章直流電機的工作原理及特性

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n3.1 直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理n3.2 直流發(fā)電機n3.3 直流電動機的機械特性n3.4 直流他勵電動機的啟動特性n3.5 直流他勵電動機的調(diào)速特性n3.6 直流他勵電動機的制動特性3.13.1直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.13.1.1直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的基本結(jié)構(gòu)：定子、轉(zhuǎn)子。直流電機的基本結(jié)構(gòu)：定子、轉(zhuǎn)子。定子作用：產(chǎn)生主磁場和在機械上支撐電機。定子作用：產(chǎn)生主磁場和在機械上支撐電機。轉(zhuǎn)子作用：產(chǎn)生感應(yīng)電勢或產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩以實轉(zhuǎn)子作用：產(chǎn)生感應(yīng)電勢或產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩以實

2、現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子電樞：轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、繞組、換向器、風(fēng)扇電樞：轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、繞組、換向器、風(fēng)扇定子：機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承、電刷定子：機座、主磁極、換向極、端蓋、軸承、電刷主磁極的作用是產(chǎn)生恒定、有一定空間分主磁極的作用是產(chǎn)生恒定、有一定空間分布形狀的氣隙磁通密度。由主磁極鐵心和布形狀的氣隙磁通密度。由主磁極鐵心和放置在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成放置在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成 。鐵心由。鐵心由極身和極靴組成，極靴使氣隙磁通密度分極身和極靴組成，極靴使氣隙磁通密度分布均勻。對勵磁繞組支撐。布均勻。對勵磁繞組支撐。換向極即附加極，改善直流電動機換向，換向極即附加極，改善直流電動機

3、換向，1KW1KW以上電機均按裝。以上電機均按裝。直流電機機座有整體機座、疊片式機座。直流電機機座有整體機座、疊片式機座。電樞鐵心是主磁路的一部分，同時支撐電樞繞組。電樞鐵心是主磁路的一部分，同時支撐電樞繞組。電樞繞組是直流電機的重要組成部分。由絕緣導(dǎo)體繞制而成。電樞繞組是直流電機的重要組成部分。由絕緣導(dǎo)體繞制而成。每一個線圈稱為一個元件，多個元件有規(guī)律地連接在一起形成每一個線圈稱為一個元件，多個元件有規(guī)律地連接在一起形成電樞繞組。槽內(nèi)直線部分稱為元件有效部分，槽兩端把有效部電樞繞組。槽內(nèi)直線部分稱為元件有效部分，槽兩端把有效部分連接起來的部分稱為端接部分。分連接起來的部分稱為端接部分。換向器

4、又稱為整流子，對于發(fā)電機其換向器又稱為整流子，對于發(fā)電機其作用是將電樞繞組的交流電變成外部作用是將電樞繞組的交流電變成外部的直流電。對于電動機是將外部的直的直流電。對于電動機是將外部的直流換成電樞繞組中的交流電。流換成電樞繞組中的交流電。換向片由導(dǎo)電性好換向片由導(dǎo)電性好 、硬度大、耐磨性、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成。能好的紫銅或銅合金制成。換向片的底部做成燕尾形狀，嵌在有換向片的底部做成燕尾形狀，嵌在有云母絕緣的云母絕緣的V形鋼環(huán)內(nèi)，換向片間以形鋼環(huán)內(nèi)，換向片間以0.61.2mm的云母作為絕緣，以螺的云母作為絕緣，以螺栓壓緊。栓壓緊。電刷裝置把電機電樞中的電流電刷裝置把電機電樞中的電

5、流與外部靜止電路相連或把外部與外部靜止電路相連或把外部電源與電機電樞相連。電源與電機電樞相連。3.1.2 直流電機的基本工作原理直流電機的基本工作原理直流電機分為直流電動機和直流發(fā)電機兩大類。直流電機分為直流電動機和直流發(fā)電機兩大類。一、直流發(fā)電機的工作原理一、直流發(fā)電機的工作原理右手定則右手定則 當(dāng)有原動機拖動轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)當(dāng)有原動機拖動轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，速旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，abcdabcd中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，每邊中將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，每邊導(dǎo)體感應(yīng)電動勢大小為導(dǎo)體感應(yīng)電動勢大小為lvBex直流電機做電動機直流電機做電動機運行。左手定則。運行。左手定則。通電導(dǎo)體在

6、磁場中通電導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用，受到電磁力的作用，形成力矩，旋轉(zhuǎn)，形成力矩，旋轉(zhuǎn)，同時切割磁場產(chǎn)生同時切割磁場產(chǎn)生感生電動勢，與外感生電動勢，與外加電源方向相反，加電源方向相反，故稱為反電勢。故稱為反電勢。nkEeatIkT直流電機電樞繞組中的電流與磁通直流電機電樞繞組中的電流與磁通作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。電機運行方式電機運行方式E與與Ia的方向的方向E的作用的作用T的性質(zhì)的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系發(fā)電機發(fā)電機相同相同電源電動勢電源電動勢阻轉(zhuǎn)矩阻轉(zhuǎn)矩T1=T+T0電動機電動機相反相反反電動勢反電動勢驅(qū)動轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T=TL+T03.2 直流發(fā)電機

7、直流發(fā)電機按勵磁方式分為：他勵、并勵、串勵、復(fù)勵。按勵磁方式分為：他勵、并勵、串勵、復(fù)勵。3.2.1 他勵發(fā)電機他勵發(fā)電機EU0EI tonkEURUIIIRU）（EIRIEUeaaa等于空載電壓發(fā)電機空載時，電動勢0/R外特性：當(dāng)轉(zhuǎn)速外特性：當(dāng)轉(zhuǎn)速n、勵磁、勵磁電流電流If為常數(shù)時，發(fā)電機為常數(shù)時，發(fā)電機輸出電壓和負(fù)載電流之輸出電壓和負(fù)載電流之間的關(guān)系稱為外特性。間的關(guān)系稱為外特性。電壓調(diào)整率電壓調(diào)整率%105%1000NNUUUU 發(fā)電機端電壓隨負(fù)載發(fā)電機端電壓隨負(fù)載電流的增大而減小的程度電流的增大而減小的程度3.2.2 并勵發(fā)電機并勵發(fā)電機faLffaaaaIIIRUIRUIRUEIRI

8、EU/)(并勵直流發(fā)電機自勵的三個條件并勵直流發(fā)電機自勵的三個條件1電機必須有剩磁電機必須有剩磁2勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確正確(加強原來的剩磁）加強原來的剩磁）3勵磁回路中的總電阻必須小于該勵磁回路中的總電阻必須小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻轉(zhuǎn)速下的臨界電阻3.2.3復(fù)勵發(fā)電機復(fù)勵發(fā)電機RRf如右圖所示為復(fù)勵發(fā)電機原理圖如右圖所示為復(fù)勵發(fā)電機原理圖復(fù)勵發(fā)電機的端電壓隨負(fù)載電流增大，復(fù)勵發(fā)電機的端電壓隨負(fù)載電流增大，下降趨勢比并勵發(fā)電機弱，原因是復(fù)下降趨勢比并勵發(fā)電機弱，原因是復(fù)勵發(fā)電機隨負(fù)載電流增大時，由于串勵發(fā)電機隨負(fù)載電流增大時，由于串勵繞組產(chǎn)生的磁通也將增大，

9、補償了勵繞組產(chǎn)生的磁通也將增大，補償了并勵繞組由于端電壓下降而導(dǎo)致的磁并勵繞組由于端電壓下降而導(dǎo)致的磁通的下降。通的下降。3.3 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性按勵磁方式：他勵、并勵、串勵和復(fù)勵。按勵磁方式：他勵、并勵、串勵和復(fù)勵。3.3.1 他勵直流電動機的機械特性ememmeeamemeaaaTnTCCRCUnICTnCERIEU02代入上式得：和電磁轉(zhuǎn)矩，將電樞電動勢程：電樞回路的電壓平衡方aeaeIKRKUn代入，將電樞電動勢程：電樞回路的電壓平衡方nKEIREUeaa）代入上式，則得（再將taKTI/nnTKKRKUnteae02為空載轉(zhuǎn)矩。，載轉(zhuǎn)速的存在，所以實際的空由于

10、有，稱為理想空載轉(zhuǎn)速。時，0020000TTKKRKUnTKUnTteaee直流積復(fù)勵電動機。）：直流串勵電動機和軟特性（交流電動機。）：他勵直流電動機、硬特性（。）：如交流同步電動機絕對硬特性（為三類：可將電動機機械特性分根據(jù)機械值的大小，機械特性硬度：1010100nTdndTemNTeaNeNNsaNTKKRKUnRRRUU2)0(械特性：的機械特性稱為固有機時、當(dāng)1. 固有機械特性分鐘）（轉(zhuǎn)（瓦）額定轉(zhuǎn)矩的求?。海河嬎泐~定工作點數(shù)據(jù)，：計算理想空載點數(shù)據(jù)；，、計算。銅耗是總損耗的機額定運行時，該式的意義是在電動可用下式進行估算：可用實測方法獲得，也電樞電阻估算/55.9055.943

11、21432102NnPPTnnIKTKUnTKKnRIUKKKIPIURRRNNNNNNtNNeNemNeNtNaNNNeNtNeNNNaaa一、固有特性的求取一、固有特性的求取2.人為機械特性人為機械特性ataeNemteaeNemNteaNeemNtesaNeNIKRKUnTKKRKUnTKKRKUnTKKRRKUn對應(yīng)的轉(zhuǎn)速特性為：為特性：減弱勵磁磁通時的人為特性：降低電樞電壓時的人特性電樞串電阻人為機械222n3.3.2 串勵電動機的機械特性串勵電動機的顯著特點是勵磁電流即是電樞電流。其機械特性與他勵電動機有差別。分兩段考慮：第一段：電動機負(fù)載較輕，因此電樞電流較小，可以近似認(rèn)為每極磁

12、通與電樞電流Ia成正比。即=CIa。為兩常數(shù)。，代入機械特性公式：CKCKCKCCRTCUCKRKCTKUnKCTCKIKTeteaNeateNttat21212/第二段：當(dāng)電動機負(fù)載較大時，磁路趨于飽和，可以近似認(rèn)為=常數(shù)，此時機械特性曲線近似于一條直線。串勵電動機負(fù)載大小對轉(zhuǎn)速影響較大，啟動電流很大從而導(dǎo)致起動轉(zhuǎn)矩大。適合于起重運輸機械等。不允許空載運行。不可以簡單改變電樞電壓極性方法來改變轉(zhuǎn)速反向，只單獨改變電樞或者勵磁電壓極性可以改變轉(zhuǎn)速反向。3.3.3 復(fù)勵電動機的機械特性具有他勵和串勵兩個勵磁繞組。積復(fù)勵電動機，即串勵和他勵繞組所產(chǎn)生的磁通方向是相同的。因為具有串勵和他勵兩個繞組，

13、所以復(fù)勵電動機機械特性介于串勵電動機和他勵電動機之間。3.4 直流他勵電動機的啟動特性直流他勵電動機的啟動特性倍電流的為額定傷。一般規(guī)定啟動電流造成設(shè)備、電源等的損倍。定電流的，導(dǎo)致啟動電流達到額流：可知，啟動瞬間電樞電由，所以感生電動勢，之前，轉(zhuǎn)速他勵直流電動機在啟動25 . 12010/00aNstaaeRUIRIEUnKEn直流電動機啟動的方法：直流電動機啟動的方法：降壓啟動。降壓啟動。電樞回路串電阻啟動。電樞回路串電阻啟動。3.5 直流他勵電動機的調(diào)速特性直流他勵電動機的調(diào)速特性速度變化：是在某條機械特性上，由于負(fù)載變化而導(dǎo)致的電速度變化：是在某條機械特性上，由于負(fù)載變化而導(dǎo)致的電動機

14、轉(zhuǎn)速的變化。動機轉(zhuǎn)速的變化。速度調(diào)節(jié)：在某一特定負(fù)載下，靠人為改變機械特性參數(shù)而速度調(diào)節(jié)：在某一特定負(fù)載下，靠人為改變機械特性參數(shù)而實現(xiàn)的。實現(xiàn)的。TKKRRKUnteadae2從上式可知，調(diào)速的方法有三種：從上式可知，調(diào)速的方法有三種：改變電動機電樞電壓的方法。（額定電壓以改變電動機電樞電壓的方法。（額定電壓以下范圍下范圍改變電樞回路的電阻。改變電樞回路的電阻。改變勵磁磁通的方法。（弱磁）改變勵磁磁通的方法。（弱磁）3.5.1 改變電樞電路外串電阻改變電樞電路外串電阻Rad優(yōu)點：調(diào)速方法簡單。優(yōu)點：調(diào)速方法簡單。缺點：機械特性軟，穩(wěn)定度低。調(diào)速范圍受負(fù)載大小影缺點：機械特性軟，穩(wěn)定度低。調(diào)速

15、范圍受負(fù)載大小影響。實現(xiàn)無級調(diào)速困難，能量消耗在電阻上。響。實現(xiàn)無級調(diào)速困難，能量消耗在電阻上。3.5.2 改變電動機電樞供電電壓改變電動機電樞供電電壓UTKKRRKUnteadae2調(diào)壓調(diào)速的特點：調(diào)壓調(diào)速的特點：可以實現(xiàn)無級調(diào)速；可以實現(xiàn)無級調(diào)速；調(diào)速特性與固有特性相平行，機械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)調(diào)速特性與固有特性相平行，機械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大；定度較高，調(diào)速范圍較大；調(diào)速時，因電樞電流與電壓無關(guān)，且調(diào)速時，因電樞電流與電壓無關(guān)，且=N，故電動機轉(zhuǎn)，故電動機轉(zhuǎn)矩矩T=KtNIa不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電樞電壓來啟動電動機，不需其它

16、啟動設(shè)備?？梢酝ㄟ^調(diào)節(jié)電樞電壓來啟動電動機，不需其它啟動設(shè)備。3.5.3 改變電動機主磁通改變電動機主磁通弱磁調(diào)速的特點：弱磁調(diào)速的特點：可以平滑無級調(diào)速，只能弱磁可以平滑無級調(diào)速，只能弱磁（？），即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速。（？），即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)速。調(diào)速特性較軟，且受電動機換向調(diào)速特性較軟，且受電動機換向等條件限制。普通他勵電動機最高等條件限制。普通他勵電動機最高轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍。倍。調(diào)速時維持電樞電壓調(diào)速時維持電樞電壓U和電樞電和電樞電流流Ia不變，即功率不變，即功率P=UIa不變，屬不變，屬于恒功率調(diào)速，該方法適合于恒功于恒功率調(diào)速，該方法適合于恒功率負(fù)

17、載調(diào)速。率負(fù)載調(diào)速。3.6 直流他勵電動機的制動特性直流他勵電動機的制動特性制動：是使電動機從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速制動：是使電動機從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或者是限制位能負(fù)載下降速度的一種到停止或者是限制位能負(fù)載下降速度的一種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。運轉(zhuǎn)狀態(tài)。自然停車：電動機脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦自然停車：電動機脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦阻轉(zhuǎn)矩消耗機械能，使轉(zhuǎn)速慢慢下降到零。阻轉(zhuǎn)矩消耗機械能，使轉(zhuǎn)速慢慢下降到零。電動狀態(tài)的特點：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電動電動狀態(tài)的特點：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電動機的轉(zhuǎn)速方向相同。機的轉(zhuǎn)速方向相同。電動機的制動狀態(tài)：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電電動機的制動狀態(tài)：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩與電動機的轉(zhuǎn)速方

18、向相反。動機的轉(zhuǎn)速方向相反。電動機的兩種制動狀態(tài)：電動機的兩種制動狀態(tài)：卷揚機下放重物時為限制位能性負(fù)載的下降速度，電動機的轉(zhuǎn)速不變，卷揚機下放重物時為限制位能性負(fù)載的下降速度，電動機的轉(zhuǎn)速不變，保持重物穩(wěn)速下降，屬于穩(wěn)定的制動狀態(tài)。保持重物穩(wěn)速下降，屬于穩(wěn)定的制動狀態(tài)。降速或者停車制動時，電動機的轉(zhuǎn)速是變化的，屬于過渡的制動狀態(tài)。降速或者停車制動時，電動機的轉(zhuǎn)速是變化的，屬于過渡的制動狀態(tài)。共同點：電磁轉(zhuǎn)矩與電動機轉(zhuǎn)速方向相反。區(qū)別：轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定。共同點：電磁轉(zhuǎn)矩與電動機轉(zhuǎn)速方向相反。區(qū)別：轉(zhuǎn)速是否穩(wěn)定。制動的三種形式：反饋制動、反接制動、能耗制動。制動的三種形式：反饋制動、反接制動、能耗制

19、動。3.6.1 反饋制動反饋制動 電動機原來運行在第一相限，電動機原來運行在第一相限，即正向電動狀態(tài)，在外部條件作即正向電動狀態(tài)，在外部條件作用下，實際轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)用下，實際轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速速n0時，電動機即運行于反饋時，電動機即運行于反饋制動狀態(tài)。電動機正轉(zhuǎn)時，反饋制動狀態(tài)。電動機正轉(zhuǎn)時，反饋制動狀態(tài)多的機械特性是第一相制動狀態(tài)多的機械特性是第一相限中電動狀態(tài)多的機械特性在第限中電動狀態(tài)多的機械特性在第二相限中的延伸。二相限中的延伸。 電動機電樞電壓突然降低使電動機電動機電樞電壓突然降低使電動機轉(zhuǎn)速降低的過程中，也會出現(xiàn)反饋制動轉(zhuǎn)速降低的過程中，也會出現(xiàn)反饋制動狀態(tài)。狀態(tài)。 同理在弱磁狀態(tài)下，用增加磁通同理在弱磁狀態(tài)下，用增加磁通在方法降速時，也能產(chǎn)生反饋制動過程。在方法降速時，也能產(chǎn)生反饋制動過程。卷揚機下放重物時所產(chǎn)生的反饋制