电工学课件(王怀平)第9章 直流电动机

下一页总目录章目录返回上一页第9章直流电动机9.1直流电机的构造9.2直流电机的基本工作原理9.4并励电动机的起动与反转9.3直流电动机的机械特性9.5并励(他励)电动机的调速下一页总目录章目录返回上一页第9章直流电动机1.了解直流电动机的基本构造和工作原理。2.掌握他励（并励）和串励直流电动机的电压与电流的关系式，接线图、机械特性。3.搞清他励（并励）和串励直流电动机的起动、反转和调速的基本原理和基本方法。本章要求下一页总目录章目录返回上一页9.1直流电机的构造直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。直流电机的优点：(1)调速性能好,调速范围广,易于平滑调节。(2)起动、制动转矩大,易于快速起动、停车。(3)易于控制。应用:1)轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。2)用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等下一页总目录章目录返回上一页NS······NS9.1.1直流电动机的构造极掌极心励磁绕组机座转子直流电动机的磁极和磁路直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成。下一页总目录章目录返回上一页2.转子(电枢)由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。1.磁极永磁式:由永久磁铁做成。励磁式:磁极上绕线圈，线圈中通过直流电，形成电磁铁。励磁:磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称为励磁。电枢铁心：由硅钢片叠装而成。电枢绕组：单个绕组元件组成。用来在电机中产生磁场。下一页总目录章目录返回上一页1.他励电动机励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。9.1.2直流电机的分类直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机2.并励电动机励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。UUfIaM+_+_IffRstR他励IaUM+_IffRstR+_IE并励下一页总目录章目录返回上一页4.复励电动机励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。3.串励电动机励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。串励UIa+_IfM复励U+_IMIa下一页总目录章目录返回上一页9.2直流电机的基本工作原理下一页总目录章目录返回上一页9.2直流电机的基本工作原理IU–+SbNacd直流电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里,N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。U–+U–+电刷换向片U–+IFFTn换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。下一页总目录章目录返回上一页U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。KE:与电机结构有关的常数n:电动机转速：磁通1.电枢感应电动势E=EKn下一页总目录章目录返回上一页U–+EETnSbNdFFacII换向片电刷由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。aaaaRInKRIEUE式中：U—外加电压Ra—绕组电阻2.电枢回路电压平衡式–RaIaE+–+UM下一页总目录章目录返回上一页KT:与电机结构有关的常数:线圈所处位置的磁通Ia：电枢绕组中的电流3.电磁转矩单位:(韦伯)，Ia(安)，T(牛顿•米)直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)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公式为4.转矩平衡关系电动机的电磁转矩T为驱动转矩,它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即T=KTIa下一页总目录章目录返回上一页当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。转矩平衡过程02TTTT2:机械负载转矩T0:空载转矩例：设外加电枢电压U一定，T=T2(平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为达到新的平衡点(Ia、P入)。T2nIaTEΦnKEEaaaREUIaΦIKTT下一页总目录章目录返回上一页9.3直流电动机的机械特性aaRIEU特点:励磁绕组与电枢并联由图可求得aaREUIffRUIaafIIII由上分析可知：当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时,励磁电流If和磁通不变，即=常数。则IaUM+_IffRstR+_IE下一页总目录章目录返回上一页9.3直流电动机的机械特性nnn0TΦKKRnET2aΦKUnE0令：TΦKKRΦKUnETE2aT=KTIa=KTIa即：并励电动机的磁通=常数，转矩与电枢电流成正比。aaaΦITΦTEKnKERIEU由以下公式求得IaUM+_IffRstR+_IE下一页总目录章目录返回上一页转速降:2aTΦKKRnET理想空载转速:0ΦKUnE式中：nnTΦKKRΦKUnETE02an=f(T)特性曲线n0nNTN并励电动机在负载变化时，转速n的变化不大—硬机械特性（自然特性）。改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线动画n0Tn下一页总目录章目录返回上一页例:有一并励电动机，其额定数据如下：P２=22KW,UN=110V,nN=1000r/min,=0.84,并已知Rf=27.5，Ra=0.04,试求:(1)额定电流I,额定电枢电流Ia及额定励磁电流If;(2)损耗功率PaCu,及PO;(3)额定转矩T;(4)反电动势E。解：(1)P2是输出功率，额定输入功率为KW19.2684.02221PPA2381101019.2631UPI额定电流额定励磁电流A45.27110ffRuI额定电枢电流A2344238faIII下一页总目录章目录返回上一页（2）电枢电路铜损W219023404.02a2aaCuIRPW44045.272f2ffCuIRP励磁电路铜损总损失功率W4190220002619021PPP空载损耗功率W200021904190aCu10PPPm.N210100022955095502nPT（3）额定转矩（4）反电动势V6.10023404.0110aaIRUE下一页总目录章目录返回上一页9.4并励电动机的起动与反转起动直流电动机不允许在额定电压UN下直接起动。Iast太大会使换向器产生严重的火花,烧坏换向器；NaaNast)20~10(IRUI起动时,n=00nKEE1.起动问题：(1)起动电流大(2)起动转矩大起动时，起动转矩为(10~20)TN,造成机械冲击，使传动机构遭受损坏。tasIT一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。下一页总目录章目录返回上一页2.起动方法3.注意事项(1)电枢串电阻起动法NstaNast)5.2~5.1(IRRUI(2)降压起动法：直流电动机在起动和工作时，励磁电路一定要接通,不能让它断开,而且起动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生事故：aastNstRIUR在满磁下将Rst置最大处，逐渐减小Rst使n升高。最大起动电压Ust为aNastst)5.2~5.1(RIRIU下一页总目录章目录返回上一页(1)如果电动机是静止的，由于转矩太小(T=KTIa),电机将不能起动，这时反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。(2)如果电动机在有载运行时断开励磁回路，反电动势E立即减小而使电枢电流增大，同时由于所产生的转矩不满足负载的需要，电动机必将减速而停转，更加促使电枢电流的增大，以至烧毁电枢绕组和换向器。(3)如果电机在空载运行，可能造成飞车，使电机遭受严重的机械损伤，而且因电枢电流过大而将绕组烧坏。（EIaTT0n飞车）下一页总目录章目录返回上一页2.反转例：串励的单相手电钻，利用励磁电流和电枢电流两者的方向同时改变时而转向不变的原理，采用特别的串励电动机，使手电钻用单相交流电源或直流电源供电均可。电磁转矩：T=KTIa(1)改变励磁电流的方向。(2)改变电枢电流的方向。注意：改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。改变直流电机转向的方法有两种：下一页总目录章目录返回上一页9.5并励(他励)电动机的调速并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上由其独特的优点。1.调速均匀平滑，可以无级调速(注：异步机改变极对数调速的方法叫有级调速)。2.调速范围大，调速比可达200以上(调速比等于最大转速和最小转速之比）,因此机械变速所用的齿轮箱可大大简化。主要优点：由转速公式:EKRIUnaa可见直流电机调速方法有三种。下一页总目录章目录返回上一页可见：在U一定的情况下，改变可改变转速n。9.5.1改变磁通调速TΦKKRΦKUnETE2a保持电枢电压U不变，改变励磁电流If(调Rf)以改变磁通。由式RfIfn一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速,即改变磁通调速的方法：减小磁通，n只能上调。改变时的机械特性如图。0n''0n'0nTLTn（减小）Rf增加O动画下一页总目录章目录返回上一页调速过程:直至T=TC达到新的平衡。电压U保持一定,减小磁通。TΦKKRΦKUnETE2aaaaREUIRfEIａnIaE瞬间TT２TΦnKEEaΦIKTT下一页总目录章目录返回上一页(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。(2)调速设备简单，经济，电流小，便于控制。(3)机械特性较硬，稳定性较好。(4)对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达３~４,例如530~2120r/min及310~1240r/min。减小调速的特点：(1)若调速后Ia保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。(2)这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机床)。使用调磁调速时应注意：下一页总目录章目录返回上一页9.5.2改变电压调速由转速公式知：调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。n0n0'电压降低Tc特性曲线n0nT0KTnTΦKKRΦKUnETE02a)(a一定和RΦ改变电压调速的特点:(1)工作时电压不允许超过UN，而nU,所以调速只能向下调。(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性好。下一页总目录章目录返回上一页(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。(4)调速幅度较大。调速过程:保持If为额定,减小电枢电压。UIaTT=TC稳定nEIaT改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。下一页总目录章目录返回上一页例:有一他励电动机，已知U=220V,Ia=53.8A,n=1500r/minRa=0.7。今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转矩降低多少？解:由T=KTIa可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。电压降低后的转速n′对原来的转速n之比为8.537.02208.537.0110//aaaaIRUIRUEEΦKEΦKEnnEE4.0下一页总目录章目录返回上一页9.5.3电枢回路串电阻调速电枢中串入电阻,使n、n0不变，即电机的特性曲线变陡(斜率变大)，在相同力矩下,n。特性曲线如图。Rann0TnnTΦKKRΦKUnETE02a电枢回路串电阻调速需在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降，因此n只能下调。特点：(1)设备简单，操作方便。(2)机械特性软