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1、第四章 直流电机的 工作原理及特性,4.1 直流电机的基本结构和工作原理 4.2 直流发电机 4.3 直流电动机的机械特性 4.4 直流他励电动机的启动特性 4.5 直流他励电动机的调速特性 4.6 直流他励电动机的制动特性,主 要 内 容,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1 直流电机的基本结构和工作原理,4.1.1 直流电机的基本结构,换向器,定子,转子,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1 直流电机的基本结构和工作原理,4.1.1 直流电机的基本结构 (定子剖面图),主磁极,换向极,磁极数主磁极的个数 磁极对数=磁极数/2,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1 直流电机的基本
2、结构和工作原理,4.1.1 直流电机的基本结构 (转子结构图）,转子,换向片,转轴,电枢线圈,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1 直流电机的基本结构和工作原理,4.1.1 直流电机的基本结构 (转子硅钢冲片图）,电枢铁芯硅钢冲片,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1 直流电机的基本结构和工作原理,电刷,换向片,4.1.1 直流电机的基本结构 (换向器图）,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机的工作原理,有关磁场的几个物理量 1. 磁感应强度B(磁场强弱和方向),N,S,N,S,N,N,S,S,电流方向,右手螺旋法则,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流
3、电机的工作原理,有关磁场的几个物理量 2. 右手定则 左手定则,B-磁感应强度 v-速度方向 e-感应电势,I-电流 方向 f-电磁力 方向,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机的工作原理,有关磁场的几个物理量 3. 电路 磁路 电流 I 磁通 电动势 E 磁通势 F 电压降 U=IR 磁压降 电阻 R 磁阻 Rm 欧姆定律 磁路欧姆定律,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机的工作原理,N,S,n,e,i,Ke电势常数(pN/60a) Km-转矩常数(pN/2a)=9.55Ke,1. 电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V
4、）； 对磁极的磁通（Wb）； n电枢转速（r/min）； Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机的工作原理,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中：TM电磁转矩（Nm）； 对磁极的磁通（Wb）； Ia电枢电流（A）； Km与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机的工作原理,直流发电机和直流电动机的电磁转
5、矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机的工作原理,应用单轴拖动系统的动力学方程,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩TM ，但二者的作用正好相反。,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.1.2 直流电机的工作原理,第四章 直流电机的工作
6、原理及特性 4.2 直流发电机,他励,并励,串励,复励,励磁方式,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.2 他励发电机,当发电机空载时，Ia=0,空载特性,电压平衡方程,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.3 直流电动机的机械特性,4.3.1 他励电动机电压平衡方程,n=f(T),T0,n0-理想空载转速（T=0） n速度降,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.3 直流电动机的机械特性,4.3.2 他励电动机机械特性,n n0,Td T,当n=0时，（4.13）式为,堵转矩 堵转电流 机械特性硬度,他励电动机的机械特性,硬特性10,软特性10,绝对硬特性,第四章 直流电机的工作原理及特性
7、4.3 直流电动机的机械特性,4.3.2 他励电动机机械特性,1.固有机械特性 n=f(T),由 求,（1）估算电枢电阻Ra,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.3 直流电动机的机械特性,4.3.2 他励电动机机械特性,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.3.1 他励电动机的机械特性,（2）计算 额定条件下反电势,（3）求理想空载转速,（4）求额定转矩,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.3.1 他励电动机的机械特性,2. 人为机械特性（改变U、Rad） 1)串接电阻Rad,串接电阻后 1. n0不变； 2. K斜率变大即机械特性变软。,n,2. 人为机械特性（改变U、 Rad）,1.改
8、变n0(减小) 2.斜率k不变 机械特性硬度不变,1.n0增加 2.斜率变大，特性变软,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.3 直流电动机的机械特性,4.3.2 他励电动机机械特性,第四章 直流电机的工作原理及特性 电动机的机械特性例题,例4-1 一台他励直流电动机在稳态下 运行时，电枢反电势EE1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化?是大于、小于还是等于E1?,解 两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是稳态值。,注意：从 不能判断E是如何变化的,第四章
9、 直流电机的工作原理及特性 电动机的机械特性例题,例4-2 一台他励直流电动机， 功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=31A,nN=1500r/min,忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。 解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN),(1)估算Ra,第四章 直流电机的工作原理及特性 电动机的机械特性例题,(2)求n0,(3)求TN,也可求,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.4 直流他励电动机的启动特性,启动时n=0 E=0 启动电流,启动电流不得大于（1.52）额定电流,第四章 直流电机的工作原理及特
10、性 4.4 直流他励电动机的启动特性,多段启动电阻启动,原则 T1(I1)2TN 2. T2(I2)基本相同,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.4 直流他励电动机的启动特性,多段启动电阻启动的启动控制,启动前，合上电源开关Q1和Q2，励磁回路通电，为启动做好准备。 按下启动按钮SB2， KM线圈得电并自锁，主触头闭合，接通电动机电枢回路，串入电阻R1、R2、R3降压启动。 当电动机转速从零开始上升时，接触器KM1线圈电压也随之上升，达到KM1的动作值时，KM1线圈得电，动合触头闭合，将电阻R1短接。 电动机转速继续上升。随后KM2和KM3动合触头闭合，将电阻R2和R3短接，全压启动。,第四
11、章 直流电机的工作原理及特性 4.4 直流他励电动机的启动特性,时间继电器控制的启动线路,启动前，合上电源开关Q1和Q2，励磁回路通电，为启动做好准备。 按下启动按钮SB2， KM线圈得电并自锁，主触头闭合，接通电动机电枢回路，串入电阻R1、R2、R3降压启动。 当电动机转速从零开始上升时，接触器KM1线圈电压也随之上升，达到KM1的动作值时，KM1线圈得电，动合触头闭合，将电阻R1短接。 电动机转速继续上升。随后KM2和KM3动合触头闭合，将电阻R2和R3短接，全压启动。,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.5 直流他励电动机的调速特性,速度调节-在一定的负载下，人为改变参数， 达到改变电
12、动机稳定转速。 速度变化-由于负载发生变化而引起电动机转速改变。,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.5 直流他励电动机的调速特性,4.5.1 电枢电路外串电阻Rad,缺点 1.机械特性变软，稳定性差； 2.轻载时调速范围不大； 3.无级调速困难；电阻上消耗大量电能； 4.启动电阻不能用来调速。 适用于起重机、卷扬机。,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.5 直流他励电动机的调速特性,4.5.2 改变电压调速,特点 1.连续平滑调速，在nN以下调速； 2.机械特性硬度不变； 3.调速时电流不变，转矩不变，恒转矩调速。 4.利用降压启动电机而不用其他设备。,第四章 直流电机的工作原理及特性
13、4.5 直流他励电动机的调速特性,4.5.2 改变电压调速(调节特性n=f(U),始动电压,电枢电流与电压无关,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.5 直流他励电动机的调速特性,4.5.3 改变主磁通,特点 （1）只能在n0以上进无级调速； （2）机械特性变软，调速范围不大； （3）恒功率调速（P=UIa） 通常同调压调速配合使用（n0以下用调压，n0以上用调磁通的方法）。,注意！轻载时产生飞车事故,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6直流他励电动机的制动特性,制动是从稳定转速开始减速到停止 或者限制位能负载下降速度的一种运转状态。,电动状态：电动机发出的T和n方向相同；,制动状态：（发
14、电状态）转矩T 与转速n方向相反。,稳定的制动状态(n=C) 过渡的制动状态(n是变化的),第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.1 反馈制动,特点：nn0 Ia=-Ia +TM-TM,电动机变成发电机 机械能变成电能向电源馈送 称为反馈,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.1 反馈制动,降压调速过程中的反馈制动,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.1 反馈制动,调磁通调速过程中的反馈制动,-T,n3n01,注意：反馈制动只在调磁降速过程中产生 Rf n,TL,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.1 反馈制动,下放重物时的反馈制动过程,下放 电动状态,下放制动状态,提升电
15、动状态,a点b点 nEIa-TM ,制动矩,B点 C点 nn0 Ia=-Ia -TMTM与n反方向制动 改变Rad改变下降的n Rad太大n很高不安全,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.2 反接制动,1.电源反接制动,注意：反接时U与E相加，电流很大用Rad限流 应用：快停、经常正反转,反接电动,正向电动,反接制动,位能负载时制动,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.2 反接制动,反接制动控制线路,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.2 反接制动,2.倒拉反接制动(串接Rad改变斜率法),注意：这里T没有反向 选用不同的Rad可改变下放速度但不能太小，交叉点必须在四象限,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.3 能耗制动(U=0串接Rad),位能负载制动状态 优点：运行速度稳定不会出现倒拉制动那样因计算不准而引起不降反而上升的事故,注意：Rad不能太小 IImax,反抗矩负载制动 优点：不会出现反向起动的危险,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.3 能耗制动(U=0串接Rad),能耗制动控制线路,第四章 直流电机的工作原理及特性 4.6.3 能耗制动,正常接线 可有三种运转状态 反转,
