第9章直流電動(dòng)機(jī)

第９章直流電動(dòng)機(jī)（上）電工技術(shù)與電子技術(shù)返回教師：朱成杰第9章直流電動(dòng)機(jī)9.1直流電機(jī)的構(gòu)造9.2

直流電機(jī)的基本工作原理9.4

并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn)9.6串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)后一頁(yè)9.3

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性9.5

并勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)的調(diào)速返回第9章直流電動(dòng)機(jī)

本章要求：1、了解直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)造和工作原理2、掌握他勵(lì)（并勵(lì)）和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電壓與電流的關(guān)系式，接線圖、機(jī)械特性。3、搞清他勵(lì)（并勵(lì)）和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、反轉(zhuǎn)和調(diào)速的基本原理和基本方法。返回前一頁(yè)后一頁(yè)9.1直流電機(jī)的構(gòu)造與異步機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用和維護(hù)不如異步機(jī)方便，需使用直流電源。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：1）調(diào)速性能好:調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)節(jié)。2）起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，易于快速起動(dòng)、停車。3）易于控制。應(yīng)用：1）軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車、中大型龍門刨床等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。2）用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機(jī)等。返回前一頁(yè)后一頁(yè)一、構(gòu)造機(jī)座磁極勵(lì)磁繞組轉(zhuǎn)子勵(lì)磁式直流電動(dòng)機(jī)的構(gòu)造返回前一頁(yè)后一頁(yè)2.轉(zhuǎn)子（電樞）由鐵芯、繞組（線圈）、換向器組成。1.定子永磁式：由永久磁鐵做成。勵(lì)磁式：磁極上繞線圈，然后在線圈中通過直流電，形成電磁鐵。勵(lì)磁的定義：磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱為勵(lì)磁。直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和機(jī)座等部分構(gòu)成。返回前一頁(yè)后一頁(yè)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。二、直流電機(jī)的分類直流電機(jī)按照勵(lì)磁方式可分為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)M他勵(lì)UfIfIaUM并勵(lì)UIf返回前一頁(yè)后一頁(yè)跳轉(zhuǎn)二、直流電機(jī)的分類串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。串勵(lì)MU復(fù)勵(lì)MU返回前一頁(yè)后一頁(yè)9.2直流電機(jī)的基本工作原理U+–NS電刷換向片直流電源電刷換向器線圈II電流方向：上半邊向里，下半邊向外。如圖所示。abcd返回前一頁(yè)后一頁(yè)注意：換向片和電源固定聯(lián)接，線圈無(wú)論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。通電線圈在磁場(chǎng)的作用下，產(chǎn)生電磁力（左手定則），使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)。U+–NS電刷換向片IIadcbFFTn返回前一頁(yè)后一頁(yè)EE線圈在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。由右手定則，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電流的方向相反。U+–NS電刷換向片IIadcbFF單位：（韋伯），n（轉(zhuǎn)/每分），E（伏）KE：與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)n：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速：磁通1.電樞中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞反電動(dòng)勢(shì)E的大小和磁通、轉(zhuǎn)速成正比，若想改變E，只能改變或n返回前一頁(yè)后一頁(yè)2.電樞回路電壓平衡方程E與通入的電流方向相反，所以稱反電勢(shì)。式中：U—外加電壓

Ra—繞組電阻MRaIaE+–+–U若忽略繞組中的電阻Ra，則，可見，當(dāng)外加電壓一定時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速和磁通成反比，通過改變可調(diào)速。由公式可知返回前一頁(yè)后一頁(yè)KT：與線圈的結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（與線圈大小，磁極的對(duì)數(shù)等有關(guān)）:線圈所處位置的磁通Ia：電樞繞組中的電流3.電磁轉(zhuǎn)矩單位：（韋伯），Ia（安培），T（牛頓米）由轉(zhuǎn)矩公式可知：1)產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的條件：必須有勵(lì)磁磁通和電樞電流。2)改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)的方向：改變電樞電流的方向或者改變磁通的方向。返回前一頁(yè)后一頁(yè)4.轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)運(yùn)行時(shí)，必須和外加負(fù)載和空載損耗的阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即T2：負(fù)載轉(zhuǎn)矩T0

：空載轉(zhuǎn)矩

當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩T2發(fā)生變化時(shí)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢(shì)、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)整以實(shí)現(xiàn)新的平衡。轉(zhuǎn)矩平衡過程：返回前一頁(yè)后一頁(yè)例：設(shè)外加電樞電壓U一定，T=TC(平衡)，此時(shí)，若TC突然增加，則調(diào)整過程為：與原平衡點(diǎn)相比，新的平衡點(diǎn)：Ia

、P入TC

nIaT

達(dá)到新的平衡點(diǎn)。E返回前一頁(yè)后一頁(yè)9.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性一、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性令：，特點(diǎn)：電樞回路和勵(lì)磁回路分別由兩個(gè)電源供電。由前分析知：（他勵(lì)電動(dòng)機(jī)與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性相同）MUfIfIaU++－－返回前一頁(yè)后一頁(yè)式中：n=f(T)

特性曲線nNTNn0Tn0他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速n的變化不大?！矙C(jī)械特性（自然特性）。改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線動(dòng)畫動(dòng)畫返回前一頁(yè)后一頁(yè)分析：當(dāng)外加電樞電壓U一定，T=TC(平衡)，若TC突然增加，則調(diào)整過程為：TC

nIaT

達(dá)到新的平衡點(diǎn)。En、Ia

、P入當(dāng)TC分析可知：穩(wěn)態(tài)下電樞電流及轉(zhuǎn)速?zèng)Q定于負(fù)載轉(zhuǎn)矩的大小可見：返回前一頁(yè)后一頁(yè)9.4并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)與反轉(zhuǎn)一、起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)不允許在UN下直接起動(dòng)Iast太大會(huì)使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花，燒壞換向器。一般Iast限制在(2-2.5)IaN內(nèi)。若加入額定電壓，則起動(dòng)時(shí),n=01.原因：返回前一頁(yè)后一頁(yè)2.限制Iast的措施：3.注意事項(xiàng)1）起動(dòng)時(shí)在電樞回路串電阻。2）起動(dòng)時(shí)降低電樞電壓。直流電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)和工作時(shí)，勵(lì)磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且起動(dòng)時(shí)要滿勵(lì)磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生以下事故：返回前一頁(yè)后一頁(yè)1)若電動(dòng)機(jī)原本靜止，由于勵(lì)磁轉(zhuǎn)矩

T=KTIa=0，電機(jī)將不能起動(dòng)，因此，反電動(dòng)勢(shì)為零，電樞電流會(huì)很大，電樞繞組有被燒毀的危險(xiǎn)。2）如果電動(dòng)機(jī)在有載運(yùn)行時(shí)磁路突然斷開，

則E，Ia，T和，可能不滿足TL的要求，電動(dòng)機(jī)必將減速或停轉(zhuǎn)，使Ia更大，也很危險(xiǎn)。3）如果電機(jī)空載運(yùn)行，可能造成飛車。E

IaT>>

T0

n飛車返回前一頁(yè)后一頁(yè)二、反轉(zhuǎn)例：串勵(lì)的單相手電鉆，利用勵(lì)磁電流和電樞電流兩者的方向同時(shí)改變時(shí)而轉(zhuǎn)向不變的原理，采用特別的串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向由電磁力矩的方向確定。

1）改變勵(lì)磁電流的方向。2）改變電樞電流的方向。改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)向的方法：注意：改變轉(zhuǎn)動(dòng)方向時(shí)，勵(lì)磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時(shí)變。返回前一頁(yè)后一頁(yè)9.5并勵(lì)(他勵(lì))電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與異步電動(dòng)機(jī)相比，直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格高，維護(hù)不方便，但它的最大優(yōu)點(diǎn)是調(diào)速性能好。1.調(diào)速均勻平滑，可以無(wú)級(jí)調(diào)速(注：異步機(jī)改變極對(duì)數(shù)調(diào)速的方法叫有級(jí)調(diào)速)。2.調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達(dá)200以上（調(diào)速比等于最大轉(zhuǎn)速和最小轉(zhuǎn)速之比），因此機(jī)械變速所用的齒輪箱可大大簡(jiǎn)化。直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的主要優(yōu)點(diǎn)：返回前一頁(yè)后一頁(yè)1.改變電樞電壓調(diào)速由轉(zhuǎn)速公式:可見直流電機(jī)調(diào)速方法有三種。由轉(zhuǎn)速特性方程知：調(diào)電樞電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。n0"n0'電壓降低TN特性曲線nn0T0返回前一頁(yè)后一頁(yè)說(shuō)明：改變電壓的調(diào)速方法必須有連續(xù)可調(diào)的大功率直流電源，這種調(diào)速方法適用G-M（發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)）系統(tǒng)。G-M系統(tǒng)通過改變直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流來(lái)改變發(fā)電機(jī)的輸出電壓，發(fā)電機(jī)的輸出電壓再去控制電動(dòng)機(jī)的電樞電壓。這種方法投資大，目前廣泛使用的方法是可控硅整流電路調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的特點(diǎn)1)工作時(shí)電樞電壓不允許超過UN，而nU，

所以調(diào)速只能向下調(diào)。2）均勻改變電樞電壓，可得到平滑無(wú)級(jí)調(diào)速。3）調(diào)速幅度較大。返回前一頁(yè)后一頁(yè)跳轉(zhuǎn)例：已知他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的PN=2.2KW,UN=220V,IaN=12.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時(shí),

n=?（2）=0.8

N時(shí),

n=?解：（1）TL=0.5TN時(shí)返回前一頁(yè)后一頁(yè)（2）=0.8

N時(shí)返回前一頁(yè)后一頁(yè)這種調(diào)速方法耗能較大，只用于小型直流機(jī)。串勵(lì)電機(jī)也可用類似的方法調(diào)速。2.電樞回路串電阻調(diào)速在電樞中串入電阻，使n、

n0不變，即電機(jī)的特性曲線變陡(斜率變大)，在相同力矩下，nRa+

Rnn0RaT返回前一頁(yè)后一頁(yè)由公式可知:

n和有關(guān)，在U一定的情況下，改變可改變n。在勵(lì)磁回路串上電阻Rf，改變Rf大小可調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，從而改變的大小。3.改變磁通調(diào)速（調(diào)磁）返回前一頁(yè)后一頁(yè)

Rf

Ifn

，但在額定情況下，已接近飽和，If再加大，對(duì)影響不大，所以這種增加磁通的辦法一般不用。

Rf

Ifn，減弱磁通是常用的調(diào)速方法。改變磁通調(diào)速的方法:一般只采用減少勵(lì)磁電流的方法調(diào)速。If的調(diào)節(jié)有兩種情況：（

減?。㏕LRf增加Tn返回前一頁(yè)后一頁(yè)調(diào)速過程:

U一定,則RfEIaTnIaE最后達(dá)到新的平衡暫時(shí)T

>TL其中，返回前一頁(yè)后一頁(yè)1）調(diào)速平滑，可做到無(wú)級(jí)調(diào)速，但只能向上調(diào)，受機(jī)械本身強(qiáng)度所限，n不能太高。2）調(diào)的是勵(lì)磁電流（該電流比電樞電流小得多），調(diào)節(jié)控制方便。

減小調(diào)速的特點(diǎn)：

1）若調(diào)速后Ia保持不變，則高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩必須減小。2）這種調(diào)速方法只適用于恒功率調(diào)速。使用調(diào)磁調(diào)速時(shí)應(yīng)注意：返回前一頁(yè)后一頁(yè)1）反接制動(dòng)四.制動(dòng)制動(dòng)的所采用的方法：

反接制動(dòng)、能耗制動(dòng)、發(fā)電回饋制動(dòng)MUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)電阻R的作用是限制電源反接制動(dòng)時(shí)電樞的電流過大。返回前一頁(yè)后一頁(yè)2）能耗制動(dòng)

—電樞斷電后立即接入一個(gè)電阻。MUUfIf+–R運(yùn)行制動(dòng)K停車時(shí)，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時(shí)：由于慣性電樞仍保持原方向運(yùn)動(dòng)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向也不變，電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電樞電流的方向與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相同，從而電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反，起制動(dòng)作用。返回前一頁(yè)后一頁(yè)特殊情況下，例如汽車下坡時(shí)，在重力的作用下nn0（n0理想空載轉(zhuǎn)速），這時(shí)電動(dòng)機(jī)變成發(fā)電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩成為阻轉(zhuǎn)矩，從而限制電機(jī)轉(zhuǎn)速過分升高。3)發(fā)電回饋制動(dòng)跳轉(zhuǎn)返回前一頁(yè)后一頁(yè)９.６串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)一、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性特點(diǎn)：勵(lì)磁線圈的電流和電樞線圈的電流相同。設(shè)磁通和電流成正比，即=KIa,則MUnT動(dòng)畫返回前一頁(yè)后一頁(yè)二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速和反轉(zhuǎn)1）串電阻調(diào)速2）變勵(lì)磁電流調(diào)速3）兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)串聯(lián)改變電樞電壓調(diào)速1.調(diào)速2.反轉(zhuǎn)與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變轉(zhuǎn)向的方法相同。返回前一頁(yè)后一頁(yè)1)T=0時(shí)，在理想情況下，n。但實(shí)際上負(fù)載轉(zhuǎn)矩不會(huì)為0，不會(huì)工作在T=0的狀態(tài)，但空載時(shí)T很小，n很高的串勵(lì)不允許空載運(yùn)行，以防轉(zhuǎn)速過高。串勵(lì)特性：2)隨轉(zhuǎn)矩的增大，n下降得很快，這種特性屬軟機(jī)械特性。返回前一頁(yè)后一頁(yè)直流電動(dòng)機(jī)的額定值1.額定功率PN:

電機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率2.額定電壓UN：額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）3.額定電流IN：

額定電壓下軸上輸出額定功率時(shí)的電流（并勵(lì)包括勵(lì)磁和電樞電流）

三者關(guān)系：PN=UNIN