第3章直流電機(jī)

1、第3章 直流電機(jī)的工作原理與特性電機(jī)的分類a a 發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)，電動(dòng)機(jī)b b 直流，交流，步進(jìn)直流，交流，步進(jìn)：特點(diǎn)：特點(diǎn)： 直流電動(dòng)機(jī)：直流電動(dòng)機(jī)：可以實(shí)現(xiàn)可以實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速無級(jí)調(diào)速（優(yōu)點(diǎn)）（優(yōu)點(diǎn)）, , 在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中應(yīng)用多在傳統(tǒng)的模擬控制系統(tǒng)中應(yīng)用多 交流電動(dòng)機(jī)：交流電動(dòng)機(jī)：簡(jiǎn)單、便宜、但調(diào)速?gòu)?fù)雜簡(jiǎn)單、便宜、但調(diào)速?gòu)?fù)雜 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：步進(jìn)電動(dòng)機(jī)：用脈沖工作、易于數(shù)字控制用脈沖工作、易于數(shù)字控制 直流發(fā)電機(jī)：直流發(fā)電機(jī)：一般用來為直流電動(dòng)機(jī)配套；一般用來為直流電動(dòng)機(jī)配套； 但可控硅取代很多的發(fā)電機(jī)但可控硅取代很多的發(fā)電機(jī). .第3章直流電機(jī)的工作原理與特性 3.1 3.1直流電

2、機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理 3.2 3.2 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī) 3.3 3.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 3.4 3.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性 3.5 3.5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性 3.6 3.6直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性第三章直流電機(jī)的工作原理與特性第三章直流電機(jī)的工作原理與特性 本章要求：本章要求：1 1、了解直流電機(jī)的基本構(gòu)造和工作原理。、了解直流電機(jī)的基本構(gòu)造和工作原理。2 2、掌握直流電動(dòng)機(jī)的電壓與電流的關(guān)系式，、掌握直流電動(dòng)機(jī)的電壓與電流的關(guān)系式， 接線圖和機(jī)械特性。接線圖和機(jī)

3、械特性。3 3、掌握直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速的基本原理、掌握直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速的基本原理和基本方法。和基本方法。3.13.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和原理 直流電機(jī)由定子（固定 不 動(dòng) ） 與 轉(zhuǎn) 子（旋轉(zhuǎn)）兩大部分組成，定子與轉(zhuǎn)子之間有空隙,稱為氣隙。3.1.13.1.1直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)定子：包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等； 主磁極：用來在電機(jī)中產(chǎn)生磁場(chǎng) 永磁式：用永久磁鐵制成 勵(lì)磁式：磁極上繞線圈（勵(lì)磁繞組），線圈 中通以直流電形成電磁鐵。轉(zhuǎn)子（電樞） 包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等。 電樞鐵芯：由硅鋼片疊裝而成，導(dǎo)磁 電樞

4、繞組：由漆包銅線繞成， 換向器： 保持電樞繞組的電流方向不變直流發(fā)電機(jī)工作原理直流發(fā)電機(jī)工作原理原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)N Seabcde+AB-電電刷刷換換向向片片n發(fā)電機(jī)模型n原動(dòng)機(jī) 當(dāng)有原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，根當(dāng)有原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)子以一定的轉(zhuǎn)速逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，根據(jù)據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律法拉第電磁感應(yīng)定律可知，在切割磁場(chǎng)的線圈可知，在切割磁場(chǎng)的線圈abcdabcd中將中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。兩條有效邊導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。兩條有效邊導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小應(yīng)為：應(yīng)為： e = B l v 若若B B 、l l、v v在空間相互垂直，則在空間相互垂直，則e

5、 e的大小等于三的大小等于三者的乘積，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向由者的乘積，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向由右手定則右手定則確定。確定。式中式中: : B B為導(dǎo)體所在處的磁通密度，為導(dǎo)體所在處的磁通密度，Wb/m.mWb/m.m； l l為導(dǎo)體為導(dǎo)體abab或或cdcd的有效長(zhǎng)度，的有效長(zhǎng)度，m m； v v為導(dǎo)體與為導(dǎo)體與B B間的相對(duì)線速度，單位為間的相對(duì)線速度，單位為m/s.m/s.在工程上在工程上, ,通常用下式計(jì)算直流電機(jī)電刷間的電動(dòng)勢(shì)通常用下式計(jì)算直流電機(jī)電刷間的電動(dòng)勢(shì): : E=Ken （3-13-1） 式中式中: : : :一對(duì)磁極的磁通一對(duì)磁極的磁通WbWb n: n: 電樞轉(zhuǎn)速電樞轉(zhuǎn)速 (r/min

6、) ,(r/min) , Ke Ke 與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)3.1.2.3.1.2.直流電動(dòng)機(jī)的工作原理直流電動(dòng)機(jī)的工作原理 若把電刷若把電刷A, BA, B接到一直流電源上，電刷接到一直流電源上，電刷A A接電源的接電源的正極，電刷正極，電刷B B接電源的負(fù)極，此時(shí)在電樞線圈中將有接電源的負(fù)極，此時(shí)在電樞線圈中將有電流流過。如下圖所示為直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化模型電流流過。如下圖所示為直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)化模型。直流電動(dòng)機(jī)工作模型直流電動(dòng)機(jī)工作模型N SiabcdFFii+AB-n電動(dòng)機(jī)模型 位于位于N N極下線圈極下線圈abab邊和位于邊和位于S S極下線圈的極下線圈的cdcd邊通以直

7、流邊通以直流電流電流i i，根據(jù)，根據(jù)安培電磁力定律安培電磁力定律 可知，導(dǎo)體中產(chǎn)生電磁力可知，導(dǎo)體中產(chǎn)生電磁力F F的大小應(yīng)為；的大小應(yīng)為； FBl i 若若B B、i i 在空間相互垂直，則在空間相互垂直，則F F 的大小等于三者的乘的大小等于三者的乘積，方向由積，方向由左手定則左手定則確定。確定。式中: B B為導(dǎo)體所在處的磁通密度，單位為Wbm.m； l 為導(dǎo)體ab或cd的有效長(zhǎng)度，單位為m； i 為導(dǎo)體中流過的電流，單位為A. 在工程上在工程上, ,通常用下式計(jì)算直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩通常用下式計(jì)算直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩: : T=KtIa （3-2）式中: T T: 電磁轉(zhuǎn)矩(Nm)， :

8、 一對(duì)磁極的磁通(Wb) ， Ia: Ia: 電樞電流(A) KtKt: 與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。Kt=9.55Ke在發(fā)電機(jī)中EKen是輸出電勢(shì)TKtIa （負(fù)載轉(zhuǎn)矩）為原動(dòng)機(jī)負(fù)載, Ia為負(fù)載。在電動(dòng)機(jī)中： TKtIa 為輸出動(dòng)力 EKen 為反電勢(shì) 當(dāng)TM 大大 n TM-TL=J(d/dt)E (U-E) Ia=(U-EM)/Ra TMTM 是負(fù)載3.2 3.2 直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)對(duì)于直流電機(jī)按其勵(lì)磁方式可分為他勵(lì)電機(jī)、并勵(lì)電機(jī)、串勵(lì)電機(jī)、復(fù)勵(lì)電機(jī)。他勵(lì)電機(jī)他勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組有獨(dú)立的電源與電樞無關(guān)并勵(lì)電機(jī)并勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)串勵(lì)電機(jī)串勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞串聯(lián)復(fù)勵(lì)電機(jī)復(fù)勵(lì)電機(jī)：有

9、串勵(lì)也有并勵(lì)磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱 為勵(lì)磁。UUfIaM+_+_IffR stRIaUM+_IffR stR+_IEUIa+_IfM復(fù)勵(lì)復(fù)勵(lì)U+_IMIa 3.3 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.3.1他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性他勵(lì)電動(dòng)機(jī)特點(diǎn)： 勵(lì)磁繞組和電樞繞組分別由兩個(gè)直流電源供電。機(jī)械特性: 轉(zhuǎn)速(n)與轉(zhuǎn)矩(T)的關(guān)系，即 n=f(T)n=f(T)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)接線圖：其中：Uf 勵(lì)磁電壓 If 勵(lì)磁電流 U 電樞電壓 Ia 電樞電流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式可以由他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式導(dǎo)出。根據(jù)電樞回路電壓方程式： U=IaRa+

10、E 和 E=Ken ， T=KtIa ，可以求得機(jī)械特性方程式機(jī)械特性方程式： （3-4）Ra為電樞回路總電阻。 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路原理圖 機(jī)械特性硬度機(jī)械特性硬度: : dT/dn 對(duì)于電機(jī)按值分類如下: 絕對(duì)硬度 = 硬 10 軟 10 三種在生產(chǎn)中都有應(yīng)用機(jī)械特性分固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性機(jī)械特性分固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性固有機(jī)械特性： 在額定條件下（n）與(T)的關(guān)系.人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性： 人為改變參數(shù)時(shí)得到的機(jī)械特性, 如改變U，串聯(lián)電阻R等固有機(jī)械特性曲線固有機(jī)械特性曲線根據(jù)求出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線，如圖所示.他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人為機(jī)械特性他勵(lì)直流電動(dòng)

11、機(jī)的人為機(jī)械特性1. 1. 電樞回路串電阻電樞回路串電阻RadRad 當(dāng)電動(dòng)機(jī)的U=UN,=N,R=Rad時(shí)，其人為機(jī)械特性的方程式為: 與固有特性相比， a.理想空載轉(zhuǎn)速n0不變， b.轉(zhuǎn)速降n增大，外加電阻Rad 越大，n 也越大，特性越“軟”，如圖中曲線1,2所示。這類人為機(jī)械特性是一組通過 n0,而不同斜率的直線。2 2改變電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變電樞電壓時(shí)的人為機(jī)械特性當(dāng)電動(dòng)機(jī)的Rad=0,= N 時(shí)，改變電樞電壓的人為機(jī)械特性的方程式為: 與固有特性相比較，a. 機(jī)械特性曲線的斜率不變，b b. 理想空載轉(zhuǎn)速 隨電壓減小成正比減小。 改變電壓時(shí)的人為特性是一組與固有機(jī)械特性平行

12、的直線，如圖所示。3. 3. 改變磁通時(shí)的人為機(jī)械特性改變磁通時(shí)的人為機(jī)械特性 可以在勵(lì)磁回路中串接上電阻Rf，或降低勵(lì)磁電壓Uf來減弱磁通，保持U=UN，Rad=0 時(shí)，減弱磁通的人為特性方程為:由于磁通 的減少，使得理想空載轉(zhuǎn)速n0 和機(jī)械特性斜率都增大，其特性曲線如圖所示。當(dāng)TL小時(shí)E=Ken 因?yàn)樗詎會(huì)發(fā)生飛車飛車 3.4 3.4 直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)特性啟動(dòng)啟動(dòng): : 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子從靜止?fàn)顟B(tài)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速逐漸上升，最后達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過程。啟動(dòng)有如下要求啟動(dòng)有如下要求: : （1）啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩足夠大（TMTL電動(dòng)機(jī)才能順利啟動(dòng)）。 （2）啟動(dòng)電流 要限制在一定的范圍

13、內(nèi)。 （3）啟動(dòng)設(shè)備操作方便，啟動(dòng)時(shí)間短，運(yùn)行可靠，成本低廉。 （4）啟動(dòng)過程中能量消耗盡量少。1 1、啟動(dòng)問題、啟動(dòng)問題： 啟動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 n=0 E=Ken=0，由電動(dòng)勢(shì)平衡方程式 U=IaRa+E 可知啟動(dòng)電流 ： 顯然直接啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流將達(dá)到很大的數(shù)值，將出現(xiàn)強(qiáng)烈的換向火花，造成換向困難，還可能引起過流保護(hù)裝置的誤動(dòng)作或引起電網(wǎng)電壓的下降，影響其他用戶的正常用電；因此，除個(gè)別容量很小的電動(dòng)機(jī)外，一般直流電動(dòng)機(jī)是不容許直接啟動(dòng)不容許直接啟動(dòng)的。2 2、啟動(dòng)方法、啟動(dòng)方法（1 1）電樞回路串聯(lián)電阻啟動(dòng)）電樞回路串聯(lián)電阻啟動(dòng) 電樞回路串電阻啟動(dòng)即啟動(dòng)時(shí)在電樞回路串入電阻，以減小啟動(dòng)電流I

14、st,電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后，再逐漸切除電阻，以保證足夠的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩。（2 2）降壓?jiǎn)?dòng)使）降壓?jiǎn)?dòng)使U U從小到大逐漸增加到從小到大逐漸增加到U U 啟動(dòng)前將施加在電動(dòng)機(jī)電樞兩端的電源電壓降低，以減小啟動(dòng)電流 (一般限制在1.52IN). 這種啟動(dòng)方法需要專用電源，投資較大，但啟動(dòng)電流小，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩容易控制，啟動(dòng)平穩(wěn)，啟動(dòng)能耗小，是一種較好的啟動(dòng)方法。3. 3. 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn) 要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向，而電磁轉(zhuǎn)矩的方向由磁通方向和電樞電流的方向決定。所以，只要將磁通 或Ia任意一個(gè)參數(shù)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩TM即可改變方向。在控制時(shí)，通常直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方法有兩種

15、：（1 1）改變勵(lì)磁電流方向）改變勵(lì)磁電流方向 保持電樞兩端電壓極性不變，將勵(lì)磁繞組反接勵(lì)磁繞組反接，使勵(lì)磁電流反向，磁通 即改變方向。（2 2）改變電樞電壓極性）改變電樞電壓極性 保持勵(lì)磁繞組兩端電壓極性不變，將電樞繞組反接電樞繞組反接，電樞電流Ia即改變方向。 3.5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性電動(dòng)機(jī)的調(diào)速電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 是指電動(dòng)機(jī)的外負(fù)載（T）不變的情況下，人為人為地改變電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)地改變電動(dòng)機(jī)的工作參數(shù)，使工作速度發(fā)生變化的情況。由于電動(dòng)機(jī)有: 當(dāng)T不變時(shí)，影響的參數(shù)有 U, , Ra 所以調(diào)速的方式可以有以下三種: 變電壓U; 變磁通; 變電阻Ra一、串聯(lián)電阻調(diào)速一、串聯(lián)電阻調(diào)速 在電

16、樞回路中串聯(lián)電阻Rd 改變其機(jī)械特性，引起調(diào)速。由圖可知：當(dāng)R時(shí)n（TL不變） 特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、當(dāng)R時(shí)機(jī)械特性變軟 2、TL越小,n（速度變化） 越小，不同TL,調(diào)速范圍不同。 3、電阻耗能大（發(fā)熱） 由于Ia比較大，當(dāng)R時(shí)I2R 4、不易實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速 5、調(diào)速的設(shè)備比較簡(jiǎn)單二、變電樞電壓調(diào)速二、變電樞電壓調(diào)速 當(dāng)U改變時(shí)，n0變, 當(dāng)T不變時(shí),UU nn特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、當(dāng)U改變時(shí)，引起n0變化這時(shí)n不變，所以特性硬度不變，是一組平行線2、不同的TL時(shí)，調(diào)速范圍一樣（n）3、當(dāng)n電源功率也 ，節(jié)能。4、通過專門的電源，可實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速5、啟動(dòng)不需其它的設(shè)備6、電源設(shè)備，需要專門設(shè)計(jì)， 現(xiàn)已有配套

17、產(chǎn)品。 用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中，主要用直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速中，主要采用這種形式采用這種形式三、改變磁通調(diào)速三、改變磁通調(diào)速 由于磁路已飽和（額定處）If時(shí)不變,所以只能在的范圍內(nèi)調(diào)節(jié),即弱磁調(diào)速當(dāng)時(shí),n0,n特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、只能弱磁調(diào)速（）可以無級(jí) 變速,調(diào)速范圍在額定n之上。2、,引起機(jī)械特性變軟3、調(diào)速范圍不大,受電機(jī)的允許最高 轉(zhuǎn)速限制4、適用于恒功率調(diào)節(jié)由于使使EF,(U- EF)/Ra=Ia,T,n, EF, Ia,（U IaP不變）恒定3.6直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性拖動(dòng)拖動(dòng)( (電動(dòng)電動(dòng)):):驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)負(fù)載運(yùn)動(dòng)( (工作工作) )制動(dòng)制動(dòng): :制止負(fù)載運(yùn)動(dòng)制止負(fù)載運(yùn)動(dòng)( (減速減

18、速) )自然停車自然停車: : 斷電后自然停止斷電后自然停止制動(dòng)的用途制動(dòng)的用途: :快速停車快速停車, , 與位能轉(zhuǎn)矩平衡與位能轉(zhuǎn)矩平衡, , 精確定位精確定位. .分類分類: : 反饋制動(dòng)反饋制動(dòng), , 反接制動(dòng)反接制動(dòng), , 能耗制動(dòng)能耗制動(dòng). . 1 1、反饋制動(dòng)、反饋制動(dòng) 制動(dòng)原理；反饋制動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)速方向并未改變，而nn0，使EU, 電樞電流 Ia=（U E ）/R0反向，電磁轉(zhuǎn)矩（TM 0）也反向，為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。制動(dòng)時(shí)U未改變方向，而Ia 已反向?yàn)樨?fù)，電源輸入功率 P=UIa；而電磁功率P=UI0，表明電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能變?yōu)殡娔懿⒒仞伒诫娋W(wǎng)，故稱反饋制動(dòng)。 實(shí)現(xiàn)方法；電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，由于某種條件的變化（如帶位能負(fù)載下降、降壓調(diào)速等），使電樞轉(zhuǎn)速n超過理想空載轉(zhuǎn)速n0，則進(jìn)入反饋制動(dòng)。2 2、反接制動(dòng)、反接制動(dòng) 反接制動(dòng)有電樞電壓反接制動(dòng)和倒拉反接制動(dòng)兩種。 （1 1）電樞電壓反接制動(dòng)）電樞電壓反接制動(dòng) 實(shí)現(xiàn)方法實(shí)現(xiàn)方法 如圖所示，制動(dòng)前，接觸器的常開觸頭KM1閉合，另一個(gè)接觸器的常開觸頭KM2斷開， 假設(shè)此時(shí)電動(dòng)機(jī)處于正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩 TM與轉(zhuǎn)速n的方向相同,即電動(dòng)機(jī)的U,Ia,TM,E,n均為正值。