直流電機幻燈片

1、第五章第五章 直流電機直流電機51直流電機工作原理和結構特點直流電機工作原理和結構特點52直流電機勵磁方式和運行特性直流電機勵磁方式和運行特性53無刷直流電動機無刷直流電動機直流電機特點直流電機特點直流電機是實現機械能和直流電能互換的重要旋轉機械。作為電動機時，他能將電能轉換為機械能，調速設備簡單調速性能良好，起動制動轉矩大以及過載能力強等優(yōu)點，被廣泛應用于電車、軋鋼機和起重設備中。作為發(fā)電機使用時，能將機械能轉變?yōu)殡娔堋Ｖ绷靼l(fā)電機早期在船上作為主電源使用，在交流電制船舶上直流電動機在各類拖動裝置中還有應用。直流電機和交流電機相比，其缺點是直流電壓不能變換以及結構復雜，造價高和維修工作量大等。

2、5- -1.直流電機工作原理和結構特點直流電機工作原理和結構特點 本節(jié)的主要內容有三部分本節(jié)的主要內容有三部分：l 工作原理工作原理： 直流發(fā)電機工作原理，直流電動機工作原理，直流發(fā)電機工作原理，直流電動機工作原理， 電樞繞組和電刷的正確位置。電樞繞組和電刷的正確位置。l 直流電機構造直流電機構造： 定子主要部件，轉子主要部件。定子主要部件，轉子主要部件。l 直流電機額定值直流電機額定值： 直流發(fā)電機工作原理直流發(fā)電機工作原理換向器在直流發(fā)電機中起到機械整流作用 電刷電刷a總是與處于正電位的換向片接觸，總是與處于正電位的換向片接觸，而電刷而電刷b總是與處于負電位的換向片接觸。雖總是與處于負電位

3、的換向片接觸。雖然然bc和和de感應的電勢是交變的，但電刷感應的電勢是交變的，但電刷ab兩兩端的電壓卻是直流的。端的電壓卻是直流的。 實際直流電機的換向片較多，實際直流電機的換向片較多，電刷和換電刷和換向器配合起機械整流器的作用向器配合起機械整流器的作用。電刷和換向器配合：電刷和換向器配合：每個繞組元件每個繞組元件內部內部感應電勢感應電勢是交流的是交流的，但，一對電刷之間電勢等于一個支路中各繞組電勢之和，因但，一對電刷之間電勢等于一個支路中各繞組電勢之和，因此，此，電刷間的電勢電刷間的電勢為合成電勢，是一個脈動的為合成電勢，是一個脈動的直流電勢直流電勢。直流發(fā)電機工作原理直流發(fā)電機工作原理直流

4、電動機工作原理直流電動機工作原理直流電機電樞繞組和電刷的正確位置直流電機電樞繞組和電刷的正確位置為了獲得平滑恒定的直流電動勢和電磁轉矩，直流電機的電樞繞組實際采用分布式線圈結構，每個線圈有兩個邊，分別置于相距一個磁極極距位置的槽內，這些線圈沿電樞鐵心圓周均勻分布，并通過相應數量的換向片依次串聯構一個閉合回路。電樞線圈越多，相鄰線圈的分布間距越小則電樞間的電動勢越高，越平滑恒定，電刷間的電動勢等于任一支路各線圈電動勢之和。直流電機電樞繞組和電刷的正確位置直流電機電樞繞組和電刷的正確位置根據獲得支路最大電動勢的原則來確定實際電刷的位置，在原理上等效于將電刷放在磁場幾何中性線上。直流電機電樞繞組和電

5、刷的正確位置直流電機電樞繞組和電刷的正確位置電刷位置正確與否將影響：1.正負電刷間的電動勢，從而影響發(fā)電機的電壓和電動機的轉速2.電刷是否產生火花直流電機電樞繞組和電刷的正確位置直流電機電樞繞組和電刷的正確位置直流電機的主磁場一般由主磁極的勵磁繞組產生，空載時的磁場分布取決于磁路的情況。帶負載時，電樞繞組中的電樞電流產生電樞磁勢，電樞磁勢的存在影響主磁場的分布和大小。為保證電刷的正確位置，通常在刷架與端蓋或刷架與定子之間設置了正確的裝配標記?；緲嬙欤憾?、轉子基本構造：定、轉子 。電刷、換向器作用：電刷、換向器作用： 起機起機械整流器作用械整流器作用 。后續(xù)基本原理中。后續(xù)基本原理中進一步介紹

6、（元件交流，電刷兩端進一步介紹（元件交流，電刷兩端直流）。直流）。直流電機構造直流電機構造結構結構細說細說 電樞繞組電樞繞組另外一半電樞繞組也構成另外一條支路。另外一半電樞繞組也構成另外一條支路。不管電樞如何轉動，一條支路中繞組感應不管電樞如何轉動，一條支路中繞組感應的總電勢大小基本不變（微小脈動）。的總電勢大小基本不變（微小脈動）。主要銘牌數據主要銘牌數據銘牌數據：銘牌數據： 額定容量、電壓、電流、轉速、勵額定容量、電壓、電流、轉速、勵磁（電壓、電流）等。磁（電壓、電流）等。額定容量：額定容量：都是指輸出都是指輸出。 發(fā)電機：電樞繞組輸出的電功率；發(fā)電機：電樞繞組輸出的電功率； 電動機：轉子

7、軸上輸出的機械功率。電動機：轉子軸上輸出的機械功率。 額定勵磁電流：額定勵磁電流： 額定負載時勵磁繞組通過額定負載時勵磁繞組通過的勵磁電流。通常由勵磁回路串聯的變阻器調節(jié)。的勵磁電流。通常由勵磁回路串聯的變阻器調節(jié)。 通常還標明勵磁電壓通常還標明勵磁電壓以備采用與電樞電壓以備采用與電樞電壓不同等級時參考。不同等級時參考。勵磁方式：勵磁方式：他勵、并他勵、并勵、串勵和復勵種。勵、串勵和復勵種。2 2、直流電機勵磁方式和運行特性、直流電機勵磁方式和運行特性 直流電機勵磁方式直流電機勵磁方式對于發(fā)電機，分為自勵和對于發(fā)電機，分為自勵和他勵，他勵發(fā)電機勵磁電他勵，他勵發(fā)電機勵磁電流獨立，自勵發(fā)電機勵磁

8、流獨立，自勵發(fā)電機勵磁電流是由發(fā)電機的電樞電電流是由發(fā)電機的電樞電流提供，因而勵磁電流受流提供，因而勵磁電流受電樞電流和電壓的影響。電樞電流和電壓的影響。直流電機勵磁方式直流電機勵磁方式 直流電機基本理論直流電機基本理論感應電勢感應電勢電磁轉矩電磁轉矩功率關系功率關系直流發(fā)電機運行特性直流發(fā)電機運行特性條件：條件：i=0i=0，n=nn=nn n。特性：特性：e=fe=f（i if f） 或或 u u0 0 = f= f（i if f）實質：實質： 磁化曲線。與磁化曲線。與同步發(fā)電機相似，也是電同步發(fā)電機相似，也是電機磁路的磁化曲線。機磁路的磁化曲線。實驗測量時注意：實驗測量時注意：也應該單方

9、向調節(jié)勵磁電流，否也應該單方向調節(jié)勵磁電流，否則磁滯的影響，將使結果出現偏差。則磁滯的影響，將使結果出現偏差。紅色的曲線紅色的曲線為空載特性為空載特性 空載特性空載特性過程：過程：發(fā)電機轉動，依靠剩磁可產生很小的發(fā)電機轉動，依靠剩磁可產生很小的剩磁電壓，如果接線正確，流過勵磁繞組的剩磁電壓，如果接線正確，流過勵磁繞組的微小勵磁電流產生的磁通方向與剩磁磁通方微小勵磁電流產生的磁通方向與剩磁磁通方向相同，電樞繞組感應的電勢增強，于是出向相同，電樞繞組感應的電勢增強，于是出現正反饋，如果勵磁回路電阻足夠小，正反現正反饋，如果勵磁回路電阻足夠小，正反饋的作用將繼續(xù)下去，直到磁路飽和，電勢饋的作用將繼續(xù)

10、下去，直到磁路飽和，電勢穩(wěn)定在一個確定的數值上。如果磁通方向相穩(wěn)定在一個確定的數值上。如果磁通方向相反，磁通反而被削弱，就不能自勵起壓。必反，磁通反而被削弱，就不能自勵起壓。必須將勵磁繞組和電樞繞組的兩個接線頭互換須將勵磁繞組和電樞繞組的兩個接線頭互換條件：條件：1. 有剩磁有剩磁（若無，應可充磁）；（若無，應可充磁）； 2. 接線正確接線正確（勵磁與剩磁同向）；（勵磁與剩磁同向）； 3. 場阻線與空載特性有一個確定的場阻線與空載特性有一個確定的 交點交點（勵磁電路電阻小于建壓臨界電阻）。（勵磁電路電阻小于建壓臨界電阻）。 自勵發(fā)電機的建壓條件自勵發(fā)電機的建壓條件uo = if rf + lf

11、 dif / dt外特性：外特性：是指保持額定轉速不變和并勵總電阻不變的條件下，是指保持額定轉速不變和并勵總電阻不變的條件下，發(fā)電機端電壓隨負載電流的變化特性。發(fā)電機端電壓隨負載電流的變化特性。即即u=f(i)發(fā)電機端電壓隨負載電流變化的程度不僅取決于電樞內電阻發(fā)電機端電壓隨負載電流變化的程度不僅取決于電樞內電阻壓降，而且與勵磁方式有關。壓降，而且與勵磁方式有關。 外特性外特性外特性：外特性：他勵發(fā)電機的勵磁他勵發(fā)電機的勵磁電流與電樞電流無關，電動電流與電樞電流無關，電動勢基本保持不變，因此只有勢基本保持不變，因此只有很小的電樞電阻引起端電壓很小的電樞電阻引起端電壓的下降。的下降。并勵發(fā)電機電

12、樞電阻將引起并勵發(fā)電機電樞電阻將引起端電壓的下降進一步引起并端電壓的下降進一步引起并勵電流及感應電動勢的減小，勵電流及感應電動勢的減小，電動勢的減小又使電壓進一電動勢的減小又使電壓進一步降低。步降低。 外特性外特性u=e-iara ia=i+if直流電動機運行特性直流電動機運行特性他勵和并勵電動機的勵磁電路都接到外電源上，勵他勵和并勵電動機的勵磁電路都接到外電源上，勵磁電流不受電樞電流變化的影響因此他勵和并勵電磁電流不受電樞電流變化的影響因此他勵和并勵電動機的特性基本相同動機的特性基本相同電壓平衡方程電壓平衡方程電流關系電流關系轉矩平衡：轉矩平衡：t = t2+t0直流電動機運行特性直流電動機

13、運行特性 機械特性機械特性直流電動機的轉速隨負載而變。直流電動機的轉速隨負載而變。r = 0空載或輕載起動或運行時，發(fā)生并勵勵磁繞組斷路，空載或輕載起動或運行時，發(fā)生并勵勵磁繞組斷路，磁通很小，而發(fā)生飛車。磁通很小，而發(fā)生飛車。 機械特性機械特性固有機械特固有機械特性：額定電性：額定電壓、額定磁壓、額定磁通、通、r = 0直流電動機直流電動機的機械特性的機械特性與勵磁方式與勵磁方式有關有關要改變電動機轉向，需改變電動機電磁轉矩的要改變電動機轉向，需改變電動機電磁轉矩的方向，根據左手定則，電動機轉向取決于磁場方向，根據左手定則，電動機轉向取決于磁場和電樞電流兩個的方向，因此改變直流電動機和電樞電

14、流兩個的方向，因此改變直流電動機轉向的方法：改變勵磁電流的方向保持電樞電轉向的方法：改變勵磁電流的方向保持電樞電流的方向不變；改變電樞電流的方向，勵磁電流的方向不變；改變電樞電流的方向，勵磁電流的方向不變。即改變勵磁繞組的兩引出線或流的方向不變。即改變勵磁繞組的兩引出線或電樞繞組的兩引出線。電樞繞組的兩引出線。改變直流電動機轉向的方法改變直流電動機轉向的方法直流電機電樞反應和換向直流電機電樞反應和換向直流電機電樞反應直流電機電樞反應電機接負載電機接負載產生電樞磁場產生電樞磁場當電刷位于幾何中性線上，電樞磁場的當電刷位于幾何中性線上，電樞磁場的方向與主磁極磁場方向正交，導致主磁方向與主磁極磁場方

15、向正交，導致主磁場畸變和減弱。場畸變和減弱。 因為起動時，轉速為零，電樞感應的電勢為零，根據電因為起動時，轉速為零，電樞感應的電勢為零，根據電壓平衡方程，起動時電樞電流壓平衡方程，起動時電樞電流ia = （u - ea）/ ra = u/ ra 。電樞電阻通常很小，所以起動電流很大（電樞電阻通常很小，所以起動電流很大（1020倍的額定倍的額定電流）電流）,0.5kw以上的以上的直流電動機不能直接起動直流電動機不能直接起動，否則，否則ia、t沖擊很大，火花很大。沖擊很大，火花很大。 起動方法：在保持起動方法：在保持最大勵磁電流最大勵磁電流情況下，情況下，1.電樞回路串電樞回路串電阻起動；電阻起動

16、；2.降壓起動。起動電流控制在降壓起動。起動電流控制在1.52.0i in n。 注：注：1 .起動時，勵磁磁場通常應該最大，才能減少起動起動時，勵磁磁場通常應該最大，才能減少起動電流，并增加起動轉矩；電流，并增加起動轉矩；2 .電樞繞組串聯的起動電阻不能采電樞繞組串聯的起動電阻不能采用滑動變阻器，應采用分段切除的變阻器（用滑動變阻器，應采用分段切除的變阻器（大電流）。大電流）。直流電機電樞反應和換向直流電機電樞反應和換向直流電機換向直流電機換向3 3、無刷直流電動機、無刷直流電動機 無刷電動機特點無刷電動機特點 無刷電動機特點無刷電動機特點 無刷電動機的基本結構無刷電動機的基本結構由電子開關

17、電路、永磁式同步電動機和位置傳感器三者組成電機系統(tǒng)，直流電源經由開關線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置經由位置傳感器檢測，產生信號觸發(fā)開關線路中的電子元件使之導通或截止。電動機定子各相逐次通電產生電流，并和轉子磁極主磁場相互作用產生轉矩，從而控制電動機的轉動。 無刷電動機的基本結構無刷電動機的基本結構一般由三部分組成：電動機本體、轉子位置傳感器和電子換向開關線路。 電動機本體電動機本體 轉子位置傳感器轉子位置傳感器電磁式電磁式5-19 轉子位置傳感器轉子位置傳感器光電式光電式5-20 轉子位置傳感器轉子位置傳感器磁敏式磁敏式5-22 無刷直流電動機基本原理無刷直流電動機基本原理 無刷直流

18、電動機正反轉控制方法無刷直流電動機正反轉控制方法永磁式有刷直流電動機的反轉運行是由改變電樞兩端與電源的極性連接來實現的。由于無刷直流電機的電力電子元件導電具有單向性，不允許反接到電源上，因此不能簡單的采用改變電源電壓的極性實現電機反轉，反轉的實現可采用以下幾種方法：1、將每相繞組兩端接頭互換，變換繞組中電流方向2、改變位置傳感器的輸出電壓信號，采用正反轉兩套位置傳感器3、邏輯門選通法，即電機傳感器設計上有專門的考慮，在控制電 路用一邏輯信號的指令來改變電機各相繞組的導通順序第五章第五章 各節(jié)要點各節(jié)要點第一節(jié)第一節(jié)：基本結構（電刷、換向器的作用）；銘牌數基本結構（電刷、換向器的作用）；銘牌數據；勵磁方式。據；勵磁方式。 第二節(jié)第二節(jié)：原理（原理（ac/dc轉換）；電勢、轉矩計算；電轉換）；電勢、轉矩計