第9章直流电机

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1、第 9 章 直 流 电 机,9.2 直流发电机,9.3 直流电动机,9.1 直流电机的构造 和工作原理,第9章 目录,第9章 直流电机,9.1 直流电机的构造和工作原理,功能：直流发电机 将机械能变为直流电能；,直流电动机 将直流电能变为机械能。,特点：直流电动机 具有良好的调速性能; 较大的起动 转矩; 现正逐步被变频调速交流电动机所替代。,9.1.1 直流电机的构造,定子,转子,电枢铁心,电枢绕组,转轴,机座,主磁极,换向极,电刷,换向器 直流电机 的特征,第9章 9.1,9.1.2 直流电机各部分的作用,主磁极,励磁绕组,转子,转轴,定子,转子,电枢铁心 其槽孔中放置电枢绕组,电枢绕组

2、产生感应电动势,转轴 输入或输出机械功率,机座 起支撑作用; 作为部分磁路,主磁极 产生主磁通,换向极 产生附加磁场， 改善换向,电刷 引入或引出直流电,换向器 与电刷一起，共同完成 直流电和交流电的转换,换向极,换向绕组,第9章 91,9.1.3 直流电机的工作原理,1. 直流发电机的工作原理,电枢由原动机带动在磁场中旋转,导线框与换向器一起旋转,导线内产生感应电动势 e , 当外电路接有电阻R时,则产生电流 i ;,e、i 的波形为单向脉动电动势、电流。当线圈数目增加时，e 的脉动减小，接近于直流。,i 在磁场中受力，与转速方向相反，为阻转矩，和原动机的力矩相平衡。,第9章 91,换向器,

3、电刷,2. 直流电动机的工作原理,在两电刷之间加入直流电压U，则在绕组中产生电流 i，通电导体又受到力的作用，产生电磁力矩。由于换向器的作用，在 N (S) 极下受力方向不变，使电枢旋转起来。,导体与磁场之间的相互作用，在电枢绕组中产生反电动势 e , 与电源电压相平衡。,(1) 直流电机的可逆性：若输入机械能, 可作为直流发电 机 , 从电刷上输出直流电能；若从电刷上输入直流电能, 又可 作为直流电动机，从轴上输出机械能。,(2) 换向器的作用：将电机内部的交流电 外部的直流电。,结论：,第9章 91,9.1.4 直流电机的额定值及分类,1. 型号,2. 额定值,(1) 功率：发电机 PN

4、=UN IN； 电动机 PN =UNINN；,(2) 电压：电刷间端电压的平均值；,(3) 电流：电枢电流的额定值；,(4) 转速：额定状态下的转速，5003000 r/min。,3. 分类： 通常按励磁方式分为,(1) 他励：由另外的直流电源为主磁极励磁绕组供电；,(2) 并励：主磁极励磁绕组与电枢并联；,(3) 串励：主磁极励磁绕组与电枢串联；,(4) 复励：主磁极的一个励磁绕组与电枢串联，另一个 绕组与电枢并联。,重点,第9章 91,如：Z3 -112,Z3 表示第三次改型设计的直流电动机,112 规格代号：11号机座，2号铁心,4. 四种励磁方式及符号,(1) 他励方式,(2) 并励方

5、式,电路符号,电路符号,第9章 91,(3) 串励方式,(4) 复励方式,电路符号,电路符号,第9章 91,9.2 直流发电机,9.2.1 感应电动势和电磁转矩,1. 感应电动势,由 E=B lv 每根导体产生的电动势,代入 B= /A ，l Nl ，v = 2Rn/60 = Dn/60,结论：,(1) E 的大小取决于 n；,(2) E 的方向取决于 、 n的方向， 、 n之一改变 方向时，E 随之反向；,(3)若 = C，E n,2. 电磁转矩,由 f =B lia,ia 电枢载流导体电流,可得,T = CT Ia, 称为测速发电机 (测量元件)。,E = CE n,第9章 92,Ia 电

6、枢的总电流,他励发电机,并励发电机,9.2.2 电动势、功率和转矩平衡方程式,1. 电动势平衡方程式,由KVL E = U + IaRa,2. 功率平衡方程式,Ra 电枢绕组内阻,电磁功率,输出功率,电枢铜损,空载损耗 P0 = Pm+ PFe,原动机功率 P1 = Pem+ P0,3. 转矩平衡方程式,T1 = T + T0,驱动转矩,电磁转矩,空载转矩,第9章 92,9.2.3 直流发电机的运行特性,1. 他励发电机,E0,当保持发电机的转速n为常数时，,发电机的运行主要特性有三种：,(1) 空载特性,励磁电流 If = 0时，E=E0 ，由剩磁 通0 产生，称为剩磁电动势。,U = f

7、( If )|I=0,If ， B,与磁化曲线形状类似，因为,E = CE n,工作点通常选在特性弯曲点A附近。,A,空载特性；外特性；调节特性。,第9章 92,1. 他励发电机,(3) 调节特性,(2) 外特性,U = f (I)|IfN,保持 If = IfN (UN IN nN ),电压调整率,通常 U (510)%,If = f (I)|U=C,当负载增加 ( I ) 时, 为了保持U不变,If 也应变大，以保持磁通 不变,特点：,他励发电机输出电压U 的调节范围大；,但它需要外电源供电，使用不方便。,第9章 92,由剩磁通 0 剩磁电动势E0 ,2. 并励发电机,(1) 电动势的建立

8、过程,E = CE n,E1 If1 2 E2 If2 ,直到到达A点，E与If 达到稳定,调整磁场电阻Rf 可改变两条曲线的交点，即改变 E 的大小。,(2)并励发电机自励的条件,a. 发电机要有剩磁 0；,b. 励磁磁通应与剩磁方向一致；,c. 磁场电阻小于临界电阻Rf2 。,Rf1,Rf2,Rf2 Rf1 Rf,第9章 92,2. 并励发电机,(3) 空载特性,U = f (I )|IfN,E,ISC,3. 复励发电机,(4) 外特性,空载特性与他励发电机相似，测量方法相同。,外特性比他励发电机的外特性“软”得多，且有拐点，,若 I U If EU ,当 U= 0 If = 0 I=IS

9、C 由E0 产生。,U 20,用串、并联绕组构成复励发电机：二绕组磁通方向相同称为积复励；,二绕组磁通方向不同称为差复励。,第9章 92,9.3 直流电动机,9.3.1 电压、转矩和功率平衡方程式,1. 电磁转矩,T = CT Ia,电动机运行状态：T 为驱动转矩；,发电机运行状态：T 为阻转矩。,2. 电动势,E = CE n,电动机运行状态：E 为反电动势。,发电机运行状态：E 为电源电动势；,方向： 和 Ia 之一反向，T 反向。,3. 电压平衡方程式,外加电源电压 U = E + IaRa,E 与 Ia 反向,并励发电机,并励电动机,第9章 93,M,Rf,Ra,E,Ia,U,If,I

10、,4. 功率平衡方程式,P1=Pem+ PCu 电源输入电功率,P2=Pem P0 电动机输出机械功率,6. 转矩平衡方程式,T2 = T T0,5. 效率, P2 / P1 P2 / UIa,电动机输出机械转矩,T0空载转矩， T 电磁转矩 T = CT Ia,对于并励电动机：,P1= Pem+ PCu + Pf,只是电源还要提供励磁功率,各式与上面推导相同，,输出转矩,并励电动机,第9章 93,9.3.2 电动机的机械特性,当 U= UN， Rf、Ra不变时，,n = f (T) 机械特性,由 T = CT Ia，E = CE n，和 U = E + IaRa 推导 n = f (T),=

11、 n0 n,n0 理想空载转速, n 带负载后的转速降,对他励、并励电动机 特性比较“硬”,1. 他励和并励电动机,n = (28)%nN,第9章 93,M,例：一台并励电动机额定数据为: 工作电压UN=220V， 输入电流 IN=122A , nN=960r/min, Ra=0.15, Rf =110， 假定磁通不变, 问当负载减小, 转速上升到1000r/min 时的输入电流是多少？,U,I,E,Ra,Ia,If,Rf,解：,Ia IN If 122 2 120A,E UN IaRa 220 1200.15 202V,当转速上升到 1000r/min时，由公式 E = CE n,I = I

12、a+If = 64+2 = 66A,第9章 93,复励,串励,并励,2. 串励电动机的机械特性,3. 复励电动机的机械特性,第9章 93,M,Rf,Ra,E,Ia,U,If,I,并励电动机,9.3.3 电动机的运行特性 ( 并励 ),1. 起动,起动问题：起动电流大,T = CT Ia,E = CE nn=0, E =0,Ist Tst, 将会烧毁换向器, 撞击力大会撞坏齿轮。,起动方法：在电枢回路串入起动电阻Rst 。,= (22.5)IaN,随着 n Rst 以保证一定的 Tst 。,当 n nN 时，使 Rst = 0 完全切除起动电阻。,第9章 93,M,Rf,Ra,E,Ia,U,If

13、,I,并励电动机,= n0 n,2. 调速,三种调速方法： , Ra , U, n,(1) 弱磁调速 减小磁通调速, 减小,若 调得很小, 将使 n,尤其 = 0 时, n ,应注意: 不要将励磁回路开路,特点：,b. 适合从低速高速调速。,“飞车”,第9章 93,(2) 电枢串电阻调速,RS 增加,特点：,a. 可实现无级调速, 且只能从 高速低速调速；,b. 效率高, 调速范围广；,M,Rf,Ra,E,Ia,U,If,I,b. 使机械特性变软；,c. RS 消耗能量。,n01,n02,(3) 改变电枢电压调速 (他励电动机),若 U n0 n 不变,特点：,a. 无级调速, 通常高低调速；,机械特性平行, 硬度不变；,c. 需要专门的直流调压电源。,U 减小,第9章 93,M,Rf,Ra,E,Ia,U,If,I,并励电动机,4. 制动,(2) 反接制动：将电源对调接电枢绕组，产生制动转矩。,(3) 发电反馈制动：在某些情况下，n 增加到使 EU 时， Ia 反向，电动机发电机，T 也反向成为制动转矩。,3. 反转,若改变 或 Ia 的方向均可使 转矩 T 的方向相反。,将励磁绕组或电枢绕组接电源 的两端对调，可实现反转。,当 n E T。 特点：制动效果好；无反转。,在变速过程中，将电能反馈回电源， 非人为制动。,第9章 93,