2008機電傳動控制第3章直流電機

1、1第3章 直流電機的工作原理及特性掌握直流電機的電勢方程式，轉(zhuǎn)矩方程式和電壓平衡方程式； 掌握直流電動機的機械特性，特別是人工機械特性；掌握直流電動機起動，制動，調(diào)速的各種方法和應(yīng)用場所；了解用機械特性來分析直流電動機運行狀態(tài)的方法。2電動機有直流電動機和交流電動機兩大類，二者各有優(yōu)點：交流電動機結(jié)構(gòu)簡單，制造容易，維護方便，運行可靠，并且具有較好的調(diào)速性能，所以它在工業(yè)生產(chǎn)中獲得了非常廣泛的應(yīng)用。直流電動機比交流電動機要復雜的多，但它具有良好的起動性能和調(diào)速性能，因而在速度調(diào)節(jié)要求較高，正反轉(zhuǎn)和啟制動頻繁的生產(chǎn)機械上，仍廣泛采用直流電動機拖動。3 直流電機中能量轉(zhuǎn)換的方向是可逆的，用一臺電機

2、既可作發(fā)電機運行，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，也可作電動機運行，將電能轉(zhuǎn)換為機械能。 直流發(fā)電機主要作為直流電源。目前，由于晶閘管等整流設(shè)備的大量使用，直流發(fā)電機已逐步被取代，但從電源的質(zhì)量與可靠性來說，直流發(fā)電機仍有其優(yōu)點，所以直流發(fā)電機仍有其廣泛的應(yīng)用。43.1直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機是以導體在磁場中運動產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和載流導體在磁場中受力為基礎(chǔ)來實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的。為實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)矩，直流電機的結(jié)構(gòu)應(yīng)包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分（都有鐵心和線圈），定子用于建立磁場，并作為機械支撐；轉(zhuǎn)子（亦稱電樞）用以產(chǎn)生感應(yīng)電勢、電流，實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。51.直流電機的基本結(jié)構(gòu)1-機座 2-勵磁繞組 3-軸承

3、端蓋 4-換向器 5-搖環(huán)和刷握6-風扇 7-主磁極 8-電樞鐵心 9-電樞繞組 1定子部分主磁極換向極機座電刷裝置2轉(zhuǎn)子部分電樞鐵芯電樞繞組換向器 6直流電機的結(jié)構(gòu)圖剖面圖：電樞1；主磁極2；勵磁繞組3；換向極4；換向極繞組5；機座6電樞鐵心沖片換向器：V型套筒1；云母環(huán)2；換向片3；連接片4；72.直流電機的基本工作原理發(fā)電機電動機簡化為一對磁極,一個線圈81)感應(yīng)電勢E2.直流電機的基本方程式2)電磁轉(zhuǎn)矩T -一對磁極的磁通(Wb); n-電樞轉(zhuǎn)速(r/min); Ke -與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù).式中:E-電動勢(V); - 磁極的磁通(Wb); Ia-電樞電流(A); Kt-與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

4、.式中: T-電磁轉(zhuǎn)矩(Nm);3.電壓方程 U=E+IaRa93.2 直流發(fā)電機1.按激磁方法分類1)他激發(fā)電機: 發(fā)電機的激磁繞組由外電源供電.2)自激發(fā)電機: 發(fā)電機的激磁電流為電樞電流或電樞電流的一部分，它又分為:(1)并激發(fā)電機;(2)串激發(fā)電機;(3)復激發(fā)電機.1011下面分析他激和并激發(fā)電機的電路圖和外特性.1.他激發(fā)電機原理電路圖從空載到滿載電壓變化率5%-10%122.并激發(fā)電機原理電路圖并勵電動機建立電壓的三個條件：（1）發(fā)電機的磁極要有剩磁；（2）起始勵磁電流所產(chǎn)生的磁場的方向與剩磁磁場的方向相同； （3）空載特性曲線與直線有交點。思考：正轉(zhuǎn)時能自勵，翻轉(zhuǎn)時能否自勵？1

5、33.3直流電動機的機械特性1.他激和并激直流電動機的機械特性1)原理電路圖142)直流電動機機械特性方程式直流電動機電樞電壓平衡方程式 上式為直流電動機機械特性的一般表達式式中,Ra為電樞電阻，以代入得:由將Ia值再代入，得:15兩個關(guān)鍵點：理想空載點：（0，n0)額定運行點：（TN，nN)163)機械特性硬度在機械特性方程式中, no稱為理想空載轉(zhuǎn)速; n稱為轉(zhuǎn)速降落.機械特性硬度是衡量機械特性平直程度的。 絕對硬特性 如交流同步電動機的機械特性10 硬特性 如直流他激電動機和異步電動機的機械特性10 軟特性 如直流串激電動機的機械特性174.固有(自然)機械特性和人工機械特性1)他激直流

6、電動機的自然機械特性(正轉(zhuǎn))在額定電壓,額定磁通,電樞電路內(nèi)不外接電阻時的機械特性即為自然機械特性.額定負載時,轉(zhuǎn)速降落不多,是硬特性;金屬切削機床,冷軋機,造紙機等宜于選用硬特性的電動機.182)自然機械特性曲線的作法已知電動機的PN,UN,IN,nN,由公式可計算出Ra,KeN, n0,TN,找出兩個點,即理想空載點(o,no)和額定運行點(TN,nN),通過這兩點作出自然機械特性.(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉(zhuǎn)速no計算:(3)額定轉(zhuǎn)矩TN的計算:193)舉例(1)一臺Z2-51型直流他激電動機,已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉(zhuǎn)速1500r/m

7、in,忽略損耗,求自然機械特性.解:只要求出理想空載點和額定運行點,就可繪出機械特性. =0.71=0.132=1667r/min=35Nm204)電動機人工機械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機械特性在自然機械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人工機械特性方程式:附加電阻Rad越大,機械特性越軟.21(2)改變電樞電壓的人工機械特性U改變,但轉(zhuǎn)速降不變.因此,變電樞電壓的人工機械特性是一簇與自然機械特性平行的特性曲線.只允許在額定電壓以下調(diào)節(jié).在后面的自動調(diào)速系統(tǒng)學習中有廣泛的應(yīng)用. 隨U的變化而變化22(3)改變磁通的人工機械特性從機械特性方程可知,改變

8、磁通時,電動機的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會隨磁通的變化而變化.磁通只能在額定值以下調(diào)節(jié),理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要增大-弱磁增速.使用中,要防止電動機過載,更要防止飛車,因此,直流他激電動機設(shè)有失磁保護.232.串激直流電動機的機械特性1)特點:電樞電流就是激磁電流.2)機械特性分析: 第一段,電動機輕載時,機械特性具有雙曲線的形狀,理想空載轉(zhuǎn)速趨近無窮大. 第二段,電動機負載較重時,磁路趨于飽和,機械特性近似一條直線.3)注意事項: 直流串激電動機不允許空載運行-飛車事故. 243.4 直流他激電動機的起動特性直流他激電動機的起動電流是額定電流的(10-20)倍,不允許直接起動.限制其起動電

9、流的方法有兩種.1.降壓起動: 組成SCR-M自動調(diào)速系統(tǒng)的起動環(huán)節(jié).是后面學習的一個重點.2.電樞電路串外接電阻起動 右圖為具有三段起動電阻的他激電動機電路原理圖和起動特性, 253.5 直流他激電動機的調(diào)速特性由直流他激電動機人工機械特性方程式可知，電動機有3種調(diào)速方法： 1.變電樞電路外接電阻Rad; 2.變電樞電壓U; 3.變磁通。261.改變電樞電路外接電阻調(diào)速電動機電樞電路串電阻后,其人工機械特性如右圖示.1)應(yīng)用: 起重機,卷揚機;2)缺點:機械特性軟,實現(xiàn)無級調(diào)速困難;3)注意:串電阻調(diào)速與起動特性相似,但起動電阻與調(diào)速電阻不同. 272.改變電動機電樞供電電壓調(diào)速變電樞電壓調(diào)

10、速的機械特性如右圖.1)特點:容易實現(xiàn)無級調(diào)速;機械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動設(shè)備.2)應(yīng)用：適用于恒轉(zhuǎn)矩負載,組成SCR-M系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用.第11章將重點學習.283.改變電動機主磁通調(diào)速變磁通調(diào)速的機械特性如右圖示.1)特點:可以實現(xiàn)無級調(diào)速;機械特性軟;調(diào)速范圍不大.2)應(yīng)用:適用于恒功率負載，一般與調(diào)壓配合使用.3)注意:在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)-弱磁增速.29例題例1:一臺直流他激電機的額定數(shù)據(jù)為：PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7歐;如果電動機在額定轉(zhuǎn)矩下運行,求(1)電動機的電樞電壓降到180V時,電動

11、機的轉(zhuǎn)速是多少?(2)激磁電流If=0.8IfN(即磁通為額定值的0.8時)時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少?(3)電樞電路串入2歐的附加電阻時,電動機的轉(zhuǎn)速是多少?解: (1)此時,U=180V,Ra=1.7歐30(2)此時,U=UN=220V,Ra=1.7歐(3)此時,U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.7(以上轉(zhuǎn)速單位為r/min)31例2.323334例3.一臺直流他勵電動機的銘牌數(shù)據(jù)如下：PN=11kW，UN=440V，IN=30A，nN=1500r/min，Ra=1.4，電動機在額定狀態(tài)下運行，試求當調(diào)節(jié)勵磁電阻使勵磁磁通減少10的瞬間，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與額

12、定轉(zhuǎn)矩之比？35解：（1）額定轉(zhuǎn)矩（2）磁通變化瞬間的電磁轉(zhuǎn)矩第一步，求額定狀態(tài)時由此可得出第二步，求變化瞬間由此可得出代入得出 ，二者相比得結(jié)果：1.9363.6 直流他激電動機的制動特性直流他激電動機的工作狀態(tài)分為電動狀態(tài)和制動狀態(tài),如右圖所示.圖中,(a)為電動狀態(tài); (b)為制動狀態(tài).1)特點:電動機的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反,電機處于發(fā)電工作狀態(tài).2)制動形式:穩(wěn)定的制動狀態(tài); 過渡的制動狀態(tài).3)制動方法有3種: 反饋制動; 反接制動; 能耗制動.371.反饋制動1)實現(xiàn)條件:外部作用使電動機的轉(zhuǎn)速n大于其理想空載轉(zhuǎn)速n0.如,電車下坡,起重機下放重物.2)機械特性:正轉(zhuǎn)時,是第一象

13、限的機械特性在第二象限內(nèi)的延伸,如右圖所示. 3)特點:(1)利用位能轉(zhuǎn)矩帶動電動機發(fā)電,將機械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時電動機的轉(zhuǎn)速仍高于理想空載轉(zhuǎn)速,運行不太安全.382.反接制動1)實現(xiàn)條件:電樞電壓或電樞電勢反向.2)分類:(1)電源反接制動.改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的制動.機械特性方程式為： 為了限制制動時比較大的電樞電流,實施電源反接制動時,一定要在電樞電路中串入限流電阻. 應(yīng)用在需要迅速減速或頻繁正反轉(zhuǎn)的機械上.39(2)倒拉反接制動.改變電樞電勢方向所產(chǎn)生的制動.如:起重機的重物下降時,電樞反轉(zhuǎn),電勢反向.此時,位能負載轉(zhuǎn)矩TL使重物下放,電動機轉(zhuǎn)矩TM反對重物下放-制動.特點:適當選擇電樞電路中的附加電阻,可以得到低的轉(zhuǎn)速,保證安全;