中还应有效率N存在。PNUN

9、INN(N额定效率）,电机的铭牌,额定电压 UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为量纲单位。额定电流 IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为量纲单位。额定转速 nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。额定励磁电流 If指电机在额定状态时的励磁电流值。,电机的铭牌,电机的铭牌,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，其大小等于输出的额定机械功率除以转子额定角速度，即TN=PN/N=PN/(2nN/60)=9.55 PN/nN实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如果运行时电机的负载小

10、于额定容量，称为欠载运行；而电机的负载超过额定容量，称为过载运行。长期的欠载或过载都不好。,电机的铭牌,例题1-1：一台直流电动机其额定功率PN=160kW，额定电压UN=220V，额定效率N=90%，额定转速nN=1500r/min，求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额定转矩各是多少？,电机的铭牌,解：额定输入功率 P1=PN/N=160/0.9=177.8kW 额定电流 IN=PN/UN N=160*103/220*0.9=808.1A 额定转矩 TN=9.55 PN/nN=9.55*160*103/1500=1018.7N m,国产直流电机产品的型号：电机产品的型号一般用大写

11、印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。其中汉语拼音字母是根据电机的全名称选择有代表意义的汉字，再从该字的拼音中得到，例如，ZA112/21其中，Z直流电动机；A设计系列号；112中心高112mm 2极数；11号铁心Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电动机及调压发电机。Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动机系列；ZF是直流发电机系列。ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。,（3）额定电压（V）：在额定工作情况时，电机出线端的平均电压值，直流电机一般

12、不是很高。发电机：输出端额定电压电动机：输入端额定电压,（4）额定电流（A）：额定情况下的电枢电流。发电机：电动机：,（5）额定转速（r/min）（6）励磁方式和额定励磁电流（A）,他励、并励、串励、复励,（7）定额：分为连续、短时、间歇三种定额工作方式，未标注时即为连续定额工作方式，表示电机在额定情况下连续运行时，温升不致超过允许值。（8）绕组温升或绝缘等级：绝缘等级越高，其允许温升就高。,直流发电机,直流发电机通常按励磁方法分为：他励、并励、串励和复励。,其余三种 发电机的 励磁绕组中的 励磁电流均为 电枢电流或 电枢电流的 一部分故 称自励发电机。,直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式分为

13、四类：,1、他励电动机：励磁绕组 由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢 两端电压或电枢电流的 大小无关。,2、并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。,3、串励电动机：励磁绕组与电枢绕组串联连接，由外部电源一起供电。,4、复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电 枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组串联连接。,直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，广泛应用于对起动和调速性能要求高的场合,直流电动机按励磁方式可分为：他励、并励、串励和复励四种,直流发电机稳态运行的基本方程,发电机惯例,发电机外特性比较,他励直流发电机的运行特性,直流发电机基本方程式中的四个变量U、Ia(

14、负载电流)、If、n，固定其中两个，就可以得到发电机的一个运行特性。一般情况下，可以固定n为额定恒值。,直流电动机的工作特性,1、转速特性,直流电动机的工作特性是指其端电压 U=UN、电枢回路无外串电阻、励磁电流 If=IfN时，电动机转速 n、电磁转矩 Te和效率三者与输出功率 P2或电流 I2之间的关系。,电枢电流分别满足电枢回路方程和电磁转矩物理表达式：,电动机稳态运行时，转轴保持力矩平衡，即T=TL，若TL大小不变，则T为恒值，在磁通不变时，电枢电流 Ia 即为恒值。因此，电动机的稳态电枢电流是由TL和的大小决定的。,根据他励直流电动机稳态运行方程式可得：,当TL增大时，T增大，转速n

15、降低。,串励和复励直流电动机,介绍串励和复励直流电动机的特点。,串励电动机稳态运行方程式：,1.电流问题,(1)电枢电流 Ia、励磁电流 If 和电源电流 I 相同。,(2)励磁电流大，励磁绕组的导线粗，匝数少，Rf较小。,串励电动机,与并励直流电动机相比，串励电动机具有如下优点：,a.相同的T，串励电动机电枢电流变化量Ia小，即负载转矩变化时，电源供给的电流可以保持相对稳定的数值，波动较小。,b.对应允许的最大电枢电流 Iamax=(1.52.0)IaN，可以产生较大的电磁转矩，因此，串励电动机具有较大的起动转矩和过载能力。,2.电磁转矩问题,(1)电枢电流 Ia 较小时，磁路未饱和，Ia，

16、TIa2,(2)电枢电流 Ia 较大时，磁路饱和，=常数，TIa,3.转速问题,(1)T=0时，Ia=If=I=0，n0=U/(CE)很大，约为(56)nN,(2)T较小时，磁路未饱和，TIan迅速下降,(3)T较大时，磁路饱和，磁通增加缓慢甚至不再增加，因而随转矩的增加转速下降得缓慢，与他励直流电动机类似。,4.应用问题,(1)适用于负载转矩在较大范围内变化和要求有较大起动转矩及过载能力的生产机械，如起重机、电气机车等起重运输设备；(2)串励电动机不允许在空载和轻载下运行，不应采用诸如皮带轮等传动方式，以免皮带滑脱造成电动机空载。为安全起见，电动机与它所拖动的生产机械应采用直接耦合。,复励直

17、流电动机,他励,串励,复励,1.机械特性介于并励电动机和串励电动机之间。2.兼有并励和串励电动机的优点，即由于有并励绕组，它可以在空载和轻载下运行，由于有串励绕组，它的起动转矩和过载能力大。,他励直流电动机的机械特性,描述他励直流电动机电磁转矩 和转速 之间的关系。是研究电动机起动、调速、运行时的有效形式。,机械特性的一般表达式,机械特性的斜率,理想空载转速,固有机械特性,当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻 时的机械特性称为电动机的固有 机械特性。,固有机械特性的特点：,考虑电枢反应时,、是一条下斜直线，斜率为，其值很小，习惯上称为硬特性。当斜率 很大时称为软特性。

18、,2、理想空载转速点：,3、额定转速点：，额定转速降为，一般地说，约为，这是硬特性的数量体现。,6、固有机械特性位于三个象限之内，在第象限为正向电动运行，其它两个象限都为制动运行。其中，第象限为发电状态，第象限为起重机下放重物状态。,5、起动点：，电磁转距 称为起动转距，电枢电流 称为起动电流。直接起动时，起动电流很大，会影响换向，因此，直流电机（除微型）一般不允许直接起动。,【例题】一台他励直流电动机额定功率 PN=96kW，额定电压UN=440V，额定电流IN=250A，额定转速nN=500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.078。求：(1)理想空载转速n0；(2)固有特性的斜率。,解：

19、(1)电动机额定状态时,理想空载转速为,(2)固有机械特性斜率,【例题】一台他励直流电动机额定功率 PN=22kW，额定电压UN=220V，额定电流IN=115A，额定转速nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.1，忽略空载转矩T0，电动机拖动恒转矩负载TL=0.85TN运行，求稳定运行时电动机的转速、电枢电流及电动势。,解法一：电动机稳态运行,电动机带恒转矩负载，磁通恒定，则电枢电流,电枢电动势,电动机转速,解法二：求解电动机的CEN,理想空载转速,电动机带额定负载时的转速降落,电动机转速,负载为TL=0.85TN时的转速降落,人为机械特性,他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电

20、枢回路电阻 大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。,1.电枢回路串电阻的人为机械特性,特点：(1)理想空载转速 n0不变；(2)R越大，斜率 越大，硬度越小，称为特性曲线变软。,2.降低电枢电压的人为机械特性,特点：(1)斜率 不变，硬度不变，仍为硬特性；(2)理想空载转速 n0 随电压成比例下降。,3.减弱磁通的人为机械特性,特点：(1)斜率 增大，硬度减小，特性变软；(2)理想空载转速 n0 随磁通减小而增加。,【例题】一台他励直流电动机额定功率PN=7.5kW，UN=220V，IN=41A，nN=1500r/min，Ra=0.376，拖动恒转矩负载运行，若把磁通减小到=0.8N，不考

21、虑电枢电流过大的问题，计算下面情况下改变磁通前后电动机拖动负载稳定运行的转速各是多少？(1)当TL=0.5TN时；(2)当TL=TN时？,解：电动机额定状态运行,额定电磁转矩为,(1)当TL=0.5TN，=N时，电动机转速为,当TL=0.5TN，=0.8N时，电动机转速为,(2)当TL=TN，=N时，电动机转速为,当TL=TN，=0.8N时，电动机转速为,根据电机的铭牌数据估算机械特性,途径一：,确定机械特性上的两点(n0，0)和(nN，TN),途径二：,途径三：,【例题】一台他励直流电动机，PN=40kW，UaN=220V，IaN=210A，nN=750r/min。求：(1)固有特性；(2)

22、固有特性的斜率。,解：(1)忽略T0，则额定电磁转矩为,理想空载转速为,(2)电枢回路总电阻,固有特性斜率,【例题】一台他励直流电动机的铭牌数据为：额定功率 PN=50kW，额定电压UaN=220V，额定电流IaN=250A，额定转速nN=1150r/min。试计算其固有机械特性。,解：(1)估算额定电枢电动势，根据额定容量知道，这台电动机属于中等容量电机，则取,(2)计算CEN,(3)计算额定理想空载转速,(4)计算额定电磁转矩,于是可得固有机械特性上的两点(1208.8，0)和(1150，434.5),例：一台他励直流电动机的铭牌数据为：试计算其固有机械特性。,直流电机的换向,一、直流电机

23、换向的定义,换向是指旋转着的电枢绕组元件 从一条支路进入另一条支路 时，在被电刷短接的过程中，元件内电流方向所发生的变化。元件从开始换向到换向结束所用的时间称为换向周期，通常为12ms的时间，甚至更短。,二、换向问题的重要性,换向过程复杂，它不仅是电磁 的变化过程，同时还受到机械、化学、电离等各种因素的影响；电流换向时，通常在换向结束时瞬间出现火花，换向不良时将会出现强烈的火花，引起换向器表面和电刷的损坏，从而使电机不能继续运行。,三、火花产生的原因,主要是电磁原因：在换向过程中，电流的变化会使元件本身产生自感电动势；同时换向的元件间有互感电动势；换向元件切割磁力线产生切割电动势；等等。若合成

24、电动势不为零，则换向快结束时需要将多余的能量释放，因此会出现火花。,四、改善换向的措施,在主极之间加换向极（或主极上加装补偿绕组）。换向极磁通势 与电枢磁通势 方向相反，且数值上略大于电枢反应磁通势。这样，换向极磁通势可以抵消 电枢反应磁通势，剩余的磁通势在换向元件里产生感应电动势，抵消 换向元件由于换向产生的电动势，就可以消除电刷下的火花。,(5)电枢导条中的电流是交变的；(6)电机的磁场在大小和空间分布上是不变的，而主磁极与磁场无相对运动，因此主磁极中的磁通是不变的；(7)电机的磁场在大小和空间分布上虽然不变，但电枢旋转与磁场有相对运动，因此电枢铁心中的磁通交变。,他励直流电动机运行,他励

25、直流电动机的起动,除微型直流电机，一般直流电机都不允许直接起动。,电动机拖动负载起动的一般条件：,起动时一般要求：1、起动转矩较大及起动后转速不致过高，避免过大的机械冲击；2、电流冲击不要太大，以免对电源或电机本身造成损害；3、起动过程中损耗的能量少；4、设备简单，易于控制。,电枢回路串电阻起动,电枢回路串电阻起动的特点：,电路构成简单；起动过程电阻会消耗能量，不适用于经常起动的大中型直流电机。,降电压起动,降电压起动的特点:,起动时没有附加损耗，可以将电压连续调节；要求电源可以连续调节，电路结构较复杂。但目前直流电机的电源都为可调电源，一般都是降电压起动多于串电阻起动。,【例题8.9】Z2-

26、71他励直流电动机额定数据为：PN=17kW，UN=220V，IN=90A，nN=1500r/min，Ra=0.147，计算：(1)直接起动时的起动电流；(2)拖动额定负载起动，若采用电枢回路串电阻启动，应串入多大电阻；若降压启动，电压应降至多少？(以顺利起动为条件),解：(1)直接起动电流,(2)若要顺利起动，则令IS=2IN，则TS=2TN，电枢回路串电阻,降电压起动电源电压,他励直流电动机的调速方法,通过改变传动机构速比的调速方法为机械调速，通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法为电气调速。由他励直流电动机的机械特性可以看出：可以通过三种方法对电机进行电气调速电枢回路串电阻调速、

27、降电压调速、减弱磁通调速。,一、电枢回路串电阻调速,固有机械特性,基速,从基速向下调速；机械特性会变软；有级调速。,二、降电压调速,从基速向下调；机械特性硬度不变；无级调速。,三、弱磁调速,从基速向上调速；机械特性会变软；无级调速。,【例题】一台他励电动机，PN=4kW，UaN=160V，IaN=34.4A，nN=1450r/min，用它拖动通风机负载在额定状态运行。现采用改变电枢电路电阻调速。试问要使转速降低至1200r/min，需在电枢电路串联多大的电阻Rr？,解：忽略空载损耗P0，则额定运行时电枢电动势,电枢回路总电阻,通风机负载转矩与转速平方成正比，在磁通不变的情况下，电枢电流与电磁转

28、矩成正比，则转速为1200r/min时的电枢电流为：,根据调速点处电枢回路方程,得外串电阻为,【例题】一台他励电动机，PN=4kW，UaN=160V，IaN=34.4A，nN=1450r/min，用它拖动恒转矩负载运行，负载转矩为电动机的额定值。现采用改变电枢电压调速，试问要使转速降低至1000r/min，电枢电压应降为多少？,解：忽略空载损耗P0，则额定运行时电枢电动势,电枢回路总电阻,电动机拖动额定恒转矩负载，因此各调速点电枢电流都为额定电流，则转速为1000r/min时，根据电枢回路方程：,【例题】一台他励电动机，PN=22kW，UaN=220V，IaN=115A，nN=1500r/mi

29、n，Ra=0.1，忽略空载转矩T0，电动机带额定恒转矩负载运行，要求把转速降到1000r/min，计算：(1)采用电枢串电阻调速需串入的电阻值；(2)采用降低电源电压调速需要把电源电压降到多少？(3)上述两种调速情况下，电动机的输入功率与输出功率(输入功率不计励磁回路的功率)。,解：(1)电动机额定状态运行,(2)采用降低电源电压调速，电枢电压为,(3)电枢回路串电阻调速，输入功率,忽略空载转矩，输出功率,电枢回路串电阻调速，所串电阻,降低电源电压调速，输入功率,输出功率与电枢回路串电阻调速相同。,【例题】一台他励直流电动机额定功率PN=7.5kW，UN=220V，IN=41A，nN=1500

30、r/min，Ra=0.376，拖动恒转矩负载运行，TL=TN，把电源电压降到150V，问：(1)电源电压降低了但电动机转速还来不及变化的瞬间，电动机的电枢电流及电磁转矩各是多大？电力拖动系统的动转矩是多大？(2)稳定运行转速是多少？,解：(1)电动机额定状态运行,在电源电压降低瞬间电枢电流,则电磁转矩为,额定电磁转矩为,动转矩为,(2)电动机稳定运行转速为,调速的性能指标,1 调速范围D,电动机在额定负载下，最大转速 nmax 与最小转速 nmin 之比，对负载很轻的生产机械，可用实际负载下的最高与最低转速来计算,调速的性能指标,1 调速范围D,不同生产机械要求的调速范围,调速的性能指标,2

31、静差率,相对稳定性的程度用静差率 来表示，是电动机在同一条机械特性上额定负载时转速降落n与该机械特性的理想空载转速N0之比。表明负载变化引起转速变化的大小程度，静差率与调速范围是互相联系的两项指标，系统可能达到最低速 nmin 决定于低速特性的静差率调速范围 D 与低速静差率 间的关系。,0,TeN,Te,n0a,n0b,a,b,nNa,nNb,n,O,不同转速下的静差率,静差率与机械特性硬度的区别,然而静差率和机械特性硬度又是有区别的。一般调压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的。对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。,调速的性能指标,例如：在1

32、000r/min时降落10r/min，只占1%；在100r/min时同样降落10r/min，就占10%；如果在只有10r/min时，再降落10r/min，就占100%，这时电动机已经停止转动，转速全部降落完了。因此，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。,静差率与机械特性硬度的区别,调速的性能指标,调速的性能指标,设：电机额定转速nN为最高转速，转速降落为nN，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即,调速范围、静差率和额定速降之间的关系,表示调压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足

33、的关系。对于同一个调速系统，nN 值一定，由式可见，如果对静差率要求越严，即要求 s 值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。,调速的性能指标,结论 一个调速系统的调速范围，是指在最低速时还能满足所需静差率的转速可调范围。,例题3-1 某直流调速系统电动机额定转速为，额定速降 nN=115r/min，当要求静差率s30%时，允许多大的调速范围？如果要求静差率s 20%，则调速范围是多少？如果希望调速范围达到10，所能满足的静差率是多少？,调速的性能指标,解 要求s 30%时，调速范围为 若要求s 20%，则调速范围只有若调速范围达到10，则静差率只能是,调速的性能指标,调速的性能指标,3 调速

34、的平滑性,调速的级数愈多则认为调速愈平滑，用平滑系数，即相邻两级转速后线速度之比来衡量,j=1 时称为无级调速，此时转速连续可调。,调速的性能指标,4 调速时的容许输出,调速运行中在额定电流状态下，电动机轴上输出转矩与输出功率。,1）恒转矩调速方式,2）恒功率调速方式,调速的性能指标,4 调速时的容许输出,3）恒转矩调速的配合,恒转矩负载时，按,电动机在D范围内任何n下都可带额定负载。,恒功率负载时,仍须按D的,D范围内任何n下实际需要输出功率,若选择调压调速，电动机须按 选择。,选择电动机，造成浪费，,调速的性能指标,4 调速时的容许输出,4）恒功率调速的配合,电动机在D范围内任何n下都可带

35、额定负载。,恒转矩负载时，按,恒功率负载时,电动机工作在nmin时，电动机的功率比负载大D倍。,调速的性能指标,5 调速的经济性,1)设备投资2)运行费用运行费用决定于调速过程的损耗，用效率h来说明,调速的性能指标,调速性能比较,一、调速方式,“调速方式”问题讨论一种具体的调速方法是否与负载相匹配 的问题，以便在调速过程中，电动机都能得到充分的应用。,电动机在长期运行的条件下，电枢电流规定的上限值就是电枢额定电流。充分利用电动机，就是让它工作在电枢电流为额定值的情况下。,恒转矩调速方式,在某种调速方法中，保持电枢电流为额定值不变，若电动机电磁转矩恒定不变，则称这种调速方法属于恒转矩调速方式。电

36、枢回路串电阻和降电压的调速方法属于恒转矩的调速方式。恒转矩调速方式与恒转矩负载相匹配。,电枢回路串电阻调速,固有机械特性,降电压调速,恒功率调速方式：,在某种调速方法中，保持电枢电流为额定值不变，若电动机电磁功率恒定不变，则称这种调速方法属于恒功率调速方式。弱磁升速属于恒功率调速方式。恒功率调速方式与恒功率负载相匹配。,弱磁升速,匹配问题：,恒功率调速方式与恒功率负载相匹配；恒转矩调速方式与恒转矩负载相匹配。泵类负载无论采用哪种调速方法都不能达到匹配。,【例题】某台Z2-71他励电动机，PN=17kW，UaN=220V，IaN=90A，nN=1500r/min，Ra=0.147。该电动机在额定

37、电压额定磁通时，拖动某负载运行时的转速1550r/min，当负载要求向下调速，最低转速nmin=600r/min，现采用降压调速方法，请计算下面两种情况下调速时电枢电流的变化范围：(1)该负载为恒转矩负载；(2)该负载为恒功率负载。,解：(1)电动机额定状态运行,带恒转矩负载，磁通不变，电枢电流不变，则当转速为600r/min时，电枢电流 Ia=43.61A,(2)带恒功率负载，转速为1550r/min时，电枢电流,带恒转矩负载，转速为1550r/min时，电枢电流为,转速为nmin=600r/min时，设电枢电流为Ia2，有,二、调速范围和静差率,调速范围是指电动机在额定负载转矩 调速时，其

38、最高转速与最低转速之比，用D表示。,注意：最高转速受电动机的换向及机械强度限制，最低转速受生产机械对转速相对稳定性要求（即静差率要求）的限制。,静差率 或称转速变化率，是指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。,注意：静差率越小，转速的相对稳定性越好，负载波动时，转速变化也越小。,(1)静差率与机械特性的硬度有关。硬度越大，静差率越小，稳定性越好；硬度越小，静差率越大，稳定性越差；,(2)静差率与理想空载转速n0有关，n0越大，静差率越小，稳定性越好；n0越小，静差率越大，稳定性越差。,调速范围和静差率之间的关系：,对于降低电压调速，有：,对于串电阻调速，有：,结论：,静差率与调速范围指标

39、相互制约。实际调速中，应在满足调速静差率要求的前提下，提高调速范围。,【例题】某台他励电动机，PN=60kW，UaN=220V，IaN=305A，nN=1000r/min，Ra=0.04。求下列情况下电动机的调速范围：(1)静差率30%，电枢串电阻调速；(2)静差率20%，电枢串电阻调速；(3)静差率20%，降低电源电压调速。,解：(1)电动机额定状态运行,理想空载转速,静差率30%，电枢串电阻调速，则有,得最低转速,调速范围,(2)静差率20%，电枢串电阻调速，最低转速,(3)静差率20%，降低电源电压调速，额定转速降落,最低转速对应的最低理想空载转速,最低转速,调速范围,调速范围,【例题】

40、Z2-62他励电动机，PN=13kW，UaN=220V，IN=68.7A，nN=1500r/min，Ra=0.224，电枢串电阻调速，要求=30%。求：(1)电动机带额定负载转矩时的最低转速；(2)调速范围；(3)电枢需串入的电阻最大值；(4)运行在最低速带额定负载转矩时，电动机的输入功率、输出功率(忽略T0)及外串电阻上的损耗。,解：(1)电动机额定状态运行,理想空载转速,满足静差率要求的最低转速为,(2)调速范围为,(3)电枢回路所串电阻为,(4)电动机的输入功率,电动机的输出功率(两种计算方法),外串电阻上的功率损耗,【例题】上题中的电动机，降低电源电压调速，要求=30%。求：(1)电动

41、机带额定负载转矩时的最低转速；(2)调速范围；(3)电源电压需要调到的最低值；(4)运行在最低速带额定负载转矩时，电动机的输入功率、输出功率(忽略空载损耗)。,解：(1)由上题可知CEN=0.1364，n0=1612.9r/min，则额定转速降落,最低转速对应的最低理想空载转速为,最低转速为,(2)调速范围为,(3)电源电压最低值为,(4)电动机的输入功率为,电动机的输出功率为,调速的平滑性,无级调速的平滑性最好；有级调速的平滑性用平滑系数表示：相临两极转速中，高一级转速与低一级转速之比。,四、调速的经济性,调速的经济性主要考虑调速设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等。电能的损耗

42、除了要考虑电动机本身的损耗外，还要考虑电源的效率。初投资应该考虑电动机和电源两方面。,三种调速方法调速性能的比较,他励直流电动机的电动与制动运行,本节具体分析他励直流电动机在各个象限内不同的运行状态。分析的方法是利用电枢回路方程及其机械特性。,他励直流电动机 拖动各种类型的负载运行时，若改变其电源电压、磁通及电枢回路所串电阻，工作点 就会分布在四个象限 之内。在 n-T 二维坐标系中，若 T 与 n 同方向（同正同负），则电动机运行在电动状态。若 T与 n反方向，则电动机运行在制动状态。,二.能耗制动,1.能耗制动电路图,电动机在电动运行时，将电枢与电源断开，串联一个制动电阻R2。,2.能耗制

43、动电枢回路方程及机械特性,3.能耗制动功率流向,负载机械能电枢绕组电能电枢回路总电阻热能,4.能耗制动停车电动机迅速停机,电动能耗制动：(1)机械特性，转速不能突变工作点ab；(2)Tb与n反向，起制动作用。T与TL共同作用，n沿机械特性减速，直到n=0，T=0，电动机停车；(3)能耗制动停车过程为b0。,5.能耗制动运行带位能性恒转矩负载下放重物,电动能耗制动：(1)机械特性，转速不能突变工作点ab；(2)Tb与n反向，起制动作用。T与TL共同作用，n减速，n=0，T=0；(3)T=0，TL0，电动机反向加速，T上升，直到T=TL电动机稳速运行在c点。(4)c点为能耗制动运行点。,【例题】一

44、台他励电动机，PN=22kW，UaN=440V，IaN=65.3A，nN=600r/min，Iamax=2IaN，T0忽略不计。试求：(1)拖动TL=0.8TN的反抗性恒转矩负载，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路至少应串联多大的制动电阻？(2)拖动TL=0.8TN的位能性恒转矩负载，采用能耗制动以300r/min的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电阻？,解：(1)忽略空载损耗P0，则额定运行时的电枢电动势,电枢回路总电阻,电机拖动TL=0.8TN恒转矩负载，由于磁通不变，则电枢电流Ia=0.8IaN，则电动运行点电枢电动势为,电动机能耗制动瞬间，转速不能突变，电枢电流最大值为Iamax

45、=2IaN，则外串电阻为,(2)下放位能性恒转矩负载TL=0.8TN，则Ia=0.8IaN，则外串电阻为,三.反接制动,1.电枢电压反向的反接制动迅速停机,(1)电枢电压反向的反接制动电路图,正常电动运行时，Z闭合，F断开；当在电动运行时，将Z断开，F闭合，则进入电压反向的反接制动。,(2)电枢回路方程及机械特性,(3)功率流向,负载机械能电枢绕组电能电源电枢绕组电能,电枢回路总电阻热能,若n=0时，不通过外力使转轴静止则：a.反抗性恒转矩负载TLTc时，电动机反向加速到d点稳定运行；b.位能性恒转矩负载，电动机反向加速到e点。,(4)反接制动停车过程,电动反接制动：a.机械特性，转速不能突变

46、工作点ab；b.Tb与n反向，起制动作用。T与TL共同作用，n减速直到n=0，即bc为停车过程。,2.电动势反向反接制动(倒拉反转)下放重物,(1)电动势反向反接制动电路图,当在电动运行提升重物时，电枢回路里串入大电阻，使电动势反向(转速n反向)，重物下放。,(2)电枢回路方程及机械特性,(3)功率流向,(4)反接制动运行下放重物,电动反接制动：a.机械特性，转速不能突变工作点ab；b.TbTL，n减速直到n=0，电动机反向加速，直到T=TL，即d点稳定运行。,【例题】一台他励电动机，PN=22kW，UaN=440V，IaN=65.3A，nN=600r/min，Iamax=2IaN，T0忽略不

47、计。试求：(1)拖动TL=0.8TN的反抗性恒转矩负载，采用反接制动迅速停机，电枢电路至少应串联多大的制动电阻？(2)拖动TL=0.8TN的位能性恒转矩负载，采用反接制动以300r/min的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电阻？,解：(1)忽略空载损耗P0，则额定运行时的电枢电动势,电枢回路总电阻,电机拖动TL=0.8TN恒转矩负载，由于磁通不变，则电枢电流Ia=0.8IaN，则电动运行点电枢电动势为,电动机反接制动瞬间，转速不能突变，电枢电流最大值为Iamax=2IaN，则外串电阻为,(2)下放位能性恒转矩负载TL=0.8TN，则Ia=0.8IaN，则外串电阻为,三.回馈制动,回馈制动

48、的特点：nn0，因而 EUa，电机处于发电状态。,1.正向回馈制动,(1)电车下坡过程的正向回馈制动运行,下坡时，TL反向，电动机转速沿机械特性加速，直到T也反向且与TL相等，即在b点稳定运行。,(2)调速过程的正向回馈制动过程,降低电源电压调速：工作点由abcd，其中bc中，转速nn02，处于正向回馈制动过程。,增强磁通调速：工作点由abcd，其中bc中，转速nn0，处于正向回馈制动过程。,2.反向回馈制动利用电源反接下放重物,反接制动带位能性恒转矩负载时，工作点由abcef，转速最终稳定在f点。其中 ef 中，转速nn0，处于反向回馈制动。,【例题】一台他励电动机，PN=22kW，UaN=

49、440V，IaN=65.3A，nN=600r/min，T0忽略不计。试求：不考虑最大电枢电流，采用反向回馈制动，使电动机以1000r/min下放重物时的制动电阻。,解：(1)忽略空载损耗P0，则额定运行时的电枢电动势,电枢回路总电阻,采用反向回馈制动，则转速为-1000r/min时，外串电阻为：,运动状态与机械特性象限分析：,反接制动,电动,能耗制动,反接制动,（3）他励直流电动机制动的分类,磁场反向,转速反向,1）能耗制动 2）回馈制动3）反接制动,他励直流电动机的能耗制动,电动状态,能耗制动状态,（1）能耗制动状态分析：,(电动机作用：将动能转变为电能，并消耗在电阻上）,（2）能耗制动时的

50、机械特性：,(假定正向仍按电动方向),（3）能耗制动的特点,1）制动减速平稳可靠；2）控制电路简单；3）便于实现准确停车，因转速为零时制动转矩也为零；4）制动过程与电源隔离，当电源断电时，可通过保护电路换接到制动状态进行安全停车；5）制动转矩随转矩下降而减小，制动效果比反接制动差，为克服此缺点，可采用分级能耗制动。,他励直流电动机回馈(再生)制动,(1)回馈制动状态分析：,电动机作用：将动能转变为电能，向电网馈送。,(2)回馈制动的三种情况,1）下放位能负载时的回馈制动运行,2）电车下坡的回馈制动运行,3）降压调速时的回馈制动,他励直流电动机的反接制动,(1)电源反接制动：,反接制动过程分析（