第3章 直流电机的工作原理及特性Word文档格式.docx
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1.展示直流电机结构图,介绍直流电机基本组成部分和各部分功能。
定子:
定子是电机的静止部分,主要用来产生磁场。
它主要包括:
主磁极、换向极、电刷装置、机座和端盖。
转子:
转子是电机的转动部分,转子的主要作用是感应电动势,产生电磁转矩,使机械能变为电能(发电机)或电能变为机械能(电动机)的枢纽。
电枢、换向器、转轴。
气隙:
在小容量电机中,气隙为0.5~3mm。
气隙大小对电机运行性能有很大影响。
2.首先介绍电磁感应现象、电磁力等概念,然后介绍直流电机的工作原理。
(1)电磁感应现象
闭合电路的一部分导体在磁场中做切割磁感线的运动时,导体中就会产生电流,这种现象叫电磁感应现象。
右手螺旋定则
(2)电磁力:
载流导体在磁场中受到的力称为电磁力。
B---磁感应强度
I---感应电流
f---电磁力
左手定则
(3)直流发电机工作原理
Ke—电势常数
E—电枢电势(V)
φ—主极磁通(Wb)
n—电枢转速(r/min)
(4)直流电动机工作原理
Kt—转矩常数9.55Ke
Ia—电枢电流(A)
(5)电枢反电势
电机运行方式
E和Ia的方向
E的作用
T的性质
转矩之间的关系
发电机
电动机
相同
相反
电源电动势
反电动势
阻转矩
驱动转矩
T1=T+T0
T=TL+T0
(6)可逆性原理
如果从轴上输入机械功率,电机作发电机运行,向外输出直流电能。
如果从电刷上输入电功率,电机即作电动机运行,向外输出机械功率。
这种同一台电机在不同的外界条件下作发电机或电动机运行的原理,称为电机的可逆性原理。
3.总结他励直流电动机的一些基本方程式。
(1)电压平衡方程式
(2)转矩平衡方程式
T——电磁转矩直流他励电动机原理电路图
T0——空载转矩
TL——负载静阻转矩
(3)功率平衡方程式
电压平衡议程式两边同乘Ia得
UIa——电源输入功率
Eia——电枢反电势从电源吸收的电功率
Ia2Ra——电枢铜损耗
电磁功率PM=EaIa=KeΦIa=Tω(表明电动机从电源吸收的电功率全部转换成了机械功率Tω)
因此输入功率
P1=PM+Pacu
PM=P0+P2
P0=Pm+PFe
其中PM——电磁功率
Pacu——铜损耗
P0——空载损耗
Pm——机械损耗
PFe——磁滞损耗和涡流损耗(简称铁损)
4.简单介绍直流电动机的额定数据
直流电机按照国家标准及电机设计和试验数据规定的电机运行条件和运行状态运转时,其运转工况称为电机的额定运行情况。
在额定条件下,电机各物理量的保证值称为电机的额定数据或额定值。
直流电机的额定值一般有:
PN(Kw),UN(V),IN(A),nN(r/min),IfN(A)
额定功率PN:
指电机在铭牌规定的额定状态下运行时,电机的输出功率,以"
W"
为量纲单位。
若大于1kW或1MW时,则用kW或MW表示。
额定电压UN:
指额定状态下电枢出线端的电压,以"
V"
额定电流IN:
指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值,以"
A"
额定转速nN:
指额定状态下运行时转子的转速,以r/min为量纲单位。
额定励磁电流If:
指电机在额定状态时的励磁电流值。
注意:
对于直流发电机,PN是指输出的电功率,它等于额定电压和额定电流的乘积。
PN=UNIN
对于直流电动机,PN是指输出的机械功率,所以公式中还应有效率ηN存在。
PN=UNINηN
在额定条件下的额定转矩
(PN单位为Kw)
例3-1一台他励直流电动机PN=13Kw,UN=220V,IN=69.5A,nN=1500r/min,电枢电阻Ra=0.28Ω,额定励磁电压110V,励磁回路电阻142Ω。
电动机在额定状态下运行。
试求
(1)额定励磁电流;
(2)励磁铜损耗;
(3)电枢回路铜损耗;
(4)空载损耗;
(5)额定电磁转矩及额定输出转矩;
(6)空载转矩。
解:
(1)额定励磁电流
(2)励磁铜损耗
(3)电枢回路铜损耗
(4)空载损耗
(5)额定电磁转矩及额定输出转矩
(6)空载转矩
5.通过结构示意图和电路图介绍直流发电机的4种励磁方式。
课后练习:
3.6
第2次课
1.分析电路图,列出电压平衡方程式,了解他励电动机的机械特性。
(1)他励电动机的机械特性
电压平衡方程
---理想空载转速(T=0)
△n—速度降落
对于他励和并励而言,当Uf与U为同一电源时,这两种电动机励磁电流If的大小均与电枢电流Ia无关,因此他励和并励电动机的机械特性一样。
(2)机械特性硬度
当n=0时,(3.13)式为:
堵转矩
堵转电流
机械特性硬度
①绝对硬特性(β→∞):
同步电动机
②硬特性(β>10):
直流他励电动机,交流异步电动机机械特性的上半部。
③软特性(β<10):
直流串励电动机和直流积复励电动机。
2.运用反推法,介绍计算直流他励电动机固有机械特性的一般步骤和计算公式。
固有机械特性,又称固有特性,是指在额定电压UN和额定磁通ΦN下,电枢电路内不外接任何电组时的n=f(T)。
由
求
(1)估算电枢电阻Ra
(2)计算
额定条件下反电势:
(3)求理想空载转速:
(4)求额定转矩:
3.通过分析直流他励电动机机械特性表达式,画出改变Rad、U、φ的人为机械特性,并总结其特点。
人为机械特性是指供电电压U或磁通Φ不是额定值、电枢电路外接电阻Rad时的机械特性。
(1)串接电阻Rad
串接电阻后
①n0不变;
②K斜率变大即机械特性变软。
③是一簇由同一点(0,n0)出发的一组直线。
(2)改变电枢电压U和主极磁通Φ
①改变n0(减小)①n0增加
②斜率k不变机械特性硬度不变②斜率k变大,特性变软
③平行于固有曲线的一簇直线
注意:
不能过分削弱磁通!
否则,如果负载转矩不变,电动机电流将大大增加而严重过载;
造成飞车。
因此,直流他励电动机启动前必须先加励磁电流,在运行过程中决不允许励磁电路断开或励磁电流为零。
(直流他励电动机一般有“失磁”保护。
)
4.通过例题详细介绍直流他励电动机机械特性的计算和绘制方法。
例3-2一台他励直流电动机在稳态下运行时,电枢反电势E=E1,如负载转矩TL=常数,外加电压和电枢电路中的电阻均不变,问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后,电枢反电势将如何变化?
是大于、小于还是等于E1?
解:
两个已知条件,一个是负载转矩TL=常数;
一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程),电枢反电势是稳态值。
从不能判断E是如何变化的
例3-3一台他励直流电动机,功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=31A,nN=1500r/min,忽略损耗,认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩,试绘制电机近似的固有机械特性。
n=f(TL)是一条直线,故只要两点,理想空载点(0,n0)(TN,,nN)
(1)估算Ra
(2)求n0
(3)求TN
也可求
3.83.10
第3次课
1.分析直流电动机不能直接启动的原因
启动过程:
他励电动机轴上带一定负载,从静止启动到某一转速稳定运行的过程。
启动时n=0E=0启动电流
要求:
启动电流不得大于(1.5~2)额定电流
2.展示电动机启动特性图,介绍两种启动方法的优缺点。
◆降压启动。
启动时,降低供电电源电压。
◆在电枢回路内串电阻启动。
(1)具有一段启动电阻的他励电动机
只有一段电阻,在切除的瞬间,冲击电流仍然很大。
(2)多段启动电阻启动的他励电动机
原则:
◆I1≤2IN
◆T2(I2)基本相同
3.通过示意图明了速度调节和速度变化两个概念。
速度调节-----在一定的负载下,人为改变参数,达到改变电动机稳定转速。
速度变化-----由于负载发生变化而引起电动机转速改变。
4.通过分析机械特性表达式和特性曲线,介绍三种调速方法的调速过程和特点。
(1)电枢电路外串电阻Rad
缺点:
1.机械特性变软,稳定性差;
2.轻载时调速范围不大;
3.无级调速困难;
电阻上消耗大量电能;
4.启动电阻不能用来调速。
适用于起重机、卷扬机。
(2)改变电压调速
特点:
1.连续平滑调速,在nN以下调速;
2.机械特性硬度不变;
3.调速时电流不变,转矩不变,恒转矩调速。
4.利用降压启动电机而不用其他设备。
调节特性n=f(U)
始动电压:
(3)改变主磁通φ
(1)只能在n0以上进无级调速;
(2)机械特性变软,调速范围不大;
(3)恒功率调速(P=UIa)
通常同调压调速配合使用(n0以下用调压,n0以
上用调磁通的方法)。
注意!
轻载时产生飞车事故
例3-4有一台他励电动机,PN=22KW,UN=220V,IN=115A,Nn=1500r/min,电枢电阻Ra=0.1Ω,电动机拖动恒转矩额定负载。
(1)要求得到1100r/min的运行速度,采用串电阻调速方式,电枢回路应串入多大电阻?
(2)要求得到900r/min的运行速度,采用降压调速方式,电枢电压应降至多少伏?
(3)要求得到1800r/min的运行速度,弱磁程度如何?
(1)电枢回路应串入的电阻Rad
(2)电枢电压值
(3)减弱磁通的程度(设为X)
X=0.823是合适的解,即弱磁至Φ=0.823ΦN
课后练习:
3.123.153.18
第4次课
1.首先明了几个容易混淆的概念。
制动─是从稳定转速开始减速到停止或者限制位能负载下降速度的一种运转状态。
自然停车:
是电动机脱离电网,靠很小的摩擦阻转矩
消耗机械能使转速慢慢下降,直到转速为零而停车。
电动状态:
电动机发出的T和n方向相同;
制动状态:
(发电状态)转矩T与转速n方向相反。
稳定的制动状态(n=C)
过渡的制动状态(n是变化的)
2.以形象生动的生活实例介绍三种制动产生的过程,通过分析公式和机械特性曲线介绍三种制动的特点以及适用场合。
(1)反馈制动
n>
n0Ia=-Ia+TM→-TM
电动机变成发电机,将机械能变成电能向电源馈送称为反馈
①降压调速过程中的反馈制动
②调磁通调速过程中的反馈制动
反馈制动只在调磁降速过程中产生
Φ↑Rf↓n↓
③下放重物时的反馈制动过程
a点→b点n↑E↑Ia↓-TM↓
B点→C点│n│>
n0Ia=-Ia-TM→TM与n反方向制动;
改变Rad改变下降的n;
Rad太大,n很高,不安全。
(2)反接制动
①电源反接制动
反接时U与E相加,电流很大用Rad限流
应用:
快停、经常正反转
②倒拉反接制动(串接Rad改变斜率法)
这里T没有反向
选用不同的Rad可改变下放速度但不能太小,交叉点必须在四象限
(3)能耗制动(U=0串接Rad)
Rad不能太小I<
Imax
直流他励电动机各种运行状态下的机械特性如右图所示。
3.193.20
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- 第3章 直流电机的工作原理及特性 直流电机 工作 原理 特性