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  直流电机工作原理教案资料_理化生_高中教育_教育专区。第三章 直流电机的工作原理及特性 本章要求:掌握直流电机的基本工作原理 及特性,特别是直流电机的机械特性;掌握 直流电机的启动、调速和制动的各种方法的 优缺点和应用场所。 3.1直流电机的基本结构和工

  第三章 直流电机的工作原理及特性 本章要求:掌握直流电机的基本工作原理 及特性,特别是直流电机的机械特性;掌握 直流电机的启动、调速和制动的各种方法的 优缺点和应用场所。 3.1直流电机的基本结构和工作原理 一、基本结构 定子和转子两大部分。(略讲) 1 2 3.1直流电机的基本结构和工作原理 二、基本工作原理 它是以导体在磁场中运动而产生感应电 动势和载流导体在磁场中受到力的作用为基 础。 电流的方向:N极下的有效边中的电流 总是一个方向,而S极下的有效边中的电流总 是另一个方向,这样才能使两个边上受到的 电磁力的方向一致,电枢因而转动。产生电 磁转矩。(换向器的作用) 3 3.1直流电机的基本结构和工作原理 发电机依电磁感 应定理(右手定 则),电动机依安 培电磁力定律(左 手定则)。 4 3.1直流电机的基本结构和工作原理 直流电机中能量(电能、机械能)转换的 方向是可逆的,可用三个方程来描述: 转矩方程式:T KtIa 电机等速运行转矩平衡. 电势方程式:EKen 电压平衡方程式: UEIaRa EUIaRa 6 3.1直流电机的基本结构和工作原理 电磁转矩T、负载转矩TL、及空载消耗转矩 T0相平衡。当负载发生变化时,则n、E、I、 T将自动进行调整,以适应负载的变化,保持 新的平衡。 例如: 当TL↑→T< TL→ n↓,当Φ不变时 →E↓ (E=Ke Φ n) → Ia=(U - E)/ Ra↑ →T↑ →→T= TL(新的平衡) 7 3.2 直流发电机 分类:按 励磁方法 的不同, 分为他励、 并励、串 励和复励 四类,常 用他励和 并励。 8 3.3 直流电动机的机械特性 将直流电机的电势方程和转矩方程代入 直流电动机电压平衡方程式中,并略加整理 后,可得他励直流电机的机械特性方程为: nU R a K e K eK t 2Tn0 n 当 T 时的0转速 速。 n0 称U为(K 理E想)空载转 9 3.3 直流电动机的机械特性 机 起的械硬转度速:变转化矩dn变的化比d值T与,所用引于ddTn Tn10% 0 衡量机械特性的平直程度。 一.固有机械特性(自然特性) 是指在额定电压和额定磁通下,电枢电路内 不接任何电阻时的n=f(T)。当U=UN,Φ=φN 时,n=f(T)是一条直线) 和(TN,nN )两点来作直线 直流电动机的机械特性 电机正转在第一象限, 反转在第三象限。 根据铭牌参数(PN, UN,IN,nN )计算Ra, KeΦ,n0 ,TN。 11 3.3 直流电动机的机械特性 (1)计算电枢电阻Ra: (通常电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总 损耗∑△PN的50%--75%)Ia2Ra= (50%--75%) ∑△PN=(0.5—0.75)[输入功率-输出功率]= (0.5—0.75)(1-ηN )UNIN 式中: ηN 为效率, 且此时Ia=IN 故有: Ra0.5~0.75 1U P NN IN U IN N 12 3.3 直流电动机的机械特性 (2)求KeΦ 在额定条件运行下的反电势EN= KeΦnN=UN - INRa故: KeΦ=( UN-INRa)/ nN 对于一台直流电机而言,它是唯一的。 (3)求理想空载转速: n0=UN/KeΦ 13 3.3 直流电动机的机械特性 (4)求额定转矩: TN PN 9.55PN nN 例:一台Z2-51型他励电动机,已知PN=5.5kW, UN=220V, IN=31A,nN=1500r/min,认为额定 运行时的电磁转矩近似等于额定输出转矩,试 绘出这台电机近似的固有机械特性。 14 解: 因他励电动机的n=f(T)是一条直线)、(TN,nN )两点 即可。 n0K U e NN K e NU N nN INR a Ra 0.5(1UP NNIN)U IN N 0.7 1 KeN0.13V2/rmi1nn0166r/7min TN9.5nP 5N N9.555.151530030N 5m 15 3.3 直流电动机的机械特性 二.人为机械特性 是指供电电压或磁通不是额定值、电枢电 路内接有外加电阻Rad时的机械特性;电动机的 启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特 性。 1.电枢电路内接有外加电阻Rad时的机械特性 当U=UN,Φ=ΦN时,电枢电路内接有外加 电阻Rad,机械特性方程为: 16 3.3 直流电动机的机械特性 nK U e NNK R a eK d m R a 2Tn n 17 3.3 直流电动机的机械特性 (特性随Rad的增大而变软) 可得从(0,n0)点 发出的一簇的人为 机械特性曲线 直流电动机的机械特性 2. 改变电压时的机械特性 当Φ=ΦN,Rad=0时,改 变电压时,空载转速变化 而转速降落不变。(U< UN; n < nN )可得一簇 平行于固有特性曲线的人 为机械特性曲线 直流电动机的机械特性 3. 改变磁通时的机械特性 当U=UN,Rad=0时,改变 磁通空载转速和转速降落都 要发生变化。( Φ< ΦN;T 随磁通的降低而减小;n > nN ,电动机工作在交点以左 的区域。系统特性较软) 消弱磁通时,注意“飞车”现象,一般 要加“失磁”保护。 20 3.4 直流他励电动机的启动特性 回忆电动机机械特性方程式和机械特性曲线 nK UeKeR Kat2 T 电动机启动瞬间,n=0, e=0,所以启动电流很 大,造成危害。 21 3.4 直流他励电动机的启动特性 生产机械对电机启动的要求是:有足 够的启动转矩、启动时间短、启动平 稳。Ist=UN/Ra=(10-20)IN 限流 Ist=(1.5-2)IN 常用启动方法有两种: 降压启动和电枢回路外接电阻启动。 22 3.4 直流他励电动机的启动特性 1. 降压启动: 2. U<UN→n↑、E↑→↑U→U=UN、 n=nN 2.电枢回路内串接外加电阻启动: 满足启动要求:Ist=UN/(Ra+Rst) Rst (3-4级) T1、T2的数值按照电动机的具体启动条件决 定: T1=(1.6-2)TN T2=(1.1-1.2)TN 23 3.4 直流他励电动机的启动特性 24 3.4 直流他励电动机的启动特性 例题:一台他励直流电动机,其额定数据为: PN=17kW,UN=220V,IN=91A, nN=1500r/min, Ra=0.22Ω。试求: (1) TN=? (2)直接启动时的Ist=? (3)如果要使启动电流不超过额定电流的两 倍,求启动电阻为多少?此时启动转矩为多少? (4)如果采用降压启动,启动电流不超过额 定电流的两倍,电源电压应为多少? 25 3.4 直流他励电动机的启动特性 解: (1) TN9T.5N=n P 5N N ?9.51 5 1 71 530 0 100 .2N 8m (2)直接启动时的Ist=? IstU RN a 220100A0 0.22 26 3.4 直流他励电动机的启动特性 (3)串入启动电阻RadI st UN Ra Rad 2IN Rad UN 2I N Ra 0.99 启动转矩: TstKtIs t9.55KeNIs t9.55UNnNINRaIs t 220910.22 9.55 1500 2IN23N1m 注意: Tst I st IN TN 27 3.4 直流他励电动机的启动特性 (4)降压启动时的电源电压: U Is R ta 2 IN R a 2 9 0 1 .2 2 4 V 0 总结一下启动特性: 28 3.5 直流他励电动机的调速特性 调速——在一定的负载条件下,人为地改 变电机的机械特性,以改变电机的稳定转速。 请注意,速度调节与速度变化是两个完全 不同的概念。速度变化是在某条机械特性下, 由于负载改变而引起的,而速度调节则是在 某一特定的负载下,靠人为改变机械特性而 得到的。 nKUeR KaeK tRa2dT 由直流电动机的 机械特性方程: 29 3.5 直流他励电动机的调速特性 可知: 1. 改变电枢供电电压U、 2. 改变电枢电阻Rad、 n 3. 改变磁通Φ, 都可以得到不同的人为机 械特性,达到调速的目的。 C A 1 B }△n 2 nKUeR KaeK tRa2dT T’ TL T 30 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.5.1 改变电枢电路外串电阻Rad nKUeR KaeK tRa2dT B 特点: 1. Rad越大特性越软 2. 空、轻载时调速范围小 3. 实现无级调速困难 4. 电能消耗大 C D2 3 31 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.5.2 改变电动机电枢供电电压U nb、E暂时不变n U1↑→UN{→ 电流↑→T↑=Tg n a b g UN U1 →工作点由b点过渡到g点 TL Tg T 32 3.5 直流他励电动机的调速特性 由于Tg>TL→系统加速n↑ →E↑→I↓→T↓ →→工作点由g点向a点移 动 a点:T=TL、n=na(系统 稳定) n a b TL g UN U1 Tg T 33 3.5 直流他励电动机的调速特性 特点: 1. 可以实现无级调速,n<nN 2. 机械特性硬 3. 恒转矩调速 4. 可以利用调压方法启动设备 34 3.5 直流他励电动机的调速特性 3.5.3 改变电动机磁通Φ 特点: 1. 可实现无级调速 2. n>nN 3. 系统特性软 4. 调速范围小nmax<1.2nN 5. 恒功率 35 3.6 直流他励电动机的制动特性 制动----是从某一稳定转速开始减速到停 止或是限制位能负载下降速度的一种运动状 态。 分清: 制动与自然停车的区别; 电动机与发电机的能量传递关系; T与n的关系; 36 3.6 直流他励电动机的制动特性 根据电机处于制动时 的外部条件和能量传 递情况,制动分为: 反馈制动、反接制动、能耗制动。 37 3.6 直流他励电动机的制动特性 3.6.1 反馈制动 电动机在正常接法时,若在外部条件作用 下使电动机的实际转速大于理想空载转速时 (如电车下坡),反电势E>供电电压U, 电枢电流Ia反向,电磁转矩T反向变成制动 转矩,电动机变成发电机,把机械能转变成 电能,向电源馈送,电动机即处于反馈制动 状态。 38 3.6 直流他励电动机的制动特性 在反馈制动状态下:电 动机的机械特性的表达 n b nb 式仍为: na a n U RaRadT TP Tr T Ke KeKt2 所不同的仅是T改变了符号,而理想空载转速和 特性的斜率均与电动状态下一致。Tp TTr 39 3.6 直流他励电动机的制动特性 电枢电压突降时的反馈制动状态(调压调速时) 当电压由U1突降为U2时, 由于E和n不能突变,所以 b 电枢电流将由 n0b Ia U1 E突变为Ib R U2 R E -T U1 c U2 即:当n0b<na时,U2<E,则电流Ib为 负值并产生制动转矩,系统工作点由a 过渡b点。 40 3.6 直流他励电动机的制动特性 在制动转矩和负载转矩的作用下电机转速沿 由U2所决定的特性曲线从b点向c点移动。 当系统转速等于n0b时, b E=U2,制动电流、转矩降为 零,反馈制动过程结束。 n0b 但由于电磁转矩T<TL,在负 载转矩的作用下转速进一步 -T U1 c U2 下降,直到n=nc,T=TL(电 机在电动状态下稳定运行)。 41 3.6 直流他励电动机的制动特性 制动----是从某一稳定转速开始减速到停 止或是限制位能负载下降速度的一种运动状 态。 分清: 制动与自然停车的区别; 电动机与发电机的能量传递关系; T与n的关系; 42 3.6 直流他励电动机的制动特性 根据电机处于制动时 的外部条件和能量传 递情况,制动分为: 反馈制动、反接制动、能耗制动。 43 3.6 直流他励电动机的制动特性 3.6.1 反馈制动 电动机在正常接法时,若在外部条件作用 下使电动机的实际转速大于理想空载转速时 (如电车下坡),反电势E>供电电压U, 电枢电流Ia反向,电磁转矩T反向变成制动 转矩,电动机变成发电机,把机械能转变成 电能,向电源馈送,电动机即处于反馈制动 状态。 44 3.6 直流他励电动机的制动特性 在反馈制动状态下:电 动机的机械特性的表达 n b nb 式仍为: na a n U RaRadT TP Tr T Ke KeKt2 所不同的仅是T改变了符号,而理想空载转速和 特性的斜率均与电动状态下一致。Tp TTr 45 3.6 直流他励电动机的制动特性 电枢电压突降时的反馈制动状态(调压调速时) 当电压由U1突降为U2时, 由于E和n不能突变,所以 b 电枢电流将由 n0b Ia U1 E突变为Ib R U2 R E -T U1 c U2 即:当n0b<na时,U2<E,则电流Ib为 负值并产生制动转矩,系统工作点由a 过渡b点。 46 3.6 直流他励电动机的制动特性 在制动转矩和负载转矩的作用下电机转速沿 由U2所决定的特性曲线从b点向c点移动。 当系统转速等于n0b时, b E=U2,制动电流、转矩降为 零,反馈制动过程结束。 n0b 但由于电磁转矩T<TL,在负 载转矩的作用下转速进一步 -T U1 c U2 下降,直到n=nc,T=TL(电 机在电动状态下稳定运行)。 47 3.6 直流他励电动机的制动特性 卷扬机下放重物(位能)产生反馈制动 设电动机正转提升重 物,棋牌游戏平台十大排名改变电压后,电动机 反转,重物下降,特性在 第三象限,a b 系统在第三象限没有稳定 运行点,当加速超过-n0 48 3.6 直流他励电动机的制动特性 EU, Ia改变方向,T变为正值,并与TL相 反,进入第四象限,电动机进入反馈制 动,b c 特点:改变附加电阻大 小,可改变电动机下降 速度,但下降速度过高, 制动方式是不太安全的。 49 3.6 直流他励电动机的制动特性 3.6.2 反接制动 当他励直流电机的电枢电压或电枢电势 中任何一个在外部条件作用下改变方向,即 两者由方向相反变为方向一致时,电动机即 处于反接制动状态。 (电源反接制动;倒拉反接制动) 50 3.6 直流他励电动机的制动特性 1.电源反接制动: 1)U正向(左图中红线)特性曲线,系统工作点为a,转速为na 51 3.6 直流他励电动机的制动特性 2)U反向时有:E=-U-IaR∑ nKeU R KaeK tRa2dT 可见系统变为特性曲线的b点,电磁转矩 变为负值,此时在电磁转矩和负载转矩的作用 下使转速迅速下降,系统状态沿着直线由b点 向c点移动,当n=0时反接制动结束。 52 3.6 直流他励电动机的制动特性 若此时不切断电源, 将导致反向启动。有反抗 性负载和位能性负载两种 情况。 注意:由于E和U是串联相 加,电枢电流过大,应有 足够大的限流电阻。 53 3.6 直流他励电动机的制动特性 2.倒拉反接制动(改变E) 当电机处于正向电动状态,系统工作点为a 点,n=na(提升重物) 54 3.6 直流他励电动机的制动特性 放下重物时: 串入Rad(特性曲线, 系统工作点由a变为c), →T<<TL→n↓(工作点 由c向d移动) E↓→I↑→T↑(此时T< TL)→ n↓ 55 3.6 直流他励电动机的制动特性 d 点:n=0,E=0, I=Ist=U/R∑(堵转电流), 由于U存在,Tst (堵转转矩) <TL→在TL的作用下n反向加 速→E↑(反向)→I↑= (U+E)/R∑→T↑=TL(即b 点),以nb速度稳速放下重物。 56 3.6 直流他励电动机的制动特性 在整个过程中,U不变, I 变化大小但不变向,故T 没有变向。n发生方向变 化。 57 3.6 直流他励电动机的制动特性 注意特点: 改变附加电阻Rad ,可以得到不同的下降 速度,附加电阻越小,下降速度越低,保证 生产的安全。 缺点是由于对TL的估计不足,可能本应 下降而变成上升,机械特性硬度小,速度的 稳定性差。 58 3.6 直流他励电动机的制动特性 3.6.3 能耗制动 脱开电源,电枢串接一个附加电阻,在E 的作用下,I反向,T反向,产生制动转矩, 机械能消耗在附加电阻上。 由于U=0,故:nRa Rad T KeKt2 59 3.6 直流他励电动机的制动特性 是一条过原点,位于第二、 四象限的直线。也有反抗 性负载和位能性负载。 通常应用在系统需 要迅速准确停车及卷扬 机重物恒速下放的场所。 但要注意附加电阻大小 的选择。 60 直流他励电动机各种运行特性总结 从以上分析可知:电 动机有电动和制动两 种状态,用正常的接 线方法,可以实现电 机的运转、反馈制动、 反接制动,这三种状 态处在同一条机械特 性的不同区域。能耗 制动时接线 第四章:机电传动系统的过渡 过程 自学 62

时间:2020-07-09 14:46