第3章直流電動機原理及特性(全)詳

1、第三章第三章直流電機的工作原理及特性直流電機的工作原理及特性重點掌握：重點掌握：了解直流電機的基本結構及工作原理；了解直流電機的基本結構及工作原理；掌握直流電動機的機械特性；掌握直流電動機的機械特性；掌握直流電動機啟動、調速和制動等各種特性掌握直流電動機啟動、調速和制動等各種特性；以及它們的應用場所。以及它們的應用場所。了解用機械特性來分析直流電動機運行狀態(tài)的了解用機械特性來分析直流電動機運行狀態(tài)的方法。方法。電機分電機分交流交流和和直流直流兩種。兩種。 直流電機直流電機工作電壓或輸出的電壓為直流；工作電壓或輸出的電壓為直流； 交流電機交流電機工作電壓為交流。工作電壓為交流。直流電機分直流電機

2、分直流電動機直流電動機和和直流發(fā)電機直流發(fā)電機兩種。兩種。 直流電動機直流電動機將電能轉換為機械能；將電能轉換為機械能； 直流發(fā)電機直流發(fā)電機將機械能轉換為電能。將機械能轉換為電能。 3.1 3.1 直流電機的基本結構和工作原理直流電機的基本結構和工作原理 3.1.1直流電機的基本結構直流電機的基本結構3.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類3.1.2基本的工作原理基本的工作原理1. 1. 主磁極主磁極：定子的主：定子的主要作用是產生主磁場。要作用是產生主磁場。 3.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類2.2.電樞繞組電樞繞組：實現能：實

3、現能量的轉換。量的轉換。3.3.電刷電刷4.4.換向片換向片換向器換向器電動機原理電動機原理：將電能轉換為機械能。：將電能轉換為機械能。 3.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類3.1.3電動勢和電磁轉矩電動勢和電磁轉矩1.電動勢電動勢E根據電磁學原理，兩電刷間的感應電動勢為根據電磁學原理，兩電刷間的感應電動勢為:nKE e式中：式中：E感應電動勢（感應電動勢（V）；）；對磁極的磁通（對磁極的磁通（Wb）；）；n電樞轉速（電樞轉速（r/min）；）；Ke與電機結構有關的常數。與電機結構有關的常數。 直流電動機中，電動勢的方向總是與電流的方直流電動機中，電動勢的方向總

4、是與電流的方向相反，被稱為反電動勢。向相反，被稱為反電動勢。 直流發(fā)電機中，電動勢的方向總是與電流的方直流發(fā)電機中，電動勢的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動勢。向相同，被稱為電源電動勢。3.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類2電磁轉矩電磁轉矩TM電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產生電磁力和電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產生電磁力和電磁轉矩，其大小可用如下公式表示：電磁轉矩，其大小可用如下公式表示：amMIKT 式中：式中：TM電磁轉矩（電磁轉矩（Nm）；）；對磁極的磁通（對磁極的磁通（Wb）；）；Ia電樞電流（電樞電流（A）；）；Km與電機結構有關的常數

5、，與電機結構有關的常數，Km=9.55 Ke3.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類直流發(fā)電機和直流電動機的電磁轉矩的直流發(fā)電機和直流電動機的電磁轉矩的作用是不同的。作用是不同的。 發(fā)電機的電磁轉矩是阻轉矩，它與電樞轉動的發(fā)電機的電磁轉矩是阻轉矩，它與電樞轉動的方向或原動機的驅動轉矩的方向相反。方向或原動機的驅動轉矩的方向相反。因此，在等因此，在等速轉動時，原動機的轉矩速轉動時，原動機的轉矩T T1 1必須與發(fā)電機的電磁轉必須與發(fā)電機的電磁轉矩矩T TM M及空載損耗轉矩及空載損耗轉矩T T0 0相平衡。相平衡。 電動機的電磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。電動機的電

6、磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。因此，電動機的電磁轉矩因此，電動機的電磁轉矩T TM M必須與機械負載轉矩必須與機械負載轉矩T TL L及及空載損耗轉矩空載損耗轉矩T T0 0相平衡。相平衡。3.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類 從以上分析可知，直流電機作發(fā)電機運行和作電從以上分析可知，直流電機作發(fā)電機運行和作電動機運行時，雖然都產生電動勢動機運行時，雖然都產生電動勢E E和電磁轉矩和電磁轉矩T T，但，但二者的作用正好相反，見表二者的作用正好相反，見表 ：電機運電機運行方式行方式E與與I的的方向方向E的作用的作用TM的性的性質質轉矩之間轉矩之間的關系的關系發(fā)電

7、機發(fā)電機相同相同電源電動電源電動勢勢阻轉矩阻轉矩T1=TM+T0電動機電動機相反相反反電動勢反電動勢驅動轉驅動轉矩矩TM=TL+T03.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類3.1.4直流電動機的分類直流電動機的分類 直流電動機按定子勵磁繞組的勵磁方式不同可分直流電動機按定子勵磁繞組的勵磁方式不同可分為四類：為四類： 1. 1.他勵電動機他勵電動機 2. 2.并勵電動機并勵電動機 3. 3.串勵電動機串勵電動機 4.4.復勵電動機復勵電動機3.1.1基本結構3.1.2工作原理3.1.3基本公式3.1.4分類3.2直流他勵電動機的機械特性直流他勵電動機的機械特性3.2.

8、1機械特性的一般形式機械特性的一般形式電動機的機械特性指的是電動機的機械特性指的是轉速與電磁轉矩轉速與電磁轉矩之間的關系之間的關系 3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理aaRIEU 式中式中: : U外加電樞電壓（外加電樞電壓（V V）；）；E感應電勢（感應電勢（V V）；）；aI電樞電流（電樞電流（A A）；）；aR電樞回路內阻（電樞回路內阻（） 電樞回路部分電樞回路部分勵磁回路部分勵磁回路部分3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理nKE eamIKT aaeRInKU aeaeIKRKUn 轉速特性轉

9、速特性TKKRKUn2meae 機械特性機械特性3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理1)理想空載轉速：理想空載轉速：T=0時的轉速稱為理想空載時的轉速稱為理想空載轉速，用轉速，用n0表示。表示。根據機械特性可知：根據機械特性可知： e0KUn 2) 2) 轉速降落轉速降落 TKKRnn2mea0理想空載點理想空載點3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理3）機械特性硬度機械特性硬度 為了衡量機械特性的平為了衡量機械特性的平直程

10、度，引進一個機械特性直程度，引進一個機械特性硬度的概念，硬度的概念，其定義為：其定義為：即轉矩變化與所即轉矩變化與所引起的轉速變化的比值，稱引起的轉速變化的比值，稱為機械特性的硬度。為機械特性的硬度。 %100dd nTnT 根據根據 值的不同，可將電動機機械特性分為三類。值的不同，可將電動機機械特性分為三類。（1 1）絕對硬特性）絕對硬特性 （3 3）軟特性）軟特性 1010 10 3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理3.2.2固有機械特性固有機械特性 直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條件（額定電

11、壓件（額定電壓UN和額定磁通和額定磁通 N ) )下和電樞電路內不外下和電樞電路內不外接任何電阻時的接任何電阻時的n=f(T)TKKRKUn2NmeaNeN 是一條直線。是一條直線。 直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機的銘牌數據求出的銘牌數據求出(0,(0,n n0 0 ) )和和( (T TN N, , n nN N) )即可繪出固有的機即可繪出固有的機械特性。械特性。3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理 通常直流電動機銘牌上給出額定功率通常直流電動機銘牌上給出額定功率PN 、額、額定電壓定電壓

12、UN 、額定電流、額定電流IN和額定轉速和額定轉速nN。 固有機械特性的計算步驟如下固有機械特性的計算步驟如下: : 3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理(1)(1)計算電樞回路電阻計算電樞回路電阻Ra(2)(2)計算計算KeN(3)(3)求理想空載轉速求理想空載轉速n0(4)(4)求額定轉矩求額定轉矩TN(5)(5)根據根據( (0,n0)和和( (TN，nN) )兩點做兩點做出固有特性曲線出固有特性曲線(1) (1) 估算電樞電阻估算電樞電阻R Ra a 依據：電動機在額定負載下的銅耗依據：電動機在額定負載下的銅耗I Ia a2 2R Ra a

13、約占總約占總損耗損耗 P PN N的的50%50%75%75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75. 05 . 0()1(Na2aNNNNNNNNNNNN 輸入功率輸出功率輸入功率輸出功率NNNNIUP 是額定運行條件下電動機的效率，且是額定運行條件下電動機的效率，且NaII 故得故得NNNNNa)1)(75. 05 . 0(IUIUPR 3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理Ra也可以在電動機也可以在電動機的手冊中直接查到的手冊中直接查到(2)(2)求求 Ne K額定運行條件下的反電勢為：額定運行條件下的反電勢為：aNNNeRIUnKEN

14、 故故NaNNNenRIUK (3) (3) 求理想空載轉速求理想空載轉速: : NeN0 KUn 得得 00 n,(4) (4) 求額定轉矩求額定轉矩: : NNNNN55. 9nPPT 得得 NN,nT(5)(5)根據根據 、00 n, NN,nT兩點，就可作出他勵直流電動機近似是機械特性曲線兩點，就可作出他勵直流電動機近似是機械特性曲線 。Tfn 3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理3.2.3人為機械特性人為機械特性 3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理TKKRKUn2NmeaNeN 1. 1.

15、電樞回路中串接附加電阻時的人為特性電樞回路中串接附加電阻時的人為特性 2. 2. 改變電樞電壓改變電樞電壓U U時的人為特性時的人為特性 3 3改變磁通改變磁通 時的人為特性時的人為特性 1. 1. 電樞回路中串接附加電阻時的人為特性電樞回路中串接附加電阻時的人為特性 NN, UU電壓平衡方程式為：電壓平衡方程式為： )(adaaNRRIEU 人為機械特性方程式為：人為機械特性方程式為： TKKRRKUn2NmeadaNeN 3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRRKUn2NmeadaNeN 與與特性變軟特

16、性變軟空載速度不變；空載速度不變；隨著電阻的增加，轉速降落增加；隨著電阻的增加，轉速降落增加；3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理用途1用途22. 2. 改變電樞電壓改變電樞電壓U時的人為特性時的人為特性 0,adN R TKKRKUn2NmeaNeN 把把比較與TKKRKUn2NmeaNe空載速度隨著空載速度隨著U的減小而減?。坏臏p小而減??；轉速降落不變；轉速降落不變；3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理特性硬度不變特性硬度不變用途1用途2電樞電壓只允許在其額定值以電樞電壓只允許在其額定值以下調節(jié)下調

17、節(jié) 不同值的人為特性不同值的人為特性曲線均在固有特性曲線之下。曲線均在固有特性曲線之下。 3 3改變磁通改變磁通 時的人為特性時的人為特性 0,adN RUU轉速降隨磁通的改變而變化。轉速降隨磁通的改變而變化。理想空載轉速隨磁通的改變而變化；理想空載轉速隨磁通的改變而變化；TKKRKUn2NmeaNeN 把把比較與TKKRKUn2meaeN3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理特性變軟特性變軟用途1由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流和它對應的磁通只能在低于其額定值的范圍勵磁電流和它對應

18、的磁通只能在低于其額定值的范圍內調節(jié)；內調節(jié)； 當磁通過分削弱后：當磁通過分削弱后：2 2）當）當 0時，從理論上說，空載時電動機速度趨近時，從理論上說，空載時電動機速度趨近 ，通常稱為，通常稱為“飛車飛車”； 因此，因此，直流他勵電動機啟動前必須先加勵磁電流直流他勵電動機啟動前必須先加勵磁電流，在運轉過程中，決不允許勵磁電路斷開或勵磁電流為在運轉過程中，決不允許勵磁電路斷開或勵磁電流為零，為此，直流他勵電動機在使用中，一般都設有零，為此，直流他勵電動機在使用中，一般都設有“失磁失磁”保護。保護。 1 1）如果負載轉矩不變，將使電動機電流大大增加而）如果負載轉矩不變，將使電動機電流大大增加而嚴

19、重過載；嚴重過載；3.2.1機械特性一般形式3.2.2固有特性3.2.3人為特性3.1結構及工作原理TKKRKUn2meaeN3.3直流他勵電動機的啟動特性直流他勵電動機的啟動特性3.3.1 3.3.1 啟動特性啟動特性 電動機的啟動就是施電于電動機，使電動機轉子轉電動機的啟動就是施電于電動機，使電動機轉子轉動起來，達到要求轉速的這一過程。動起來，達到要求轉速的這一過程。 aNst/ RUI 這個電流很大，一般情況下能達到其額定電流的這個電流很大，一般情況下能達到其額定電流的（10102020）倍。）倍。3.2機械特性3.3.1啟動特性3.3.2啟動方法3.1結構及工作原理（2 2） 對機械系

20、統(tǒng)的影響：對機械系統(tǒng)的影響： （3 3）對供電電網的影響：）對供電電網的影響： 因此，因此，直流電動機是不允許直接啟動的，即在啟動直流電動機是不允許直接啟動的，即在啟動時必須設法限制電樞電流時必須設法限制電樞電流，例如普通的，例如普通的Z2Z2型直流電動型直流電動機，規(guī)定電樞的瞬時電流不得大于額定電流的機，規(guī)定電樞的瞬時電流不得大于額定電流的1.51.52 2倍。倍。（1 1） 對電動機本身的影響：對電動機本身的影響： 使電動機在換向過程中產生危險的火花，燒壞整流使電動機在換向過程中產生危險的火花，燒壞整流子；子； 過大的電樞電流產生過大的電動應力，可能引起繞過大的電樞電流產生過大的電動應力，

21、可能引起繞組的損壞；組的損壞； 3.2機械特性3.3.1啟動特性3.3.2啟動方法3.1結構及工作原理3.3.2 啟動方法啟動方法 1. 1. 降壓啟動：降壓啟動： 2. 2. 電樞回路串電阻啟動電樞回路串電阻啟動 3.2機械特性3.3.1啟動特性3.3.2啟動方法3.1結構及工作原理aNst/ RUI 為了解決沖擊電流過大的現象，通常采用逐級為了解決沖擊電流過大的現象，通常采用逐級切除切除啟動電阻啟動電阻的方法來實現。圖所示為具有三段啟動電阻的方法來實現。圖所示為具有三段啟動電阻的原理電路和啟動特性。的原理電路和啟動特性。圖中：圖中：1T尖峰（最大）轉矩；尖峰（最大）轉矩；2T換接（最?。┺D

22、矩換接（最小）轉矩3.2機械特性3.3.1啟動特性3.3.2啟動方法3.1結構及工作原理由上可見，啟動級數愈多，由上可見，啟動級數愈多， T1、T2愈與平均轉矩愈與平均轉矩 221avTTT 接近，啟動過程快而平穩(wěn)，但所需的控制設備也就愈接近，啟動過程快而平穩(wěn)，但所需的控制設備也就愈多。我國生產的標準控制柜都是按快速啟動原則設計多。我國生產的標準控制柜都是按快速啟動原則設計的，一般啟動電阻為的，一般啟動電阻為（3 34 4）段。段。 多級啟動時，多級啟動時， T1、T2的數值需按照電動機的具體的數值需按照電動機的具體啟動條件決定，一般原則是保持每一級的最大轉矩啟動條件決定，一般原則是保持每一級

23、的最大轉矩 T T1 1（或最大電流（或最大電流I I1 1 ）不超過電動機的允許值，而每次切）不超過電動機的允許值，而每次切換電阻時的換電阻時的 T T2 2（或最小電流（或最小電流I I2 2 ）也基本相同，一般）也基本相同，一般選擇：選擇： N126 . 1TT N22 . 11 . 1TT 3.2機械特性3.3.1啟動特性3.3.2啟動方法3.1結構及工作原理3.4直流他勵電動機的調速特性直流他勵電動機的調速特性3.4.1 3.4.1 速度調節(jié)和速度變化速度調節(jié)和速度變化 電動機的調速是在一定的負載條件下，人為地改電動機的調速是在一定的負載條件下，人為地改變電動機的電路參數，以改變電動

24、機的穩(wěn)定轉速。變電動機的電路參數，以改變電動機的穩(wěn)定轉速。 3.2機械特性3.3啟動特性3.4.1調速的概念3.1結構及工作原理3.4.2調速方法 速度變化是指由于電動機的負載轉矩發(fā)生變化速度變化是指由于電動機的負載轉矩發(fā)生變化（增大與減?。┗蚱渌豢深A見因數引起電動機轉（增大與減?。┗蚱渌豢深A見因數引起電動機轉速的變化（下降或上升）。速的變化（下降或上升）。 總之，總之，速度變化是在速度變化是在某條機械特性上，由于負某條機械特性上，由于負載改變而引起的；載改變而引起的；而速度而速度調節(jié)則是在某一特定的負調節(jié)則是在某一特定的負載下，靠人為改變機械特載下，靠人為改變機械特性而得到的。性而得到的

25、。3.2機械特性3.3啟動特性3.4.1調速的概念3.1結構及工作原理3.4.2調速方法3.4.2調速方法調速方法TKKRRKUn2meadae 可知：可知：改變串入電樞回路的電阻改變串入電樞回路的電阻Rad ；改變電樞改變電樞供電電壓供電電壓U或或主磁通主磁通 ，都可以得到不同的人為機械，都可以得到不同的人為機械特性，從而在負載不變時可以改變電動機的轉速，以特性，從而在負載不變時可以改變電動機的轉速，以達到速度調節(jié)的要求，故直流電動機調速的方法有以達到速度調節(jié)的要求，故直流電動機調速的方法有以下三種。下三種。 3.2機械特性3.3啟動特性3.4.1調速的概念3.1結構及工作原理3.4.2調速

26、方法1 1、改變電樞電路外串電阻、改變電樞電路外串電阻 adR3.2機械特性3.3啟動特性3.4.1調速的概念3.1結構及工作原理3.4.2調速方法TKKRRKUn2meadae 321RRRRaEDCAnnnn 改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題：改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題： 機械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩(wěn)定度愈低；機械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩(wěn)定度愈低； 在空載或輕載時，調速范圍不大；在空載或輕載時，調速范圍不大； 實現無級調速困難；實現無級調速困難； 在調速電阻上消耗大量電能等。在調速電阻上消耗大量電能等。 目前已很少采用，僅在有些起重機、卷揚機等低目前已很少采用，僅在有些起重機、卷揚機等低速運轉時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。速運轉時間不長的傳動系統(tǒng)中采用。3.2機械特性3.3啟動特性3.4.1調速的概念3.1結構及工作原理3.4.2調速方法2改變電動機電樞供電電壓改變電動機電樞供電電壓U3.2機械特性3.3啟動特性3.4.1調速的概念3.1結構及工作原理3.4.2調速方法TKKRRKUn2meada