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直流教学目的
教学目的:
1.了解本课程的主要学习内容
2掌握直流电机的基本结构
3.掌握直流电机的工作原理*
绪论
课题引入:
我们日常所见的电动洗衣机,通电后有一个电气装置(电动机)产生旋转,搅动水流来清洁衣物,这里面涉及本课程学习的三个主要内容:
电机、电力拖动以及电气控制。
启发交流:
常见的电机应用场合与电气控制系统有哪些?
(电冰箱、电风扇、机床、电梯、电瓶车等等)
结论:
本课程的学习内容是非常实用的,维修电工中级的考核中电机及电气控制知识与技能占很大的比例。
1.什么是电机?
电机是电动机和发电机的统称,是一种实现机电能量转换的电磁装置。
把电能变换为机械能的称为电动机,把机械能变换为电能的称为发电机。
实物展示+图片
2.什么是电力拖动?
以电动机为动力,通过传动机构拖动机床等工作机构进行工作的拖动方式。
3.什么是电气控制?
采用电气元件(如接触器、开关)对控制对象(如机床)进行控制。
4.与本课程相关的网站介绍(中国工控网等)。
今后我们在讲解工程实例项目前,要求上网搜索相关知识(预习)。
§1.1直流电机概述
1.电机的分类
2.直流电机的特点(和三相异步电动机相比)
*优点:
速度调节范围宽广,而且平滑性、经济性较好,起动转矩也较大。
*缺点:
结构复杂、价格昂贵、维护不方便,尤其是电刷与换向器之间容易产生火花,因而运行可靠性较差。
3.直流电机的应用(视频)
4.目前发展趋势:
无刷电机等。
§1.2直流电机的工作原理
一、直流发电机的工作原理
1.交流电机原理
*根据电磁感应定理,通电导体在磁场中将受到电磁力的作用(左手定则),在磁场中运动的导体会产生感应电势(右手定则),所以若导体在磁场中做旋转运动,将会发电。
*对某一个导体而言,其感应电势是交变的,发出的是交流电。
*对某一个极下的导体而言,感应电势是直流的。
2.直流发电机原理
*利用换向器,使电刷只和某一个极下的导体相连,在电刷两端引出直流电。
*波形分析
*换向器的作用:
将绕组中的交流电变换成电刷上的直流电输出。
*两个公式:
Ea=CeφnTem=CTφIa
无论是电动机还是发电机,上述公式均适用。
二、直流电动机的工作原理
1.在电枢绕组中加入直流电,原来的发电机就会旋转。
2.图解分析。
3.换向器的作用:
及时改变电枢绕组中的电流方向,保证电机的电磁力矩方向不变。
三、可逆运行原理
同一台电机既可做电动机运行又可做发电机运行,这就是可你运行原理。
它适用于所有电机。
四、铭牌数据
*表征电机额定运行情况的各种数据叫额定值也叫铭牌值。
*额定功率PN:
电机的输出功率。
额定电压UN:
额定电流IN:
*对发电机:
PN=UN*IN
对电动机:
PN=UN*IN*ηN
1.理解直流电机的基本结构。
2.掌握直流电动机的励磁方式*。
3.了解直流电动机的磁场
复习:
1、1、电动机与发电机中的Tem和Ea公式。
2、2、电动机与发电机中的Tem和Ea关系。
(P7表)
*无论是电动机还是发电机中都有Tem和Ea。
*电动机中:
Tem和n方向相同,是动力转矩;Ea和电流方向相反,是反电势。
*发电机中:
Tem和n方向相反,是阻转矩;Ea和电流方向相同,是电源电势。
3、3、直流电机中电枢绕组和换向器的作用。
§1-3直流电机基本结构
一、定子(P9图)(视频)
1、1、主磁极、励磁绕组
2、2、换向磁极
3、3、电刷装置
4、4、机座
二、转子
1、1、电枢铁心
2、2、电枢绕组
3、3、换向器
三、铭牌数据(复习提问)
四、课内实训项目(他励直流电动机观察):
(1)他励直流电动机铭牌数据观察
(2)接线端子与符号观察
(3)励磁绕组与电枢绕组阻值的测量(万用表电阻档)
(4)用手旋转电机转子,测量电枢两端有没有电压?
实训结果讨论:
哪个电阻大?
为什么有电压?
§1-4直流电动机
(一)
一、励磁方式(图见P11)
1.他励:
励磁电流If与电枢电流Ia无关,励磁由其他电源供给。
2.并励:
励磁绕组与电枢绕组并联,I=Ia+If,其中I是输入电流,铭牌上的电流就是I。
3.串励:
励磁绕组与电枢绕组串联,I=Ia=If。
4.复励:
励磁绕组由两部分组成,一部分与电枢绕组并联,另一部分与电枢绕组串联。
通常并励绕组起主要的励磁作用,串励绕组起补偿作用。
应用举例:
并励、复励:
龙门铣床、龙门刨床、镗床中的直流电动机;
串励:
载货电瓶车、电铲车
永磁电机:
玩具电动机、收录机、VCD、DVD、汽车用起动电机、摩托车磁电机(发电机)、电动自行车。
5.直流电动机出线端标记(表1-2)
6.并励电动机电流、电势、电压之间的关系分析(注意与并励发电机比较)
二、直流电机磁场简介
1、1、励磁绕组中通入励磁电流IF,产生主磁场。
磁密分布曲线介绍
磁化特性曲线介绍
2、2、电枢绕组中有电流Ia后,产生电枢磁场。
电枢在几何中性线时的磁通与磁密分布介绍
3、3、电枢反应:
电枢磁场对主磁场有影响(两者叠加),这样的影响叫电枢反应。
电枢反应后的磁场曲线介绍
电枢反应的结果:
使主磁场产生畸变、呈去磁作用。
1.学习直流电机的基本方程式。
2.学习直流电动机的机械特性。
*
§1-4直流电动机
(二)
三、基本方程
1.电势平衡式:
U=Ea+Ia*Ra+2ΔUb。
*其中2ΔUb可以放在Ia*Ra中,等式简化为U=Ea+Ia*Ra。
*Ea
2.转矩平衡式:
静态时
或动态时
3.功率平衡式:
Pem=P2+pΩ+pFe+ps
P1=pcua+pcub+Pem
4.功率流程图(补充)
四、例题分析(P19)
例1-2例1-3
§1-5直流电动机机械特性
课题引入:
电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系叫机械特性,它反映了电动机稳定运行、起动、调速和制动等运行的基本情况。
要调节电动机的运行性能可以人为改变电动机的机械特性。
一、基本概念
1、机械特性硬度:
在机械特性曲线的工作范围内某一点转矩对该点转速的微分,称为机械特性硬度。
即β=dT/dn(曲线上该点的斜率)
2、机械特性分为
二、自然机械特性
1、曲线如右
*是一条逐步下降的曲线,与纵坐标的交点是n0(理想空载转速),转速降为Δn。
2、方程式:
(1)
其中
,
另:
CMΦ=9.55CeΦ
二、人为机械特性
1、电枢串电阻时的机械特性
*电枢中串入电阻RPa,即在
(1)中用Ra+RPa代替原来的Ra。
*串电阻后n0不变,Δn增加。
(见图a)
*串入的电阻越大,曲线下降越多。
2、降低电枢电压的机械特性
*减低电枢电压,即在
(1)中用U1代替原来的UN。
*降压后减小,Δn不变。
(见图b)曲线平行。
*电压下降越多,n0下降越多。
n0与U成正比。
3、减弱磁通的机械特性(图c)
*弱磁后n0增加,Δn也增加,一般使n增加。
三、课内实训项目(直流电动机接线练习):
1、将直流电动机如右图接线
2、Rf调到中间,电枢电压调到0,通电。
3、逐步增加电枢电压(小于150V),
观察电机的速度变化
掌握直流电动机的三种调速方法和相关计算。
复习:
直流电动机的机械特性
课题引入:
许多生产机械在不同的工作情况下,要求有不同的工作速度。
如轧钢厂轧制钢板的轧辊电动机,要求根据轧制的厚度及时地调整运行的速度;电力牵引的机车,也要求不同的运行速度;起重机也要求调速;这就要求我们研究直流电动机的调速方法。
实例项目一:
某起重机采用他励直流电动机拖动,PN=29KW,UN=440V,IN=76.2A,nN=1050r/min,Ra=0.393Ω,要求带额定负载时以300r/min和600r/min的速度提升重物,分析可以采用的合适的解决方案。
§1-6调速
一、调速概述
1.调速定义:
就是在一定的负载下,根据生产工艺的要求,人为地有意地改变电动机的速度。
2.调速分类:
3.常用的调速方法:
由n=U/CEφ-RaT/CECTφ2可知改变U、φ、Ra中任意一个参数都可以使转速n发生改变。
(1)降压调速。
(2)串电阻调速。
(3)弱磁调速。
4.调速指标:
(1)调速范围D=nmax/nmin
(2)静差率δ=Δnn/n0*100%可以推出:
D=nmax*δ/Δnn(1-δ)
(3)平滑性、经济性。
二、串电阻调速:
1、电路与调速过程分析(图1-23)
2、机械特性方程式:
n=U/CEφ-(Ra+Rc)T/CECTφ2
由上式可看出保持U、φ不变,则n0=U/CEφ不变,改变的只是Ra/CECTφ2变为(Ra+Rc)/CECTφ2,特性曲线的斜率变大。
3、性能:
低速时静差率不好,所以调速范围不大。
属于恒转矩调速方法,适合带恒转矩负载。
调速经济性差(运行经济性差)。
实例应用分析:
CeφN=(UN-INRa)/nN=0.391
300r/min提升RJ1=(UN-CeφNn)/IN-Ra=3.84Ω
600r/min提升RJ2=(UN-CeφNn)/IN-Ra=2.3Ω
可见采用串电阻调速时,速度越低要求串入的电阻越大,而且由于电动机的电流由负载决定,串入电阻上的能量损耗较大,运行经济性能不佳。
不过对于本例,提升时间不长,可以考虑此方法。
三、降压调速:
1、电路与调速过程分析
见图1-25。
当保持φ不变U↓,开始转速不变,Ea=CEφn暂时不变,则Ia↓→T↓保持T2不变即T<T2则n↓→Ea↓→Ia↑→T↑直到T=T2,电动机在比原转速底的速度上稳定运行。
2、机械特性方程式:
由n=U/CEφ-RaT/CECTφ2可知,当电源电压U↓(因不能高于UN,所以电压只能下调)n0=U/CEφ↓而Ra/CECTφ2不变(斜率不变),既曲线为固有特性曲线下移。
3、性能:
低速时的静差率好,调速范围大。
属于恒转矩调速方法,适合带恒转矩负载。
实例应用分析:
300r/min提升U1=CeφNn+INRa=147.2V
600r/min提升U1=CeφNn+INRa=264.5V
可见采用降压调速时,根据负载速度的高低来调整电源电压的大小,调速的经济性能好,运行性能也好。
但是要求使用调压设备,成本高。
四、弱磁调速:
1、电路与调速过程分析
见图1-24。
2、机械特性方程式:
由n=U/CEφ-RaT/CECTφ2可知,当φ↓时n0=U/CEφ↑曲线的斜率Ra/CECTφ2↑所以当φ↓时,机械特性曲线升高,变软。
3、性能:
转速只能向上调节,调速范围不大。
属于恒功率调速,适合恒功率负载。
实例应用分析:
本例不能采用弱磁调速,速度不匹配,负载性质也不匹配。
五、例题分析(P26)例1-5例1-6
六、三种调速方法比较(P31表)
1、1、掌握直流电动机的起动、制动方法和特点
2、2、了解直流电动机的起动、制动的相关计算
1-7起动、反转与制动
课题引入:
许多生产机械在采用直流电动机拖动时,除要求较好的调速性能外,往往还要求较快的过渡过程,如龙门刨等;而对于起重机,一般要求解决满载起动、低速下放重物、高速下放重物等问题。
从电气的角度看,就是要解决直流电动机的起动、反转以及制动等问题。
实例项目二:
前例的起重机,考虑到成本等因素不采用调压设备,要求提供1.5倍和2倍的起动转矩,能够在300r/min和1100r/min左右的速度下满载下放重物,分析合适的解决方案。
一、起动
1、1、 起动要求
*起动转矩TSt足够大。
*起动电流Ist控制在一定的范围。
*起动设备简单、可靠。
2、2、 直接起动
*起动时n=0,Ea=0,Ist=U/Ra,Tst=CMΦIst由于起动电流太大,所以一般稍大容量的直流电动机都不允许直接起动。
3、3、 直流电动机通常采取的起动方法
(1)电枢串电阻起动(电压、励磁保持额定值)
*电路图分析:
起动时逐级切除起动电阻。
*曲线分析:
见图1。
刚开始起动时在A点,到达B点时切除一级电阻转到C点逐步切除。
*起动电流(A点)Ist一般在(1.5-2.5)IN
切换电流(B点)Ist2一般在1.1IN左右。
(2)降压起动:
U从小到大逐步增加。
设备较复杂。
实例应用分析:
本例采用电枢串电阻起动。
1.5倍起动转矩:
Rst=UN/1.5IN-Ra=3.46Ω,此时Ist=1.5IN
2倍起动转矩:
Rst=UN/2IN-Ra=2.49Ω,此时Ist=2IN
可见串入较大的电阻可以解决直流电动机的起动问题。
但是起动转矩大,起动电流也大,所以为保护电动机要限制起动
电流。
注意,通常起动电阻在起动完毕必须及时切除(除非按照长期工作制设计,起重机就是这样)。
4、例题分析:
例1-8
二、反转
1、思路:
对于电动机,反转就是要改变Tem方向,Tem=CTΦIa,所以可采用单改变Φ或Ia方向(单改变励磁绕组或电枢绕组线头)两种方法使电动机反转。
通常改变电枢绕组线头的效果较好。
2、线路:
典型线路采用“桥式线路”,见P33图。
三、制动
1、1、 制动概念
2、2、 常见制动方法:
机械制动(电磁或机械抱闸等)与电气制动。
3.能耗制动
*电路分析:
制动时切除电枢电源,同时接入RZ。
*曲线分析:
见图1-35,A→B→O。
曲线经过原点。
*方程式:
n=-(Ra+RZ)IZd/CeΦ注意在B点n是“+”值,IZd是“-”值。
主要应用。
4.电枢反接制动
*电路分析:
制动时加入反向的电枢电源,同时接入较大的制动电阻RZ进行限流。
*曲线分析:
见图1-40,A→B→C。
在C点应及时切除反接电源,否则电机会反转。
*主要应用场合:
快速停车制动。
5.倒拉反接制动
*电路分析:
带重物类负载时,加入较大的制动电阻RZ,才会出现倒拉反接制动。
*曲线分析;见下图a,制动过程分析说明。
*主要应用场合:
低速下放重物。
6.回馈制动
*曲线分析:
见图1-37,原来运行在A点,由于某种外界原因的影响(如拖动较重的重物类负载、或由原动机强行拖动等),使电机运行到B点,此时电机的n>n0。
*回馈制动时,能量从电动机回馈入电网。
*应用场合:
高速下放重物(图中D点)。
实例应用分析:
(图解)
300r/min下放重物(图a)可以采用能耗制动与倒拉反接制动,但能耗制动冲击电流大,倒拉反接制动较方便。
RZd=(UN+CeΦNn)/IN-Ra=10.77Ω
1100r/min下放重物(图b)可以采用反向回馈制动、倒拉反接制动与能耗制动,但是反向回馈制动性能更好(斜率小)。
7、三种电气制动方法比较(P38表)
作业:
1-16、20、1-21
1、掌握并励直流电动机的起动方法。
2、观察并励直流电动机能耗制动的停车效果。
3、掌握并励直流电动机的调速方法
一、讲解内容:
1.实验仪器的使用
(1)3DDSZ-1型实验台电源的“启动”,“停止”
(2)直流电源操作说明
(3)D31直流电压、毫安、安培表的使用及注意事项
(4)D42三相可调电阻的接线
2.实验线路
重点:
发电机负载电阻R2的接线
3.实验步骤与内容
(1)并励直流电动机的串电阻起动
*将电枢电源调压到220V,按图1-1(视频)接线。
*将直流并励电动机M的磁场调节电阻Rf1调至最小值,电枢串联起动电阻R1调至最大值,负载R21调至最大值、Rf2调在中间位置、S开关在合上位置。
*M起动正常后,将其电枢串联电阻R1调至零,调节“电枢电压”旋钮至额定值UN=220V,Ua=UN。
调节Rf2电位器使发电机励磁电流If2一般=100mA。
调节负载电阻R21为0(此时Ia=0.5IN左右),调节Rf1电位器使电动机转速为额定转速1600r/min,此时M的励磁电流If即为校正励磁电流If1(一般为80mA左右)。
观察电动机的起动。
注意:
以后每次实验时均要求按照上述步骤先调整到额定状态,如果电机停转,先要求起动。
(2)电机机械特性测定
*逐步增加测功机的R2,测量9组左右的转速、电枢电流等数据。
*记录完毕恢复电机的额定状态。
(3)降低电枢电压调速
*在电机的额定状态下,逐步降低电枢电压,测量9组左右的转速、电压、电枢电流等数据。
*记录完毕恢复电机的额定状态。
注意:
降低电枢电压是通过改变电阻R1来实现的
(4)弱磁调速
*在电机的额定状态下,逐步增加励磁电阻Rf1,测量9组左右的转速、励磁电流、电枢电流等数据。
注意:
课后整理实验数据并绘制相关图表。
(5)并励直流电动机能耗制动观察。
*按图1-2(视频)接线,起动直流电动机。
*切断电动机的电源,观察记录自由停车时间。
*再次起动直流电动机。
*切换开关进入能耗制动状态,观测停车时间,并与自由停车时间比较。
二、实验
一、与维修电工中级知识相关的习题讨论
1.直流电动机反接制动时,当电动机转速接近于零时,就应立即切断电源,防止(D)。
A、电流增大B、电机过载C、发生短路D、电动机反向转动
2.直流电机中的换向极由(D)组成。
A、换向极铁心B、换向极绕组C、换向器D、换向极铁心和换向极绕组
3.直流电动机的电气调速方法有(B)种。
A、2B、3C、4D、5
4.直流弧焊发电机的串励和并励绕组应接成(B)。
A、积复励B、差复励C、平复励D、过复励
5.改变直流电动机旋转方向,对并励电动机常采用(B)。
A、励磁绕组反接法B、电枢绕组反接法C、励磁绕组和电枢绕组都反接D、断开励磁绕组,电枢绕组反接
6.为使直流电动机的旋转方向发生改变,应将电枢电流(D)。
A、增大B、减小C、不变D、反向
7.直流发电机—直流电动机调速系统中,若改变发电机的励磁磁通,则属于(B)调速。
A、变励磁磁通B、变电枢电压C、变电源电压D、改变磁极
8.直流电机中的换向极由(D)组成。
A、换向极铁心B、换向极绕组C、换向器D、换向极铁心和换向极绕组
9.直流电机换向极的作用是(C)。
A、削弱主磁场B、增强主磁场C、抵消电枢磁场D、产生主磁场
10.直流电机的电刷因磨损而需更换时应选用(A)的电刷。
A、同原电刷B、较原电刷稍硬C、较原电刷稍软D、任意软硬
11.对于要求制动准确、平稳的场合,应采用(B)制动。
A、反接B、能耗C、电容D、再生发电
12.起重机上采用电磁抱闸制动的原理是(D)。
A、电力制动B、反接制动C、能耗制动D、机械制动
13.直流电动机启动时,电流很大,是因为(A)。
A、反电势为零B、电枢回路有电阻C、励磁电流大
14.直流并励电动机中换向器的作用是(D)。
A、把交流电压变成电机的直流电流B、把直流电压变成电机的交流电流C、把直流电压变成电枢绕组的直流电流D、把直流电流变成电枢绕组的交流电流
15.改变电枢电压调速,常采用(B)作为调速电源。
A、并励直流发电机B、他励直流发电机C、串励直流发动机D、交流发电机
16.直流电动机采用电枢回路串电阻启动,把启动电流限制在额定电流的(D)倍。
A、4~5B、3~4C、1~2D、2~2.5
17.直流电动机改变电源电压调速时,调节的转速(B)铭牌转速。
A、大于B、小于C、等于D、大于和等于
18.将直流电动机电枢的动能变成电能消耗在电阻上称为(C)。
A、反接制动B、回馈制动C、能耗制动D、机械制动
19.直流电机励磁绕组不与电枢连接,励磁电流由独立的电源供给称为(A)电机。
A、他励B、串励C、并励D、复励
20.直流电动机除极小容量外,不允许(B)启动。
A、降压B、全压C、电枢回路串电阻D、降低电枢电压
21.在直流电动机的电枢回路中串联一只调速变阻器的调速方法,称为(A)调速法。
A、电枢回路串电阻B、改变励磁磁通C、改变电枢电压D、改变电枢电流
22.在直流电机中,为了改善换向,需要装置换向极,其换向极绕组应与(C)。
A、主磁极绕组串联B、主磁极绕组并联C、电枢绕组串联D、电枢绕组并联
23.(错)直流串励电动机的机械特性为软特性,主要用于转速要求恒定的场合。
24.(错)直流电动机启动时,常在电枢电路中串入附加电阻,其目的是为了增大起动转矩。
25.(错)直流电动机一般都允许全电压直接启动。
26.(错)直流电机进行能耗制动时,必须将所有电源切断
27.(错)直流电动机电枢回路串电阻调速,只能使电动机的转速在额定转速以上范围内调速
二、课内练习
1.已知他励电动机的额定数据:
Ra=0.25Ω,Rf=150Ω,励磁电压等于电枢电压为220V,效率η=0.85,IaN=60A,nN=1000r/min。
求励磁电流和励磁功率、电动势Ea、输出功率和电磁转矩。
2.一台他励直流电动机PN=29KW,UN=440V,IN=76.2A,nN=1050r/min,Ra=0.393Ω,带重物类额定负载。
(1)电动机在能耗制动下运行,转速n=-500r/min,求电枢回路中串接的电阻Rz1。
(2)电动机在倒拉反接制动下运行,转速n=-600r/min,求电枢回路中串接的电阻Rz2,以及电网供给的功率P1,从轴上输入的功率Pem和电枢回路的总电阻上消耗的功率pcua。
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