第3章-直流電機的工作原理及特性課件

機電傳動控制第3章直流電機的工作原理及特性機電傳動控制第3章直流電機的工作原理及特性1本章要求掌握直流電機的基本工作原理及特性，特別是直流電動機的機械特性；掌握直流電動機啟動、調(diào)速和制動的各種方法以及各種方法的優(yōu)缺點和應用場所。本章要求掌握直流電機的基本工作原理及特性，特別是直流電動機的2電機

利用電磁作用原理進行能量轉(zhuǎn)換的機械裝置電機利用電磁作用原理進行能量轉(zhuǎn)換的機械裝置3直流電機

1、進行直流電能與機械能之間的轉(zhuǎn)換2、直流電動機主要應用場合：

起動性能和調(diào)速性能好，過載能力大；3、直流發(fā)電機主要應用場合：供給直流電動機、電解、電鍍等所需的直流電能

4、主要缺點：結(jié)構(gòu)復雜，使用有色金屬多，生產(chǎn)工藝復雜，價格昂貴，運行可靠性差

直流電機1、進行直流電能與機械能之間的轉(zhuǎn)換43·1直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)要點：定子、轉(zhuǎn)子、換向器原理要點：電磁感應定律、電磁力定律、電路定律以及電勢方程、轉(zhuǎn)矩方程、電壓方程分類：直流電機按照勵磁方式的不同分為他勵、并勵、串勵、復勵四種3·1直流電機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)要點：定子、轉(zhuǎn)子、換5一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)6

7直流電機的組成1、定子：產(chǎn)生磁場、支撐電機2、轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢，進行能量轉(zhuǎn)換直流電機的組成1、定子：產(chǎn)生磁場、支撐電機8（一）

定子部分

1．主磁極：產(chǎn)生主磁場。主磁極鐵心勵磁繞組2、換向極：改善換向3、機座固定主磁路的一部分4、電刷裝置引入或引出直流電壓和直流電流

主磁極換向極（一）

定子部分

1．主磁極：產(chǎn)生主磁場。主磁極換向極9第3章-直流電機的工作原理及特性ppt課件10電刷盒電刷盒11第3章-直流電機的工作原理及特性ppt課件12轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖電樞繞組換向器電樞鐵心轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)圖電樞繞組換向器電樞鐵心轉(zhuǎn)軸13（二）

轉(zhuǎn)子(電樞)部分

1、電樞鐵心作為主磁通磁路的主要部分嵌放電樞繞組2、電樞繞組能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應電動勢以實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換3、換向器：與電刷配合使用直流電動機中：將外加直流電源轉(zhuǎn)換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉(zhuǎn)矩的方向恒定不變；直流發(fā)電機中：將電樞線圈中感應產(chǎn)生的交變電動勢轉(zhuǎn)換為對外引出的方向不變的直流電動勢。（二）

轉(zhuǎn)子(電樞)部分

1、電樞鐵心14電樞鐵心鋼片、換向器電樞鐵心鋼片、換向器15第3章-直流電機的工作原理及特性ppt課件16二．直流電機的基本工作原理

建立在電磁力和電磁感應的基礎上

二．直流電機的基本工作原理

建立在電磁力和電磁感應的基礎上171、電機的能量轉(zhuǎn)換電機是轉(zhuǎn)換能量形態(tài)的一種機械。

1、發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)換成電能。

2、電動機將電能轉(zhuǎn)換成機械能。

3、變壓器將一種電壓等級的電能轉(zhuǎn)變成另一種電壓等級的電能。電機的工作原理是建立在電磁感應定律、電磁力定律、電路定律等基本理論之上。1、電機的能量轉(zhuǎn)換電機是轉(zhuǎn)換能量形態(tài)的一種機械。182、法拉第電磁感應定律設有一個匝數(shù)為ω的線圈放在磁場中，不論什么原因，例如線圈的移動、轉(zhuǎn)動或磁場強度發(fā)生變化等，造成與線圈相交鏈的磁通Φ隨時間發(fā)生變化，這時線圈內(nèi)部會感應出電勢，這種現(xiàn)象叫電磁感應。2、法拉第電磁感應定律設有一個匝數(shù)為ω的線圈放在磁場中，不論193、右手定則如果磁場是恒定的，但線圈與磁場之間有相對運動，引起與線圈相交鏈的磁通發(fā)生變化，因而在線圈中感應出電勢，則稱這種電勢為運動電勢。母指方向四指方向3、右手定則如果磁場是恒定的，但線圈與磁場之間有相對運動，引204、電磁力定律載流導體在磁場中受到力的作用，由于這種力是由于磁場和電流的相互作用產(chǎn)生的，故稱之為電磁力。若磁場與導體互相垂直，則作用在導體上的電磁力為：四指方向母指方向左手定則4、電磁力定律載流導體在磁場中受到力的作用，由于這種力是由于215、電路定律在電路里，對任何一個回路，若沿某一方向環(huán)繞回路一周，則回路內(nèi)所有電勢的代數(shù)和等于所有電壓降的代數(shù)和。5、電路定律在電路里，對任何一個回路，若沿某一方向環(huán)繞回路一22（一）直流發(fā)電機的工作原理（一）直流發(fā)電機的工作原理23第3章-直流電機的工作原理及特性ppt課件24第3章-直流電機的工作原理及特性ppt課件25直流發(fā)電機基本工作原理原動機驅(qū)動電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)電樞線圈的有效邊切割磁力線電樞線圈中產(chǎn)生感應電勢e交變的感應電勢在換向器的作用下變換成電刷之間的直流電勢E接負載后，電樞中產(chǎn)生電流i載流導體在磁場中受到電磁力作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T原動機克服T的作用將機械能轉(zhuǎn)變成電能直流發(fā)電機基本工作原理原動機驅(qū)動電樞在磁場中旋轉(zhuǎn)26（二）直流電動機的工作原理（二）直流電動機的工作原理27第3章-直流電機的工作原理及特性ppt課件28第3章-直流電機的工作原理及特性ppt課件29直流電動機基本工作原理電樞線圈通電后在磁場中成為載流導體載流導體在磁場中受到電磁力作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T電樞在電磁轉(zhuǎn)矩T作用下旋轉(zhuǎn)旋轉(zhuǎn)的電樞線圈又切割磁力線，從而產(chǎn)生感應電勢E由于換向器的作用，感應電勢E總是與外加電壓的方向相反，稱為反電勢直流電動機基本工作原理電樞線圈通電后在磁場中成為30三、電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電動勢E

根據(jù)電磁學原理，兩電刷間有感應電動勢。式中：E—感應電動勢（V）；

Φ—一對磁極的磁通（Wb）；

n—電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；

Ke—與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)方向:直流發(fā)電機——總是與電流的方向相同，常稱為電源電動勢。直流電動機——總是與電流的方向相反，常稱為反電動勢。

三、電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電動勢E式中：E—感應電動勢（V）31

2．電磁轉(zhuǎn)矩TM

電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。式中：T——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

Φ——對磁極的磁通（Wb）；

Ia——電樞電流（A）；

Kt——與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Kt=9.55Ke大?。?．電磁轉(zhuǎn)矩TM電樞繞組中的32作用發(fā)電機：阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向或原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的方向相反。在等速轉(zhuǎn)動時，原動機的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩T及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。電動機：驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向相同，使電樞轉(zhuǎn)動。在等速轉(zhuǎn)動時，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩T必須與機械負載轉(zhuǎn)矩TL及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。作用發(fā)電機：阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動的方向或原動機的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的方33直流電機作發(fā)電機運行和作電動機運行時，雖然都產(chǎn)生電動勢E和電磁轉(zhuǎn)矩T，但作用正好相反。電機運行方式E與I的方向E的作用T的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系發(fā)電機相同電源電動勢阻轉(zhuǎn)矩T1=T+T0電動機相反反電動勢驅(qū)動轉(zhuǎn)矩T=TL+T0直流電機作發(fā)電機運行和作電動機運行時，雖然都產(chǎn)生電動勢E和電34發(fā)電機電動機電路方程發(fā)電機電動機電路方程353·2直流發(fā)電機3·2直流發(fā)電機36一．直流發(fā)電機的分類

1、他勵直流發(fā)電機：勵磁繞組由外電源提供電流2、自勵發(fā)電機：勵磁電流為電樞電流或為電樞電流的一部分，可分為：并勵直流發(fā)電機串勵直流發(fā)電機復勵直流發(fā)電機一．直流發(fā)電機的分類1、他勵直流發(fā)電機：勵磁繞組由外電源提37直流發(fā)電機的分類他勵并勵串勵復勵直流發(fā)電機的分類他勵并勵串勵復勵38二、他勵發(fā)電機二、他勵發(fā)電機39空載特性空載特性40外特性U=f(I)

大約為5%～10%外特性U=f(I)大約為5%～10%41三、并勵發(fā)電機

，三、并勵發(fā)電機42并勵發(fā)電機的工作原理并勵發(fā)電機的工作原理43并勵發(fā)電機的電壓建立的條件1、發(fā)電機的磁極要有剩磁。2、起始勵磁電流所產(chǎn)生的磁場的方向與剩磁磁場的方向相同，這樣，磁場才能加強。3、合適的電阻Rf，當Rf過大時，電壓就建立不起來。并勵發(fā)電機的電壓建立的條件1、發(fā)電機的磁極要有剩磁。44并勵發(fā)電機的外特性并勵發(fā)電機的外特性45四、復勵發(fā)電機優(yōu)點：在正常運行范圍內(nèi)，其端電壓變化不大。四、復勵發(fā)電機優(yōu)點：在正常運行范圍內(nèi)，其端電壓變化不大。463·3直流電動機的機械特性機械特性是直流電動機最重要的運行特性。機械特性反映了電機轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。機械特性是分析研究電機啟動、調(diào)速和制動的重要依據(jù)。機械特性分固有機械特性和人為機械特性。3·3直流電動機的機械特性機械特性是直流電動機最重要的運行47一、他勵電動機的機械特性一、他勵電動機的機械特性48n=f(T)T0n0---理想空載轉(zhuǎn)速（T=0）△n—速度降機械特性方程的推導n=f(T)T0n0---理想空載轉(zhuǎn)速（T=0）機械特性方程49（一）他勵電動機的機械特性表達式

直流電動機的機械特性的一般表達式

（一）他勵電動機的機械特性表達式

直流電動機的機械特性的一般50機械特性曲線及其方程機械特性曲線及其方程51（二）機械特性硬度

1、定義

2、分類

(1)絕對硬特性()(2)硬特性(＞10)(3)軟特性(<10)

3、機械特性硬度的選擇（二）機械特性硬度

1、定義52（三）機械特性的分類固有特性（自然特性）：指在額定條件下的機械特性。人為特性：指上式中供電電壓或磁通不是額定值、電樞回路內(nèi)接有外加電阻時的機械特性

（三）機械特性的分類固有特性（自然特性）：指在額定條件下的機531、固有機械特性一般就用理想空載點（0，n0）和額定運行點（TN，nN）近似地來作出直線。1、固有機械特性一般就用理想空載點（0，n0）54（1）估算電樞電阻Ra固有機械特性曲線的繪制步驟（1）估算電樞電阻Ra固有機械特性曲線的繪制步驟55（2）計算額定條件下反電勢（3）求理想空載轉(zhuǎn)速（4）求額定轉(zhuǎn)矩固有機械特性曲線的繪制步驟（2）計算（3）求理想空載轉(zhuǎn)速（4）求額定轉(zhuǎn)矩固有機械特性曲562、人為機械特性人為機械特性就是指供電電壓U或磁通Φ不是額定值、電樞電路內(nèi)接有外加電阻Rad時的機械特性，亦稱人為特性。電動機有三種人為機械特性。1）電樞回路中串接附加電阻時的人為特性2）改變電樞電壓U時的人為特性3）改變磁通Φ時的人為特性2、人為機械特性人為機械特性就是指供電電壓U或磁通Φ不是額定57電樞回路串接附加電阻時的人為特性電樞回路串接附加電阻時的人為特性58改變電樞電壓U時的人為特性改變電樞電壓U時的人為特性59改變磁通Φ時的人為特性應避免的現(xiàn)象1、過載2、飛車現(xiàn)象

改變磁通Φ時的人為特性應避免的現(xiàn)象60二、串勵電動機的機械特性軟特性第一段代入第二段Φ＝C二、串勵電動機的機械特性軟特性第一段代入第二段Φ＝C61串勵電動機的機械特性相關(guān)分析1． 硬度2． 優(yōu)點1）串勵電動機負載的大小對電動機的轉(zhuǎn)速影響較大

2）起動時的勵磁電流大

3、注意事項（1）不容許空載運行。

（2）反轉(zhuǎn)運行不能用改變電源極性的方式。

串勵電動機的機械特性相關(guān)分析1． 硬度62三、復勵電動機的機械特性具有他勵和串勵電動機的性質(zhì)他勵磁通φes=70%總磁通串勵磁通φs=30%總磁通他勵復勵串勵三、復勵電動機的機械特性具有他勵和串勵電動機的性質(zhì)他勵磁通φ63

一臺他勵直流電動機在穩(wěn)態(tài)下運行時，電樞反電勢E＝E1，如負載轉(zhuǎn)矩TL=常數(shù)，外加電壓和電樞電路中的電阻均不變，問減弱勵磁使轉(zhuǎn)速上升到新的穩(wěn)態(tài)值后，電樞反電勢將如何變化?是大于、小于還是等于E1?注意：從不能判斷E是如何變化的解：兩個已知條件，一個是負載轉(zhuǎn)矩TL＝常數(shù)；一個是從一個穩(wěn)態(tài)到另一個穩(wěn)態(tài)(而不涉及瞬態(tài)過程)，電樞反電勢是穩(wěn)態(tài)值。例題1一臺他勵直流電動機在穩(wěn)態(tài)下運行時，電樞反電勢E＝E1，如負64例題2例、一臺他勵直流電動機，其功率PN=5.5KW、UN=220V、IN=31A、nN=1500r/min,忽略損耗，認為額定運行時的電磁轉(zhuǎn)矩近似等于輸出轉(zhuǎn)矩，試繪制電機近似的固有機械特性。解：n=f(TL)是一條直線，故只要兩點，理想空載點（0，n0）(TN,,nN)(1)估算Ra(2)求n0例題2例、一臺他勵直流電動機，其功率PN=5.5KW、U65(3)求TN(3)求TN663·4直流他勵電動機的啟動特性啟動電流

啟動時n=0E=03·4直流他勵電動機的啟動特性啟動時n=0E=067啟動電流過大的危害1）不利于換向；2）易損壞可控硅；3）產(chǎn)生較大的動態(tài)沖擊，易損壞機械設備；4）對電網(wǎng)產(chǎn)生危害。通常規(guī)定啟動電流IST=（1.5~2.0）IN啟動電流過大的危害1）不利于換向；68限制啟動電流常用的兩種方法降壓啟動在電樞回路內(nèi)串接外加電阻啟動（IST=U/Ra）限制啟動電流常用的兩種方法降壓啟動（IST=U/Ra）69具有一段啟動電阻的他勵電動機具有一段啟動電阻的他勵電動機70具有三段啟動電阻的他勵電動機原則T1(I1)≤2TN2.T2(I2)基本相同具有三段啟動電阻的他勵電動機原則713·5直流他勵電動機的調(diào)速特性一、速度調(diào)節(jié)與速度變化3·5直流他勵電動機的調(diào)速特性一、速度調(diào)節(jié)與速度變化72速度調(diào)節(jié)與速度變化速度調(diào)節(jié)-----在一定的負載下，人為改變參數(shù)，從而改變電動機穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。負載不變速度變化-----由于負載發(fā)生變化而引起電動機轉(zhuǎn)速改變。特性不變速度調(diào)節(jié)與速度變化速度調(diào)節(jié)-----在一定的負載下，人為改變73二、直流電動機調(diào)速的方法(1)改變電樞電路外串電阻;(2)改變電動機電樞供電電壓;(3)改變電動機主磁通。二、直流電動機調(diào)速的方法74選擇不同調(diào)速方法的實質(zhì)：使電樞回路中的電流在不同速度下始終接近或等于額定值。選擇電動機調(diào)速方法的注意事項選擇不同調(diào)速方法的實質(zhì)：選擇電動機調(diào)速方法的注意事項75一臺電動機能否正常地長期運行，取決于它的電樞電流。額定電流是指電動機長期工作所能容許的電流值。調(diào)速時，無論轉(zhuǎn)速高低，都不允許長期超過額定值。電機在運行中，電壓、磁通的大小都是可以人為控制的，轉(zhuǎn)速雖然和轉(zhuǎn)矩有關(guān)，但基本也可以由操作者決定，而轉(zhuǎn)矩和電流完全取決于負載。即電機能否正常工作要看電流，而電流的大小要看負載。一臺電動機能否正常地長期運行，取決于它的電樞電流。額定電流是76串電阻調(diào)速缺點1.機械特性變軟，穩(wěn)定性差；2.輕載時調(diào)速范圍不大；3.無級調(diào)速困難；4.電阻上消耗大量電能；5.啟動電阻不能用來調(diào)速。適用于起重機、卷揚機。串電阻調(diào)速缺點77調(diào)壓調(diào)速（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）特點：(1)一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；(2)機械特性硬度不變，速度穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大；(3)恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速(4)可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓來啟動電機，不用其它啟動設備。調(diào)壓調(diào)速（恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速）特點：78調(diào)磁調(diào)速（恒功率調(diào)速）特點（1）只能在nN以上進行無級調(diào)速（弱磁調(diào)速）；（2）機械特性變軟，調(diào)速范圍不大；（3）恒功率調(diào)速（P=UIa）(4)在電流較小的勵磁回路中進行調(diào)節(jié)，控制方便，能量損耗小，設備簡單，調(diào)速平滑性好。通常同調(diào)壓調(diào)速配合使用（nN以下用調(diào)壓，nN以上用調(diào)磁通的方法）。注意：輕載時產(chǎn)生飛車事故調(diào)磁調(diào)速（恒功率調(diào)速）特點注意：輕載時產(chǎn)生飛車事故793·6直流他勵電動機的制動特性3·6直流他勵電動機的制動特性80一．電動機的制動1．

啟動與制動（1）啟動：從靜止開始加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速（2）制動：從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或限制位能負載下降速度的一種運轉(zhuǎn)狀態(tài)。

一．電動機的制動1．

啟動與制動812、

制動與自然停車

（1）自然停車：脫離電網(wǎng)、靠摩擦阻轉(zhuǎn)矩消耗機械能，需時較長（2）制動：聯(lián)在電網(wǎng)上，電動機運行在發(fā)電機狀態(tài)，快速停止2、

制動與自然停車

（1）自然停車：脫離電網(wǎng)、靠摩擦阻轉(zhuǎn)823、電動機的電動狀態(tài)與制動狀態(tài)

電動狀態(tài)：電動機發(fā)出的T和n方向相同；制動狀態(tài)：（發(fā)電狀態(tài)）轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反。

穩(wěn)定的制動狀態(tài)(n=C)過渡的制動狀態(tài)(n是變化的)3、電動機的電動狀態(tài)與制動狀態(tài)

電動狀態(tài)：電動機發(fā)出的T和n83電機的可逆原理同一臺電機在某一外界條件下，可以作為發(fā)電機運行，將機械能轉(zhuǎn)換成電能，而在另一外界條件下，又可作為電動機運行，將電能轉(zhuǎn)換成機械能。這就是說，在不同的外界條件下，電機轉(zhuǎn)換能量的方向可以改變。這就是電機的可逆原理。可逆原理是電機中的一個普遍規(guī)律，無論交流電機，還是直流電機都適用。電機的可逆原理同一臺電機在某一外界條件下，可以作為發(fā)電機運行84如何判斷電機的運行狀態(tài)不論是電動機還是發(fā)電機，始終存在兩個基本物理量：電樞電勢E和電磁轉(zhuǎn)矩T對直流電機來說，可以根據(jù)下列關(guān)系來判斷電機的運行狀態(tài)。對電動機而言,發(fā)電機運行狀態(tài)就是制動狀態(tài)利用直流電動機產(chǎn)生的電磁力作為制動力當E>U，T與n反方向，發(fā)電機運行狀態(tài)當E<U，T與n同方向，電動機運行狀態(tài)如何判斷電機的運行狀態(tài)不論是電動機還是發(fā)電機，始終存在兩個基85二．直流他勵電動機制動狀態(tài)

反饋制動：電動機為正常接法、電動機的實際轉(zhuǎn)速大于其理想空載轉(zhuǎn)速反接制動：電源反接制動、倒拉反接制動能耗制動：外加電樞電壓突然下降為零、將電樞串接一個附加電阻短接起來二．直流他勵電動機制動狀態(tài)

反饋制動：電動機為正常接法、電動86（一）反饋制動特征：實際轉(zhuǎn)速由于外部條件的作用，使得n>n0實例：1）電車下坡；2）突降U；3）卷揚機下放重物。特性：E=Ken；U=E+IR當n>n0時，E>U，導致Ia反向，從而T反向，電動機轉(zhuǎn)為發(fā)電機運行狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)變成電能，向電網(wǎng)反饋，故稱之為反饋制動。（一）反饋制動特征：實際轉(zhuǎn)速由于外部條件的作用，使得n>n087電車下坡的反饋制動特點：n>n0Ia<0

TM<0電車下坡的反饋制動特點：88電樞電壓突然降低時的反饋制動過程電樞電壓突然降低時的反饋制動過程89

調(diào)磁通調(diào)速過程中的反饋制動

n03>n01反饋制動只在調(diào)磁降速過程中產(chǎn)生-TTL

調(diào)磁通調(diào)速過程中的反饋制動

n03>n01反饋制動只在調(diào)磁90下