1、1,学习方法： 以问题为学习导向；以解决问题为学习目的；以学习基本知识为主；以实践能力为主；学会激进构建；提高自学能力。,2,第1章 直流电机,3,作 业（问题）电机是什么设备?直流电动机的组成？直流电动机的工作原理？直流电动机有几种励磁方式？直流电动机有几种人为机械特性？,4,目录,1.1 直流电机的结构和工作原理 1.2 直流电机的励磁方式和铭牌1.3 直流电动机的基本平衡方程式和机械特性1.4 直流电动机的起动和反转1.5 直流电动机的调速1.6 直流电动机的制动,上一页,下一页,5,直流电机是直流发电机和直流电动机的总称。直流电机是可逆的，即一台直流电机既可作为发电机运行，又可作为电动
2、机运行。当用作发电机时，将机械能转换为电能；当用作电动机时，将电能转换为机械能。直流发电机和直流电动机在结构上没有差别。直流电动机和交流电动机相比，具有良好的起动性能和调速性能，因此广泛应用于对调速性能要求较高的机械设备上，如矿井卷扬机、挖掘机、大型机床、电力机车、船舶推进器、纺织及造纸机械等。,概述,下一页,上一页,返回,电机的作用转换能量，输入及输出。,6,1.1.1 直流电机的结构 直流电机主要由定子和转子(电枢)两大部分构成。定子的主要作用是产生主磁场并作为机械支撑，它主要由主磁极、换向磁极、机座和电刷装置组成。转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，它主要由转子铁心、转子绕组、换向器、
3、转轴和风扇组成。直流电机的径向示意图如图所示。,1.1 直流电机的结构和工作原理,1极靴 2转子齿 3转子槽 4励磁绕组5主磁极 6磁轭 7换向极 8换向极绕组9转子绕组 10转子铁心 11地脚,上一页,下一页,返回,7,1.1.2 直流电机的工作原理1直流发电机的工作原理,上一页,下一页,返回,8,在直流电动机中，外加电压通过电刷和换向器加到线圈上。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。,上一页,下一页,返回,2直流电动机工作原理,9,3直流电机的可逆性 通过上述对直流发电机和直流电动机工作原理的分析可看出，同一台直流电机既可作发电机运
4、行，也可作电动机运行。当用原动机拖动转子旋转即输入机械功率时，在电刷两端就会输出直流电能，此时电机作发电机运行；当在电刷两端接直流电源即输入直流电能时，电机将通过转子拖动生产机械旋转从而输出机械能，电机又作电动机运行。以上所述就是直流电机可逆运转的原理。4.直流电机的转子电动势 Ea=Ce n Ce：电机结构常数（ Ce =pN/60a）；： 气息磁通； n ：电机转速 P: 极对数； N ： 电枢导体总数； a：并联支路对数5直流电机的电磁转矩 （电动机） TM=CT Ia CT：转矩常数（ CT =9.55 Ce ）；： 气息磁通； Ia ：电枢电流,上一页,下一页,返回,10,1.2 直
5、流电机的励磁方式和铭牌,1.2.1 直流电机的励磁方式根据励磁方式的不同，直流电机分为他励和自励两类。 他励直流电机的励磁绕组与转子绕组之间无电的联系，由独立电源给励磁绕组供电，如下图所示。 自励直流电机的励磁电流由自身供给，根据励磁绕组与转子绕组的联结关系，又可以分为并励、串励和复励三种。 并励直流电机的励磁绕组与转子绕组并联，励磁绕组上所加的电压就是转子电路两端的电压，如下图所示。对并励直流电动机IIa+If，并励直流发电机IaI+If。 串励直流电机的励磁绕组与转子绕组串联，如图c所示，这种直流电动机的励磁电流就是转子电流，即IfIa。 复励直流电机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与转子
6、绕组并联，称为并励绕组，另一个与转子绕组串联，称为串励绕组。这两个励磁绕组若产生的磁动势方向相同称为积复励，否则称为差复励，两种联结方式分别如图d、e所示。,上一页,下一页,返回,11,直流电机的励磁方式a) 他励 b)并励 c)串励 d)积复励 e)差复励,上一页,下一页,返回,12,1.2.2 直流电机的铭牌,为了保证电机安全而有效地运行，电机制造厂都对它所生产的电机工作条件加以规定。电机按制造工厂规定条件工作的情况，叫额定工作情况。表征电机额定工作情况的各种数据叫做额定值。这些数据都列在电机的铭牌上，是使用和选择电机的依据，因此使用前一定要做详细了解。某直流电机的铭牌数据见下表。,上一页
7、,下一页,返回,13,1.3 直流电动机的基本平衡方程式和机械特性,下一页,1.3.1 直流电动机的基本平衡方程式1电动势、转矩平衡方程式 U=Ea+IaRa TM=TL=T2+T0 （T2：机械扭矩； T0：空载扭矩）2功率平衡方程式 P1= PM +pCua (PM: 电磁功率； pCua：电枢回路铜损)PM = P2+p0 （P2：机械功率； p0 ：空载损耗）P1= P2+ pCua + pm+pFe + pad= P2 +p,上一页,下一页,返回,14,1.3.2 直流电动机的机械特性,电动机的机械特性主要是描述电动机的转速n与其电磁转矩TM之间的关系，通常用nf(TM)曲线表示。,
8、1他励电动机的机械特性,2他励直流电动机的固有机械特性 在UUN， N和Rad=0的条件下，电动机的机械特性称为固有机械特性。根据固有特性的定义，可得固有特性方程式为:,他励直流电动机的固有机械特性,上一页,下一页,返回,理想空载转速,转速降,斜率,15,3他励直流电动机的人为机械特性 在固有机械特性方程式中，当电压U、磁通、转子回路电阻中任意一个参数改变而获得的特性，称为直流电动机的人为机械特性。,1）转子回路串接电阻Rad时的人为机械特性 在UUN， N，R=Ra+Rad，即在保持电压及磁通不变的条件下，转子回路串接电阻Rad时，人为机械特性方程式为,转子串电阻时人为机械特性,上一页,下一
9、页,返回,16,2）改变转子电压时的人为机械特性 在 N，R=Ra的条件下，改变转子电压U时的人为机械特性方程式为,3）改变磁通时的人为机械特性 一般电动机在额定磁通下运行时，电动机的磁路已接近饱和，因此，改变磁通实际上只能减弱磁通。在UUN，R=Ra，减弱磁通时的人为机械特性方程式为,改变电压时的人为机械特性,改变磁通时的人为机械特性,上一页,下一页,返回,17,1.4 直流电动机的起动和反转,1.4.1 直流电动机的起动 所谓电动机的起动，是指电动机接通电源后，转速由零上升到稳定转速的过程。对直流电动机起动的要求是，要在保证起动转矩足够大的前提下，尽量减小起动电流。 直流电动机的起动方法有
10、：全压起动，转子回路串电阻起动和降压起动。1全压起动 全压起动就是直流电动机在额定电压下直接起动。起动时，转子电流为,上一页,下一页,返回,18,全压启动的主要危害（1）转子绕组绝缘损坏，甚至烧断绕组；（2）换向火花增大，烧坏换向器；（3）对电源造成很大的冲击，波及同一电网上的其他设备。（4）直接起动时的起动转矩为Tst=CT Ist由于起动电流Ist本身很大，所以起动转矩也很大，较大的起动转矩对电动机的机械传动部分产生很大的冲击力，造成机械性损伤。只有容量很小的电机，才采用全压起动。稍大容量的电动机起动时必须采取措施限制起动电流。,上一页,下一页,返回,19,2降压起动 从上边的分析可知，电
11、动机起动瞬间，n=0，Ea=0，Ia=URa。如果降低电源电压，就可以减小起动电流。随着转速的上升，反电动势Ea逐渐增大，将电源电压逐步升到额定值，使电动机达到额定转速。在整个起动过程中，利用自动控制装置，使电压连续升高，保持转子电流为最大允许电流，从而使系统在较大的加速转矩下迅速起动。这是一种比较理想的起动方法。 降压起动的优点是既限制了起动电流，起动过程又平稳、能量损耗小。 缺点是必须有单独的可调压直流电源、起动设备复杂、初期投资大，多用于要求经常起动的场合和大中型电动机的起动，实际使用的直流伺服系统多采用这种起动方法。目前，广泛应用的是大功率半导体器件所组成的可控整流电源，它不仅可以用于
12、直流电动机的调速，而且还可用于降压起动。,上一页,下一页,返回,20,3转子回路串电阻起动,上一页,下一页,返回,21,1.4.2 直流电动机的反转,直流电动机的n和TM同方向，要改变直流电动机的转向，必须改变电磁转矩TM的方向。由式TM=CTIa和右手定则可知，改变电磁转矩的方向有两种方法：或者改变磁通的方向，或者改变电流的方向。如果两者同时改变，则电磁转矩的方向不变。因此要改变电动机的转向，可单独改变转子电流的方向(即改变电源的极性)，或者单独改变励磁电流的方向。,上一页,下一页,返回,22,1.5 直流电动机的调速,直流电动机转速特性方程式为（ TM=CTIa ）由上式可见，直流电动机的
13、调速方法有： 改变转子回路电阻调速， 改变磁通调速， 改变转子端电压调速。,1转子回路串电阻调速,这种调速方法的缺点是：由于所串电阻体积大，只能实现有级调速，调速的平滑性差；低速时，特性较软，稳定性较差；因为转子电流不变，电阻损耗随电阻成正比变化，转速越低，需串入的电阻越大，电阻损耗越大，效率越低。但这种调速方法具有设备简单、操作方便的优点，适于作短时调速，在起重和运输牵引装置中得到广泛的应用。,上一页,下一页,返回,23,2改变转子电压调速,这种调速方法的主要优点有：电压调节可以很细，实现无级调速，平滑性很好；由于特性没有软化，相对稳定性较好；可以调节至较低的转速，因此调速范围较广；调速过程
14、能量损耗较小。,3改变磁通调速,改变磁通调速方法的优点是调速级数多，平滑性好。控制设备体积小，投资少，能量损耗小；其主要缺点是只能使转速升高而不能降低。因为正常工作时，=N，磁路已趋饱和，所以只能采取弱磁调速的方法。而弱磁使转速升高又受到换向和机械强度的限制，因此在实际应用中受到限制。,改变转子电压调速时的机械特性,上一页,下一页,返回,24,1.6 直流电动机的制动,制动的方法有机械 (用抱闸)制动和电气制动两种。电气制动是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩。电磁制动的优点是制动转矩大，制动强度控制比较容易。直流电动机的电气制动方法有以下三种：1)能耗制动；2)反接制动；3)回馈制动。
15、1能耗制动 能耗制动的方法是将正在运转的电动机转子两端从电源断开(励磁绕组仍接电源)，并立刻在转子两端接入一制动电阻，这样电动机就从电动状态变为发电状态，将其动能转变为电能消耗在电阻上，故称为能耗制动。他励直流电动机能耗制动的原理图和机械特性如下图所示。在能耗制动时，因U=0，则no=0，电动机的机械特性方程式为,上一页,下一页,返回,25,能耗制动的优点是：制动减速较平稳可靠；控制线路较简单；当转速减至零时，制动转矩也减小到零，便于实现准确停车。其缺点是：制动转矩随转速下降成正比地减小，影响到制动效果。能耗制动适用于不可逆运行，制动减速要求较平稳的情况。,图 他励直流电动机的能耗制动a) 电
16、动状态原理图 b) 能耗制动状态原理图 c) 能耗制动的机械特性,上一页,下一页,返回,26,2反接制动,电源反接制动原理图如下图所示,反接制动的优点是：制动转矩较恒定，制动作用比较强烈，制动快。其缺点是：所产生的冲击电流大，需串入相当大的电阻，故能量损耗大，转速为零时，若不及时切断电源，会自行反向加速。这种方法适用于要求正反转运转的系统中，它可使系统迅速制动，并随之立即反向起动。,图1-20 电源反接制动a) 原理图 b) 机械特性,上一页,下一页,返回,27,3回馈制动 当直流电动机轴上受到和转速方向一致的外加转矩的作用时，将使电动机加速超过理想空载转速，即nno。此时转子电动势大于电源电压，即Ea=CenU=Cen0 ,转子电流改变了方向，电磁转矩TM成为制动转矩。电动机由电动状态变为发电状态，把外力输入的机械能变成电能回馈给电网，因此电动机的这种运行状态称作为回馈制动。回馈制动的优点是：不需要改接线路即可从电动状态自行转换到制动状态，将轴上的机械功率变为电功率反馈回电网，简便可靠而经济。缺点是只有当nn0时才能产生回馈制动，故不能用来使电动机停车，所以其应用范围较窄。,上一页,下一页,返回,28,
