电机学第四章课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第,4,章 直流电动机,1,、起（启）动特性（,STARTING,）,2,、工作（运行）特性,（,OPERATION CHARACTERISTICS,）,3,、机械特性,（,TORQUE-SPEED CHARACTERISTICS,）,4,、调速特性（,SPEED CONTROL,）,5,、制动特性（,BRAKING,）,6,、直流电机的换向（,COMMUTATION,）,4.1,直流电动机的起动,起动：突加电压,转速从,0,上升到所需要转速的过程,过渡（瞬变、暂态、动态）过程,Transient(Dynamical),电路、机械两个方面,过渡过程的分析方法,写出电机的动态方程,求解微分方程得出通解,根据初始条件确定常数,得出解析表达式,解析法,：,直流电动机：空载、加额定励磁,突然施加电枢电压,不考虑电枢反应,解析法,写出电机的动态方程（电路、机械运动）,转化为状态方程,采用数值方法（例如龙格库塔法）,借助于计算工具（计算机），编写程序,求出变量的数值,数值法,：,直流他励电动机突加电压起动过程的分析,电路动态方程：,机械运动方程：,忽略电路电感的影响,其解为,数值法,电路动态方程：,机械运动方程：,标准格式：,状态变量：,状态方程：,四阶龙格库塔法：,其中,根据初始条件 ，求得数值解,起动性能：,最初起动转矩,T,st,和最初起动电流,I,st,（,I,ast,）,1,、起动方法（,3,个）,1),额定电压下直接起动,最初起动瞬间,应用场合,:,适用于小电机,导线细，电枢电阻大，限制起动电流,机械惯量小，起动迅速，大电流时间短,危险,!,有害,!,最初起动电流,2),降压起动（他励）,电枢,采用可调压直流电源供电,最初起动时降低电压，限制电流到适当值,随转速上升，逐渐增加电压，维持足够转矩,3),起动器起动,电枢回路串入可调电阻 起动电阻,R,st,转速上升时逐渐减小,R,st,直到,0,每次起动前，要仔细检查起动电阻位置,最初起动电流,2,、改变直流电动机转向的方法,他励,电动机,并励,电动机,改变电枢或励磁绕组接线,串励,电动机,改变电枢或励磁绕组接线,复励,电动机,保证复励性质不变！,改变,电枢电流,或者,磁场,方向,！,4.2,他励（并励）直流电动机的工作特性,条件,:,特性,:,n,上翘！,影响大,影响小,4.3,他励（并励）直流电动机的机械特性,条件,:,特性,:,4.3.1,机械特性表达式,电枢串接电阻,理想空载转速,机械特性的斜率,条件,:,4.3.2,固有,(,自然,),机械特性,R,a,很小！,T,增大时，,n,下降很小,硬特性,4.3.3,人为机械特性,与,电枢电压,、,磁通,和,电枢电阻,有关,人为,机械特性保持其中两个不变,改变一个所得到的机械特性,改变电枢回路电阻,R,p,电枢电压,U,和励磁电流,I,f,(,磁通,),保持不变,理想空载转速,n,0,不变,R,p,增大，斜率增大，特性变软,理想空载转速,n,0,正比于电枢电压,U,n,0,U,斜率不变,改变电枢电压,U,电枢电阻和励磁电流,I,f,(,磁通,),保持不变,机械特性平行,磁通,减小,，,理想空载转速,n,0,增大,磁通,减小,，斜率增大,改变励磁电流,(,即磁通,),电枢端电压,U,和电枢回路电阻保持不变,不同磁通下的机械特性,既非平行也非发射状,课堂讨论,1,并励电动机空载运行，如果励磁支路突然断开，将会有什么情况发生？,分析：,课堂讨论,2,并励电动机额定负载运行，如果励磁支路突然断开，将会有什么情况发生,?,4.4,串励直流电动机的机械特性,条件,:,特性,:,分析,:,表达式,:,不能空载,或小于,25,额定负载运行,T=C,T,kI,a,2,，交、直流供电,用于电动工具,低速大转矩，高速小转矩恒功率,用于电力机车、汽车起动电机和起重机等,转矩增大，转速急剧下降，,机械特性软,！,T=C,T,kI,a,2,I,a,2,同样起动电流下起动转矩大,特点,:,加复励,特性介于并励和串励之间,差复励,串励绕组去磁,转矩增加，转速升高,运行不稳定,实际中应避免,4.5,复励直流电动机的机械特性,问题,:,1,、怎样改变加复励直流电动机的转向？,2,、并励直流电动机正向运行时机械特性很软，可能是什么原因导致的,?,能否反向稳定运行？,4.6,电动机负载的机械特性,什么是负载的机械特性,?,负载转速和转矩之间的关系,(,曲线,),取决于负载性质,为什么讨论负载的机械特性,?,电机驱动系统是电机和负载的结合,4.6.1,恒转矩负载,负载转矩恒定，不随转速变化,1),反抗型,恒转矩负载,转矩方向总与转向,(,速,),相反,2),势能型,恒转矩负载,转矩由地球引力引起,方向固定，与转向,(,速,),无关,4.6.2,泵类负载,转矩正比于转速的平方,T,Z,n,2,4.6.3,恒功率负载,转矩近似与转速成反比,任何转速下功率维持不变,4.7,电机驱动系统的稳定运行,稳定运行,:,响应扰动，达到新的稳定运行,扰动消失，返回以前运行状态,分析,:,忽略空载转矩,!,稳态下：,运行点电机与负载机械特性的交点,讨论,1:,A,稳定运行点,并励电动机驱动泵类负载,电枢最初电压,U,1,运行点,A,，,T,A,T,Z,扰动，电枢电压减小到,U,2,，,U,2,T,A,，,T,T,Z,电机,:,n,T,n,A,不稳定运行点,稳定运行条件,:,1),电机与负载机械特性有交点,2),在交点处，满足,调速方法（,3,个）：,4.8,他励直流电动机的调速,调节磁通,通过改变,I,f,调节磁通,调节电枢电压改变,U,(,U,a,),调节电枢电阻改变,R,p,注意,:讨论电机拖动恒转矩负载的调速,忽略电枢反应,4.8.1,改变电枢电压调速,电枢电阻不变,励磁电流,(,磁通,),为额定值不变,稳态分析,调速前稳态,:,调速后稳态,:,恒转矩负载,:,若,U,2,U,1,，则,n,2,n,1,动态过程,新稳态,4.8.2,改变磁通调速,电枢电压,U,和电枢电阻保持不变,U,=,U,N,R,p,=0,稳态分析,调速前稳态,:,调速后稳态,:,恒转矩负载,:,最初瞬间，,n,未变,I,a,的增大远大于磁通,的减小,动态过程,新稳态,注意,:,（,1,）,R,f,增大（,减小,）,的最初瞬间,由于惯性,n,未变，,E,a,减小，,I,a,增大,（,2,）新的稳态,4.8.3,改变电枢回路电阻调速,电枢端电压,U,和励磁电流,(,磁通,),保持额定不变,稳态分析,调速前稳态,:,调速后稳态,:,恒转矩负载,:,注意,:,（,1,）在,R,p,增大的最初瞬间,（,2,）新的稳态下,动态过程,4.9,直流电动机的制动,制动,电机产生反向电磁转矩,使转速迅速降低或停机,能耗制动,(energy consumption brake),反接制动,(reversely connection brake),回馈制动,(energy feedback brake),4.9.1,能耗制动,电路接线,制动过程分析,需要双刀双掷开关,(,接触器或继电器,),将电枢从电源断开，接向电阻,电机作发电机运行,I,a,反向，,T,反向，起制动作用,电机的机械能消耗在电阻,R,上,R,越小，,T,越大，制动越快！,操作方法：,特点：,4.9.2,反接制动,改变电枢电压的极性,I,a,反向，,T,反向，电机转速快速下降,必须接入外电阻限制电枢电流,I,a,为制动停机，,n,=0,时，,必须去除反接电压,4.9.3,回馈制动,能量回馈到电源！,1),电机电枢接直流电源,负载使转速升高,2),改变电枢电压调速,电枢电压降低很多，使,U,a,E,a,电枢旋转，线圈经过电刷，从一个极下转到另一个极下（从一条支路进入另一条支路）,线圈中电流改变方向的过程换向过程,4.10,直流电机中的换向,1),什么是直流电机的换向,?,2),换向过程分析,正在换向,电流,+,i,线圈在左边支路,电流,-,i,a,线圈在右边支路,电流,+,i,a,换向前位置,线圈,1,上层导体在,1,槽，下层导体在,7,槽，接在换向片,8&7.,线圈,7,上层导体在,7,槽，下层导体在,1,槽，接在换向片,2&1.,1&7,线圈正经历换向的位置,线圈,1,被左边电刷短路,线圈,7,被右边电刷短路,3),线性换向和延迟换向,线性换向,线圈电流随时间按线性规律变化,理想情况，电流平稳过渡,延迟换向,电流过,0,点滞后于线性换向,离开电刷时线圈电流跳变,线性换向,延迟换向,延迟太多在后刷端引起火花！,更严重 环火！,(1).,电感电势,e,L,重要因素之一,自感电势（电流变化）,互感电势（同槽其它线圈）,电抗电势（,Reactance voltage,）,(2).,电枢反应电势,e,v,重要因素之二,换向线圈切割电枢磁场产生电势,旋转电势,电枢反应电势,e,v,电枢电流交轴电枢反应磁场,e,L,、,e,v,与换向前电流同向,阻碍电流换向,使电流换向时刻延迟,!,4),延迟换向产生的原因,换向火花蚀损换向器和电刷,严重时会烧毁换向器的铜换向片和碳刷,5),换向极或间极,换向好坏取决于电枢,mmf,和气隙合成磁场波形,换向极,窄小的换向极，放置在主极之间,绕组中流过电枢电流,引入适当的磁场抵消电枢磁场,换向极区域净磁通,0,或者增强换向,引起火花的机械原因：,电刷的跳跃,换向器表面粗糙、非均匀磨损,PERMANENT-MAGNET DC MACHINES,The end!,