第三章-直流电机的工作原理及特性.ppt

《第三章-直流电机的工作原理及特性.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第三章-直流电机的工作原理及特性.ppt（47页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性n n直流电机可用做电动机，将电能转化为机械直流电机可用做电动机，将电能转化为机械能。电动机运动。能。电动机运动。n n直流电机可用做发电机，将机械能转化为电直流电机可用做发电机，将机械能转化为电能。直流发电机做为直流电源，供给直流电能。直流发电机做为直流电源，供给直流电动机。动机。一、直流电机的基本结构直流电机：包括定子（磁极）和转子，定子与转子由空气隙分开。直流电机：包括定子（磁极）和转子，定子与转子由空气隙分开。定子：产生主磁场，支撑电机。由主磁极、定子：产生主磁场，支撑电机。由主磁极、换向极换向极、机座、端盖、机座、端盖、轴

2、承组成。电刷用电刷座固家在定子上。轴承组成。电刷用电刷座固家在定子上。转子：产生感应电动势和和产生机械转矩。包括电枢绕组、电枢转子：产生感应电动势和和产生机械转矩。包括电枢绕组、电枢铁芯、换向器、轴、风扇铁芯、换向器、轴、风扇判定通电导体在磁场中受力方向的左判定通电导体在磁场中受力方向的左手定则手定则 判定通电导体在磁场中受力方向的左判定通电导体在磁场中受力方向的左手定则手定则 伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平伸开右手，使拇指与其余四个手指垂直，并且都与手掌在同一平面内；让磁感线从手心进入，并使拇指指向导线运动方向，这时面内；让磁感线从手心进入，并使拇指指向导线运动方向

3、，这时四指所指的方向就是感应电流的方向。这就是判定导线切割磁感四指所指的方向就是感应电流的方向。这就是判定导线切割磁感线时感应电流方向的右手定则。线时感应电流方向的右手定则。用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所用右手握住通电螺线管，让四指指向电流的方向，那么大拇指所指的那一端是通电螺线管的指的那一端是通电螺线管的N极。极。主磁极：主磁极：包括主磁极铁芯、励磁绕组、磁极下面扩大部分的极靴。包括主磁极铁芯、励磁绕组、磁极下面扩大部分的极靴。主磁极产生主磁场。极靴使通过空气隙中的磁通分布合理，使励主磁极产生主磁场。极靴使通过空气隙中的磁通分布合理，使励磁绕组牢固固定在铁芯上。磁绕

4、组牢固固定在铁芯上。机座：机座：固定主磁极、换向极、端盖，用地脚螺栓将电机固定在基固定主磁极、换向极、端盖，用地脚螺栓将电机固定在基础上。础上。换向极：换向极：上下上下NS为主磁极，水平方向有一对较小的磁极即为主磁极，水平方向有一对较小的磁极即 换向极，线圈旋转到换向的位置，如果没有换向极，那么线换向极，线圈旋转到换向的位置，如果没有换向极，那么线圈中的电流较大，形成很大的电压，从而产生很大的电场强圈中的电流较大，形成很大的电压，从而产生很大的电场强度，击穿空气产生火花。度，击穿空气产生火花。在水平方向加一对磁通较小的在水平方向加一对磁通较小的磁极，当换向的时候，线圈水平，而线圈要继续运动除了

5、要磁极，当换向的时候，线圈水平，而线圈要继续运动除了要切割切割 主磁极的磁感线外，还要切割换向极的磁感线，从而产主磁极的磁感线外，还要切割换向极的磁感线，从而产生反电动势，就会减小线圈中的电流，从而减小换向火花。生反电动势，就会减小线圈中的电流，从而减小换向火花。电枢绕组：电枢绕组：产生感应电动势及电磁转矩。嵌入电枢铁芯的槽中。产生感应电动势及电磁转矩。嵌入电枢铁芯的槽中。换向器：换向器：对发电机而言，将电枢绕组内感应的交流电动势转换电对发电机而言，将电枢绕组内感应的交流电动势转换电刷间的直流电动势。对电动机而言，将外加的直流电流转换为电刷间的直流电动势。对电动机而言，将外加的直流电流转换为电

6、枢绕组的交流电流。换向器由彼此隔开的换向片组成。枢绕组的交流电流。换向器由彼此隔开的换向片组成。二二 直流电机的简化直流电机的简化n电机具有一对磁极、电枢绕组只是一个线圈，线圈电机具有一对磁极、电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别接两个换向片，换向片上压着电刷两端分别接两个换向片，换向片上压着电刷A和和B。三三 直流电机做发电机直流电机做发电机 nE=Ke nnE电刷间的电动势（V）n为一对磁极的磁通（Wb）nn电枢转速（r/min）nKe与电机结构有关的常数 电枢绕组由柴油机驱动在磁场中旋转，电枢绕组由柴油机驱动在磁场中旋转，两根有效边感应出电动两根有效边感应出电动势，每一有效边电动势是交变的

7、，在势，每一有效边电动势是交变的，在N极是一个方向，在极是一个方向，在S极是相反极是相反方向。电刷方向。电刷A总是与北极有效边连接的换向片接触，电刷总是与北极有效边连接的换向片接触，电刷B总是与南总是与南极有效边连接的换向片接触，电刷间就出现一个极性不变的电动势，极有效边连接的换向片接触，电刷间就出现一个极性不变的电动势，接有负载时，就产生一定方向的电流。电动势与电流方向相同接有负载时，就产生一定方向的电流。电动势与电流方向相同四四 直流电机做电动机直流电机做电动机 nT=KtIanT电磁转矩（Nm）n一对磁极的磁通（Wb）nIa电枢电流（A）nKt与电机结构有关常数nKt 9.55 Ke 将

8、直流电源接在电刷间，使电流流入电枢绕组，将直流电源接在电刷间，使电流流入电枢绕组，N极有效边的极有效边的电流总是一个方向，电流总是一个方向，S极有效边的电流总是相反方向，产生电磁力极有效边的电流总是相反方向，产生电磁力使电枢绕组转动，有效边从北极转到南极，电流的方向同时改变，使电枢绕组转动，有效边从北极转到南极，电流的方向同时改变，使电磁力的方向不变。电枢绕组在磁场中受力转动，产生的感应电使电磁力的方向不变。电枢绕组在磁场中受力转动，产生的感应电动势与外加电压方向相反，是反电动势。电动势与电流方向相反。动势与外加电压方向相反，是反电动势。电动势与电流方向相反。五五 直流发电机的励磁方式直流发电

9、机的励磁方式 他励发电机的励磁绕组由外电源供电，励磁电流不受他励发电机的励磁绕组由外电源供电，励磁电流不受电枢端电压或电枢端电流影响。其它三种的励磁电流为电电枢端电压或电枢端电流影响。其它三种的励磁电流为电枢电流或为他的一部份不，称为自励发电机。枢电流或为他的一部份不，称为自励发电机。他励他励他励他励并励并励并励并励串励串励串励串励复励复励复励复励串励串励串励串励+并励并励并励并励等效电路图它励它励它励它励并励并励并励并励串励串励串励串励复励复励复励复励六六 他励发电机的特性（他励发电机的特性（发电机电动势与电流方向相同发电机电动势与电流方向相同）R R负载电组，负载电组，负载电组，负载电组，

10、I I负载电流，负载电流，负载电流，负载电流，是励磁调节电阻，是励磁调节电阻，是励磁调节电阻，是励磁调节电阻，R Ra a电枢电阻。电枢电阻。电枢电阻。电枢电阻。I Ia a电枢电流，电枢电流，电枢电流，电枢电流，E E和和和和U U发电机的电动势和端电压发电机的电动势和端电压发电机的电动势和端电压发电机的电动势和端电压U=E-U=E-I Ia aR Ra a I Ia a =（E-UE-U）/R/Ra a I Ia a=I I=U/R=I I=U/R当空载时，当空载时，当空载时，当空载时，I Ia aI=0I=0：U=UU=U0 0=E=E=KKe en n（U U0 0空载端电压空载端电压

11、空载端电压空载端电压）磁通磁通磁通磁通取决于励磁电流取决于励磁电流取决于励磁电流取决于励磁电流I If f，I If f通过改变励磁调节电阻通过改变励磁调节电阻通过改变励磁调节电阻通过改变励磁调节电阻 来调节。来调节。来调节。来调节。空载特性曲线：空载特性曲线：电动势电动势E与励磁电流与励磁电流If之间的关系曲线之间的关系曲线E=f(If)If=0，有电动势，有电动势E/，由磁极的剩磁产生的。，由磁极的剩磁产生的。改变励磁电流改变励磁电流If就能获得所需的电动势就能获得所需的电动势E。他励发电机的外特性曲线他励发电机的外特性曲线保持转速保持转速n为额定值，调节励磁电流为额定值，调节励磁电流If

12、，获得空载电压，获得空载电压U0，接上负，接上负载，端电压下降。发电机的转速载，端电压下降。发电机的转速n和励磁电流和励磁电流If为常数，端电压为常数，端电压U与负载电流与负载电流I之间的关系曲线之间的关系曲线U=f（I）。）。他励发电机的负载电流他励发电机的负载电流I增加，电枢电压增加，电枢电压IaRa增加，端电压增加，端电压U下降，下降，UN和和IN额定电压与额定电流。（额定电压与额定电流。（T=KtIa）他励发电机，从空载到额定负载电压的变化率约为他励发电机，从空载到额定负载电压的变化率约为5%10%七七并励发电机的特性并励发电机的特性R R负载电组，负载电组，负载电组，负载电组，I I

13、负载电流，负载电流，负载电流，负载电流，是励磁调节电阻，是励磁调节电阻，是励磁调节电阻，是励磁调节电阻，R Ra a电枢电阻。电枢电阻。电枢电阻。电枢电阻。I Ia a电枢电流，电枢电流，电枢电流，电枢电流，E E和和和和U U发电机的电动势和端电压，小灯泡发电机的电动势和端电压，小灯泡发电机的电动势和端电压，小灯泡发电机的电动势和端电压，小灯泡8 8欧欧欧欧R Rf f励磁电路电阻（励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）约几百欧励磁电路电阻（励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）约几百欧励磁电路电阻（励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）约几百欧励磁电路电阻（励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）约几百欧U=E-U=E-I

14、 Ia aR Ra a I Ia a =（E-UE-U）/R/Ra a （I If f励磁电流）励磁电流）励磁电流）励磁电流）I=U/RI=U/R，I If f=U/=U/R Rf f ，R Rf fR Ra a，I Ia a=I+II+If fII U=U U=U0 0=E=E=K Ke en n并励发电机电压的建立并励发电机电压的建立1、磁极要有剩磁，发电机被恒速驱动旋转时，、磁极要有剩磁，发电机被恒速驱动旋转时，电枢绕组切割磁力线产生很小的电枢绕组切割磁力线产生很小的电动势电动势E/，在励磁电路中产生很小的起始励磁电流。，在励磁电路中产生很小的起始励磁电流。2、起始励磁电流产生的磁场方向

15、与剩磁磁场方向相同，磁场增强，电动势增强，、起始励磁电流产生的磁场方向与剩磁磁场方向相同，磁场增强，电动势增强，励磁电流增大。磁通增大，电动势增大。励磁电流与电动势不会无限增大。励磁电流增大。磁通增大，电动势增大。励磁电流与电动势不会无限增大。If励磁电流，励磁电流，Rf励磁电路电阻励磁电路电阻3、曲线、曲线E=f(If)是并励发电机的空载特性曲线，直线是并励发电机的空载特性曲线，直线E=IfRf是从励磁电路得出，是从励磁电路得出，（RaRf）,两条线的交点建立起电动势两条线的交点建立起电动势E与励磁电流与励磁电流If大小方程式。这个点的电大小方程式。这个点的电动势是并励发电机两个电刷间稳定输

16、出的电动势。动势是并励发电机两个电刷间稳定输出的电动势。4、Rf增大，直线斜率增大，角度变大，增大，直线斜率增大，角度变大，Rf过大，可能没有交点，过大，可能没有交点，将励磁调节电阻减小。将励磁调节电阻减小。并励发电机外特性曲线并励发电机外特性曲线并励发电机接负载后，转速并励发电机接负载后，转速n一定，励磁电路电阻一定，励磁电路电阻Rf一定，发电机一定，发电机端电压端电压U与负载电流与负载电流I的关系式的关系式U=f（I）。与他励发电机外特性曲）。与他励发电机外特性曲线类似。线类似。过大过大八八 他励直流电动机的机械特性曲线他励直流电动机的机械特性曲线n为了衡量电动机转速随负载（电磁转矩）变为

17、了衡量电动机转速随负载（电磁转矩）变化的情况，引入机械特性硬度：化的情况，引入机械特性硬度：九九 他励直流电动机的固有机械特性曲线他励直流电动机的固有机械特性曲线 额定电压额定电压UN和额定磁通和额定磁通 N下和电枢电路下和电枢电路内不外接任何电阻时的的机械特性内不外接任何电阻时的的机械特性n=f（T）曲线。额定功率曲线。额定功率PN，额定电压额定电压UN，额定电流，额定电流IN，额定转速，额定转速nN，可以求出，可以求出Ra，Ke N，n0，TN十十 他励直流电动机的人为机械特性曲线他励直流电动机的人为机械特性曲线定义：供电电压、磁通不为额定值，电枢电路串接附加电阻时的定义：供电电压、磁通不

18、为额定值，电枢电路串接附加电阻时的机械特性。机械特性。1、电枢回路串接附加电阻Rad时的人为机械特性（1）二者的理想空载转速n0是相同的；（2）转速降n却变大了，即特性变软。Rad越大越软U=UN、N、Ra用 Ra+Rad替代、有人为机械特性方程式2、改变电枢电压、改变电枢电压U时的人为机械特性时的人为机械特性 N，Rad=0，额定磁通和线圈不串接附加电阻的额定磁通和线圈不串接附加电阻的额定磁通和线圈不串接附加电阻的额定磁通和线圈不串接附加电阻的人为人为人为人为机械特性方程为：机械特性方程为：机械特性方程为：机械特性方程为：由于电机的绝缘强度等因素，只能在额定电压以下改变其由于电机的绝缘强度等

19、因素，只能在额定电压以下改变其由于电机的绝缘强度等因素，只能在额定电压以下改变其由于电机的绝缘强度等因素，只能在额定电压以下改变其特性。特性。特性。特性。3、改变磁通、改变磁通 时的人为机械特性时的人为机械特性UUN，Rad=0，额定电压和线圈不串接附加电阻的额定电压和线圈不串接附加电阻的额定电压和线圈不串接附加电阻的额定电压和线圈不串接附加电阻的人为人为人为人为机械特性方程为：机械特性方程为：机械特性方程为：机械特性方程为：3、改变磁通、改变磁通 时的人为机械特性时的人为机械特性UUN，Rad=0，额定电压和线圈不串接附加电阻的额定电压和线圈不串接附加电阻的额定电压和线圈不串接附加电阻的额定

20、电压和线圈不串接附加电阻的人为人为人为人为机械特性方程为：机械特性方程为：机械特性方程为：机械特性方程为：十一十一 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性1、限制直流电动机的启动电流、限制直流电动机的启动电流2、具有一段启动电阻的他励电动机、具有一段启动电阻的他励电动机 3、具有三段启动电阻的他励电动机、具有三段启动电阻的他励电动机 十二十二 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性调速：调速：在一定的负载转矩下，人为改变在一定的负载转矩下，人为改变串入电枢回路的电阻串入电枢回路的电阻Rad、电电枢供电电压枢供电电压U、主磁通、主磁通等等电动机的电路参数，以改变电动机的稳电动

21、机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。定转速。负载转矩一定时，电动机在特性曲线负载转矩一定时，电动机在特性曲线1上的点上的点A，以，以nA转速稳定运转速稳定运行，增加电枢电阻后，在特性曲线行，增加电枢电阻后，在特性曲线2上的点上的点B，以，以nB转速稳定运行转速稳定运行速度变化：速度变化：由于电动机负载转矩发生变化引起的电机转速的变化。由于电动机负载转矩发生变化引起的电机转速的变化。负载转矩由负载转矩由T1增加到增加到T2，电动机的转速由，电动机的转速由nA降低降低nB到，它是沿某一到，它是沿某一条机械特性曲线发生的转速变化。条机械特性曲线发生的转速变化。1、他励直流电动机的电枢回路串电阻调速

22、2、他励电动机改变电枢供电电压调速1制动与启动制动与启动n启启动动：施施电电于于电电动动机机使使电电动动机机速速度度从从静静止止加加速速到某一稳定转速到某一稳定转速;n制动：使电动机速度从某一稳定转速减速到停制动：使电动机速度从某一稳定转速减速到停止或是限制位能负载下降速度（使重物匀速下止或是限制位能负载下降速度（使重物匀速下降）。降）。十三十三 他励直流电动机的制动特性他励直流电动机的制动特性2制动与自然停车制动与自然停车1）自自然然停停车车：电电动动机机脱脱离离电电网网，靠靠很很小小的的摩摩擦擦阻阻转转矩矩消消耗耗机机械械能能，使使转转速速慢慢慢慢下下降降，直直到到转转速速为为零零而而停停

23、车车。这这种种停停车车过过程程需需时时较较长长，不不能能满满足足生生产产机机械械快快速、准确停车的要求；速、准确停车的要求；2）制动：）制动：外加阻力转矩，使电动机迅速停车。为了提外加阻力转矩，使电动机迅速停车。为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态3电动机的两种工作状态电动机的两种工作状态1)1)电电动动状状态态：输输出出转转矩矩T T的的作作用用方方向向与与转转速速n n的的方方向向相相同同。卷卷扬扬机机提提升升重重物物时时，将将电电源源输输入入的的电电能

24、能转转换换机机械能，使重物以速度械能，使重物以速度u u上升。上升。2）制制动动状状态态：电电动动机机输输出出转转矩矩T T的的作作用用方方向向与与转转速速n n的的方方向向相相反反。重重物物匀匀速速下下降降，电电动动机机发发出出与与转转速速n n相相反反的的转转矩矩T T，以以吸吸收收重重物物的的位位能能，否否则则重重物物在在重重力力作作用用下，下降速度将越来越快。下，下降速度将越来越快。4、他励电动机的反馈制动、他励电动机的反馈制动电动机正常接线，在外部条件作用下，实际转速电动机正常接线，在外部条件作用下，实际转速电动机正常接线，在外部条件作用下，实际转速电动机正常接线，在外部条件作用下，

25、实际转速n n高于其理想空载高于其理想空载高于其理想空载高于其理想空载转速转速转速转速n n0 0，电动机运行于反馈制动状态。，电动机运行于反馈制动状态。，电动机运行于反馈制动状态。，电动机运行于反馈制动状态。十四十四 他励电动机的反接制动他励电动机的反接制动在外部条件作用下，反电势在外部条件作用下，反电势E和电枢电压和电枢电压U有一个改变方有一个改变方向，使得向，使得U和和E的方向相同，电动机运行于反接制动状态。的方向相同，电动机运行于反接制动状态。将改变电枢电压产生的反接制动称为将改变电枢电压产生的反接制动称为电源反接制动电源反接制动，用，用于快速停车。于快速停车。将改变反电势产生的反接制

26、动称为将改变反电势产生的反接制动称为倒拉反接制动倒拉反接制动，用于，用于重物下放。重物下放。1、他励电动机的电源反接制动、他励电动机的电源反接制动、他励电动机的倒拉反接制动、他励电动机的倒拉反接制动3.6已知他励直流电动机的铭牌数据如下：已知他励直流电动机的铭牌数据如下：PN=7.5kW，UN=220V，nN=1500r/min，N=88.5%，Ra=0.2。试求该电机的额定电试求该电机的额定电流和额定转矩。流和额定转矩。答答：3.10一台他励直流电动机的技术数据如下：一台他励直流电动机的技术数据如下：PN=6.5kW，UN=220V，IN=34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.24

27、2，试计算出此试计算出此电动机的如下特性：电动机的如下特性：固有机械特性固有机械特性电枢附加电阻分别为电枢附加电阻分别为3 和和5 时的人为机械特性时的人为机械特性电枢电压为电枢电压为UN/2时的人为机械特性时的人为机械特性磁通磁通0.8 N时的人为机械特性时的人为机械特性答答：3.15一台直流他励电动机，其额定数据如下：一台直流他励电动机，其额定数据如下：PN=2.2kW，UN=Uf=110V，nN=1500r/min，N=0.8，Ra=0.4，Rf=82.7。试求：试求：额定电枢电流额定电枢电流IaN；额定励磁电流额定励磁电流IfN；励磁功率励磁功率Pf；额定转矩额定转矩TN；额定电流时的反电势；额定电流时的反电势；直接启动时的启直接启动时的启动电流；动电流；如果要使启动电流不超过额定电流的如果要使启动电流不超过额定电流的2倍，求启动电倍，求启动电阻为多少？此时启动转矩又为多少？阻为多少？此时启动转矩又为多少？答答：