第3章直流電機(jī)的工作原理及

1、第3章 直流電機(jī)的工作原理及特性掌握直流電機(jī)的電勢(shì)方程式，轉(zhuǎn)矩方程式和電壓平衡方程式； 掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，特別是人工機(jī)械特性；掌握直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)，制動(dòng)，調(diào)速的各種方法和應(yīng)用場(chǎng)所；了解用機(jī)械特性來(lái)分析直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的方法。3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理1.直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)主磁極電樞換向器電刷裝置直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖剖面圖：電樞1；主磁極2；換向極4；機(jī)座6電樞鐵心沖片換向器：換向片3；連接片4；云母環(huán)22.直流電機(jī)的基本工作原理發(fā)電機(jī)電動(dòng)機(jī)簡(jiǎn)化為一對(duì)磁極,一個(gè)線(xiàn)圈1)感應(yīng)電勢(shì)E2.直流電機(jī)的基本方程式2)電磁轉(zhuǎn)矩TtaTKInKEe-一對(duì)磁極的磁通(Wb);n-電樞轉(zhuǎn)速(r/min

2、); Ke -與結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù).式中:E-電動(dòng)勢(shì)(V);-一對(duì)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).式中:T-電磁轉(zhuǎn)矩(Nm);3.2 直流發(fā)電機(jī)1.按激磁方法分類(lèi)1)他激發(fā)電機(jī): 發(fā)電機(jī)的激磁繞組由外電源供電.2)自激發(fā)電機(jī): 發(fā)電機(jī)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(jī);(2)串激發(fā)電機(jī);(3)復(fù)激發(fā)電機(jī).下面分析他激和并激發(fā)電機(jī)的電路圖和外特性.1.他激發(fā)電機(jī)原理電路圖3.他激和并激發(fā)電機(jī)的外特性曲線(xiàn)電源-外特性 U=f(I) 硬特性從空載到滿(mǎn)載電壓變化率5%-10%2.并激發(fā)電機(jī)原理電路圖3.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1.他激和并

3、激直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1)原理電路圖2)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓平衡方程式 aaUEI ReEKneaeeRUnIKK02aeetRUnTnnKK K上式為直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的一般表達(dá)式式中,Ra為電樞電阻.以代入得:taTKI由將Ia值再代入,得:3)機(jī)械特性硬度在機(jī)械特性方程式中, no稱(chēng)為理想空載轉(zhuǎn)速; n稱(chēng)為轉(zhuǎn)速降落.機(jī)械特性硬度是衡量機(jī)械特性平直程度的: dTTdnn 絕對(duì)硬特性 .如交流同步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性10 硬特性 如直流他激電動(dòng)機(jī)和異步電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性10 軟特性 如直流串激電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性曲線(xiàn)n=f(T)4.固有(自然)機(jī)械特性和人工機(jī)械特性1)他

4、激直流電動(dòng)機(jī)的自然機(jī)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(shí)的機(jī)械特性即為自然機(jī)械特性.額定負(fù)載時(shí),轉(zhuǎn)速降落不多,是硬特性;金屬切削機(jī)床,冷軋機(jī),造紙機(jī)等宜于選用硬特性的電動(dòng)機(jī).02aeetRUnTnnKK K2)自然機(jī)械特性曲線(xiàn)的作法已知電動(dòng)機(jī)的PN,UN,IN,nN,由公式可計(jì)算出Ra,Ke , N0 500 751NNaNNNpURU II NNaeNNUI RKn0NeNUnK9 55NNNPTn(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉(zhuǎn)速no計(jì)算:(3)額定轉(zhuǎn)矩Nn的計(jì)算:no,TN,找出兩個(gè)點(diǎn),即理想空載點(diǎn)(o,no)和額定運(yùn)行點(diǎn)(TN,nN),通過(guò)這兩點(diǎn)作出自然

5、機(jī)械特性.3)舉例(1)一臺(tái)Z2-51型直流他激電動(dòng)機(jī),已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉(zhuǎn)速1500r/min,忽略損耗,求自然機(jī)械特性.解:分析 只要求出理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn),就可繪出機(jī)械特性. 0 500 751NNaNNNpURU II =0.71NNaeNNUI RKn=0.132NoeNUnK=1667r/min9 55NNNPTn=35Nm4)電動(dòng)機(jī)人工機(jī)械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機(jī)械特性在自然機(jī)械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人工機(jī)械特性方程式:附加電阻Rad越大,機(jī)械特性越軟.nnTKKRRKUnt

6、eaadeN0202aeetRUnTnnKK K(2)改變電樞電壓的人工機(jī)械特性U改變,但轉(zhuǎn)速降不變.因此,變電樞電壓的人工機(jī)械特性是一簇與自然機(jī)械特性平行的特性曲線(xiàn).只允許在額定電壓以下調(diào)節(jié).在后面的自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)學(xué)習(xí)中有廣泛的應(yīng)用. NoeNUnK隨U的變化而變化02aeetRUnTnnKK K(3)改變磁通的人工機(jī)械特性從機(jī)械特性方程可知,改變磁通時(shí),電動(dòng)機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)速降落都會(huì)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(dòng)機(jī)過(guò)載,更要防止飛車(chē),因此,直流他激電動(dòng)機(jī)設(shè)有失磁保護(hù).02aeetRUnTnnKK K2.串激直流電

7、動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1)特點(diǎn):電樞電流就是激磁電流.2)機(jī)械特性分析: 第一段,電動(dòng)機(jī)輕載時(shí),機(jī)械特性具有雙曲線(xiàn)的形狀,理想空載轉(zhuǎn)速趨近無(wú)窮大. 第二段,電動(dòng)機(jī)負(fù)載較重時(shí),磁路趨于飽和,機(jī)械特性近似一條直線(xiàn).3)注意事項(xiàng): 直流串激電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行-飛車(chē)事故. 3.4 直流他激電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)特性直流他激電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電流是額定電流的(10-20)倍,不允許直接起動(dòng).限制其起動(dòng)電流的方法有兩種.1.降壓起動(dòng): 組成SCR-M自動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)的起動(dòng)環(huán)節(jié).是后面學(xué)習(xí)的一個(gè)重點(diǎn).2.電樞電路串外接電阻起動(dòng) 右圖為具有三段起動(dòng)電阻的他激電動(dòng)機(jī)電路原理圖和起動(dòng)特性, 其起動(dòng)特性就是前面剛剛學(xué)習(xí)過(guò)的一種人工機(jī)械特性.

8、3.5直流他激電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性由直流他激電動(dòng)機(jī)人工機(jī)械特性方程式直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法:式中, Ke,Kt,Ra 均為常數(shù),因此,電動(dòng)機(jī)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 .TKKRRKUnteadae21.改變電樞電路外接電阻調(diào)速電動(dòng)機(jī)電樞電路串電阻后,其人工機(jī)械特性如右圖示.1)應(yīng)用: 起重機(jī),卷?yè)P(yáng)機(jī);2)缺點(diǎn):機(jī)械特性軟,實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速困難;3)注意:串電阻調(diào)速與起動(dòng)特性相似,但起動(dòng)電阻與調(diào)速電阻不同. 2.改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓調(diào)速變電樞電壓調(diào)速的機(jī)械特性如右圖.1)特點(diǎn):容易實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速;機(jī)械特性是一組平行線(xiàn),硬度不變;不需用其他起動(dòng)設(shè)備.2)

9、應(yīng)用;適用于恒轉(zhuǎn)矩負(fù)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(diǎn)學(xué)習(xí).3.改變電動(dòng)機(jī)主磁通調(diào)速變磁通調(diào)速的機(jī)械特性如右圖示.1)特點(diǎn):可以實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速;機(jī)械特性軟;調(diào)速范圍不大.2)應(yīng)用:適用于恒功率負(fù)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.例題例:一臺(tái)直流他激電機(jī)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(dòng)機(jī)在額定轉(zhuǎn)矩下運(yùn)行,求(1)電動(dòng)機(jī)的電樞電壓降到180V時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?(2)激磁電流If=IfM(即磁通為額定值的0.8時(shí))時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?(3)電樞電路串入

10、2歐的附加電阻時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是多少?解: 1500220055. 955. 9NNNnPTT13. 015007 . 14 .12220NaNNeenRIUKK24. 113. 055. 955. 9etKK16. 024. 113. 02tKKe12361416. 07 . 113. 01802NteaeTKKRKUn1962n(1)此時(shí),U=180V,Ra=1.7歐=14例題求解1 . 08 . 0NeeKK99. 055. 9etKK099. 02teKK(2)此時(shí),U=UN=220V,Ra=1.7歐min/196214099. 07 . 11 . 0220(2rTKKRKUnNtea

11、eN(3)此時(shí),U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.713. 0eK24. 1tK16. 02teKK13681416. 07 . 313. 02202NteadaNeNTKKRRKUn(以上轉(zhuǎn)速單位為r/min)3.6直流他激電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性直流他激電動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)分為電動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài),如右圖所示.圖中,(a)為電動(dòng)狀態(tài); (b)為制動(dòng)狀態(tài).1)特點(diǎn):電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反,電機(jī)處于發(fā)電工作狀態(tài).2)制動(dòng)形式:穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài); 過(guò)渡的制動(dòng)狀態(tài).3)制動(dòng)方法有3種: 反饋制動(dòng); 反接制動(dòng); 能耗制動(dòng).1.反饋制動(dòng)1)實(shí)現(xiàn)條件:外部作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n

12、大于其理想空載轉(zhuǎn)速no.如,電車(chē)下坡,起重機(jī)下放重物.2)機(jī)械特性:正轉(zhuǎn)時(shí),是第一象限的機(jī)械特性在第二象限內(nèi)的延伸,如右圖所示.3)特點(diǎn):(1)利用位能轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)電動(dòng)機(jī)發(fā)電,將機(jī)械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速仍高于理想空載轉(zhuǎn)速,運(yùn)行不太安全.2.反接制動(dòng)1)實(shí)現(xiàn)條件:電樞電壓或電樞電勢(shì)反向.2)分類(lèi):(1)電源反接制動(dòng).改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的制動(dòng).機(jī)械特性方程式為; TKKRRKUnteadae2 為了限制制動(dòng)時(shí)比較大的電樞電流,實(shí)施電源反接制動(dòng)時(shí),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(jī)械上.(2)倒拉反接制動(dòng).改變電樞電勢(shì)方向所產(chǎn)生的制動(dòng).如:起重機(jī)的重物下降時(shí),電樞反轉(zhuǎn),電勢(shì)反向.此時(shí),位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL使重物下放,電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩TM反對(duì)重物下放-制動(dòng).特點(diǎn):適當(dāng)選擇電樞電路中的附加電阻,可以得到低的轉(zhuǎn)