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1、,海南风光,第15讲,直流电动机,直流电动机,1 概述2 工作原理3 电枢电动势及电压平衡关系4 电磁转矩5 机械特性6 直流电动机的调速7 直流电动机的使用和额定值,9.1 概述,与异步电动机相比,直流电动机的结构复杂,使用和维护不如异步机方便,而且要使用直流电源。,9.2 工作原理,一、 工作原理,电刷,换向片,注意:换向片和电源固定联接,线圈无论怎样转动,总是上半边的电流向里,下半边的电流向外。电刷压在换向片上。,由左手定则,通电线圈在磁场的作用下,使线圈逆时针旋转。,由右手定则,线圈在磁场中旋转,将在线圈中产生感应电动势,感应电动势的方向与电流的方向相反。,直流发电机,用右手定则判感应
2、电动势Ea的方向,电枢绕组电阻Ra,感应电动势,输出电压,二、 直流电机的构成,直流电机由定子、转子和机座等部分构成。,机座,磁极,励磁绕组,转子,励磁式直流电动机结构,1. 转子(又称电枢) 由铁芯、绕组(线圈)、换向器组成。,2. 定子,定子的分类:,励磁的定义:磁极上的线圈通以直流电 产生磁通,称为励磁。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系,励磁式的直流电机又可细分为:,他励电动机:励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机:励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机:励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机:励磁线圈与转子电枢的联接有串有并,接在 同一电源上。,9.3 电
3、枢电动势及电压平衡关系,电枢通入电流后,产生电磁转矩,使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动,又会在线圈中产生感应电动势(用E表示)。,一、 电枢中的感应电动势,根据右手定则知,E和原通入的电流方向相反,其大小为:,单位: (韦伯),n(转/每分),E(伏),二、 电枢绕组中电压的平衡关系,因为E与通入的电流方向相反,所以叫反电势。,U:外加电压Ra:绕组电阻,9.4 电磁转矩,一、电磁转矩,单位: (韦伯),Ia(安培),T(牛顿米),由转矩公式可知:(1)产生转矩的条件:必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转的方向:改变电枢电流的方向或者 改变磁通的方向。,二、 转矩平衡关系,
4、电磁转矩T为驱动转矩,在电机运行时,必须和外加负载和空载损耗的阻转矩相平衡,即,转矩平衡过程:当负载转矩(TL)发生变化时,通过电机转速、电动势、电枢电流的变化,电磁转矩自动调整,以实现新的平衡。,例:,设外加电枢电压 U 一定,T=TL+ T0(平衡),这时,若TL突然增加,则调整过程为:,与原平衡点相比,新的平衡点:Ia 、 P入,机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系,下边以他励和串励电机为例说明。,他励电动机和并励电动机的特性一样。,9.5 机械特性,一、 他励电动机的机械特性,n0: 理想空载转速,即T=0时的转速。(实际工作时,由于有空载损耗,电机的T不会为0。),当 T时n
5、,但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小,所以在负载变化时, 转速 n 的变化不大,属硬机械特性。,根据 n-T 公式画出特性曲线,串励的特点:励磁线圈的电流和电枢线圈的电流相同。,二、 串励电动机的机械特性,设磁通和电流成正比,即 =K Ia ,则,据此公式做出 T-n 曲线,(1) T=0时,在理想情况下,n。但实际上负 载转矩不会为 0,不会工作在 T=0 的状态, 但空载时 T 很小,n 很高。串励不允许空载 运行,以防转速过高。,串励特性:,(2) 随转矩的增大,n 下降得很快,这种特性属 软机械特性。,(2) 恒功率负载(P 一定时,T 和 n 成反比), 要选软特性电机拖动。如:电气
6、机车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1) 恒转矩的生产机械(TL一定,和转速无关)要 选硬特性的电动机,如: 金属加工、起重机 械等。,9.6 直流电动机的调速,与异步电动机相比,直流电动机结构复杂,价格高,维护不方便,但它的最大优点是调速性能好。,下面以他励电动机为例说明直流电动机的调速方法。,(1)调速均匀平滑,可以无级调速。(2)调速范围大,调速比可达200 (他励式)以上 (调速比等于最大转速和最小转速之比)。,直流电动机调速的主要优点是:,由该式可知,n 和 有关,在 U 一定的情况下,改变 可改变 n 。在励磁回路中串上电阻Rf,改变Rf大小调节励磁电流,从而改变 的大小。,一
7、、改变磁通(调磁),1.原理,其中: =K If,Rf If n ,但在额定情况下, 已接 近饱和,If 再加大,对 影响不大,所以这种增加 磁通的办法一般不用。 Rf If n ,减弱磁通是常用的调速方 法。,If的调节有两种情况:,概念:改变磁通调速的方法 减小磁通,n只能上调。,2.特性的变化,调速过程: U一定,则,暂时T TL,(1)调速平滑,可做到无级调速,但只能向上调, 受机械本身强度所限,n不能太高。(2)调的是励磁电流(该电流比电枢电流小得多), 调节控制方便。,3.减小 调速的特点:,二、改变电枢电压调速,由转速特性方程知:调电枢电压U,n0变化,斜率不变,所以调速特性是一
8、组平行曲线。,1.特性曲线,2.改变电枢电压调速的特点,(1)工作时电枢电压一定,电压调节时,不允许超 过UN,而 n U,所以调速只能向下调。(2)可得到平滑、无级调速。(3)调速幅度较大。,Uf=110V固定,U=0110V可调,改变电枢电压调速方案举例:,例:已知他励电动机的 PN=2.2KW, UN=220V ,IaN=12.4A Ra=0.5 , nN=1500r/min。 求:,(1)TL=0.5TN 时, n=? (2) =0.8 N 时, n=?,解:(1) TL=0.5TN 时,(2) =0.8 N 时,这种调速方法耗能较大,只用于小型直流机。串励电机也可用类似的方法调速。,
9、三、改变转子电阻调速,在电枢中串入电阻,使 n 、 n0不变,即电机的特性曲线变陡(斜率变大),在相同力矩下,n,9.7 直流电动机的使用和额定值,限制Iast的措施:(1)启动时在电枢回路串电阻。(2)启动时降低电枢电压。,一、使用,1.启动,启动时,n= 0 Ea=0,若加入额定电压,则,Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器。一般Iast限制在 (2-2.5)IaN 内。,(1)若电动机原本静止,由于励磁转矩 T = KT Ia, 而 0 ,电机将不能启动,因此,反电动势 为零,电枢电流会很大,电枢绕组有被烧毁 的危险。,(2)如果电动机在有载运行时磁路突然断开, 则 E ,I
10、a ,T 和 ,可能不满 足TL的要求,电动机必将减速或停转,使 Ia更大,也很危险。,措施:他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时,自动切断电枢电源U。,2.反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,(1)反接制动,3.制动,制动的所采用的方法: 反接制动、能耗制动、发电回馈制动,电阻 R 的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。,(2)能耗制动 电枢断电后立即接入一个电阻。,特殊情况下,例如汽车下坡时、吊车重物下降时, 在重力的作用下 nn0( n0理想空载转速),这时电动机变成发电机,电磁转矩成为阻转矩,从而限制电机转速过分升高。,(
11、3) 发电回馈制动,直流电机有四个出线端,电枢绕组、励磁绕组各两个,可通过标出的字符和绕组电阻的大小区别。,4.连接,(1)绕组的阻值范围,电枢绕组的阻值在零点几欧姆到12欧姆。,他励/并励电机的励磁绕组的阻值有几百欧姆。,串励电机的励磁绕组的阻值与电枢绕组的相当。,(2)绕组的符号,二、额定值,1. 额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。,2. 额定电压UN :额定工作情况下的电枢上加的直流电压。(例:110V,220V,440V),3. 额定电流IN : 额定电压下,轴上输出额定功率时的电流(并励应包括励磁电流和电枢电流)三者关系:PN=UNIN ( :效率),注意:调速时对于没有调速要求的电机,最大转速 不能超过 1.2nN 。,4.额定转速nN :在PN,UN,IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低(如:每分钟几转)或很高(每分钟3000转以上)。,