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1、1,第三章 直流电机的工作原理及特性,本章要求：掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别是直流电机的机械特性；掌握直流电机的启动、调速和制动的各种方法的优缺点和应用场所。,3.1直流电机的基本结构和工作原理,一、基本结构 定子和转子两大部分。(略讲),2,3,它是以导体在磁场中运动而产生感应电动势和载流导体在磁场中受到力的作用为基础。 电流的方向：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。产生电磁转矩。（换向器的作用）,二、基本工作原理,3.1直流电机的基本结构和工作原理,4,发电机依电磁感应定理（右手定则
2、），电动机依安培电磁力定律（左手定则）。,3.1直流电机的基本结构和工作原理,6,3.1直流电机的基本结构和工作原理,直流电机中能量（电能、机械能）转换的方向是可逆的，可用三个方程来描述：,转矩方程式：,电机等速运行转矩平衡.,电势方程式：,电压平衡方程式：,7,电磁转矩T、负载转矩TL、及空载消耗转矩T0相平衡。当负载发生变化时，则n、E、I、T将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。 例如： 当TLT TL n，当不变时 E（E=Ke n） Ia=（U - E）/ Ra T T= TL（新的平衡）,3.1直流电机的基本结构和工作原理,8,分类：按励磁方法的不同，分为他励、并励、串励
3、和复励四类，常用他励和并励。,3.2 直流发电机,9,3.3 直流电动机的机械特性,将直流电机的电势方程和转矩方程代入直流电动机电压平衡方程式中，并略加整理后，可得他励直流电机的机械特性方程为：,当 时的转速 称为理想空载转速。,10,机械硬度：转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值 ，用于衡量机械特性的平直程度。,3.3 直流电动机的机械特性,一.固有机械特性(自然特性） 是指在额定电压和额定磁通下，电枢电路内 不接任何电阻时的n=f（T）。当U=UN，=N时，n=f（T）是一条直线。通常用（0，n0）和（TN，nN ）两点来作直线,11,根据铭牌参数（PN，UN，IN，nN ）计算Ra，
4、Ke，n0 ，TN。,电机正转在第一象限，反转在第三象限。,3.3 直流电动机的机械特性,12,3.3 直流电动机的机械特性,（1）计算电枢电阻Ra： （通常电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗PN的50%-75%）Ia2Ra= （50%-75%） PN=（0.50.75）输入功率-输出功率= （0.50.75）（1-N ）UNIN 式中： N 为效率，且此时Ia=IN 故有：,13,（2）求Ke 在额定条件运行下的反电势EN= KenN=UN -INRa故： Ke=（ UN-INRa）/ nN,对于一台直流电机而言，它是唯一的。,3.3 直流电动机的机械特性,（3）求理想空载转速：
5、n0=UN/Ke,14,（4）求额定转矩：,例：一台Z2-51型他励电动机，已知PN=5.5kW，UN=220V， IN=31A，nN=1500r/min，认为额定运行时的电磁转矩近似等于额定输出转矩，试绘出这台电机近似的固有机械特性。,3.3 直流电动机的机械特性,15,解： 因他励电动机的n=f（T）是一条直线， 故只要求出：（0，n0）、（TN，nN ）两点即可。,16,二.人为机械特性 是指供电电压或磁通不是额定值、电枢电路内接有外加电阻Rad时的机械特性；电动机的启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。,1.电枢电路内接有外加电阻Rad时的机械特性,当U=UN，=N时，电枢电路内
6、接有外加电阻Rad，机械特性方程为：,3.3 直流电动机的机械特性,17,3.3 直流电动机的机械特性,18,3.3 直流电动机的机械特性,（特性随Rad的增大而变软）,可得从（0，n0)点发出的一簇的人为机械特性曲线。,19,当=N，Rad=0时，改变电压时，空载转速变化而转速降落不变。（UUN； n nN ）可得一簇平行于固有特性曲线的人为机械特性曲线。,3.3 直流电动机的机械特性,2. 改变电压时的机械特性,20,当U=UN，Rad=0时，改变磁通空载转速和转速降落都要发生变化。（ N；T随磁通的降低而减小；n nN ，电动机工作在交点以左 的区域。系统特性较软）,消弱磁通时，注意“飞
7、车”现象，一般要加“失磁”保护。,3.3 直流电动机的机械特性,3. 改变磁通时的机械特性,21,电动机启动瞬间，n=0，e=0，所以启动电流很大，造成危害。,3.4 直流他励电动机的启动特性,回忆电动机机械特性方程式和机械特性曲线,22,常用启动方法有两种： 降压启动和电枢回路外接电阻启动。,3.4 直流他励电动机的启动特性,生产机械对电机启动的要求是：有足够的启动转矩、启动时间短、启动平稳。Ist=UN/Ra=(10-20)IN 限流 Ist=（1.5-2）IN,23,降压启动： UUNn、EUU=UN、n=nN,3.4 直流他励电动机的启动特性,2.电枢回路内串接外加电阻启动： 满足启动
8、要求：Ist=UN/（Ra+Rst） Rst（3-4级） T1、T2的数值按照电动机的具体启动条件决定： T1=（1.6-2）TN T2=（1.1-1.2）TN,24,3.4 直流他励电动机的启动特性,25,例题：一台他励直流电动机，其额定数据为：PN=17kW，UN=220V，IN=91A， nN=1500r/min, Ra=0.22。试求：,（1） TN=？ （2）直接启动时的Ist=？ （3）如果要使启动电流不超过额定电流的两倍，求启动电阻为多少？此时启动转矩为多少？ （4）如果采用降压启动，启动电流不超过额定电流的两倍，电源电压应为多少？,3.4 直流他励电动机的启动特性,26,解：,
9、（1）TN=？,3.4 直流他励电动机的启动特性,（2）直接启动时的Ist=？,27,（3）串入启动电阻Rad,启动转矩：,注意：,3.4 直流他励电动机的启动特性,28,（4）降压启动时的电源电压：,总结一下启动特性：,3.4 直流他励电动机的启动特性,29,3.5 直流他励电动机的调速特性,调速在一定的负载条件下，人为地改变电机的机械特性，以改变电机的稳定转速。 请注意，速度调节与速度变化是两个完全不同的概念。速度变化是在某条机械特性下，由于负载改变而引起的，而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械特性而得到的。,由直流电动机的机械特性方程：,30,可知： 1. 改变电枢供电电压U
10、、 2. 改变电枢电阻Rad、 3. 改变磁通， 都可以得到不同的人为机械特性，达到调速的目的。,3.5 直流他励电动机的调速特性,31,3.5.1 改变电枢电路外串电阻Rad,3.5 直流他励电动机的调速特性,B,C,D,2,3,特点： 1. Rad越大特性越软 2. 空、轻载时调速范围小 实现无级调速困难 电能消耗大,32,3.5.2 改变电动机电枢供电电压U,3.5 直流他励电动机的调速特性,工作点由b点过渡到g点,33,3.5 直流他励电动机的调速特性,由于TgTL系统加速n EIT 工作点由g点向a点移动 a点：T=TL、n=na（系统稳定）,34,3.5 直流他励电动机的调速特性,
11、可以实现无级调速，nnN 机械特性硬 恒转矩调速 可以利用调压方法启动设备,特点：,35,3.5 直流他励电动机的调速特性,3.5.3 改变电动机磁通,特点： 可实现无级调速 nnN 系统特性软 调速范围小nmax1.2nN 恒功率,36,3.6 直流他励电动机的制动特性,制动-是从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运动状态。,分清： 制动与自然停车的区别； 电动机与发电机的能量传递关系； T与n的关系;,37,根据电机处于制动时的外部条件和能量传递情况，制动分为：,反馈制动、反接制动、能耗制动。,3.6 直流他励电动机的制动特性,38,3.6 直流他励电动机的制动特性,
12、3.6.1 反馈制动,电动机在正常接法时，若在外部条件作用下使电动机的实际转速大于理想空载转速时（如电车下坡），反电势E供电电压U，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机变成发电机，把机械能转变成电能，向电源馈送，电动机即处于反馈制动状态。,39,在反馈制动状态下：电动机的机械特性的表达式仍为：,所不同的仅是T改变了符号，而理想空载转速和 特性的斜率均与电动状态下一致。,3.6 直流他励电动机的制动特性,40,3.6 直流他励电动机的制动特性,电枢电压突降时的反馈制动状态（调压调速时）,当电压由U1突降为U2时，由于E和n不能突变，所以电枢电流将由,即：当n0bna时，U2E，则
13、电流Ib为负值并产生制动转矩，系统工作点由a过渡b点。,41,在制动转矩和负载转矩的作用下电机转速沿由U2所决定的特性曲线从b点向c点移动。,3.6 直流他励电动机的制动特性,当系统转速等于n0b时，E=U2，制动电流、转矩降为零，反馈制动过程结束。,但由于电磁转矩TTL，在负载转矩的作用下转速进一步下降，直到n=nc，T=TL（电机在电动状态下稳定运行）。,42,3.6 直流他励电动机的制动特性,制动-是从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运动状态。,分清： 制动与自然停车的区别； 电动机与发电机的能量传递关系； T与n的关系;,43,根据电机处于制动时的外部条件和能量
14、传递情况，制动分为：,反馈制动、反接制动、能耗制动。,3.6 直流他励电动机的制动特性,44,3.6 直流他励电动机的制动特性,3.6.1 反馈制动,电动机在正常接法时，若在外部条件作用下使电动机的实际转速大于理想空载转速时（如电车下坡），反电势E供电电压U，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机变成发电机，把机械能转变成电能，向电源馈送，电动机即处于反馈制动状态。,45,在反馈制动状态下：电动机的机械特性的表达式仍为：,所不同的仅是T改变了符号，而理想空载转速和 特性的斜率均与电动状态下一致。,3.6 直流他励电动机的制动特性,46,3.6 直流他励电动机的制动特性,电枢电压突
15、降时的反馈制动状态（调压调速时）,当电压由U1突降为U2时，由于E和n不能突变，所以电枢电流将由,即：当n0bna时，U2E，则电流Ib为负值并产生制动转矩，系统工作点由a过渡b点。,47,在制动转矩和负载转矩的作用下电机转速沿由U2所决定的特性曲线从b点向c点移动。,3.6 直流他励电动机的制动特性,当系统转速等于n0b时，E=U2，制动电流、转矩降为零，反馈制动过程结束。,但由于电磁转矩TTL，在负载转矩的作用下转速进一步下降，直到n=nc，T=TL（电机在电动状态下稳定运行）。,48,3.6 直流他励电动机的制动特性,卷扬机下放重物（位能）产生反馈制动,设电动机正转提升重物，改变电压后，
16、电动机反转，重物下降，特性在第三象限，a b,系统在第三象限没有稳定运行点，当加速超过-n0,49,EU, Ia改变方向，T变为正值，并与TL相反，进入第四象限，电动机进入反馈制动，b c,特点：改变附加电阻大小，可改变电动机下降速度，但下降速度过高，制动方式是不太安全的。,3.6 直流他励电动机的制动特性,50,3.6 直流他励电动机的制动特性,3.6.2 反接制动,当他励直流电机的电枢电压或电枢电势中任何一个在外部条件作用下改变方向，即两者由方向相反变为方向一致时，电动机即处于反接制动状态。 （电源反接制动；倒拉反接制动）,51,1.电源反接制动：,1）U正向（左图中红线）特性曲线为下图中直线1，系统工作点为a，转速为na,3.6 直流他励电动机的制动特性,52,3.6 直流他励电动机的制动特性,2）U反向时有：E=-U-IaR,可见系统变为特性曲线为2所示,系统状态由1的a点变到2的b点，电磁转矩变为负值，此时在电磁转矩和负载转矩的作用下使转速迅速下降，系统状态沿着直线2由b点向c点移动，当n=0时反接制动结束。
