直流电机演示幻灯片.ppt

,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,第 4 章 直流电动机,DC Motor,本章介绍直流电动机的启动、调速和制动方面的知识,同时涉及特性。,4-1 直流电动机的起动,(Starting),一、起动过程及其要求,电动机绕组加电源后，转速从,0,上升到稳态转速的过程称为起动过程。,合闸瞬间的启动电流很大，可达,(1020)I,N,因为,这样大的启动电流会引起电机换向困难，并使供电线路产生很大的压降。因此必须采取适当的措施限制启动电流。,系统对启动的要求：,（,1,）启动电流要限制在安全范围内；（,2,）启动转矩足够大；（,3,）启动设备要简单便可靠。,1,二、直流电动机的起动方法,1.电枢回路串电阻启动,最初起动电流：,I,st,=,U,/(,R,a,+,R,st,),最初起动转矩：,T,st,=,C,T,I,st,为了在限定的电流,I,st,下获得较大的启动转矩,T,s,t,，,应该使磁通,尽可能大些，因此启动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。,有了一定的转速,n,后，电势,E,a,不再为,0,，电流,I,st,会逐步减小，转矩,T,st,也会逐步减小。,为了在启动过程中始终保持足够大的启动转矩，一般将,起动器设计为多级,，随着转速,n,的增大，串在电枢回路的启动电阻,R,st,逐级切除，进入稳态后全部切除。启动电阻,R,st,一般设计为短时运行方式。,2,2.他励电动机降压起动,对他励电动机，可采用专门设备降低电枢回路的电压以减小启动电流。,串励与复励电动机,起动方法,基本上与并励电动机相同，即采用电枢回路 串电阻的方法减小启动电流。,串励电动机绝对不允许空载启动,。（下）,串电阻启动设备简单，投资小，但启动电阻上要消耗能量；电枢降压启动设备投资较大，但,起动过程,节能。,3,4-2 他励直流电动机工作特性,工作特性定义：,U=U,N,，I,f,=I,fN,，,电枢回路不串电阻的情况下，负载,P,2,变化时，电机的转速,n,、转矩,T,、效率,分别随输出功率,P,2,变化的关系曲线。,一、转速特性,n=f,(,P,2,),影响转速,n,的因素有二：（1）电流,I,a,增大时电枢电阻压将,I,a,R,a,也增大，使转速趋于下降；（2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通,下降，使转速趋于上升。,4,一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增大，电动机转速降低。由于电阻,R,a,的值很小，所以转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着,P,2,增大，所以,n,=,f,(,P,2,)是一条较平的下降曲线（硬特性）。,二、转矩特性,T,=,f,(,P,2,),他励直流电动机在负载变化时，,转速变化很小，可以近似认为,T,0,=,常数。,5,如果不考虑转速的变化，则,T,=,f,(,P,2,),为一条直线，考虑到转速略有下降，所以,T,=,f,(,P,2,),为一条略微上翘的曲线。,三、效率特性,=,f,(P,2,),可以根据本教材,2.3.2,小节介绍的方法计算。,6,4-3 他励直流电动机机械特性,机械特性定义：,n,=,f,(,T,),是指,U=U,N,，,I,f,=I,fN,时，改变负载的过程中，转速,n,随电磁转矩,T,变化的函数关系。,一、机械特性方程式,n,=,f,(,T,),用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。,n,0L,=,U,/(,C,e,),为理想空载转速，,=(,R,a,+R,p,)/(,C,e,C,T,2,),为斜率。,7,二、固有机械特性,n,=,f,(,T,),U,=,U,N,=,N,R,p,=0,时的,机械特性,称为 固有机械特性。其方程为,由于,R,a,很小，转矩,T,增大时，,n,下降很小，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。（即属硬特性）,三、人为（人工）机械特性,n,=,f,(,T,),改变三个量,U,、,、,R,p,之一而其他量不变,时可以得到人为机械特性。,（,1,）电枢回路串电阻时的人为机械特性,对应于不同的,R,p,可以得到一簇斜率不同的曲线。,8,（2）改变电枢电压,(,U,d,T/d n,；,若不稳定运行则,一、判断稳定的原则是：,1,、直流电动机的机械特性（,(1),下降曲线时可稳定运行；,(2),上翘曲线时则不稳定运行！用下图分析,）,2,、机械负载的机械特性（,恒转矩或变转矩负载？,）,14,4-8 直流电动机调速方法,对应于三种人为机械特性，他励直流电动机的调速方法有三种,:,（,1,）改变电枢电压,U,；（,2,）,改变励磁电流即改变磁通,；（,3,）,电枢串入电阻,R,t,j,。,一、改变电枢电压调速（适用于他励式）,如图设,T,L,不变，其物理过程,。,优点,：,调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。便于计算机控制。,缺点,：,需要专门设备，成本较高。,（可控硅,调压调速系统）,15,三、改变励磁电流调速（调节励磁电阻）,减少励磁电流时，电动机机械特性的斜率增大。,如图设,T,L,不变，其物理过程,。,优点：,励磁回路电流小约为,(1,3)%I,N,损耗,小，连续调速，易控制。,缺点,：,只能上调，最高转速受机械强度的限制，,负载转矩大时调速范围小。,二、在电枢回路外串调节电阻调速,调节电阻,R,p,达到调速目的。如图设,T,L,、,不变，其物理过程,。,优点,：,设备简单、操作方便。,缺点：,只能降速，低速时变化率较大，电枢电流较大，有损耗。,16,四、改变电动机转向的方法,要改变电动机转向，就必须改变电磁转矩的方向。,T,=C,T,I,a,根据电动机的工作原理，单独改变磁场极性（即通过改变励磁绕组连接）或者单独改变电枢电流的方向，均可以改变电磁转矩的方向。故改变转向的方法：,（,1,）对于并励电动机，单独将励磁绕组引出端接线对调；,（,2,）单独将电枢绕组引出端接线对调。,对于复励电动机，应将电枢引出端对调或者同时将并励绕组和串励绕组引出段分别对调（维持加复励状态）。,17,4-9 直流电动机的制动,(Retardation),制动问题：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。,实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩,其特点是制动转矩大,操作控制方便。直流电动机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。,一、能耗制动,（1）能耗制动过程B-O,电机：直流电动机；负载：反抗性恒转矩负载,18,制动时电机处于发电状态，转子,动能转化为电能消耗在制动电阻上。,所以称为能耗制动。,制动电阻越小，制动开始时产生的制动,转矩就越大。,高速时能耗制动作用较大，低速时应配,合机械制动装置使系统停掉。,（,2,）能耗制动运行,O-C,负载：势能性恒转矩负载,19,采用,能耗制动,时，工作点从,ABO,BO,是能耗制动过程，到了,O,点后，如不采取其他制动措施，则系统会在负载转矩的作用下反转，工作点沿着能耗制动曲线到达,C,后才稳定运行。在,C,点，电磁转矩为负，与转速方向相反是制动转矩。在,C,点的运行方式称为能耗制动运行。,二、反接制动,他励电动机拖动反抗性恒转矩负载运行。,通过反接闸刀把电源突然反接，同时在电枢支路串入,限流电阻,R,3,。,20,如图所示，工作点,ABC,，在,C,点时，,n=0,。,这时应将电源切掉。在,BC,的过程中转速为正，电磁转矩为负，起,制动,作用。,如果在,C,点时，电动机的转矩大于负载转矩,(,绝对值,),而没有切除电源，则电动机在电磁转矩作用下将反向起动，作为反转的电动机运行。如图中的,D,点。,对于频繁正反转的电力拖动系统，常采用这种先反接制动停车，再反向起动的运行方式，达到迅速制动并反转的目的。对于要求准确停车的系统，采用能耗制动较为方便。电枢电流式为：,(2)电势反接制动（倒拉反转运行）,21,他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。电枢支路突然,串入,较大的电阻，则工作点,ABCD，D,点位于第iv象限，转速为负，电磁转矩为正，属于制动运行。在C点后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势也反向，所以称为电势反接制动。这种运行方式通常用在起重设备低速下放物体的场合。,三、回馈制动,(1)正向回馈制动,直流电动机通过降低电压减速时，会使得工作点经过第,II,象限，如图中的,BC,段,，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。电压下降，使得,E,a,U,电流方向改变，电能回馈到电源。,在,电车下坡时，,由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，,E,a,增大，,E,a,U,即,超过,U,以后，电流反向，进入正向回馈制动状态。,当,电车,下坡的位能,等于,电车供给电网,的电能（加损耗）时,n,=c,。,22,(2)反向回馈制动,他励电动机拖动势能性恒转矩负载运行。,反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv象限。在D点，电动机的转速高于理想空载转速，,E,a,U,，电流流向电源，属于反向回馈制动。反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。,本章作业：p65 题4-2，,3，4，5，6，7,23,4-10 直流电机的换向,旋转着的电枢某元件(线圈)从一个支路转换到另外一个支路时元件中电流变化的过渡过程称为,换向过程,。,一、换向过程分析,电刷是支路的分界线。,换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为,+,i,a,（,右,左）；,处于换向过程时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；,换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经,变为,-,i,a,（,左,右）。,24,一个元件换向过程所需的时间就称为,换向周期,T,h,，,即一个换向片通过电刷所用的时间。即电流从,+,i,a,变到,-,i,a,所用的时间即为一个,换向周期,T,h,=0.0005,0.002,秒,换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当火花大到一定程度时可能损坏电机。,产生火花的原因除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至今尚无很成熟的理论。,25,二、换向元件中的电势,1电抗电势,e,x,一般，换向周期非常短暂，电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势，两者的合成电势称为电抗电势，用,e,x,表示。,电抗电势的性质 总是阻碍线圈中电流的变化，亦即,e,x,的方向（据楞次定律）必然,力图与换向前的电流方向相同,。或者说电抗电势是阻碍换向的。,电抗电势大小反比于换向周期：,2切割电势,e,a,换向元件切割电枢反应磁场，从而产生的切割电势。其性质也是阻碍换向的，即,力图与换向前的电流方向相同,。,其大小为,:,e,a,=2W,y,B,a,l,v,a,26,3换向极电势,e,k,换向元件切割换向极磁场，产生的,切割电势。其性质也是帮助换向的，,即力图与换向后的电流方向相同。,+,.,e,k,的,方,向,N,n,(,发电机,),换向极,4、三种换向情况,曲线1 直线换向；,曲线2 延迟换向；,曲线3 加速换向；,T,h,t,0,1,T,h,t,i,+,i,a,i,a,2,3,t,延迟换向时经换向片1的电流密度为：,将使后刷边的火花大。,延迟换向时经换向片2的电流密度为：,*#,若加速换向则,使前刷边的火花大。,27,三、影响换向的因素,电磁因素,：电抗电势和切割电势阻碍换向,.,机械、化学、材料,等原因,机械方面的原因,如：换向器偏心；片间绝缘凸出，某个换向片凸出；电刷与换向器表面接触不好等等；化学方面：高空缺氧、缺水、某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的,氧化亚铜,薄膜而产生火花。,28,四、改善换向的方法,装置换向极：在交轴处能产生一个磁势以抵消该处的电枢反应磁势。它产生一个磁密，换向元件切割该磁密时产生一个能帮助换向的电势。换向极绕组要与电枢绕组串联。,换向极的极性确定：,对直流发电机是顺着转向看与主极极性同极性；,对直流电动机是逆着转向看与主极极性同极性。,+,.,e,k,的,方,向,N,n,(,发电机,),换向极,29,装补偿绕组：产生抵消电枢反应的磁势，与电枢绕组串联。,移动电刷位置：,尤其对于未装换向极的,小型串励直流电机，把电刷从几何中性线（与处于几何中性线处的导体接触）移开一个适当的角度，使得换向元件产生的感应电势与自感电势的方向相反，相互抵销。,电刷移动的方向：,对直流发电机是顺着转向移动一个小角度；,对直流电动机是逆着转向移动一个小角度。,30,本 章 小 结,本章主要介绍直流电动机的,启动、调速和制动,等电机应用,方面的知识，,同时也涉及到直流电动机的,机械特性,。,最后还介绍了直流电机的,换向,的基本概念，并对如何改善换向进行了分析。,本章所得出的一些结论都是很重要的，望同学们掌握。,31,本篇 直流电机 内容结束！,32,