1,第三章直流電機(jī)的工作原理及特性,本章要求：掌握直流電機(jī)的基本工作原理及特性，特別是直流電機(jī)的機(jī)械特性；掌握直流電機(jī)的啟動、調(diào)速和制動的各種方法的優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場所。,3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,一、基本結(jié)構(gòu)定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。(略講),2,3,它是以導(dǎo)體在磁場中運(yùn)動而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和載流導(dǎo)體在磁場中受到力的作用為基礎(chǔ)。電流的方向：N極下的有效邊中的電流總是一個方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個方向，這樣才能使兩個邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動。產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。（換向器的作用）,二、基本工作原理,3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,4,發(fā)電機(jī)依電磁感應(yīng)定理（右手定則），電動機(jī)依安培電磁力定律（左手定則）。,3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,5,6,3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,直流電機(jī)中能量（電能、機(jī)械能）轉(zhuǎn)換的方向是可逆的，可用三個方程來描述：,轉(zhuǎn)矩方程式：,電機(jī)等速運(yùn)行轉(zhuǎn)矩平衡.,電勢方程式：,電壓平衡方程式：,7,電磁轉(zhuǎn)矩T、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL、及空載消耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。當(dāng)負(fù)載發(fā)生變化時，則n、E、I、T將自動進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)負(fù)載的變化，保持新的平衡。例如：當(dāng)TLTTLn，當(dāng)不變時E（E=Ken）Ia=（U-E）/RaTT=TL（新的平衡）,3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,8,分類：按勵磁方法的不同，分為他勵、并勵、串勵和復(fù)勵四類，常用他勵和并勵。,3.2直流發(fā)電機(jī),9,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,將直流電機(jī)的電勢方程和轉(zhuǎn)矩方程代入直流電動機(jī)電壓平衡方程式中，并略加整理后，可得他勵直流電機(jī)的機(jī)械特性方程為：,當(dāng)時的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速。,10,機(jī)械硬度：轉(zhuǎn)矩變化dT與所引起的轉(zhuǎn)速變化dn的比值，用于衡量機(jī)械特性的平直程度。,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,一.固有機(jī)械特性(自然特性）是指在額定電壓和額定磁通下，電樞電路內(nèi)不接任何電阻時的n=f（T）。當(dāng)U=UN，=N時，n=f（T）是一條直線。通常用（0，n0）和（TN，nN）兩點(diǎn)來作直線,11,根據(jù)銘牌參數(shù)（PN，UN，IN，nN）計(jì)算Ra，Ke，n0，TN。,電機(jī)正轉(zhuǎn)在第一象限，反轉(zhuǎn)在第三象限。,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,12,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,（1）計(jì)算電樞電阻Ra：（通常電動機(jī)在額定負(fù)載下的銅耗Ia2Ra約占總損耗PN的50%-75%）Ia2Ra=（50%-75%）PN=（0.50.75）輸入功率-輸出功率=（0.50.75）（1-N）UNIN式中：N為效率，且此時Ia=IN故有：,13,（2）求Ke在額定條件運(yùn)行下的反電勢EN=KenN=UN-INRa故：Ke=（UN-INRa）/nN,對于一臺直流電機(jī)而言，它是唯一的。,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,（3）求理想空載轉(zhuǎn)速：n0=UN/Ke,14,（4）求額定轉(zhuǎn)矩：,例：一臺Z2-51型他勵電動機(jī)，已知PN=5.5kW，UN=220V，IN=31A，nN=1500r/min，認(rèn)為額定運(yùn)行時的電磁轉(zhuǎn)矩近似等于額定輸出轉(zhuǎn)矩，試?yán)L出這臺電機(jī)近似的固有機(jī)械特性。,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,15,解：因他勵電動機(jī)的n=f（T）是一條直線，故只要求出：（0，n0）、（TN，nN）兩點(diǎn)即可。,16,二.人為機(jī)械特性是指供電電壓或磁通不是額定值、電樞電路內(nèi)接有外加電阻Rad時的機(jī)械特性；電動機(jī)的啟動、調(diào)速、制動的方法就是利用人為機(jī)械特性。,1.電樞電路內(nèi)接有外加電阻Rad時的機(jī)械特性,當(dāng)U=UN，=N時，電樞電路內(nèi)接有外加電阻Rad，機(jī)械特性方程為：,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,17,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,18,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,（特性隨Rad的增大而變軟）,可得從（0，n0)點(diǎn)發(fā)出的一簇的人為機(jī)械特性曲線。,19,當(dāng)=N，Rad=0時，改變電壓時，空載轉(zhuǎn)速變化而轉(zhuǎn)速降落不變。（UUN；nnN）可得一簇平行于固有特性曲線的人為機(jī)械特性曲線。,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,2.改變電壓時的機(jī)械特性,20,當(dāng)U=UN，Rad=0時，改變磁通空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都要發(fā)生變化。（N；T隨磁通的降低而減小；nnN，電動機(jī)工作在交點(diǎn)以左的區(qū)域。系統(tǒng)特性較軟）,消弱磁通時，注意“飛車”現(xiàn)象，一般要加“失磁”保護(hù)。,3.3直流電動機(jī)的機(jī)械特性,3.改變磁通時的機(jī)械特性,21,電動機(jī)啟動瞬間，n=0，e=0，所以啟動電流很大，造成危害。,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,回憶電動機(jī)機(jī)械特性方程式和機(jī)械特性曲線,22,常用啟動方法有兩種：降壓啟動和電樞回路外接電阻啟動。,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,生產(chǎn)機(jī)械對電機(jī)啟動的要求是：有足夠的啟動轉(zhuǎn)矩、啟動時間短、啟動平穩(wěn)。Ist=UN/Ra=(10-20)IN限流Ist=（1.5-2）IN,23,降壓啟動：UUNn、EUU=UN、n=nN,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,2.電樞回路內(nèi)串接外加電阻啟動：滿足啟動要求：Ist=UN/（Ra+Rst）Rst（3-4級）T1、T2的數(shù)值按照電動機(jī)的具體啟動條件決定：T1=（1.6-2）TNT2=（1.1-1.2）TN,24,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,25,例題：一臺他勵直流電動機(jī)，其額定數(shù)據(jù)為：PN=17kW，UN=220V，IN=91A，nN=1500r/min,Ra=0.22。試求：,（1）TN=？（2）直接啟動時的Ist=？（3）如果要使啟動電流不超過額定電流的兩倍，求啟動電阻為多少？此時啟動轉(zhuǎn)矩為多少？（4）如果采用降壓啟動，啟動電流不超過額定電流的兩倍，電源電壓應(yīng)為多少？,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,26,解：,（1）TN=？,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,（2）直接啟動時的Ist=？,27,（3）串入啟動電阻Rad,啟動轉(zhuǎn)矩：,注意：,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,28,（4）降壓啟動時的電源電壓：,總結(jié)一下啟動特性：,3.4直流他勵電動機(jī)的啟動特性,29,3.5直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性,調(diào)速在一定的負(fù)載條件下，人為地改變電機(jī)的機(jī)械特性，以改變電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。請注意，速度調(diào)節(jié)與速度變化是兩個完全不同的概念。速度變化是在某條機(jī)械特性下，由于負(fù)載改變而引起的，而速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性而得到的。,由直流電動機(jī)的機(jī)械特性方程：,30,可知：1.改變電樞供電電壓U、2.改變電樞電阻Rad、3.改變磁通，都可以得到不同的人為機(jī)械特性，達(dá)到調(diào)速的目的。,3.5直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性,31,3.5.1改變電樞電路外串電阻Rad,3.5直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性,B,C,D,2,3,特點(diǎn)：1.Rad越大特性越軟2.空、輕載時調(diào)速范圍小實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速困難電能消耗大,32,3.5.2改變電動機(jī)電樞供電電壓U,3.5直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性,工作點(diǎn)由b點(diǎn)過渡到g點(diǎn),33,3.5直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性,由于TgTL系統(tǒng)加速nEIT工作點(diǎn)由g點(diǎn)向a點(diǎn)移動a點(diǎn)：T=TL、n=na（系統(tǒng)穩(wěn)定）,34,3.5直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性,可以實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速，nnN機(jī)械特性硬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速可以利用調(diào)壓方法啟動設(shè)備,特點(diǎn)：,35,3.5直流他勵電動機(jī)的調(diào)速特性,3.5.3改變電動機(jī)磁通,特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速nnN系統(tǒng)特性軟調(diào)速范圍小nmax1.2nN恒功率,36,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,制動-是從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)動狀態(tài)。,分清：制動與自然停車的區(qū)別；電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的能量傳遞關(guān)系；T與n的關(guān)系;,37,根據(jù)電機(jī)處于制動時的外部條件和能量傳遞情況，制動分為：,反饋制動、反接制動、能耗制動。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,38,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,3.6.1反饋制動,電動機(jī)在正常接法時，若在外部條件作用下使電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速時（如電車下坡），反電勢E供電電壓U，電樞電流Ia反向，電磁轉(zhuǎn)矩T反向變成制動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)變成發(fā)電機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，向電源饋送，電動機(jī)即處于反饋制動狀態(tài)。,39,在反饋制動狀態(tài)下：電動機(jī)的機(jī)械特性的表達(dá)式仍為：,所不同的僅是T改變了符號，而理想空載轉(zhuǎn)速和特性的斜率均與電動狀態(tài)下一致。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,40,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,電樞電壓突降時的反饋制動狀態(tài)（調(diào)壓調(diào)速時）,當(dāng)電壓由U1突降為U2時，由于E和n不能突變，所以電樞電流將由,即：當(dāng)n0bna時，U2E，則電流Ib為負(fù)值并產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)工作點(diǎn)由a過渡b點(diǎn)。,41,在制動轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下電機(jī)轉(zhuǎn)速沿由U2所決定的特性曲線從b點(diǎn)向c點(diǎn)移動。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速等于n0b時，E=U2，制動電流、轉(zhuǎn)矩降為零，反饋制動過程結(jié)束。,但由于電磁轉(zhuǎn)矩TTL，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，直到n=nc，T=TL（電機(jī)在電動狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行）。,42,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,制動-是從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)動狀態(tài)。,分清：制動與自然停車的區(qū)別；電動機(jī)與發(fā)電機(jī)的能量傳遞關(guān)系；T與n的關(guān)系;,43,根據(jù)電機(jī)處于制動時的外部條件和能量傳遞情況，制動分為：,反饋制動、反接制動、能耗制動。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,44,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,3.6.1反饋制動,電動機(jī)在正常接法時，若在外部條件作用下使電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速時（如電車下坡），反電勢E供電電壓U，電樞電流Ia反向，電磁轉(zhuǎn)矩T反向變成制動轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)變成發(fā)電機(jī)，把機(jī)械能轉(zhuǎn)變成電能，向電源饋送，電動機(jī)即處于反饋制動狀態(tài)。,45,在反饋制動狀態(tài)下：電動機(jī)的機(jī)械特性的表達(dá)式仍為：,所不同的僅是T改變了符號，而理想空載轉(zhuǎn)速和特性的斜率均與電動狀態(tài)下一致。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,46,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,電樞電壓突降時的反饋制動狀態(tài)（調(diào)壓調(diào)速時）,當(dāng)電壓由U1突降為U2時，由于E和n不能突變，所以電樞電流將由,即：當(dāng)n0bna時，U2E，則電流Ib為負(fù)值并產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，系統(tǒng)工作點(diǎn)由a過渡b點(diǎn)。,47,在制動轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下電機(jī)轉(zhuǎn)速沿由U2所決定的特性曲線從b點(diǎn)向c點(diǎn)移動。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,當(dāng)系統(tǒng)轉(zhuǎn)速等于n0b時，E=U2，制動電流、轉(zhuǎn)矩降為零，反饋制動過程結(jié)束。,但由于電磁轉(zhuǎn)矩TTL，在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下轉(zhuǎn)速進(jìn)一步下降，直到n=nc，T=TL（電機(jī)在電動狀態(tài)下穩(wěn)定運(yùn)行）。,48,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,卷揚(yáng)機(jī)下放重物（位能）產(chǎn)生反饋制動,設(shè)電動機(jī)正轉(zhuǎn)提升重物，改變電壓后，電動機(jī)反轉(zhuǎn)，重物下降，特性在第三象限，ab,系統(tǒng)在第三象限沒有穩(wěn)定運(yùn)行點(diǎn)，當(dāng)加速超過-n0,49,EU,Ia改變方向，T變?yōu)檎?，并與TL相反，進(jìn)入第四象限，電動機(jī)進(jìn)入反饋制動，bc,特點(diǎn)：改變附加電阻大小，可改變電動機(jī)下降速度，但下降速度過高，制動方式是不太安全的。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,50,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,3.6.2反接制動,當(dāng)他勵直流電機(jī)的電樞電壓或電樞電勢中任何一個在外部條件作用下改變方向，即兩者由方向相反變?yōu)榉较蛞恢聲r，電動機(jī)即處于反接制動狀態(tài)。（電源反接制動；倒拉反接制動）,51,1.電源反接制動：,1）U正向（左圖中紅線）特性曲線為下圖中直線1，系統(tǒng)工作點(diǎn)為a，轉(zhuǎn)速為na,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,52,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,2）U反向時有：E=-U-IaR,可見系統(tǒng)變?yōu)樘匦郧€為2所示,系統(tǒng)狀態(tài)由1的a點(diǎn)變到2的b點(diǎn)，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值，此時在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下使轉(zhuǎn)速迅速下降，系統(tǒng)狀態(tài)沿著直線2由b點(diǎn)向c點(diǎn)移動，當(dāng)n=0時反接制動結(jié)束。,53,若此時不切斷電源，將導(dǎo)致反向啟動。有反抗性負(fù)載和位能性負(fù)載兩種情況。注意：由于E和U是串聯(lián)相加，電樞電流過大，應(yīng)有足夠大的限流電阻。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,54,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,2.倒拉反接制動（改變E）,當(dāng)電機(jī)處于正向電動狀態(tài)，系統(tǒng)工作點(diǎn)為a點(diǎn)，n=na（提升重物）,55,放下重物時：,串入Rad（特性曲線由1變2，系統(tǒng)工作點(diǎn)由a變?yōu)閏），TTLn（工作點(diǎn)由c向d移動）EIT（此時TTL）n,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,56,d點(diǎn)：n=0，E=0，I=Ist=U/R（堵轉(zhuǎn)電流），由于U存在，Tst（堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩）TL在TL的作用下n反向加速E（反向）I=（U+E）/RT=TL（即b點(diǎn)），以nb速度穩(wěn)速放下重物。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,57,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,在整個過程中，U不變，I變化大小但不變向，故T沒有變向。n發(fā)生方向變化。,58,注意特點(diǎn)：改變附加電阻Rad，可以得到不同的下降速度，附加電阻越小，下降速度越低，保證生產(chǎn)的安全。缺點(diǎn)是由于對TL的估計(jì)不足，可能本應(yīng)下降而變成上升，機(jī)械特性硬度小，速度的穩(wěn)定性差。,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,59,3.6直流他勵電動機(jī)的制動特性,3.6.3能耗制動,