《電機與電氣控制》

1、第1章 直流電機v教學重點教學重點 直流電機的運行原理、機械特性、啟動、制 動、調(diào)速。v教學難點教學難點 感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩計算、換向、制動。第1章 直流電機 本章主要介紹了直流電機的概念、基本結(jié)構(gòu)、應用、工作原理、電樞繞組、電磁轉(zhuǎn)矩等基礎知識，以及直流電動機的基本方程、工作特性、機械特性及各種運行狀態(tài)。第1章 直流電機 直流電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成，如圖1-1所示為直流電機的結(jié)構(gòu)示意圖。1風扇； 2機座； 3電樞繞組； 4主磁極； 5刷架；6換向器； 7接線板； 8出線盒； 9換向磁極 ；10端蓋圖1-1 直流電機的結(jié)構(gòu)示意圖1.1 直流電機的基本知識直流電機的基本知識1.1.1

2、直流電機的結(jié)構(gòu)直流電機的結(jié)構(gòu)第1章 直流電機v定子部分定子部分 直流電機的定子部分主要由主磁極、換向極、機座和電刷裝置組成。v轉(zhuǎn)子部分轉(zhuǎn)子部分 直流電機的轉(zhuǎn)子主要由電樞鐵芯、電樞繞組和換向器組成，如圖1-3所示。1換向器 ；2電樞鐵芯； 3電樞繞組 圖1-3 直流電機轉(zhuǎn)子第1章 直流電機1.1.2 直流電動機的基本原理直流電動機的基本原理v直流發(fā)電機直流發(fā)電機 直流發(fā)電機的工作原理是基于電磁感應定律，即在磁感應強度為B的磁場中，若導體作切割磁感線運動，則在導體內(nèi)部產(chǎn)生感應電動勢，如圖1-6所示。若B、l、v三者相互垂直，感應電動勢e的大小可用下式來計算e=Blv 式中，B為磁感應強度；l為導體

3、長度、v為導體切割磁感線的速度，e的方向由右手定則確定。第1章 直流電機圖1-6 直流發(fā)電機工作原理示意圖第1章 直流電機v直流電動機直流電動機 直流電動機的工作原理是基于電磁力定律，即載流導體在磁場中會受到電磁力的作用，如圖1-7所示。當磁感應線與導體的方向相互垂直時，作用在載流導體上的電磁力f的大小可用下式來計算：f=BlI 式中，B為磁感應強度；l為導體長度；I為載流導體中流過的電流；f方向由左手定則確定。第1章 直流電機圖1-7 直流電動機工作原理示意圖第1章 直流電機v直流電機的可逆原理直流電機的可逆原理 在電機理論中，一臺電機既能做電動機運行又能做發(fā)電機運行的原理稱為可逆性原理。v

4、勵磁方式勵磁方式 勵磁方式是指直流電機的勵磁線圈與其電樞線圈的連接方式。根據(jù)不同的連接方式，常見的直流電機的勵磁方式有他勵、并勵、復勵和串勵等。第1章 直流電機 1.1.3 直流電機的銘牌數(shù)據(jù)直流電機的銘牌數(shù)據(jù) 每臺直流電機機座的外表面上都有一塊銘牌，上面標注著電機的額定數(shù)據(jù)，主要有額定電壓、額定電流、額定功率、額定轉(zhuǎn)速、額定勵磁電流和勵磁方式等。第1章 直流電機1.2 直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.2.1 直流電機的電樞電動勢直流電機的電樞電動勢 電樞旋轉(zhuǎn)時，主磁場在電樞繞組中感應的電動勢稱為電樞電動勢。nCnapNeaNEe602pa式中，aapNCe60

5、為電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)；為電動勢常數(shù)；N為電樞導體總數(shù)。第1章 直流電機1.2.2 直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與氣隙磁場相互作用而產(chǎn)生的電磁力形成的。aaaem2222ICIapNpaIllNTT式中，apNC2T為轉(zhuǎn)矩常數(shù)。eT55. 9CC emTaI通常，電磁轉(zhuǎn)矩與磁通和電樞電流故有，成正比，第1章 直流電機1.3 直流電機的運行原理直流電機的運行原理1.3.1 直流電動機的基本方程式直流電動機的基本方程式直流電動機在進行機電能量轉(zhuǎn)換時，必須要有能反映其內(nèi)部電磁過程和機電過程的方程式，即基本方程式。其主要有電壓平衡方程、轉(zhuǎn)矩平衡方程、功率平衡方程和勵磁特性公

6、式。第1章 直流電機在寫基本方程式時應規(guī)定好各參量的方向。通常，可以任意規(guī)定，但一旦規(guī)定好后所有的方程式都應按參考方向進行列式，一般情況按如圖1-9所示的參考方向規(guī)定，若各參量得方向與規(guī)定的參考方向一致為正，反之為負。圖1-9 電動機參考方向規(guī)定示意圖第1章 直流電機v 電壓平衡方程電壓平衡方程 由基爾霍夫定律可知電樞回路的電動勢平衡方程為式中，aIaR為電樞電流；為電樞回路總電阻。aaaRIEU+第1章 直流電機v功率平衡方程功率平衡方程aCuem1PPP+a1UIP 式中，為直流電源輸入的電功率；aaemIEP為電磁功率；2aaCuaIRP為電樞回路繞組的銅損耗。第1章 直流電機02emT

7、TT+式中，emT為電磁轉(zhuǎn)矩；2T為電動機的輸出機械轉(zhuǎn)矩；0T為空載轉(zhuǎn)矩。v轉(zhuǎn)矩平衡方程轉(zhuǎn)矩平衡方程第1章 直流電機 )(2Pf直流電動機的工作特性是指電壓 、1.3.2 他勵直流電動機的工作特性他勵直流電動機的工作特性常數(shù)NUU常數(shù)時，fNfII)(2Pfn)(2emPfT電動機的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率三者與輸出功率電樞回路不串入附加電阻、勵磁電流之間的關系，用曲線2P表示。第1章 直流電機圖1-10 他勵電動機的工作特性第1章 直流電機1.4 他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性1.4.1 機械特性的表達式機械特性的表達式 他勵直流電動機的機械特性是指電動機在穩(wěn)定運行情況下，

8、轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關系，如圖1-11所示。它是電動機機械性能的主要表現(xiàn)，是分析電動機的啟動、調(diào)速和制動等問題的重要工具。第1章 直流電機圖1-11 他勵直流電動機的機械特性第1章 直流電機1.4.2 固有機械特性固有機械特性 他勵直流電動機的固有機械特性是指當電動機電源電壓、磁通為額定值，且電樞回路不串聯(lián)電阻時的機械特性，其表達式為 因為機械特性為一條向下傾斜的直線，故斜率較 小，所以他勵直流電動機的固有機械特性是硬特性，如圖1-12曲線1所示。em2NTeaNeNTCCRCUn第1章 直流電機圖1-12 他勵直流電動機固有特性和電樞串電阻人為特性第1章 直流電機 當電動機剛啟動時，

9、轉(zhuǎn)速n=0，感應電動勢Ea=Cen=0，此時電樞電流Ia即為啟動電流。由于電樞電阻Ra較小，故在額定電壓下啟動電流遠遠超過電動機的最大允許電流，這樣會燒毀電動機，故直流電動機一般不能直接啟動。第1章 直流電機1.4.3 人為機械特性人為機械特性 通過人為的改變磁通、電源電壓和電樞回路串聯(lián)電阻等參數(shù)得到的機械特性稱為人為機械特性。常見的人為機械特性有電樞回路串電阻時的人為機械特性、降低電樞電壓時的人為機械特性和減弱勵磁磁通時的人為機械特性。v電樞回路串電阻時的人為機械特性電樞回路串電阻時的人為機械特性 當保證電動機電源電壓U和磁通為額定值不變時，電樞回路串電阻的人為機械特性為em2NTesaNe

10、NTCCRRCUn+第1章 直流電機v降低電樞電壓時的人為機械特性降低電樞電壓時的人為機械特性當保證電樞回路不串接電阻且磁通為額定值不變時，改變電源電壓的人為機械特性為其機械特性曲線如圖1-13所示。emNTeaNeTCCRCUn2FF第1章 直流電機圖1-13 他勵直流電動機降低電源電壓時的機械特性第1章 直流電機emTeaeTCCRCUn2FFv減弱勵磁磁通時的人為機械特性減弱勵磁磁通時的人為機械特性當保證電樞回路不串接電阻且電源電壓U為額定值不變時，改變磁通的人為機械特性為 其機械特性曲線如圖1-14所示。第1章 直流電機圖1-14 他勵直流電動機減弱磁通時的機械特性第1章 直流電機1.

11、4.4 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是指電力拖動系統(tǒng)在某種外界因素干擾下，導致系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速離開了原來的平衡狀態(tài)，當外界干擾因素消失后，系統(tǒng)能恢復到原來的平衡狀態(tài)，或在新的條件下達到新平衡的能力。電動機在電力拖動系統(tǒng)中運行時，一般有穩(wěn)定運行和不穩(wěn)定運行兩種情況，如圖1-16所示。第1章 直流電機a) 穩(wěn)定運行 b) 不穩(wěn)定運行圖1-15 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件第1章 直流電機1.4.5 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件v 必要條件必要條件電動機的機械特性與負載特性曲線有交點，即Tem=TL。v 充分條件充分條件在交點對應的轉(zhuǎn)速之

12、上有TemTL。由此可見，對于恒轉(zhuǎn)矩負載，若電動機的機械特性曲線是向下傾斜的，則系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行；若電動機的機械特性曲線是向上翹的，則系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。第1章 直流電機1.5 他勵直流電動機的啟動他勵直流電動機的啟動所謂啟動就是指當電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程，電動機在啟動時，必須先加額定勵磁電流，然后再加電樞電壓。一般直流電動機的啟動有如下的要求： 要有足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，一般Tst（1.11.2）TN。 啟動電流要限制在一定的范圍之內(nèi)。 啟動設備簡單、可靠。啟動時限制電流的方法有兩個：一是增加電樞回路電阻；二是降低電樞電壓。第1章 直流電機圖1-16 電樞回路串電阻啟

13、動的原理圖1.5.1 電樞回路串電阻啟動電樞回路串電阻啟動如圖1-16所示為電樞回路串電阻啟動的原理圖。啟動時，觸點KM1、KM2、KM3斷開，分級電阻全部串入電樞回路，在啟動的過程中，依次閉合觸點KM1、KM2、KM3。啟動結(jié)束時，觸點KM1、KM2、KM3全部閉合，電動機穩(wěn)定運行。第1章 直流電機電樞回路串電阻啟動的機械特性如圖1-17所示。電樞回路串電阻啟動的優(yōu)點是操作簡單、可靠，缺點是啟動時電阻消耗的電能較大、效率較低。圖1-17 電樞回路串電阻啟動的機械特性第1章 直流電機1.5.2 降壓啟動降壓啟動所謂降壓啟動，是指啟動前降低電動機電樞繞組兩端的電壓，以減小啟動電流的啟動方法。當直

14、流電源電壓可調(diào)時，可以采用此方法，降壓啟動機械特性如圖1-18所示。圖1-18 降壓啟動機械特性 第1章 直流電機1.6 他勵直流電動機的制動他勵直流電動機的制動 所謂電動機的制動狀態(tài)是指電動機的電磁轉(zhuǎn)矩Tem與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n的方向相反。此時，電磁轉(zhuǎn)矩Tem是制動轉(zhuǎn)矩，電機將機械能轉(zhuǎn)換為電能。常見的制動方法有能耗制動、反接制動和回饋制動。第1章 直流電機1.6.1 能耗制動能耗制動如圖1-19所示為他勵直流電動機能耗制動電路原理圖。當電動機為電動狀態(tài)時，觸點KM閉合、KM1斷開。能耗制動時，觸點KM斷開、KM1閉合，能耗電阻Rb接入電樞回路，實現(xiàn)能耗制動。第1章 直流電機圖1-19 他勵直流電動機

15、能耗制動電路原理圖第1章 直流電機1.6.2 反接制動反接制動常見的反接制動有電壓反接制動和倒拉反接制動兩種。v電壓反接制動電壓反接制動電壓反接制動是指把正在運行的他勵直流電動機的電源電壓突然反接的制動過程，也叫反抗性負載。如圖1-21所示為電壓反接制動原理圖。圖1-21 電壓反接制動原理圖第1章 直流電機 v倒拉反接制動倒拉反接制動倒拉反接制動是指制動時在電樞回路中串入大電阻，使電磁轉(zhuǎn)矩小于負載轉(zhuǎn)矩的制動過程，倒拉反接制動只能適用于位能性負載。如圖1-23所示為倒拉反接制動電路原理圖，其機械特性如圖1-24所示。第1章 直流電機圖1-23 倒拉反接制動電路原理圖 圖1-24 倒拉反接制動機械

16、特性第1章 直流電機1.6.3 他勵直流電動機回饋制動他勵直流電動機回饋制動所謂回饋制動是指電動機工作過程中，在外部條件作用下會出現(xiàn)實際轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速的情況，此時電樞電動勢EaUN，電樞電流Ia0，Tem0，電磁轉(zhuǎn)矩由驅(qū)動轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩，此時電動機作為發(fā)電機運行將機械能轉(zhuǎn)換成電能回饋給電網(wǎng)，也稱為再生發(fā)電制動，其機械特性如圖1-25所示。 第1章 直流電機圖1-25 回饋制動的機械特性第1章 直流電機1.7 他勵直流電動機的調(diào)速他勵直流電動機的調(diào)速所謂調(diào)速，就是根據(jù)生產(chǎn)機械的要求人為地改變電動機的轉(zhuǎn)速。如果機械特性不變，由于負載變化引起的電動機轉(zhuǎn)速的變化不能稱為調(diào)速。 1.7.1 調(diào)速

17、指標調(diào)速指標調(diào)速范圍調(diào)速范圍相對穩(wěn)定性相對穩(wěn)定性平滑性平滑性經(jīng)濟性經(jīng)濟性第1章 直流電機1.7.2 調(diào)速方法調(diào)速方法常見的調(diào)速方法有電樞回路串電阻調(diào)速、降低電源電壓調(diào)速和減弱磁通調(diào)速。v電樞回路串電阻調(diào)速電樞回路串電阻調(diào)速當他勵直流電動機運行于額定電壓和額定勵磁電流時，通過在電動機電樞回路中串入不同的電阻而實現(xiàn)調(diào)速的方法稱為電樞回路串電阻調(diào)速。如圖1-28所示為他勵直流電動機串電阻調(diào)速的電路原理圖。電動機正常運行時，觸點KM1、KM2閉合，當需要調(diào)速時，依次斷開KM1、KM2，此時電樞回路串入電阻， 從而實現(xiàn)調(diào)速。其機械特性如圖1-29所示。 第1章 直流電機電樞回路串電阻調(diào)速的優(yōu)點是方法簡單

18、、操作方便；缺點是相對穩(wěn)定性差，而且串入電阻使能耗增大，經(jīng)濟性較差。常用于電動機拖動的電車、煉鋼車間等生產(chǎn)機械上。圖1-28 他勵直流電動機串電阻調(diào)速的電路原理圖圖1-29 串電阻調(diào)速時的機械特性第1章 直流電機v降低電源電壓調(diào)速降低電源電壓調(diào)速當他勵直流電動機在額定勵磁電流下運行，且保證電樞電阻不變時，通過調(diào)節(jié)電動機電樞兩端的電壓而實現(xiàn)調(diào)速的方法稱為降低電源電壓調(diào)速。由于電動機的工作電壓不允許超過額定電壓，故電樞電壓只能在額定電壓以下進行調(diào)節(jié)，如圖1-30所示為降低電源電壓調(diào)速時的機械特性。圖1-30 降低電源電壓調(diào)速時的機械特性第1章 直流電機v降低電源電壓調(diào)速的優(yōu)點 由于電源電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)，故可以實現(xiàn)無級調(diào)速。 調(diào)速前后機械特性的斜率不變，負載變化時 轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性好。 調(diào)速范圍較寬，一般為 2.512。 調(diào)速過程能耗，且經(jīng)濟性好。v降低電源電壓調(diào)速的缺點 調(diào)速時需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電壓，設備投資大。第1章 直流電機v減弱磁通調(diào)速減弱磁