1、第3章 直流電機的工作原理及特性掌握直流電機的電勢方程式，轉矩方程式和電壓平衡方程式； 掌握直流電動機的機械特性，特別是人工機械特性；掌握直流電動機起動，制動，調速的各種方法和應用場所；了解用機械特性來分析直流電動機運行狀態的方法。3.1直流電機的基本結構和工作原理1.直流電機的基本結構主磁極電樞換向器電刷裝置直流電機的結構圖剖面圖：電樞1；主磁極2；換向極4；機座6電樞鐵心沖片換向器：換向片3；連接片4；云母環22.直流電機的基本工作原理發電機電動機簡化為一對磁極,一個線圈1)感應電勢E2.直流電機的基本方程式2)電磁轉矩TtaTKInKEe-一對磁極的磁通(Wb);n-電樞轉速(r/min

2、); Ke -與結構有關的常數.式中:E-電動勢(V);-一對磁極的磁通(Wb); Ia-電樞電流(A); Kt-與結構有關的常數.式中:T-電磁轉矩(Nm);3.2 直流發電機1.按激磁方法分類1)他激發電機: 發電機的激磁繞組由外電源供電.2)自激發電機: 發電機的激磁電流為電樞電流或電樞電流的一部分.它又分為:(1)并激發電機;(2)串激發電機;(3)復激發電機.下面分析他激和并激發電機的電路圖和外特性.1.他激發電機原理電路圖3.他激和并激發電機的外特性曲線電源-外特性 U=f(I) 硬特性從空載到滿載電壓變化率5%-10%2.并激發電機原理電路圖3.3直流電動機的機械特性1.他激和并

3、激直流電動機的機械特性1)原理電路圖2)直流電動機機械特性方程式直流電動機電樞電壓平衡方程式 aaUEI ReEKneaeeRUnIKK02aeetRUnTnnKK K上式為直流電動機機械特性的一般表達式式中,Ra為電樞電阻.以代入得:taTKI由將Ia值再代入,得:3)機械特性硬度在機械特性方程式中, no稱為理想空載轉速; n稱為轉速降落.機械特性硬度是衡量機械特性平直程度的: dTTdnn 絕對硬特性 .如交流同步電動機的機械特性10 硬特性 如直流他激電動機和異步電動機的機械特性10 軟特性 如直流串激電動機的機械特性機械特性曲線n=f(T)4.固有(自然)機械特性和人工機械特性1)他

4、激直流電動機的自然機械特性(正轉)在額定電壓,額定磁通,電樞電路內不外接電阻時的機械特性即為自然機械特性.額定負載時,轉速降落不多,是硬特性;金屬切削機床,冷軋機,造紙機等宜于選用硬特性的電動機.02aeetRUnTnnKK K2)自然機械特性曲線的作法已知電動機的PN,UN,IN,nN,由公式可計算出Ra,Ke , N0 500 751NNaNNNpURU II NNaeNNUI RKn0NeNUnK9 55NNNPTn(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉速no計算:(3)額定轉矩Nn的計算:no,TN,找出兩個點,即理想空載點(o,no)和額定運行點(TN,nN),通過這兩點作出自然

5、機械特性.3)舉例(1)一臺Z2-51型直流他激電動機,已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉速1500r/min,忽略損耗,求自然機械特性.解:分析 只要求出理想空載點和額定運行點,就可繪出機械特性. 0 500 751NNaNNNpURU II =0.71NNaeNNUI RKn=0.132NoeNUnK=1667r/min9 55NNNPTn=35Nm4)電動機人工機械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機械特性在自然機械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人工機械特性方程式:附加電阻Rad越大,機械特性越軟.nnTKKRRKUnt

6、eaadeN0202aeetRUnTnnKK K(2)改變電樞電壓的人工機械特性U改變,但轉速降不變.因此,變電樞電壓的人工機械特性是一簇與自然機械特性平行的特性曲線.只允許在額定電壓以下調節.在后面的自動調速系統學習中有廣泛的應用. NoeNUnK隨U的變化而變化02aeetRUnTnnKK K(3)改變磁通的人工機械特性從機械特性方程可知,改變磁通時,電動機的理想空載轉速和轉速降落都會隨磁通的變化而變化.磁通只能在額定值以下調節,理想空載轉速和轉速降落都要增大-弱磁增速.使用中,要防止電動機過載,更要防止飛車,因此,直流他激電動機設有失磁保護.02aeetRUnTnnKK K2.串激直流電

7、動機的機械特性1)特點:電樞電流就是激磁電流.2)機械特性分析: 第一段,電動機輕載時,機械特性具有雙曲線的形狀,理想空載轉速趨近無窮大. 第二段,電動機負載較重時,磁路趨于飽和,機械特性近似一條直線.3)注意事項: 直流串激電動機不允許空載運行-飛車事故. 3.4 直流他激電動機的起動特性直流他激電動機的起動電流是額定電流的(10-20)倍,不允許直接起動.限制其起動電流的方法有兩種.1.降壓起動: 組成SCR-M自動調速系統的起動環節.是后面學習的一個重點.2.電樞電路串外接電阻起動 右圖為具有三段起動電阻的他激電動機電路原理圖和起動特性, 其起動特性就是前面剛剛學習過的一種人工機械特性.

8、3.5直流他激電動機的調速特性由直流他激電動機人工機械特性方程式直流電動機的調速方法:式中, Ke,Kt,Ra 均為常數,因此,電動機有3種調速方法 1.變電樞電路外接電阻Rad; 2.變電樞電壓U; 3.變磁通 .TKKRRKUnteadae21.改變電樞電路外接電阻調速電動機電樞電路串電阻后,其人工機械特性如右圖示.1)應用: 起重機,卷揚機;2)缺點:機械特性軟,實現無級調速困難;3)注意:串電阻調速與起動特性相似,但起動電阻與調速電阻不同. 2.改變電動機電樞供電電壓調速變電樞電壓調速的機械特性如右圖.1)特點:容易實現無級調速;機械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動設備.2)

9、應用;適用于恒轉矩負載,組成SCR-M系統，在工業生產中廣泛應用.第11章將重點學習.3.改變電動機主磁通調速變磁通調速的機械特性如右圖示.1)特點:可以實現無級調速;機械特性軟;調速范圍不大.2)應用:適用于恒功率負載.一般與調壓配合使用.3)注意:在額定轉速以上調節-弱磁增速.例題例:一臺直流他激電機的額定數據為;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7歐 ;如果電動機在額定轉矩下運行,求(1)電動機的電樞電壓降到180V時,電動機的轉速是多少?(2)激磁電流If=IfM(即磁通為額定值的0.8時)時,電動機的轉速是多少?(3)電樞電路串入

10、2歐的附加電阻時,電動機的轉速是多少?解: 1500220055. 955. 9NNNnPTT13. 015007 . 14 .12220NaNNeenRIUKK24. 113. 055. 955. 9etKK16. 024. 113. 02tKKe12361416. 07 . 113. 01802NteaeTKKRKUn1962n(1)此時,U=180V,Ra=1.7歐=14例題求解1 . 08 . 0NeeKK99. 055. 9etKK099. 02teKK(2)此時,U=UN=220V,Ra=1.7歐min/196214099. 07 . 11 . 0220(2rTKKRKUnNtea

11、eN(3)此時,U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.713. 0eK24. 1tK16. 02teKK13681416. 07 . 313. 02202NteadaNeNTKKRRKUn(以上轉速單位為r/min)3.6直流他激電動機的制動特性直流他激電動機的工作狀態分為電動狀態和制動狀態,如右圖所示.圖中,(a)為電動狀態; (b)為制動狀態.1)特點:電動機的轉矩T與轉速n方向相反,電機處于發電工作狀態.2)制動形式:穩定的制動狀態; 過渡的制動狀態.3)制動方法有3種: 反饋制動; 反接制動; 能耗制動.1.反饋制動1)實現條件:外部作用使電動機的轉速n

12、大于其理想空載轉速no.如,電車下坡,起重機下放重物.2)機械特性:正轉時,是第一象限的機械特性在第二象限內的延伸,如右圖所示.3)特點:(1)利用位能轉矩帶動電動機發電,將機械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時電動機的轉速仍高于理想空載轉速,運行不太安全.2.反接制動1)實現條件:電樞電壓或電樞電勢反向.2)分類:(1)電源反接制動.改變電樞電壓U的方向所產生的制動.機械特性方程式為; TKKRRKUnteadae2 為了限制制動時比較大的電樞電流,實施電源反接制動時,一定要在電樞電路中串入限流電阻. 應用在需要迅速減速或頻繁正反轉的機械上.(2)倒拉反接制動.改變電樞電勢方向所產生的制動.如:起重機的重物下降時,電樞反轉,電勢反向.此時,位能負載轉矩TL使重物下放,電動機轉矩TM反對重物下放-制動.特點:適當選擇電樞電路中的附加電阻,可以得到低的轉