直流電機ppt課件

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第9章 直流電動機,9.1 直流電機的構造,9.2 直流電機的基本工作原理,9.4 并勵電動機的起動與反轉,9.3 直流電動機的機械特性,9.5 并勵(他勵)電動機的調速,1,第9章 直流電動機,1. 了解直流電動機的基本構造和工作原理。 2. 掌握他勵（并勵）和串勵直流電動機的電 壓與電流的關系式，接線圖、機械特性。 3. 搞清他勵（并勵）和串勵直流電動機的起 動、反轉和調速的基本原理和基本方法。,本章要求,2,9.1 直流電機的構造,直流電動機雖然比三相交流異步電動機結構復雜，維修也不便，但由于它的調速性能較好和起 動轉矩較大，因此，對調速要求較高的生產機械或 者需要較大起動轉矩的生產機械往往采用直流電動 機驅動。,直流電機的優(yōu)點：,(1) 調速性能好, 調速范圍廣, 易于平滑調節(jié)。 (2) 起動、制動轉矩大, 易于快速起動、停車。 (3) 易于控制。,應用:,1) 軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床、礦山豎井 提升機以及起重設備等調速范圍大的大型設備。 2) 用蓄電池做電源的地方，如汽車、拖拉機等,3,9.1.1 直流電動機的構造,極掌,極心,勵磁繞組,機座,轉子,直流電動機的磁極和磁路,直流電機由定 子(磁極)、轉子 (電樞)和機座等 部分構成。,4,2. 轉子(電樞) 由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。,1. 磁極,勵磁: 磁極上的線圈通以直流電產生磁通，稱 為勵磁。,用來在電機中產生磁場。,5,1. 他勵電動機 勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。,9.1.2 直流電機的分類,直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復勵電動機,2. 并勵電動機 勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。,6,圖3-10 并勵電動機的工作特性,7,圖3-14 復勵電動機的轉矩-轉速特性,復勵,串勵,并勵,8,4. 復勵電動機 勵磁線圈與轉子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。,3. 串勵電動機 勵磁線圈與轉子電樞串聯(lián)接到同一電源上。,9,圖3-12 串勵電動機的工作特性,10,圖3-13 串勵電動機的轉矩-轉速特性,11,9.2 直流電機的基本工作原理,12,9.2 直流電機的基本工作原理,直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉動，總是S極有效邊的電流方向向里, N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉。,電刷,換向片,換向器作用： 將外部直流電 轉換成內部的 直流電，以保 持轉矩方向不 變。,13,線圈在磁場中旋轉，將在線圈中產生感應電動勢。由右手定則，感應電動勢的方向與電流的方向相反。,1. 電樞感應電動勢,E= KE n,14,由圖可知，電樞感應電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。,式中：U 外加電壓 Ra 繞組電阻,2. 電樞回路電壓平衡式,15,3. 電磁轉矩,單位: (韋伯)，Ia (安) ，T (牛頓米),直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通相互作用，產生電磁力和電磁轉矩，直流電機的電磁轉矩公式為,4. 轉矩平衡關系,電動機的電磁轉矩T為驅動轉矩, 它使電樞轉動。 在電機運行時，電磁轉矩必須和機械負載轉矩及空 載損耗轉矩相平衡，即,T=KT Ia,16,當電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉矩將自動調整，以適應負載的變化，保持新的平衡。,轉矩平衡過程,例：,設外加電樞電壓 U 一定，T=T2 (平衡)，此時， 若T2突然增加，則調整過程為,達到新的平衡點(Ia 、 P入) 。,T2 ,n,Ia ,T ,E,17,9.3 直流電動機的機械特性,特點: 勵磁繞組與電樞并聯(lián),由圖可求得,由上分析可知：,當電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時, 勵 磁電流If和磁通不變，即 = 常數。則,18,9.3 直流電動機的機械特性,令：,T=KT Ia = K Ia,即：并勵電動機的磁通 = 常數，轉矩與電樞電流 成正比。,由以下公式,求得,19,式中：,n= f (T) 特性曲線,并勵電動機在負載變化時， 轉速 n 的變化不大硬機械特性（自然特性）。,改變電樞電壓和電樞回路串電阻可得人工特性曲線,動畫,20,例: 有一并勵電動機，其額定數據如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知 Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 試求: (1) 額定電流I , 額定 電樞電流Ia及額定勵磁電流If ; (2) 損耗功率PaCu , 及PO ; (3) 額定轉矩T; (4) 反電動勢E。,解：(1) P2是輸出功率，額定輸入功率為,額定電流,額定勵磁電流,額定電樞電流,21,（2）電樞電路銅損,勵磁電路銅損,總損失功率,空載損耗功率,（3）額定轉矩,（4）反電動勢,22,9.4 并勵電動機的起動與反轉,起動,直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。,Iast太大會使換向器產生嚴重的火花,燒壞換向器；,起動時,n =0 ,1. 起動問題：,起動電流大,起動轉矩大,起動時，起動轉矩為(1020)TN , 造成機械沖擊，使傳動機構遭受損壞。,一般Iast限制在(1.52.5)IN。,23,2.起動方法,3.注意事項,(1) 電樞串電阻起動法,(2) 降壓起動法：,直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產生事故：,在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。,最大起動電壓Ust為,24,(1)如果電動機是靜止的，由于轉矩太小(T=KT Ia) , 電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流 很大，電樞繞組有被燒壞的危險。,(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢 E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產生的 轉矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉， 更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換向器。,(3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭 受嚴重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組 燒壞。,（ E Ia T T0 n飛車）,25,2.反轉,例：串勵的單相手電鉆，利用勵磁電流和電樞電流兩者的方向同時改變時而轉向不變的原理，采用特別的串勵電動機，使手電鉆用單相交流電源或直流電源供電均可。,電磁轉矩： T=KT Ia,(1) 改變勵磁電流的方向。 (2) 改變電樞電流的方向。,注意：改變轉動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。,改變直流電機轉向的方法有兩種：,26,9.5 并勵(他勵)電動機的調速,并勵(他勵)電動機與異步電動機相比，雖然結 構復雜，價格高，維護也不方便，但在調速性能上 由其獨特的優(yōu)點。,1. 調速均勻平滑，可以無級調速(注：異步機改 變極對數調速的方法叫有級調速)。 2. 調速范圍大，調速比可達200 以上(調速比等 于最大轉速和最小轉速之比）,因此機械變速 所用的齒輪箱可大大簡化。,主要優(yōu)點：,由轉速公式:,可見直流電機調速方法有三種。,27,可見：在U 一定的情況下，改變可改變轉速n 。,9.5.1 改變磁通調速,保持電樞電壓U不變，改變勵磁電流If (調Rf)以改變磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用減少勵磁電流(減弱磁通)的方法調速, 即,改變磁通調速的方法：,減小磁通，n只能上調。,改變時的機械特性如圖。,動畫,28,調速過程:,直至T=TC達到新的平衡。,電壓U保持一定,減小磁通 。,29,(1)調速平滑，可得到無級調速；但只能向上調，受 機械本身強度所限，n不能太高。 (2) 調速設備簡單，經濟，電流小，便于控制。 (3) 機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。 (4) 對專門生產的調磁電動機,其調速幅度可達, 例如5302120 r/min及3101 240 r/min 。,減小 調速的特點：,(1) 若調速后 Ia 保持不變，電動機在高速運轉時其負載轉矩必須減小。 (2) 這種調速方法只適用于恒功率調速(如用于切削機 床)。,使用調磁調速時應注意：,30,9.5.2 改變電壓調速,由轉速公式知： 調電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。,特性曲線,改變電壓調速的特點:,(1)工作時電壓不允許超過UN ，而n U, 所以調速 只能向下調。,(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn) 定性好。,31,(3)均勻調節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調速。,(4)調速幅度較大。,調速過程:,保持If 為額定,減小電樞電壓。,改變電壓調速需要用電壓可以調節(jié)的專用設備，投資費用較高。 近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調壓和調磁，以改變它的轉速。,32,例: 有一他勵電動機， 已知U=220V , Ia=53.8A, n=1500r/min Ra=0.7 。今將電樞電壓降低一 半，而負載轉矩不變，問轉速降低多少？,解: 由T=KT Ia可知，在保持負載轉矩和勵磁電 流不變的條件下，電流也保持不變。,電壓降低后的轉速n對原來的轉速n之比為,33,9.5.3 電樞回路串電阻調速,電樞中串入電阻,使 n 、 n0不變，即電機的特性曲線 變陡(斜率變大)，在相同力 矩下,n。特性曲線如圖。,Ra,電樞回路串電阻調速需 在電樞中串入專用電阻，電阻增大則轉速下降， 因此 n 只能下調。,特點：(1) 設備簡單，操作方便。,(2)機械特性軟，穩(wěn)定性差。,(3)能量損耗大，只用于小型直流機。,Ra + R,34,1.額定功率PN: 電機軸上輸出的機械功率。,2.額定電壓UN : 額定工作情況下的電樞上加 的直流電壓。（例：110V，220V，440V）,3.額定電流IN : 額定電壓下軸上輸出額定功 率時的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）。 三者關系：PN=UNIN （ ：效率）,4.額定轉速nN: 在PN , UN , IN 時的轉速。 直流電機的轉速一般在500r/min 以上。特 殊的直流電機轉速可以做到很低（如每分 鐘幾轉）或很高（每分鐘3000轉以上）。,注意: 調速時對于沒有調速要求的電機，最大轉速 不能超過1.2nN 。 。,直流電動機的額定值,35,(3) 恒功率負載（P 一定時，T和n 成反比)，要選 軟特性電機拖動。如：電氣機車等。,直流電動機特性類型的選擇:,(1) 恒轉矩的生產機械(TL一定，和轉速無關)要選 硬特性的電動機，如：金屬加工、起重機械等。,(2) 通風機械負載，機械負載 TL 和轉速 n 的平方成正比。這類機械也要選硬特性的電動機拖動。,直流電機有四個出線端，電樞繞組、勵磁繞組 各兩個，可通過標出的字符和繞組電阻的大小 區(qū)別。,9.5.4 電動機的連接,(1) 繞組的阻值范圍,電樞繞組的阻值在零點幾歐姆到12歐姆。,36,他勵(并勵)電機的勵磁繞組的阻值有幾百歐姆。,串勵電機的勵磁繞組的阻值與電樞繞組的相當。,（2）繞組的符號,(1) 繞組的阻值范圍,電樞繞組的阻值在零點幾歐姆到12歐姆。,37,