1、电机与电气控制,主编,第一章 直 流 电 机,第一节 直流电机概述 第一节 直流电机概述 第二节 直流电机的基本工作原理 第三节 直流电机的结构 第四节 直流电动机 第五节 并励(他励)直流电动机的机械特性 第六节 并励(他励)直流电动机的调速 第七节 并励(他励)直流电动机的起动、反转与制动,第一节 直流电机概述,一、电机的分类 二、直流电机的系列,一、电机的分类,一、电机的分类 应用电磁原理实现电能与机械能互相转换的旋转机械，统称为电机。把机械能转换为电能的电机，称为发电机；把电能转换为机械能的电机，称为电动机。 按照产生或取用电能种类的不同，电机分为直流电机与交流电机。产生电能的称为发电
2、机，取用电能的称为电动机。 电动机分为交流电动机和直流电动机两大类。交流电动机又分为单相的和三相的，异步的和同步的。直流电动机按照励磁方式的不同分为他励、并励、串励和复励四种。,二、直流电动机的工作原理,图1-3 直流电动机原理图,表1-1 直流电机发电机运行和电动机运行比较,图1-3 直流电动机原理图图1-3是直流电动机的原理图，其组成与直流发电机基本相同。 电枢绕组通过电刷接到直流电源上，绕组的旋转轴与机械负载相联。电流从电刷A流入电枢绕组，从电刷B流出。电枢电流Ia与磁场相互作用产生电磁力F，其方向可用左手定则判定。这一对电磁力所形成的电磁转矩T，使电动机电枢逆时针方向旋转，如图1-3a
3、所示。当电枢转到图1-3b所示位置时，由于换向器的作用，电源电流Ia仍由电刷A流入绕组，由电刷B流出。电磁力和电磁转矩的方向仍然使电动机电枢逆时针方向旋转。 电枢转动时，切割磁力线而产生感应电动势，这个电动势的方向(用右手定则判定)与电枢电流Ia和外加电压U的方向总是相反的，称为反电动势Ea。它与发电机的电动势E的作用不同。发电机的电动势是电源电动势，在外电路产生电流。而Ea是反电动势，电源只有克服这个反电动势才能向电动机输入电流。,二、直流电动机的工作原理,例1-1 一台直流电动机，已知常数CE=3，磁通=0.05Wb。(1)试求当电枢转速n=1400r/min时的电枢反电动势Ea；(2)若
4、电源电压U=220V，测得电枢电流Ia=50A，试求电枢电路的电阻Ra。 解 (1)由Ea=CEn得 (2)由U=Ea+IaRa得,解 (1)由Ea=CEn得,(2)由U=Ea+IaRa得,第三节 直流电机的结构,一、定子 二、转子 三、铭牌和额定值,第三节 直流电机的结构,图1-4 直流电机结构图 1风扇 2机座 3电枢 4主磁极 5刷架 6换向器 7接线板 8出线盒 9换向磁极 10端盖,第三节 直流电机的结构,图1-5 直流电机径向剖面图 1极靴 2电枢齿 3电枢槽 4励磁绕组 5主磁极 6磁轭 7换向极 8换向极绕组 9电枢绕组 10电枢铁心 11底座,一、定子,(一)主磁极 (二)换
5、向磁极 (三)电刷装置 (四)机座 (五)端盖,一、定子,图1-6 直流电机的磁极 1主磁极 2换向磁极 3机座,(一)主磁极,主磁极的作用是产生主磁通。主磁极铁心包括极心和极掌两部分。极心上套有励磁绕组，各主磁极上的绕组一般都是串联的。直流电机的磁极如图1-6所示。极掌的作用是使空气隙中磁感应强度分布最为合适。 改变励磁电流If的方向，就可改变主磁极极性，也就改变了磁场方向。,(二)换向磁极,图1-7 电刷装置 1导电绞线 2加压弹 簧 3电刷 4刷盒,(三)电刷装置,固定在机座上(小容量电机装在端盖上)不动的电刷，借助于加压弹簧的压力和旋转的换向器保持滑动接触，使电枢绕组与外电路接通。 电
6、刷数一般等于主磁极数，各同极性的电刷经软线连在一起，再引到接线盒内的接线板上，作为电枢绕组的引出端。,(四)机座,机座用铸钢或铸铁制成，用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，它是电机磁路的一部分。机座上的接线盒内有励磁绕组和电枢绕组的接线端，用来对外接线。,(五)端盖,端盖由铸铁制成，用螺钉固定在底座的两端，盖内装有轴承，用以支撑旋转的电枢。,二、转子,(一)电枢铁心 (二)绕组 (三)换向器,(一)电枢铁心,图1-8 直流电机的电枢 1风扇 2绕组 3电枢铁心 4绑带 5换向器 6轴,(二)绕组,绕组是产生感应电动势或电磁转矩，实现能量转换的主要部件。它是由许多绕组元件构成，按一定规则嵌放在铁心
7、槽内和换向片相连，使各组线圈的电动势相加。绕组端部用镀锌钢丝箍住，防止绕组因离心力而发生径向位移。,(三)换向器,换向器由许多铜制换向片组成，外形呈圆柱形，片与片之间用云母绝缘。,三、铭牌和额定值,(一)型号 (二)额定电流IN (三)额定电压UN (四)额定转速nN (五)额定功率(额定容量)PN (六)额定效率N,三、铭牌和额定值,表1-2 直流电机的铭牌,(一)型号,1D1.TIF,(二)额定电流IN,对于发电机，是指其长期运行时电枢输出给负载的允许电流；对于电动机，则是指电源输入到电动机的允许电流。,(三)额定电压UN,对于发电机，是指其输出的允许端电压；对于电动机，则指输入到电动机端
8、钮上的允许电压。,(四)额定转速nN,这是指电机在额定工作状态时，应达到的转速。,(五)额定功率(额定容量)PN,对于发电机来说，是指在额定电压为UN、输出额定电流为IN时，向负载提供的电功率PN=UNIN。,(六)额定效率N,第四节 直流电动机,一、直流电动机的励磁方式 二、直流电动机的基本方程,一、直流电动机的励磁方式,(一)他励电动机 (二)并励电动机 (三)串励电动机 (四)复励电动机,(一)他励电动机,图1-9 他励电动机,(二)并励电动机,图1-10 并励电动机,(三)串励电动机,图1-11 串励电动机,(四)复励电动机,图1-12 复励电动机,(四)复励电动机,表1-3 直流电动
9、机各绕组出线端标志,二、直流电动机的基本方程,(一)电枢电路电压平衡方程 (二)电枢电路功率平衡方程 (三)转矩平衡方程,(一)电枢电路电压平衡方程,1.电动机的反电动势 2.电压平衡方程 3.电枢电流,1.电动机的反电动势,在电机工作原理的讨论中，我们知道电枢旋转时，电枢中的载流导体切割磁力线产生感应电动势Ea=CEn。,2.电压平衡方程,电压平衡方程式为 Ea=U-IaRa(1-4)式中，Ia为电枢电流(A)；Ra为电枢绕组电阻()。 上式改写后即得电压平衡方程为U=Ea+IaRa(1-5),3.电枢电流,由U=Ea+IaRa可导出电枢电流公式，即 Ia=U-EaRa(1-6),(二)电枢
10、电路功率平衡方程,1.功率平衡方程 2.效率,1.功率平衡方程,将U=Ea+IaRa等式两端乘以电枢电流Ia，可得功率平衡方程，即 UIa=EaIa+I2aRa(1-7) 式中，UIa是电源提供的总功率，即输入功率P1；EaIa是电磁功率，即电枢所转换的全部机械功率PM；I2aRa是电枢内部消耗的功率，即铜耗PCu，因而可得 P1=PM+PCu(1-8)电磁功率PM在转换成机械功率的过程中，有一部分消耗在机械损耗和铁耗中，记为P0。余下的才是轴上的输出功率P2，即得功率平衡方程为 PM=P2+P0(1-9),2.效率,直流电动机的输出功率与输入功率之比称为效率，表示为,(三)转矩平衡方程,例1
11、-2 有一并励电动机，其额定值如下：PN=22kW，UN=110V，nN=1000r/min，=0.84，Ra=0.04，Rf=27.5，试求：(1)额定电流IN、额定电枢电流Ia及额定励磁电流If；(2)铜耗PCu、空载损耗P0；(3)额定转矩T2；(4)反电动势Ea。 解 (1)P2是输出(机械)功率，额定输入功率为 (2)铜耗PCu包括电枢电路铜耗和励磁电路铜耗。 (3)额定转矩 (4)反电动势 (2)Ia=37.88A时的反电动势Ea为 (3)负载转矩,(三)转矩平衡方程,(三)转矩平衡方程,解 (1)P2是输出(机械)功率，额定输入功率为,(2)铜耗PCu包括电枢电路铜耗和励磁电路铜
12、耗。,(3)额定转矩,(4)反电动势,例1-3 一台并励电动机，其额定值如下：PN=7.5kW，UN=220V，IN=42.61A，nN=1500r/min，Ra=0.1014，Rf=46.5。求：(1)、Ia、T2、T；(2)当电枢电流变为50A时电动机的转速n；(3)当负载转矩不变，电动机主磁通减少到80%时的稳态转速n。 解 (1)效率,(4)反电动势,(4)反电动势,(2)Ia=37.88A时的反电动势Ea为,(2)Ia=37.88A时的反电动势Ea为,(3)负载转矩,第五节 他励直流电动机的机械特性,一、 直流电动机的机械特性 二、 他励电动机机械特性方程及静差率 三、 他励电动机的
13、固有机械特性 四、 他并励电动机的人为机械特性,一、 直流电动机的机械特性,(一)机械特性 (二)机械特性硬度,(一)机械特性,机械特性是电动机最重要的工作特性，它是讨论电动机稳定运行、起动、调速和制动等的基础。 机械特性可分为固有(自然)机械特性和人为机械特性。固有机械特性，表示电动机在额定参数运行条件下的机械特性；人为机械特性，表示改变电动机一种或几种参数，使之不等于其额定值时的机械特性。,(二)机械特性硬度,(1)绝对硬特性 (2)硬特性 转矩变化时，转速降落较小，=4010。 (3)软特性 转矩变化时，转速降落大，10。,(二)机械特性硬度,(1)绝对硬特性,(2)硬特性 转矩变化时，
14、转速降落较小，=4010。,(3)软特性 转矩变化时，转速降落大，10。,二、 并励电动机机械特性方程及静差率,(一)机械特性方程 (二)静差率,(一)机械特性方程,图1-13 并励电动 机接线图,(一)机械特性方程,(一)机械特性方程,(一)机械特性方程,(二)静差率,三、 他励电动机的固有机械特性,图1-14 并励电动机 机械特性曲线,四、 他励电动机的人为机械特性,第六节 他励直流电动机的调速,一、 电动机调速概述 二、 改变电枢电路电阻的调速 三、 改变励磁磁通的调速 四、 改变电源电压的调速 五、 晶闸管调速系统简介 六、 三种调速方法的比较,一、 电动机调速概述,(一)调速 (二)
15、电动机调速性能的评价指标 (三)直流电动机的调速方法,(一)调速,调速就是在一定的负载下，根据生产工艺的要求，人为地改变电动机的转速。 生产机械的速度调节可以用机械方法取得，但机械变速机构复杂。现代电力拖动中多采用电气调速方法，即对拖动生产机械的电动机进行速度调节，其优点是可以简化机械结构，提高生产机械的传动效率，操作简便，调速性能好，能实现自动控制等。电动机的速度调节是人为的，而电动机由于转矩变化沿着某一机械特性的速度变化是电动机自动调节的，两者是有区别的。,(二)电动机调速性能的评价指标,(1)调速范围 电动机调速时所能得到的最高转速与最低转速之比，例如101。 (2)调速的平滑性 可由电
16、动机在其调速范围内能得到的转速的数目(级数)来说明。 (3)调速的经济性 它包括调速设备的投资、电能的损耗、运转的费用等。 (4)调速的稳定性 它由负载变化时转速的变化程度来衡量。 (5)调速方向 指所采用的调速方法是使转速比额定转速(基本转速)高的称为向上调速；若是低的，则称为向下调速。 (6)调速时允许的负载 调速时，不同的生产机械需要的功率和转矩是不同的。,(三)直流电动机的调速方法,二、 改变电枢电路电阻的调速,1)串电阻调速方法是向下调速，即只能在额定转速以下进行比较平滑的调节。 2)RN越大，机械特性越软，稳定性较差。 3)由于电枢电流较大，Rc损耗的电能多，调速的经济性差。 4)
17、调速时磁通不变，电动机允许通过的电流即额定电流是一定的，在各种转速下，电动机能输出相同的转矩，故为恒转矩调速。,二、 改变电枢电路电阻的调速,图1-15 电枢串电阻调速,二、 改变电枢电路电阻的调速,三、 改变励磁磁通的调速,1)由于If不能超过额定值，故只能将If减小(又称弱磁调速)，转速向上调。 2)If减小后，机械特性硬度变化不大，稳定性较好。 3)由于If小，在Rc上耗能少，比较经济。 4)调速范围通常为21，因转速过高，换向条件变坏。 5)如保持电动机额定电流一定，减小时，允许输出的转矩将减小，但由于转速增加，输出功率P=T基本上没有变化，故为恒功率调速。 (2)调速瞬间 (3)调速
18、后 (2)调速后,三、 改变励磁磁通的调速,图1-16 调磁调速,四、 改变电源电压的调速,1)由于电枢电压不能超过额定值，故转速只能向下调速。 2)电压降低后，机械特性硬度不变，稳定性较好。 3)调速范围较大，可达(68)1。 4)调速时磁通未变，而额定电流是一定的，故电动机能输出的转矩是一定的，为恒转矩调速。 5)需要有专用的直流调压电源。 (2)调速后,四、 改变电源电压的调速,图1-17 调压调速,五、 晶闸管调速系统简介,图1-19 晶闸管调速系统示意图,五、 晶闸管调速系统简介,图1-20 转速负反馈直流电动机调速系统,五、 晶闸管调速系统简介,34A.TIF,六、 三种调速方法的
19、比较,三种调速方法比较,六、 三种调速方法的比较,图1-22 三种调速方法的机械特性,第七节 他励直流电动机的起动、反转与制动,一、 起动 二、 反转 三、 制动,一、 起动,(1)要有足够大的起动转矩 因为只有起动转矩大于负载转矩时，电动机才能从静止状态转动起来。 (2)要限制过大的起动电流 从TQ=CTIQ来看，要有足够大的TQ，就要有足够大的和IQ。 (一)直接起动 (二)电枢串电阻限流起动 (三)减压起动,(一)直接起动,(二)电枢串电阻限流起动,(三)减压起动,例1-8 UN=110V，IaN=81.6A，Ra=0.12的他励电动机。(1)如直接起动，IQ是多大?(2)若使IQ=2I
20、aN，应选多大的RQ? 解 (1)直接起动 (2)限流起动,例1-8 UN=110V，IaN=81.6A，Ra=0.12的他励电动机。(1)如直接起动，IQ是多大?(2)若使IQ=2IaN，应选多大的RQ?,解 (1)直接起动,(2)限流起动,三、 制动,(一)能耗制动 (二)再生制动 (三)反接制动 (四)三种制动方法的比较,(一)能耗制动,例1-9 Z2型并励电动机额定数据如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，Ra=0.07。试求：(1)不接制动电阻时，制动起始时的制动电流Iz；(2)欲使Iz=2IN，电枢应接入多大的制动电阻Rz。 解 (1)电动
21、机的反电动势Ea为 (2)当Iz=2IN时，应接制动电阻Rz为,(一)能耗制动,图1-25 能耗制动接线,(一)能耗制动,(一)能耗制动,(一)能耗制动,图1-26 能耗制动电流方向,(一)能耗制动,图1-27 能耗制动的机械特性,例1-9 Z2型并励电动机额定数据如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，Ra=0.07。试求：(1)不接制动电阻时，制动起始时的制动电流Iz；(2)欲使Iz=2IN，电枢应接入多大的制动电阻Rz。,解 (1)电动机的反电动势Ea为,(2)当Iz=2IN时，应接制动电阻Rz为,(二)再生制动,例1-10 并励电动机PN=40k
22、W，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，Ra=0.07，反电动势系数CEN=0.205，电磁转矩系数CTN=1.95。试求：(1)电动机带1/2额定位能负载，不串接外加制动电阻Rz进行再生制动，问稳定转速是多少?(2)带同样的位能转矩下降，欲使稳定转速n=1200r/min，进行再生制动时，需在电枢电路中串接多大制动电阻Rz。 解 (1)未接制动电阻，即按固有机械特性运行，如图1-30所示，转速将稳定在a点上。 (2)求串接电阻Rz 即按人为机械特性运行，转速将稳定在b点上。,(二)再生制动,图1-28 再生制动的电枢电流,例1-10 并励电动机PN=40kW，UN=22
23、0V，IN=210A，nN=1000r/min，Ra=0.07，反电动势系数CEN=0.205，电磁转矩系数CTN=1.95。试求：(1)电动机带1/2额定位能负载，不串接外加制动电阻Rz进行再生制动，问稳定转速是多少?(2)带同样的位能转矩下降，欲使稳定转速n=1200r/min，进行再生制动时，需在电枢电路中串接多大制动电阻Rz。,解 (1)未接制动电阻，即按固有机械特性运行，如图1-30所示，转速将稳定在a点上。,图1-29 再生制动的机械特性,解 (1)未接制动电阻，即按固有机械特性运行，如图1-30所示，转速将稳定在a点上。,图1-30 例1-10机械特性,解 (1)未接制动电阻，即
24、按固有机械特性运行，如图1-30所示，转速将稳定在a点上。,解 (1)未接制动电阻，即按固有机械特性运行，如图1-30所示，转速将稳定在a点上。,(2)求串接电阻Rz 即按人为机械特性运行，转速将稳定在b点上。,(三)反接制动,例1-11 他励电动机UN=220V，TNf=382Nm，CEN=0.205，CT=1.95，nN=1000r/min，Ra=0.07，采用反接制动。若反接瞬时的电磁制动转矩等于额定负载转矩的2倍，即T=-2TNf，问电枢电路中需串入多大的制动电阻Rz。 解 先求n0,(三)反接制动,图1-31 反接制动接线图,(三)反接制动,(三)反接制动,(三)反接制动,图1-32 反接制动机械特性,例1-11 他励电动机UN=220V，TNf=382Nm，CEN=0.205，CT=1.95，nN=1000r/min，Ra=0.07，采用反接制动。若反接瞬时的电磁制动转矩等于额定负载转矩的2倍，即T=-2TNf，问电枢电路中需串入多大的制动电阻Rz。,解 先求n0,解 先求n0,(四)三种制动方法的比较,(四)三种制动方法的比较,图1-33 电动机各种运动状态的机械特性,
