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1、第三章第三章 直流电机的工作原理及直流电机的工作原理及特性特性n直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理n直流发电机直流发电机n直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性n直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性n直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性n直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性第三章第三章 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电动机分类电动机分类：直流电动机：直流电动机：优点：优点：良好的启动性能和调速 性能； 缺点：缺点：结构复杂交流电动机交流电动机 q直流电机的分类：直流电机的分类：n直流电动机：直流电动机：将电能转化为
2、机械能；n直流发电机：直流发电机：将机械能转化为电能；3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构1、定子：、定子：作用：作用：产生主磁场和在机械上支撑电机，组成部分：组成部分：主磁极、换向极、机座、端盖和轴承等，电刷用电刷座固定在定子上。2、转子：、转子：作用：作用：产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换；组成部分：组成部分：电枢铁心、电枢绕组、换向器等。包括：包括：3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构n3.1.1 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/23.1.1
3、直流电机的基本结构直流电机的基本结构n3.1.1 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3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构n 换向极：换向极：改善电枢电流的换向性能n 机座：机座：固定主磁极，换向极和端盖等n 电刷，电刷座：电刷，电刷座：接通电枢绕组和外电路n主磁极：包括磁极铁心和励磁绕组；主主磁极：包括磁极铁心和励磁绕组；主要任务：产生主磁场要任务：产生主磁场q各部分的作用各部分的作用3.1.1直流电机的基本结构n换向器：对发电机而言：将电枢绕组内换向器：对发电机而言：将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流
4、电感应的交流电势转换成电刷间的直流电势；对电动机而言：将外加的直流电流势；对电动机而言：将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流电流。转换为电枢绕组的交流电流。n 电枢铁心电枢铁心：主磁通磁路的一部分。 电枢绕组：产生感应电势及电磁转矩以电枢绕组：产生感应电势及电磁转矩以实现能量转换。实现能量转换。3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理工作原理工作原理n 电动势（v）n 一对磁极的磁通（wb）n 电枢转速n 与电机结构有关的常数3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 直流电机电刷间的电动势用下式表示：（方向由右手定则确定）（方向由右手定则确定）n 电磁转矩n 一
5、对磁极的磁通n 电枢电流n 与电机结构有关的常数，3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理直流电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用产生电磁力和电磁转矩.直流电机的电磁转矩用下式表示:（方向由左手定则确定）（方向由左手定则确定）3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理表表3.1 3.1 电机在不同运行方式下，电机在不同运行方式下，E E和和T T的作用的作用相相 同同相相 反反电源电动势电源电动势阻转矩阻转矩驱动转矩驱动转矩反电动势反电动势3.2 直流发电机直流发电机他励并励串励复励励磁方式3.2 .1他励发电机他励发电机电压与电流的关系：当空载时，3.2 .1他励
6、发电机他励发电机在发电机空载及转速为常数的条件下，表示在发电机空载及转速为常数的条件下，表示电动势与励磁电流之间关系的曲线称为电动势与励磁电流之间关系的曲线称为空载空载特性曲线特性曲线 。空载特性曲线与磁空载特性曲线与磁化曲线相似。如图化曲线相似。如图3.93.9所示。所示。n从空载到满载（额定负载）电压的变化率：3.2 .1他励发电机他励发电机表示发电机端电压U与负载电流I 之间关系的曲线称为外特性曲线外特性曲线 如图3.10所示。3.2 .2并励发电机并励发电机电压与电流间的关系如下：电压的建立和外特性：电压的建立和外特性：3.2 .2并励发电机并励发电机并励发电机电压建立的条件：n发电机
7、磁极有剩磁n起始励磁电流所产生的磁场方向与剩磁磁场方向相同n 不能太大， 越小 越大3.2 .2并励发电机并励发电机并励发电机的外特性：并励发电机的外特性：在转速n及励磁电路的电阻Rf为常数的条件下，表示发电机端电压U 与负载电流I之间关系的曲线 称为外特性外特性曲线曲线，如图3.13。3.2 .3复励发电机复励发电机如图3.14所示。优点优点：当负载电流增大时，其端电压变化不大。3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性n由图可得电枢回路中的电压平衡方程式为：由图可得电枢回路中的电压平衡方程式为： (3.11)3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性将式将式 代入式（代
8、入式（3.113.11）得直）得直流电动机的转速特性流电动机的转速特性 ，即，即(3.12)再以再以 代入式代入式(3.12)(3.12)得直流电得直流电动机机械特性的一般表达式动机机械特性的一般表达式: :3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性当T=0时的转速 称为理想理想空载转速空载转速。3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性机械特性硬度机械特性硬度：转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值，用来衡量机械特性的平直程度，硬特性10软特性10绝对硬特性3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性 在额定条件下的即 时的 。可根据（ ）和（ ）两点作出他励电
9、动机的机械特性曲线 。1、固有机械特性（自然特性）、固有机械特性（自然特性）它是一条向下倾斜的直线。直流他励电动机正反转时的固有机械特性如图3.17所示。3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性计算步骤如下：1估算电枢电阻：3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性2求求3求理想空载转速求理想空载转速4求额定转矩求额定转矩2、人为机械特性、人为机械特性 人为机械特性是指式 中供电电压U或磁通不是额定值、电枢电路内接有外加电阻 时的机械特性。3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性电枢回路中串接附加电阻时的人为
10、机械特性电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性如图3.18所示，当 电枢回路中串接附加电阻 时的机械特性，其方程式为3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性特点：特点：1、 不变，转速降 变大，即特性变软， 越大，斜率越大，特性越软； 2、 跟固有特性相同，曲线是一簇由同一点 出发的人为特性曲线。3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性改变电枢电压改变电枢电压U时的人为特性时的人为特性当 的机械特性，此时的特性方程式为由式可知，由式可知，特性曲线如图3.19所示。特点：特点：3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性1、2、当端电压U不同时，人为特性曲线的斜率
11、跟固有特性相同，即人为特性曲线平行于固有特性曲线。3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性改变磁通改变磁通时的人为特性时的人为特性当 时的机械特性，特性方程式为即理想空载转速 和转速降都随的改变而变化。3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性特点：特点：1、每条人为特性曲线均与固有特性曲线相交；3、即弱磁人为特性比固有特性软。即理想空载转速比固有特性的高；2 2、3. 3.1他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性例例一台他励直流电动机的铭牌数据如下：试计算并绘制：1固有机械特性；2电枢回路串电阻时的人为特性；3电源电压降低为100V时的人为特性；4弱磁至时的人为特性；
12、3. 3.2串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性主要特点：主要特点：特性曲线分两段考虑：1、电动机负载较轻、电、电动机负载较轻、电枢电流（即励磁电流）枢电流（即励磁电流）较小时。较小时。此时，电动机磁路的饱和程度不高，可近似认为每极磁通 ，C为比例常数，并且：3. 3.2串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性其机械特性方程式为所以这时的机械特性曲线具有双曲线的形状，n 轴是它的一条渐近线，理想空载转速趋近于无穷大。2、电动机负载较重，电枢电流较大时，磁路趋于饱和，可近似认为=常数，所以此时的机械特性曲线近似一条直线。如图3.21(b)所示。3. 3.2串励电动机的机械特性串励电动机的机械
13、特性3. 3.2串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性特点：特点：特性软，负载大小对电动机的转速影响甚大；启动时的励磁电流大。用途：用途：起重运输机械，市内矿区电气机车等。注：注：不允许空载。n积复励电动机：他励绕组和串励绕组所产生的磁通方向一致的复励电动机。3. 3.3复励电动机的机械特性复励电动机的机械特性他励他励复励复励串励串励第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性由式 可知，电动机在未启动之前， 所以将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流将很大，一般能达到其额定电流的1020倍 1、降压启动：、降
14、压启动：在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。限制直流电动机的启动电流，一般有两种方法：3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性2、在电枢回路内串接外加电阻启动（多级启动）、在电枢回路内串接外加电阻启动（多级启动）启动电流 将受到外加启动电阻 的限制，随着电动机转速的升高，反电势E增大，再逐步切除外加电阻一直到全部切除，电动机达到所要求的转速。如图3.23、3.24所示。3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性3.4 直流他励电动机的启动
15、特性直流他励电动机的启动特性3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性启动级数愈多，尖峰（最大）转矩T1 、换接（最小）转矩T2愈与平均转矩 接近，启动过程就快而平稳，但所需的控制设备也就愈多，一般启动电阻为（34）段，一般选择例例3-2一台直流他励电动机，其额定数据为：1、额定转矩TN2、直接启动时的启动电流Ist3、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，启动电流仍限制为额定电流的两倍，电源电压应为多少？3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性2、直接启动时的启动电流、直接启动时的启动电流3、电枢串入启
16、动电阻时的启动电流、电枢串入启动电阻时的启动电流3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性3.5 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：在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数以改变电动机的稳定转速。速度的变化：速度的变化：由于电动机负载转矩发生变化（增大或减小），而引起的电动机转速变化。3.5 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的方法：调速的方法：从直流他励电动机机械特性方程式可知，直流电动机调速的方法有三种：改变电枢供电电压改变电枢供电电压U改变主磁通改变主磁通改变串入
17、电枢回路的电阻改变串入电枢回路的电阻3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.5.1 改变电枢电路外串电阻改变电枢电路外串电阻缺点：缺点：机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；在空载或轻载时，调速效果很不明显；有级调速，速度调节不平滑；I在调速电阻上消耗的能量大，所以调速时效率低；3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.5.2 改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压U保持电动机的 不变且 ，仅降低电动机电枢两端电压U来达到调速目的。如图3.28所示。调速特性与固有特性平行，调速的稳定度较高，调速范围较大；属恒转矩调速，适合于恒转矩型负载进行调
18、速；可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备；特点：特点：转速可平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节；3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.5.3 改变电动机主磁通改变电动机主磁通保持 ，仅减少电动机的励磁电流 使主磁通减少来达到调速的目的。平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；属恒功率调速，所以适合于恒功率型负载进行调速；调速特性较软，调速范围不大， 不得超过额定转速的1.2倍，通常用降压调速来扩大调速范围；特点：特点：3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性例例3-1 一
19、台他励直流电动机在稳态下运行时，一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势电枢反电势E=E1，如负载转矩，如负载转矩TL=常数，外常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励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、小于还是等于如何变化？是大于、小于还是等于E1？解：解：3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性例例3-3一台直流他励电动机，其额定数据为： 若这台电动机拖动恒转矩额定负载，试求： 1、要得到1100rmin的运行转速，采用串电阻调速方式，电枢回路应串入多大电阻？2
20、、励磁电流If=0.8 IfN(即磁通=0.8 N）时，电动机的转速是多少？3、要得到900 rmin的运行转速，采用降压调速方式，电枢电压应降至多少伏？3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性电动机的制动运行：电动机的制动运行：电动机本身产生一个与转向相反的电磁转矩使系统快速停车（或降速）或使位能负载稳速下放。电动机的制动与自然电动机的制动与自然停车有什么区别？停车有什么区别？如图如图3.30所示，电动所示，电动状态与制动状态有何状态与制动状态有何特点？特点？3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性电动机
21、的制动状态有两种形式：1、稳定的制动状态：、稳定的制动状态：电动机的转速不变；根据直流他励电动机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况，它的制动状态分为反反馈制动馈制动、反接制动反接制动、能耗制动能耗制动。2、过渡的制动状态：、过渡的制动状态：电动机的转速是变化的。3.6.1 反馈制动反馈制动1、电车下坡时、电车下坡时如图3.31所示。电动机为正常接法，实际转速大于理想空载转速，即 ，这时电动机运行于反馈制动状态。各参数与电动状态的比较各参数与电动状态的比较电磁转矩电磁转矩T：Ia：转速：转速：相反相反相同3.6.1 反馈制动反馈制动2、电枢电压突然降低时、电枢电压突然降低时如图3.32所示。
22、各参数与电动状态的比较各参数与电动状态的比较电磁转矩电磁转矩T：Ia：转速：转速：相反相反相同当 时；电动机在第二象限中的 进行反馈制动。3 3、卷扬机构下放重物时、卷扬机构下放重物时3.6.1 反馈制动反馈制动下放下放电动状态电动状态下放制下放制动状态动状态提升电提升电动状态动状态 制制动动矩矩各参数与电动状态的比较各参数与电动状态的比较电磁转矩电磁转矩T：Ia：转速：转速：相反相反相反在第四象限3.6.1 反馈制动反馈制动3.6.1 反馈制动反馈制动反馈制动的特点反馈制动的特点：1、只有在 时才出现；2、反馈制动时直流电动机变成直流发电机与电网并联运行，它将系统存储的动能或位能转变成电能反
23、馈给电网，故也称再生制动或发电制动。应用：应用：多用于电力机车高速下坡或起重类机械高速下放重物的场合。3.6.2 反接制动反接制动当他励电动机的电枢电压U和电枢电势E由方向相反变为方向一致时，电动机即运行于反接制动状态。分类：分类：1、电源反接制动电源反接制动：改变电枢电压U的方向；2、倒拉反接制动倒拉反接制动：改变电枢电势E的方向。3.6.2 反接制动反接制动q电源反接制动电源反接制动如图3.34所示。电枢电压U的极性突然反接时，则此时的机械特性方程式（反接制动在第二象限）各参数与电动状态的比较各参数与电动状态的比较电磁转矩电磁转矩T：Ia：转速：转速：相反相反相同3.6.2 反接制动反接制
24、动q倒拉反接制动倒拉反接制动方法：方法：保持 和端电压U 不变，仅在电枢回路中串入足够大的附加电阻 ，使之对应的人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。如图3.35所示。各参数与电动状态的比较各参数与电动状态的比较电磁转矩电磁转矩T：Ia：转速：转速：相同相同相反3.6.2 反接制动反接制动反接制动的特点反接制动的特点：1、制动过程中的实际转向与其理想空载转速方向相反；2、电动机变为发电机与电网串联运行，从电网输入的电功率和从轴上输入机械功率而转换成的电功率全部消耗在电枢回路电阻 上；3、采用电源反接制动停车时，当制动到 时应迅速切断电源，否则有反向启动的可能；对于倒拉反接制动，若对T的大小
25、估计不准，则可能引起重物上升的事故，另外，其机械特性硬度小，速度的稳定性较差。3.6.2 反接制动反接制动3.6.2 反接制动反接制动反接制动的应用反接制动的应用：1、电源反接制动电源反接制动：多用于要求迅速停车的可反转拖动系统；2、倒拉反接制动倒拉反接制动：多用于起重类机械低速 下放重物( )，改变 可得到极低的下放速度。3.6.3 能耗制动能耗制动方法：方法：保持 的大小、方向不变，使电枢电压 ，而将电枢串接一个附加电阻 短接。电压U=0，则如图3.36所示，位于第二和第四象限。3.6.3 能耗制动能耗制动若电动机带动的是反抗性负载，则在第二象限。各参数与电动状态的比较各参数与电动状态的比较电磁转矩电磁转矩T：相反转速：转速：相同各参数与电动状态的比较各参数与电动状态的比较电磁转矩电磁转矩T：转速：转速：相同相反若电动机带动的是位能负载，则在第四象限。3.6.3 能耗制动能耗制动特点：特点：不存在电动机反向启动；不会引起重物上升的事故，运行速度也较反接制动时稳定。应用：应用：拖动系统需要迅速而准确地停车及卷扬机重物的恒速下放的场合。3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性
