当前位置:首页 >> 电力/水利 >>

华北电力大学电机学87讲直流电机(14)直流电动机


第四篇 直流电机
第二十五章 直流电动机

直流电动机 本章基本要求
1.了解直流电动机的励磁方式,掌握其特点 2.掌握直流电动机的基本方程式 3.掌握直流电动机的工作特性 4.掌握直流电动机的机械特性 5.掌握直流电动机的起动和调速方法 6.了解直流电动机的制动

直流电动机 主要内容
直流电机的可逆原理

直流电动机的基本方程式 直流电动机的起动 直流电动机的工作特性 直流电动机的机械特性和电动机组稳 定运行的条件 直流电动机的调速 直流电动机的制动

直流电动机
直流电动机具有良好的起动性能和调速性能,广泛应用于 对起动和调速性能要求高的场合 直流电动机按励磁方式可分为:他励、并励、串励和复励四种

直流电动机 25.1 直流电机的可逆原理
直流电机的可逆原理:一台电机既可作为发电机运行,又可 作为电动机运行。 感应电动势——“发电作用” 电磁转矩——“电动作用” 发电机: 主电动势 电动机: 反电动势 反转矩 主转矩 发电机

原动机 Ea>U 电负载 直流电机 电源 Ea<U 机械负载

电动机

直流电动机 25.1 直流电机的可逆原理
发电机运行的特点:

1 Ea > U ) Ea ? U 2)I a= > 0,Ea与I a同方向, Ra Ea为主电动势 3)TM 与n方向相反,为反转矩 4)输入机械能,输出电能
发电机运行状态

直流电动机 25.1 直流电机的可逆原理
电动机运行的特点:

1 U > Ea ) Ea ? U 2)I a= < 0,Ea与I a反方向, Ra Ea为反电动势 3)TM 与n方向相同,为主转矩 4)输入电能,输出机械能
电动机运行状态

直流电动机 25.2 直流电动机的基本方程式
一、电压平衡方程式

U = Ea + Ia Ra

U > Ea

I = Ia + I f (并 ) 励 Ea = CeΦn

直流电动机 25.2 直流电动机的基本方程式
二、功率平衡方程式

P = UI = U(Ia + I f ) = UIa +UI f = (Ea + Ia Ra )Ia +UI f 1 = Ea Ia + I R +UI f = P + pCua + p f M
2 a a

P = pCua + p f + pm + pfe + pad + P = P + ∑ p 1 2 2

直流电动机 25.2 直流电动机的基本方程式
三、转矩平衡方程式

动态运行转矩方程

稳态运行转矩方程

直流电动机 25.2 直流电动机的基本方程式
基本方程式

U = Ea + Ia Ra Ea = CeΦn I = Ia + I f (并励) P = P + pCua + p f 1 M P = P ? ( pm + pfe + pad ) 2 M P = Ea Ia M P TM = CMΦIa = M ? TM = T2 + T0

直流电动机 25.3 直流电动机的起动
起动过程:直流电动机接电源后,转速从零达到稳定转速 的过程 起动的基本要求: ①起动转矩足够大; ②起动电流限制在允许范围内; ③起动时间短,符合生产技术要求; ④起动设备简单、经济、安全、可靠。 大电流对电网的影响: ①电网电压下降,影响其他用电设备 ②电机绕组发热,受大电磁力的冲击

直流电动机
起动瞬间:
n = 0, Ea = 0, Ra 很小, I ast U ? Ea U = = , I st = I ast + I f ≈ (10 ? 12) I N 很大 Ra Ra

起动的根本原则:①足够大的电磁转矩 ②限制起动电流 起动时的磁场:磁通最大(励磁回路调节电阻为零)

TM = CMΦIa
常用起动方法:

①全压起动; ②电枢回路串变阻器起动; ③降压起动。

直流电动机 25.3 直流电动机的起动
一、全压起动 ?直接加额定电压起动 ?优点:操作简单,无需另加设备 ?缺点:冲击电流大;电源电压会突 然降低,影响其他用电设备;产生 很大的冲击电磁力和转矩 ?应用:适用于容量很小的电动机。

直流电动机 25.3 直流电动机的起动
二、电枢回路串变阻器起动 ?在电枢回路串可变电阻,以 限制起动电流,待转速上升 后,逐步切除起动电阻 ?损耗增加,不经济

U Iast = Ra + Rst

+
S
M

U

?

S1 S 2

S3

R a R st 1 R st 2 R st 3

直流电动机 25.3 直流电动机的起动
三、降压起动

UN ↓ Iast = Ra

?开始时,降低端电压, 随着转速的升高,逐步提高电枢电压, 并使电枢电流限制在一定范围内。 ?采用他励 ?优点:起动电流小,起动过程平滑、能量损耗少。 ?缺点:需要一套专用的直流发电机或整流电源,投资费用大。 ?实例:发电机-电动机组;整流器-电动机组

直流电动机 25.4 直流电动机的工作特性
定义:U=UN,If=IfN(并励)时,转速n、电磁转矩TM、 效率η与电枢电流Ia(或输出功率P2)的关系。即 n=f(Ia), TM =f(Ia), η= f(Ia)或n=f(P2), TM =f(P2), η= f(P2)的关系 曲线

工作特性因励磁方式 而异,可计算求得,但 大多用实验方法确定。
并励电动机 试验接线图

直流电动机 25.4 直流电动机的工作特性
一、并励电动机的工作特性 1、转速特性: U=UN = 常数,If=IfN = 常数时,n=f(Ia)的关系曲线
U ? Ia Ra U Ra = ? Ia n = C eΦ C eΦ C eΦ Ra Ia C eΦ ?(U ? Ia Ra ) ↓ ? Ia ↑? ? ? n略下降 ?电枢反应去磁加强?Φ ↓ ? = n0 ?
n

转速调整率

n0 ? nN ?n = ×100% nN

Ia

直流电动机 25.4 直流电动机的工作特性
一、并励电动机的工作特性 2、转矩特性: U=UN = 常数,If=IfN = 常数时,TM=f(Ia)的关系曲线

TM = CM ΦIa T2 = TM-T0

TM

考虑去磁, 曲线有所下降。 Ia

直流电动机 25.4 直流电动机的工作特性
一、并励电动机的工作特性 3、效率特性: U=UN = 常数,If=IfN = 常数时,η=f(Ia)的关系曲线
P2 ∑ p ) ×100% η = = (1 ? P P 1 1 = (1 ?
2 I a Ra + U f I f + p fe + pm + pad

η
) ×100%

U ? (Ia + I f )

可变损耗=不变损耗时 ,效率最高。

Ia

直流电动机
一、并励电动机的工作特性

直流电动机 25.4 直流电动机的工作特性
二、串励电动机的工作特性 U=UN=常数时,转速n、电磁 转矩TM、效率η与电枢电流Ia (或输出功率P2)的关系曲线 1、转速特性: U=UN = 常数, n=f(Ia),的关系曲线
串励电动机 试验接线图

U ? Ia Ra n= CeΦ

?(U ? Ia Ra ) ↓ ? ? n ↓↓ Ia ↑? ? ?If = Ia ? If ↑?Φ ↑ ?

直流电动机 25.4 直流电动机的工作特性
二、串励电动机的工作特性 1、转速特性: n1/4 ? nN ?n = ×100% nN
串励电动机绝对不允许空载运行 ,以避免发生“飞速”现象。

2、转距特性: TM=f(Ia)

TM = CM ΦI a ? 2 ? TM ∝ I a ? Φ ∝ Ia ?

直流电动机

直流发电机与直流电动机的区别
能量关系: 能量关系 机械能转变成电能 电能转变成机械能 电枢电势: 电枢电势:

Ea = Ce Φ n
电源电势

Ea = Ce Φ n
反电势

电磁转矩: 电磁转矩:

TM = C M ΦI a
制动

TM = C M ΦI a
驱动

电势平 Ea = U + I a Ra + 2?U b Ea = U ? I a Ra ? 2?Ub 衡方程: 衡方程: Ea > U Ea < U

直流电动机

直流发电机与直流电动机的区别
转矩平 衡方程

T1 = TM + T0

TM = T2 + T0

功率平 P ? p0 ? pad = PM 1 衡方程 P = P ? p 2 M cua
空载特性: U 特性: 特性 空载特性: 0 = f ( I f ) 外特性: 外特性: U = f (I ) 调整特性: 调整特性: I f = f (I )

P ? pcua = PM 1 P2 = PM ? p0 ? pad
转速特性: 转速特性: = f ( I a ) n 转矩特性: 转矩特性: M = f ( I a ) T 效率特性: 效率特性: = f ( I a ) η

直流电动机 25.5 直流电动机的机械特性和电动机组 稳定运行的条件
一、直流电动机的机械特性 定义:U=UN=常数时,励磁和电枢回路电阻保持不变时, 转速n与电磁转矩TM的关系n=f(TM)

n=

U ? Ia (Ra + Rj ) CeΦ

Ra + Rj U = ? T = n0 ? KTM 2 M CeΦ CeCMΦ

Ra << CeCM Φ 2
Rj为串入电枢回路的调节电阻,用于改变机械特性的形状。 为串入电枢回路的调节电阻,用于改变机械特性的形状。 Rj =0时为自然机械特性,Rj≠0为人工机械特性。 时为自然机械特性 时为自然机械特性, 为人工机械特性。

直流电动机 25.5 直流电动机的机械特性和电动机组 稳定运行的条件
一、直流电动机的机械特性 并励直流电动机的机械特性

机械特性接近于一水平线, 称为硬特性。反之特性软

直流电动机 25.5 直流电动机的机械特性和电动机组 稳定运行的条件
一、直流电动机的机械特性 串励直流电动机的机械特性 软特性: 因为转矩增大,电枢增 大,磁通增大,内阻压 降均增大,故转速下降 很快

直流电动机 25.5 直流电动机的机械特性和电动机组 稳定运行的条件
二、电动机组稳定运行的条件 典型负载的机械特性n=f(TL) 典型负载的机械特性 (1)恒转矩负载: TL = const (2)风机类负载:T L∝n2 )风机类负载:T (3)恒功率负载:P L= const )恒功率负载:P

直流电动机 25.5 直流电动机的机械特性和电动机组 稳定运行的条件
二、电动机组稳定运行的条件 下垂的机械特性 的机械特性

n ↑ (?n) ? TM ↓ (< TL ↑) ? n ↓ 回到A点 n ↓ (?n) ? TM ↑ (> TL ↓) ? n ↑ 回到A点

直流电动机 25.5 直流电动机的机械特性和电动机组 稳定运行的条件
二、电动机组稳定运行的条件 上翘的机械特性 的机械特性
n ↑ (?n) ? TM ↑> TL ? n ↑ 飞速 n ↓ (?n) ? TM ↓< TL ? n ↓ 停转,不稳定

稳定条件
n ↑ TM < TL ? dTM dTL ? < 稳定 ?? dn dn n ↓ TM > TL ? ? dTM dTL > 不稳定 dn dn

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
Ra + Rj U n= ? T 2 M CeΦ CeCMΦ
调速方法: (1)改变励磁电流(主磁通)调速 ; (2)改变串入电枢回路中的电阻调速 (3)改变电枢端电压调速

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
一、改变励磁电流调速 机械特性:理想空载转速增大;斜率增大
I f ↓? Φ ↓? n ↑

优点:设备简单,调节方便, 能耗小,效率基本不变,经济性 好,调速平滑,可实现无级调速 缺点:只能向上单方向调节, 转速高时,换向性能差,机械特 性的斜率变大,特性变软;

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
一、改变励磁电流调速 调速过程:

U ? Ea ? I f 减小瞬间 ?? → Φ ↓→ Ea = Ce nΦ ↓→ I a= ↑↑ Ra
n不变

→ TM = C M ΦI a↑→ TM > TL → n ↑→ Ea ↑→ I a↓→ TM ↓= TL新的平衡

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
一、改变励磁电流调速 调速过程:

n

n01 n2
n1
调节磁场前 工作点

弱磁稳定后的 工作点

n0

B A′ A TL

弱磁瞬间工作 点A→A′

Φ2

Φ1
TM

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
一、改变励磁电流调速 调速过程:

n

Ia

Ia

减弱磁通前、 后的电枢电流 变化曲线

Ia2 Ia1
n2
n1
t=t0 t
减弱磁通调速前、 后转速变化曲线

n

结论:磁场越弱, 结论 转速越高。因此 电机运行时励磁 回路不能开路。

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
一、改变励磁电流调速 恒转矩负载:

TM =CMΦ Ia1 =CMΦ2Ia2 1 Ia1 Φ2 = QΦ2 <Φ ∴Ia2 > Ia1 1 Ia2 Φ 1

转速比(磁路不饱和,不计电枢反应和IaRa变化):

E a 2 = U-I E a1 ≈ E a 2

a2

R a ≈ U , E a 1 = U-I

a1

Ra ≈ U

If2 n1 Φ2 = C e Φ 1 n1 = C e Φ 2 n 2 ∴ ≈ ≈ n2 Φ1 I f1

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
二、改变串入电枢回路的电阻调速 机械特性:理想空载转速不变;斜率增大 R j ↑? n ↓ 优点:设备简单,操作方便。 缺点:只能向下单方向调节; 低速时,机械特性很软,调速 范围不大,稳定性差;负载变化 时,转速调整率变大;速度调 节不平滑,属有级调速;电阻 消耗的能量大,调速时效率低, 效率与转速成正比。

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
二、改变串入电枢回路的电阻调速 调速过程:
U ? Ea ? R j 增大瞬间 ?? → Ea = Ce nΦ不变 → I a= ↓ Ra + R j
n不变

→ TM = CM ΦI a↓→ TM < TL → n ↓→ Ea ↓→ I a↑→ TM ↑= TL新的平衡

适用于恒功率调速 对恒转矩负载,调速前、后因增通不变而使TM和Ia不变, 输入功率不变,输出功率却随转速的下降而下降,减少的部 分被串联电阻消耗了。

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
二、改变串入电枢回路的电阻调速 调速过程:

n n0 n1 n2 A′ A B
未串电阻时 的工作点

Ra Ra+Rj1

串电阻Rj1后, 工作点由 A→A′→B

0

TL

TM

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
二、改变串入电枢回路的电阻调速 调速过程: 调速过程电流变化曲线 调速前、后电流不变

n Ia1

ia
ia

调速过程转 速变化曲线

n1 n2 t=t0 n t
结论:带恒转矩 负载时,串电阻越 大,转速越低。

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
二、改变串入电枢回路的电阻调速 恒转矩负载: TM = C M Φ1 I a1 = CM Φ 2 I a 2

I a 2 = I a1

效率:

P = U ( I a + I f )不变 ? P2 1 ? ? ? η= ↓ P ? P2 = T2 ? ↓ (恒转矩) 1 ?

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
三、改变电枢端电压调速 机械特性:理想空载转速减小;斜率不变, U ↓? n ↓ 是一组平行直线。 优点:电源电压能够平滑调节,可 实现无级调速;调速前后的机械特性 的斜率不变,硬度较高,负载变化时 稳定性好;无论轻载还是负载,调速 范围相同;电能损耗较小。 缺点:只能向基速下单方向调节; 需要一套电压可连续可调的直流电源, 较复杂。

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
三、改变电枢端电压调速 调速过程:
U减小瞬间 ?n不变 → Ea = Ce nΦ不变 → I a= ? ? U ? Ea ↓ Ra + R j

→ TM = CM ΦI a↓→ TM < TL → n ↓→ Ea ↓→ I a↑→ TM ↑= TL新的平衡

适用于恒转矩调速 对恒转矩负载,调速前、后因增通不变而使TM和Ia不变。

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
三、改变电枢端电压调速 调速过程:

n0 n01 n1 n2
降压瞬间 工作点

n
A′

调速压前 工作点A

A B

UN

U1
稳定后工作点

降压调速 过程与电枢串 电阻调速过程 相似,调速过 程中转速和电 枢电流(或转 矩)随时间变 化的曲线也相 似。

TL

TM

直流电动机 25.6 直流电动机的调速
三、改变电枢端电压调速 恒转矩负载: TM = C M Φ1 I a1 = C M Φ 2 I a 2

I a 2 = I a1

效率:

P = U (Ia + I f ) ↓ ? ? 1 ? ? η基本不变 ? P2 = T2 ? ↓ ?

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
分类:机械制动和电磁制动 电磁制动 ?定义:使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩,阻碍 电动机转动 ?特点:产生的转矩大,易于控制,操作方便 ?方法:能耗制动、反接制动、回馈制动

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
一、能耗制动 ?保持励磁电流的大小 及方向不变, 电动机从 电网脱离接至制动电阻 RL。 ?实际上是一台向制动 电阻供电的他励直流发 电机。轴上的机械能转 化成电能, 全部消耗 于电枢回路的电阻上,

并励电动 机能耗制 动接线图

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
一、能耗制动 ?机械特性

U ? Ea ? Ea I a= = < 0 TM < 0 Ra + RL Ra + RL U ? I a ( Ra + RL ) ? ( Ra + RL ) n= = TM = ? KTM 2 Ce Φ Ce C M Φ

?特点:

1)操作简单,停车准确 2)能耗制动产生的冲击电流不会影响电网; 3)低速时制动转矩小,停转慢; 4)动能大部分都消耗在制动转矩上。

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
一、能耗制动 ?制动过程

n
电动机状态工 作点

制动瞬间 工作点

B
制动过程 工作段

n0

A

Ra Ra + RL

电动机拖动反抗性 负载,电机停转。

0
C

TL

TM

若电动机 带位能性 负载,稳定 工作点

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
二、反接制动 1、正转反接 ?电枢回路串入制动电 阻后,接上极性相反的 电源电压,电枢回路内 产生反向电流,进而产 生反向制动电磁转矩。

并励电动 机反接制 动接线图

?从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功 率一起消耗在电枢回路电阻上。

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
二、反接制动 1、正转反接 ?机械特性
Ia = ? U ? Ea <0 Ra + RL T <0

? U ? I a ( Ra + RL ) U Ra + RL n= =? ? T = ?n0 ? KTM 2 M Ce Φ Ce Φ Ce C M Φ
?特点: 1)可以很快使机组停机。 2) 需要加入足够的电阻, 限制电枢电流; 3)转速至零时, 需切断电源。

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
二、反接制动 1、正转反接 ?制动过程

n
B

n0

A

?TL

Ra
0 TL

C D

TM
Ra + RL

? n0

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
二、反接制动 2、正接反转 ?电枢回路串入很大的电阻,机械特性和负载特性的交点位于第 Ⅳ象限。 ?从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功 率一起消耗在电枢回路电阻上。 ?适用于位能性恒转矩负载。

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
二、反接制动 2、正接反转 ?机械特性
U ? ( ? E a ) U + Ea Ia = = Ra + R j Ra + R j

n=

U ? I a ( Ra + R j ) Ce Φ

Ra + R j U = ? T = n0 ? KTM 2 M Ce Φ Ce C M Φ

U < I a ( Ra + R j ) n < 0

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
二、反接制动 2、正接反转 ?制动过程 正向电动状态 提升重物(A点)

n

n0
电枢回路串入较大电 阻 R 后特性曲线 j

B

A
Ra
负载作用下电 机反向旋转 (下放重物)

电机以稳定 的转速下放 重物D点

C
0 TB TK TL

TM

D

Ra + Rj

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
三、回馈制动(发电机制动) ?当电动机转速高于理想空载转速,即n>n0时,电枢电 动势Ea大于电枢电压U,电机进入发电状态, 电磁转矩 起制动作用, 限制转速上升,电动机向电源回馈电能。

?回馈制动过程中,有功功率回馈电源。从电能消耗看, 回馈制动是最经济的一种制动方式。 ?转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。

直流电动机 25.7 直流电动机的制动
三、回馈制动(发电机制动) 形式
c

n
AU N P U1

当电车下 坡时,运 行转速可 能超过理 想空载转 速,进入第 二象限

0

TL TM

?稳定运行: 1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限; 2、电车下坡时,运行转速超过理想空载转速,进入第二象限。


相关文章:
华北电力大学电机学习题集及答案
直流电机 G 习题三十三 一、 思考题 1 单层绕组...二、计算题 1 一台四极直流电动机的额定电枢电流为...华北电力大学电机学87讲... 81页 免费 华北电力大学...
电机学作业及答案(直流电机)
电机学作业及答案(直流电机)_调查/报告_表格/模板_...9.一台并励直流电动机, 路总电阻 PN ? 17kW ,...87.7(0.114 ? 0.15) ? ? 2812r / min Ce...
电机学直流电机的基本方程
电机学直流电机的基本方程_物理_自然科学_专业资料。..第五节 直流电机的基本方程 直流电机的基本方程式包括电系统的电动势平衡方程式、能量系统的功率 平衡方程式和...
华北电力大学电机学试卷
每极气隙基波磁通Φ 1=0.75Wb,若 要消除该电机 5 次谐波电动势,绕组节距...华北电力大学电机学第12... 16页 免费 华北电力大学电机学87讲... 26页 免费...
电机学试题康翔讲解版
电机学试题及答案 11页 8财富值 华北电力大学电机学习题集... 45页 免费 电力...P95 14.直流电动机的调速方法为:(1) 解:P313 15.直流电机中换向绕组与电枢...
华北电力大学_电机学(2)试卷A
14.并励直流发电机自励的条件有 、、。 第 2 页共 2 页 本题答案写在...华北电力大学电机学87讲... 17页 免费 喜欢此文档的还喜欢 华北...
电机学直流电机的基本方程
同理可以写出其他励磁方式直流发电机的基本方程式。 二、直流电动机的基本方程式 ...14直流电机的基本方程--... 11页 5下载券 电机学 重庆大学课件 - ... 11...
电机学(2)试卷B
电机学华北电力大学,国家精品课程,控制科学与工程,...11.直流电机电枢反应的性质决定于电刷的___. 12.导致...3.一台并励直流电动机,额定功率为 7.2kW ,额定...
2016华北电力大学电机学试卷
2016华北电力大学电机学试卷_工学_高等教育_教育专区。华电电机学,考研期末都是复习的要点。华北电力大学试卷纸 考试科目: 课程号: 题号分数 阅卷人 一二三四五...
电机学 第二章直流电机习题
电机学 第二章直流电机习题_工学_高等教育_教育专区...一台串励直流电动机,若电刷顺转向偏离几何中性线一...1.212 = 87.688 E aN = U N ? I aN R ...
更多相关标签:
电机学华北电力大学 | 电机学视频教程华北 | 电机学华北电力 | 华北电力电机学视频 | 华北电力电机学考试 | 华北电力电机学下 | 电机学视频华北 | 电机学 直流电机 |