電機學直流電動機課件

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Machinery§3－6

直流電動機直流電動機的勵磁方式可以是他勵、并勵、串勵和復勵。以并勵為例推導直流電動機的基本方程式。各物理量正方向的規(guī)定：電樞電動勢Ea與電流Ia方向相反；電磁轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向一致。RarfIaIfIEaT,nUrΩSchool

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Machinery一、基本方程式（2）電勢平衡式電樞回路：U

>

Ea勵磁回路：重要的轉(zhuǎn)速公式RarfIaIfIEaT,nUrΩ（1）電流方程School

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Machinery基本方程式（3）轉(zhuǎn)矩平衡式T＝T0＋

T2＝TZT2：輸出轉(zhuǎn)矩;T0:空載制動轉(zhuǎn)矩;TZ:總負載轉(zhuǎn)矩推論：（1）

若制動TZ不變，φ不變，穩(wěn)定后的Ia不變。（2）實際空載時，Ia

0。School

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Machinery（4）功率平衡式School

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Machinery功率平衡式功率平衡式：效率：功率流程：School

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Machinery二、直流電動機的工作特性工作特性:是指在U＝UN，If＝IfN時，轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率隨輸出功率P2而變化的關系。即或機械特性:是指在U＝UN，If＝IfN時研究n與T之間的關系，即。n＝f（T）School

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MachinerynIa(一)并勵（他勵）電動機時，根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，可得n0：理想空載轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速下降不多，考慮電樞反應，有可能升高。School

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University1、轉(zhuǎn)速特性：Electrical

MachineryTIa根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：或者考慮去磁，曲線有所下降。School

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University2、轉(zhuǎn)矩特性：Electrical

Machinery思考題？School

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University1、如何改變他勵直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向？2、如何改變并勵電動機的旋轉(zhuǎn)方向？Electrical

Machinery當U＝UN， If＝IfN時，的關系叫效率特性。其中，為不變損耗為可變損耗School

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University3、效率特性：Electrical

Machinery令可得忽略勵磁電流

Iaη與Ia之間存在二次關系，效率曲線存在一個最大值。School

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Machinery電動機效率特性結論：當電動機在某負載下不變損耗等于可變損耗時，此時效率最高。推論：

（1）額定運行時總損耗

；（2）可從額定數(shù)據(jù)來估算電樞回路總電阻。School

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MachinerynT4、機械特性：機械特性反映得是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的變化規(guī)律。機械特性是稍下降的直線，計及飽和，成為水平或上翹。School

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Machinery硬特性:從并勵電動機轉(zhuǎn)速隨所需電磁轉(zhuǎn)矩的增加而稍有變化。用轉(zhuǎn)速變化率來表征：School

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MachineryT(1)固有機械特性當U＝UN，Φ＝ΦN，電樞回路無外接電阻時，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關系,稱為固有機械特性。nn0TNnN分析：1.電磁轉(zhuǎn)矩越大，轉(zhuǎn)速越低，機械特性是一條下斜直線；0

T0School

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Machinery固有機械特性分析n0Tn0T0n'0TNnN當轉(zhuǎn)矩等于零點， 為理想空載轉(zhuǎn)速。此時Ia＝0，

Ea＝UN， 是一種理想工作狀態(tài)。為電動機的實際空載轉(zhuǎn)速， 比n0略低。對應于空載轉(zhuǎn)矩。4

為機械特性斜率。?增大， 也增大。

通常稱?小的機械特性為硬特性，?大的機械特性為軟特性。School

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Machinery固有機械特性分析5. 額定轉(zhuǎn)速變化率 ，表示電機額定負載時的轉(zhuǎn)速比n0降落的程度。n>n0時為發(fā)電機狀態(tài)，此時

Ea>U, Ia反向， Ea與Ia同向，向電網(wǎng)送出電功率。堵轉(zhuǎn)點：電樞電流：為短路電流；電磁轉(zhuǎn)矩：為電機堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。n0Tn0T0TNnNSchool

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Machinery(2)人為機械特性分析根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩公式人為地改變電動機參數(shù)U、R或

得到的機械特性，稱為人為機械特性。有三種人為機械特性：電樞回路串電阻的人為機械特性；改變端電壓時的人為機械特性；減弱電動機主磁通時的人為機械特性；School

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MachineryT0電樞回路串電阻的人為機械特性保持U＝UN

及

＝

N

不變而在電樞回路中串入電阻Rc，所得的n＝f（T）關系。c對于給定的R，

為常數(shù)。Ra+Rc2人為School

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UniversityRc2>Rc1Ra固有Ra+Rc1nn0Electrical

Machinery電樞回路串電阻的人為機械特性電樞串電阻人為特性的特點：理想空載轉(zhuǎn)速n0與固有機械特性的n0相同；斜率 ，特性變軟，在同一個轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速下降更多。School

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MachineryT0改變端電壓時的人為機械特性保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變電樞電壓時的機械特性。表達式：一般都為降低的電壓。人為UN>U1>U2固有nn0UNU1U2School

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Machinery改變端電壓時的人為機械特性School

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University改變端電壓人為特性的特點：理想空載轉(zhuǎn)速比固有特性的理想空載轉(zhuǎn)速低。端電壓下降越多，其理想空載轉(zhuǎn)速越低。端電壓不同，但人為特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各條特性彼此平行。Electrical

MachineryT0減弱電機主磁通的人為機械特性保持端電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變勵磁電流的機械特性。表達式：額定時，接近飽和，一般都為減弱的磁通。

N>

N’

N固有nn0人為School

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University

N’Electrical

Machinery減弱電機主磁通的人為機械特性School

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University減弱電機主磁通人為特性的特點：由于

′<

N，理想空載轉(zhuǎn)速比固有特性的理想空載轉(zhuǎn)速高。人為機械特性的斜率比固有機械特性大，即人為特性比固有特性軟。Electrical

Machinery人為特性的幾點補充考慮電樞反應時，會使機械特性上翹。影響穩(wěn)定性。通過補償繞組改善。機械特性的確定。特殊點（n0，0），（nN，TN)通過電機的數(shù)據(jù)銘牌估算機械特性School

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Machinery三、電力拖動系統(tǒng)的動力學基礎以電動機作為原動機，按人們所給定的規(guī)律來帶動生產(chǎn)機械，稱為電力拖動。電源控制設備電動機傳動機構工作機構電力拖動系統(tǒng)的構成School

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Machinery基礎運動方程：g：重力加速度，9.8米/秒2；GD2：系統(tǒng)的飛輪矩（?！っ?）；n：轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分）；T、TZ：轉(zhuǎn)矩（?！っ祝┳⒁猓篏D2是一個完整的符號;T、TZ具有方向性，與轉(zhuǎn)速方向一致為正。School

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Machinery與速度無關，但其方向始終與轉(zhuǎn)向相反負載轉(zhuǎn)矩的T大Z

小n0負載轉(zhuǎn)矩特性反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載位能性恒轉(zhuǎn)矩負載恒功率負載通風機型負載轉(zhuǎn)矩具有固定的方向的改變而改變nTZ方向，0不隨轉(zhuǎn)速負載的轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的平方成正比n負載的功率為常TZ數(shù)，不隨0轉(zhuǎn)速的變化而改變TZn0School

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Machinery穩(wěn)定運行條件電機的機械特性需要與負載特性同時存在。分析拖動系統(tǒng)運行時，在同一坐標圖上，兩特性的交點是系統(tǒng)的平衡點。平衡點＝穩(wěn)定點？穩(wěn)定點：在受到外界擾動后，仍能還原的點。穩(wěn)定點的條件：恒轉(zhuǎn)矩負載，下降的機械特

性電動機能穩(wěn)定運行在交點處，轉(zhuǎn)速之上School

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University則T<Tz,轉(zhuǎn)速之下則

T>TzElectrical

MachineryIf=0當勵磁回路斷路時，氣隙中的磁通將驟然降至微小的剩磁，電樞回路中的感應電勢也將隨著減小。由于慣性，電機速度不能突變，電樞電流將急劇增加，使電動機嚴重過載。School

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University電磁轉(zhuǎn)矩的變化當電樞電流的增加程度不足以補償每極磁通的減小程度時，電磁轉(zhuǎn)矩減小，因而使電動機減速；當電樞電流的增加程度超過每極磁通的減小程度時，電磁轉(zhuǎn)矩將增大，使電動機加速，直至轉(zhuǎn)速上升到危險的高值（達到電壓平衡）思考題：并勵電動機突然勵磁失磁Electrical

MachineryIan（二）串勵電動機飛車。的額定負載下起動。1、轉(zhuǎn)速特性串勵電動機的特點

，根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，可得特點：重載時，n很??；輕載時，結論：串勵電動機不允許在小于15～20％“飛速”的解釋1.在滿載或較重負載時，電樞電流較大，If=Ia較大，氣隙磁通較大，電機只需不太高的轉(zhuǎn)速便能產(chǎn)生較高的反電勢與電網(wǎng)電壓平衡。2.在空載或很輕負載時，If=Ia很小，使主磁通很小，電機必須以很高的轉(zhuǎn)速才能產(chǎn)生反電勢保持電壓平衡。School

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MachineryIa2、轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：T特點：串勵電動機有較大起動轉(zhuǎn)矩與過載能力。大負載時，該曲線接近直線變化。School

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University結論：適用于重載起動場合，不允許在空載和很輕負載下運行。Electrical

MachinerynT3、機械特性從電壓方程以及得轉(zhuǎn)速隨所需電磁轉(zhuǎn)矩的增加而迅速變化，該特性稱為軟特性。School

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Machinery（三）復勵電動機的工作特性并勵起主要作用，接近并勵特性；n他勵復勵串勵Ia復勵是串勵和并勵共同合成得勵磁方式。以并勵為主的積復勵：School

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University當負載轉(zhuǎn)矩突然增加時，電樞電流增串勵起主要作用，接近串勵特性；大（電樞反應去磁作用增強），串勵磁勢增加，使主磁通增大。①使電磁轉(zhuǎn)矩很快的增大以克服突然增大的負載轉(zhuǎn)矩；②使反電勢很快的增大以減小電樞電流的沖擊值。③當電樞反應去磁作用很強時，仍能使電機有下降的機械特性，保持其穩(wěn)定運行。Electrical

Machinery§3－7直流電動機的起動、調(diào)速和制動School

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University一、他勵直流電動機的起動直流電動機接到電源以后，轉(zhuǎn)速從零達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程，稱為起動過程。對電動機起動的基本要求：起動轉(zhuǎn)矩要大；起動電流要??；起動設備要簡單、經(jīng)濟、可靠。Electrical

Machinery(一)他勵直流電機直接起動將電動機的電樞投入額定電壓的電源上起動。優(yōu)點：操作簡單，無需另加設備。缺點：沖擊電流大(10~20IN)，引起換向困難，產(chǎn)生火花；電源會發(fā)生瞬時跌落。適用于容量很小的電動機。School

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MachineryT0將起動電阻串入電樞回路，待轉(zhuǎn)速上升后，逐步將起動電阻切除。n(二)電樞回路串變阻器起動R3

R2

R1R1+R2+R3R1R1+R2School

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Machinery電樞回路串變阻器起動起動電流將起動電流限制在允許的范圍內(nèi)，選擇合適的Rst，其步驟:根據(jù)電動機銘牌數(shù)據(jù)，估算電動機電樞回路電阻Ra；選取最大起動電流I1，計算最大起動電阻；決定起動電阻級數(shù)計算起動電流比。School

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Machinery(三)降壓起動School

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University開始時，降低端電壓，

使Ia＝(1.5~2.0)IN,Tst=(1.5～2.0）TN。隨著轉(zhuǎn)速的上升，逐步提高電樞電壓，并使電樞電流限制在一定范圍內(nèi)。優(yōu)點：起動電流小，起動過程平滑、能量損耗少。缺點：需要一套專用的直流發(fā)電機或整流電源，投資費用大。Electrical

Machinery二、直流電動機的調(diào)速School

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University機械調(diào)速：改變傳動機構的傳動比改變工作機構的速度。電氣調(diào)速：人為改變電動機的參數(shù)（如端電壓、勵磁電流或電樞回路電阻），使同一機械負載得到不同轉(zhuǎn)速。電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械，對電動機的轉(zhuǎn)速不僅要能調(diào)節(jié)，而且要求調(diào)節(jié)的范圍寬廣、過程平滑、調(diào)節(jié)的方法簡單、經(jīng)濟。Electrical

Machinery直流電動機調(diào)速直流電動機的轉(zhuǎn)速公式：直流電動機的調(diào)速方法：改變勵磁電流從而改變磁通；改變施加在電樞兩端的電壓U；改變串入電樞回路的調(diào)節(jié)電阻；School

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Machineryn(一)改變勵磁調(diào)速改變勵磁電流調(diào)速，實際上是減少勵磁電流的調(diào)速，所以又稱弱磁調(diào)速。弱磁調(diào)速：保持U＝UN，Rj＝0，僅減小電動機的勵磁電流If使主磁通減小，達到調(diào)速目的。PISchool

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Universityf2QIf1If1>If2T從兩個穩(wěn)定點P、Q對應轉(zhuǎn)速說明減小勵磁可以使轉(zhuǎn)速升高。Electrical

Machinery弱磁調(diào)速的過程If減小瞬間速度不變

減小If2QPIf1If1>If2Tn機組加速nEaIaTT＝TZ新的平衡，新的Ia和nSchool

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Machinery弱磁調(diào)速調(diào)速前后的量：（1）假定負載轉(zhuǎn)矩不變，(2)假定磁路不飽和，不計電樞反應和IaRa的變化（3）恒轉(zhuǎn)矩負載，，

基本不變School

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Machinery弱磁調(diào)速特點School

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University優(yōu)點：設備簡單，調(diào)節(jié)方便，能耗小。缺點：單方向調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)得過高，勵磁過弱，電樞電流變大，換向變壞，出現(xiàn)不穩(wěn)定。Electrical

Machinery(二)改變端電壓調(diào)速保持電動機的

＝

N不變且無外接電樞電阻，僅降低施加于電動機電樞兩端電壓U達到調(diào)速的目的，稱為降壓調(diào)速。nU1>U2>U3TU1U2U3PQ電壓越低，轉(zhuǎn)速越低，調(diào)速方向從基值往下調(diào)。School

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Machinery調(diào)壓調(diào)速的特點：T降壓的人為特性是一簇與固有特性平行的直線，無論是滿載、輕載還是空載都有明顯的調(diào)速效果。由于人為特性硬度不變，低速時由于負載變化引起的轉(zhuǎn)速波動不大。靜態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍大?？善交{(diào)節(jié)端電壓，使轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，實現(xiàn)無級調(diào)速。調(diào)節(jié)過程能量損耗小。nU1U2U3U1>U2>U3PQSchool

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Machinery(三)改變電樞回路電阻調(diào)速保持U＝UN且

＝

N不變，電樞回路中串入調(diào)速電阻Rc，使同一個負載得到不同轉(zhuǎn)速的方法， 稱為電樞串電阻調(diào)速。R1R2PQR1>R2>R3TnR3串入電樞回路的電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。School

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University電機運行于固有機械特性上的轉(zhuǎn)速稱為基速。電樞回路串電阻調(diào)速的方法，只能從基速往下調(diào)。Electrical

Machinery串電樞電阻調(diào)速該調(diào)速的特點：（1）設備簡單、操作方便。低速時，機械特性很軟，當負載變化時，轉(zhuǎn)速波動很大。靜態(tài)穩(wěn)定性差調(diào)速范圍不大。由于電阻的不連續(xù)調(diào)節(jié)，因此速度調(diào)節(jié)不平滑，屬有級調(diào)速。電樞電流在Rc上消耗的能量大， 調(diào)速時效率低。 效率與轉(zhuǎn)速成正比。R1R2PQR1>R2>R3TnR3School

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Machinery調(diào)速性能指標School

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University調(diào)速范圍：電動機在額定負載轉(zhuǎn)矩下調(diào)速時，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。用D表示。靜差率（相對穩(wěn)定性：也稱轉(zhuǎn)速變化率。指電動機由理想空載到額定負載時轉(zhuǎn)速的變化率。靜差率越小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性越好。調(diào)速的平滑性：無級調(diào)速平滑性最好，有級調(diào)速由相鄰兩級轉(zhuǎn)速中，高一級轉(zhuǎn)速與低一級轉(zhuǎn)速之比。調(diào)速時電動機的容許輸出：電動機在不同轉(zhuǎn)速時軸上輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。不同的調(diào)速方法允許的輸出不同。經(jīng)濟性Electrical

Machinery電動機調(diào)速時的容許輸出在整個調(diào)速范圍允許輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。允許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。在某轉(zhuǎn)速下，電機即能充分利用，又能安全運行時輸出的功率和轉(zhuǎn)矩稱為，調(diào)速時的允許輸出功率和轉(zhuǎn)矩。(1)調(diào)壓調(diào)速的允許輸出降壓調(diào)速、電樞回路串電阻都是降低電樞兩端的電壓。保持I不變School

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UniversityElectrical

Machinery弱磁調(diào)速時的允許輸出弱磁調(diào)速時，保持電流I＝IN弱磁調(diào)速時，在整個調(diào)速范圍內(nèi)的允許輸出功率為常數(shù)，是恒功率調(diào)速方式。其允許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。School

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Machinery負載與調(diào)速方式的配合nUNU’TnmaxnminTLTN恒轉(zhuǎn)矩控制nnmaxnmin

NT

’TSchool

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UniversityL恒功率控制兩種調(diào)速方式，在整個調(diào)速范圍內(nèi)，除n＝nmax外所有的轉(zhuǎn)速點，輸出轉(zhuǎn)矩多小于允許輸出，速度越低，電機越不能充分利用。相比通風機負載采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式比弱磁調(diào)速造成浪費小一些。Electrical

Machinery三、直流電動機的制動School

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University直流電動機的兩種運轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動運轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相同，此時電網(wǎng)向電動機輸入電能，并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能帶動負載。制動運轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，此時電動機吸收機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。電動機很快停車，或者由高速運行很快進入低速，要求制動運行。Electrical

Machinery直流電動機的制動斷開電源抱閘能耗制動反接制動回饋制動機械制動電氣制動自由停車School

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Machinery（一）能耗制動的方法和原理保持勵磁電流If的大小及方向不變， 將開關接至RT， 電樞從電網(wǎng)脫離經(jīng)制動電阻RT閉合。參數(shù)特點：

＝

N，

U＝0，電樞回路總電阻R＝Ra＋RT實際上是一臺他勵直流發(fā)電機。軸上的機械能轉(zhuǎn)化成電能，全部消耗于電樞回路的電阻上，

所以稱為能耗制動。UNIa

n

RTEaIfSchool

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Machinery能耗制動時的機械特性能耗制動的參數(shù)代入機械特性的一般表達式，得到能耗制動時的機械特性：n固有T串電阻School

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University制動過程：反抗性負載停車位能性負載穩(wěn)速下放Electrical

Machinery能耗制動的特點制動初瞬的最大電流：制動電阻：能耗制動的特點：操作簡單，停車準確能耗制動產(chǎn)生的沖擊電流不會影響電網(wǎng)；低速時制動轉(zhuǎn)矩小，停轉(zhuǎn)慢；動能大部分都消耗在制動電阻上。School

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Machinery（二）反接制動反接制動轉(zhuǎn)速反向（用于位能負載）電樞反接（用于反抗性負載）（電壓反向）（電動勢反向）School

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UniversityElectrical

Machinery轉(zhuǎn)速反向的反接制動If及端電壓UN不變， 僅在電樞回路串入足夠大的制動電阻RT，使該人為特性與負載轉(zhuǎn)矩特性的交點處于第四象限。不同的RT，可得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。電壓平衡式：TnnABCDA0nD機械特性：TSchool

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Machinery轉(zhuǎn)速反向的反接制動能量關系：U及Ia的方向與電動狀態(tài)相同，UIa表示由電網(wǎng)輸入的功率；Ea

的方向與電動狀態(tài)時相反， EaIa表示輸入的機械功率在電樞內(nèi)變成電磁功率；UIa與EaIa兩者之和消耗在電樞電路的電阻Ra＋RT上。School

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UniversityTElectrical

Machinery電樞反接的反接制動保持If不變， 將開關向下合閘， 使電樞經(jīng)制動電阻RT而反接于電網(wǎng)上。參數(shù)特點：

＝

N， U＝－UN。

R=Ra+RT.IfUNRTEaIa

nTnAACDE電動下固有School

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University不串RT串RTBnETElectrical

Machinery電樞反接的反接制動機械特性：能量關系：從電網(wǎng)吸收的電能和軸上輸入的機械能都消耗在電樞回路的電阻上。電壓平衡式：School

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