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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。,
