他勵電動機的調(diào)速并勵

1、第8章 直流電動機,8.1 直流電機的構(gòu)造,8.2 直流電機的基本工作原理,8.4 并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn),8.3 直流電動機的機械特性,8.5 并勵(他勵)電動機的調(diào)速,8.5 并勵(他勵)電動機的制動,第8章 直流電動機,1. 了解直流電動機的基本構(gòu)造和工作原理。 2. 掌握他勵（并勵）和串勵直流電動機的電 壓與電流的關(guān)系式，接線圖、機械特性。 3.掌握他

2、勵（并勵）和串勵直流電動機的起 動、反轉(zhuǎn)和調(diào)速、制動的基本原理和基本方法。,本章要求,8.1 直流電機的構(gòu)造,直流電動機雖然比三相交流異步電動機結(jié)構(gòu)復(fù)雜，維修也不便，但由于它的調(diào)速性能較好和起動轉(zhuǎn)矩較大，因此，對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械或者需要較大起動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械往往采用直流電動機驅(qū)動。,直流電機的優(yōu)點：,(1) 調(diào)速性能好, 調(diào)速范圍廣, 易于平滑調(diào)節(jié)。 (2) 起動、制動轉(zhuǎn)矩大, 易于快速起動、停車

3、。 (3) 易于控制。,應(yīng)用:,軋鋼機、電氣機車、中大型龍門刨床、礦山豎井 提升機以及起重設(shè)備等調(diào)速范圍大的大型設(shè)備。,,8.1.1 直流電動機的構(gòu)造,極掌,極心,勵磁繞組,機座,轉(zhuǎn)子,直流電動機的磁極和磁路,直流電機由定子(磁極)、轉(zhuǎn)子(電樞)和機座等部分構(gòu)成。,2. 轉(zhuǎn)子(電樞) 由鐵心、繞組（線圈）、換向器組成。,1. 磁極,勵磁: 磁極上的線圈通以直流電產(chǎn)生磁通，稱 為勵磁。,用

4、來在電機中產(chǎn)生磁場。,1. 他勵電動機 勵磁繞組和電樞繞組分別由兩個直流電源供電。,8.1.2 直流電機的分類,直流電機按照勵磁方式可分為他勵電動機、并勵電動機、串勵電動機和復(fù)勵電動機,2. 并勵電動機 勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)，由一個直流電源供電。,4. 復(fù)勵電動機 勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。,3. 串勵電動機 勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。,8.2 直流電

5、機的基本工作原理,8.2 直流電機的基本工作原理,,直流電從兩電刷之間通入電樞繞組，電樞電流方向如圖所示。由于換向片和電源固定聯(lián)接，無論線圈怎樣轉(zhuǎn)動，總是S極有效邊的電流方向向里, N極有效邊的電流方向向外。電動機電樞繞組通電后中受力(左手定則)按順時針方向旋轉(zhuǎn)。,電刷,換向片,換向器作用：將外部直流電轉(zhuǎn)換成內(nèi)部的交流電，以保持轉(zhuǎn)矩方向不變。,線圈在磁場中旋轉(zhuǎn)，將在線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。由右手定則，感應(yīng)電動勢的方向與電流的

6、方向相反。,1. 電樞感應(yīng)電動勢,E=EK? n,由圖可知，電樞感應(yīng)電動勢E與電樞電流或外加電壓方向總是相反，所以稱反電勢。,式中：U — 外加電壓 Ra — 繞組電阻,2. 電樞回路電壓平衡式,3. 電磁轉(zhuǎn)矩,單位: ? (韋伯)，Ia (安) ，T (牛頓?米),直流電動機電樞繞組中的電流(電樞電流Ia)與磁通?相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩公式為,4. 轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系,電動機的電磁轉(zhuǎn)矩

7、T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩, 它使電樞轉(zhuǎn)動。在電機運行時，電磁轉(zhuǎn)矩必須和機械負載轉(zhuǎn)矩及空載損耗轉(zhuǎn)矩相平衡，即,T=KT ?Ia,當(dāng)電動機軸上的機械負載發(fā)生變化時，通過電動機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩將自動調(diào)整，以適應(yīng)負載的變化，保持新的平衡。,轉(zhuǎn)矩平衡過程,例：,設(shè)外加電樞電壓 U 一定，T=T2 (平衡)，此時，若T2突然增加，則調(diào)整過程為,達到新的平衡點(Ia ?、 P入?) 。,T2 ?,,n?,Ia ?,T ?,E?,,,8

8、.3 直流電動機的運行特性,,直流電動機在正常運行時，雖然電源電壓U和勵磁電阻保持不變，但隨著勵磁方式不同，電動機的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和機械特性有很大的區(qū)別。,一、并勵電動機,1. 轉(zhuǎn)矩特性,由圖可求得,由上分析可知：,當(dāng)電源電壓U和勵磁回路的電阻Rf一定時, 勵磁電流If和磁通?不變，即? = 常數(shù)。則,T=KT ?Ia = KT Ia,即：并勵電動機的磁通? = 常數(shù)，轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。,,,n,0,T,Ia,,2. 轉(zhuǎn)速特性,8

9、.3 直流電動機的運行特性,,,,由以下公式,求得,,,n,0,T,Ia,,式中：,8.3 直流電動機的機械特性,,,求得,3. 機械特性,式中：,n= f (T) 特性曲線,,,并勵電動機在負載變化時， 轉(zhuǎn)速 n 的變化不大—硬機械特性（自然特性）。,動畫,?nN很小，大約為3%~8%,8.3 直流電動機的運行特性,二、串勵電動機,1. 轉(zhuǎn)矩特性,當(dāng)Ia較小時，鐵心不飽和,特點：,當(dāng)Ia較大時，鐵心飽和,與并勵類似,2. 轉(zhuǎn)速特性,當(dāng)

10、Ia較小時，,可得,根據(jù),當(dāng)Ia較大時，鐵心飽和,與并勵類似,從上式可見，當(dāng)輕載時串勵電動機的轉(zhuǎn)速急劇上升，將導(dǎo)致電動機的損壞，所以串勵電動機不允許輕載運行，一般最低負載不小于額定負載的30%,8.3 直流電動機的機械特性,,,求得,3. 機械特性,串勵電動機在負載變化時， 轉(zhuǎn)速 n 的變化大—軟機械特性（自然特性）。,適合于拖動啟動頻繁、負載變化大的負載。,當(dāng)負載增加時，轉(zhuǎn)速快速下降，當(dāng)負載減小時，轉(zhuǎn)速快速上升，這樣不僅可以確保安全，

11、而且可以提高生產(chǎn)效率。,8.3 直流電動機的運行特性,三、復(fù)勵電動機,他的工作特性介于并勵和串勵之間。如果并勵繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與并勵電動機工作特性接近。如果串勵繞組磁通勢起主要作用，其工作特性與串勵電動機工作特性接近。但因為有并勵繞組磁通勢的存在，磁通?不會趨近于零，所以空載或輕載時，仍能正常運行。,例: 有一并勵電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：P２=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, ?

12、 = 0.84, 并已知　　Rf= 27.5? ，Ra= 0.04? , 試求: (1) 額定電流I , 額定 電樞電流Ia及額定勵磁電流If ; (2) 損耗功率?PaCu , 　 及?PO ; (3) 額定轉(zhuǎn)矩T; (4) 反電動勢E。,解：(1) P2是輸出功率，額定輸入功率為,額定電流,額定勵磁電流,額定電樞電流,（2）電樞電路銅損,勵磁電路銅損,總損失功率,空載損耗功率,（3）額定轉(zhuǎn)矩,（4）反電動

13、勢,8.4 并勵電動機的人為機械特性,1.電樞回路串聯(lián)電阻R,根據(jù),2.降低電樞電壓U,3.減弱磁通?,例: 有一他勵電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：P２=22KW, UN=220V, nN=1500r/min, IN=115A Ra= 0.125? ,　　試求: (1) 電樞回路串聯(lián)電阻R=0.75 ? (2) 電樞電壓降低為U=150V (3) 磁通減弱為?=0.8 ?的人為機械特性,解：根

14、據(jù)額定數(shù)據(jù)可得,例: 有一他勵電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：P２=22KW, UN=220V, nN=1500r/min, IN=115A Ra= 0.125? ,　　試求: (1) 電樞回路串聯(lián)電阻R=0.75 ? (2) 電樞電壓降低為U=150V (3) 磁通減弱為?=0.8 ?的人為機械特性,解：根據(jù)額定數(shù)據(jù)可得,(1) 當(dāng)R=0.75 ?，T=TN時，,(2) 電樞電壓降低為U=15

15、0V(3) 磁通減弱為?=0.8 ?的人為機械特性,(2) 當(dāng)電樞電壓降低為U=150V ，T=TN時,(3) 磁通減弱為?=0.8 ?， T=TN時,8.5 并勵電動機的起動與反轉(zhuǎn),起動,直流電動機不允許在額定電壓UN下直接起動。,Iast太大會使換向器產(chǎn)生嚴(yán)重的火花,燒壞換向器；,起動時,n =0 ?,1. 起動問題：,(1) 起動電流大,(2) 起動轉(zhuǎn)矩大,起動時，起動轉(zhuǎn)矩為(10~20)TN , 造成機械沖擊，使傳動機

16、構(gòu)遭受損壞。,一般Iast限制在(1.5~2.5)IN。,2.起動方法,(1) 電樞串電阻起動法,在滿磁下將Rst置最大處，逐漸減小Rst使n升高。,n,,,,n0,T,,電阻增大,,,,TL,T2,T1,,,,,,此啟動方法，啟動設(shè)備簡單，操作方便，但啟動能耗大。,,3.注意事項,(2) 降壓起動法：,直流電動機在起動和工作時，勵磁電路一定要接通,不能讓它斷開,而且起動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產(chǎn)生事故：,目前基本采

17、用可控硅整流電源作為調(diào)壓電源。此啟動方法，啟動電流小，啟動平穩(wěn)，啟動能耗小。,(1)如果電動機是靜止的，由于轉(zhuǎn)矩太小(T=KT? Ia) , 電機將不能起動，這時反電動勢為零，電樞電流　很大，電樞繞組有被燒壞的危險。,(2)如果電動機在有載運行時斷開勵磁回路，反電動勢　　E立即減小而使電樞電流增大，同時由于所產(chǎn)生的　　轉(zhuǎn)矩不滿足負載的需要，電動機必將減速而停轉(zhuǎn)，　　更加促使電樞電流的增大，以至燒毀電樞繞組和換　　向器。,(

18、3)如果電機在空載運行，可能造成飛車，使電機遭　　受嚴(yán)重的機械損傷，而且因電樞電流過大而將繞組　　燒壞。,2.反轉(zhuǎn),電磁轉(zhuǎn)矩：　　T=KT? Ia,(1) 改變勵磁電流的方向。 (2) 改變電樞電流的方向。,注意：改變轉(zhuǎn)動方向時，勵磁電流和電樞電流兩者的方向不能同時變。,改變直流電機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：,8.6 并勵(他勵)電動機的調(diào)速,并勵(他勵)電動機與異步電動機相比，雖然結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價格高，維護也不方便，但在調(diào)速性能上由其

19、獨特的優(yōu)點。,1. 調(diào)速均勻平滑，可以無級調(diào)速 2. 調(diào)速范圍大，調(diào)速比可達D=8~10 以上 3.調(diào)速靜差率?小。,主要優(yōu)點：,由轉(zhuǎn)速公式:,可見直流電機調(diào)速方法有三種。,8.6.1 弱磁調(diào)速,保持電樞電壓U不變，減小勵磁電流If (調(diào)Rf)以減小磁通? 。,由式,,,,,,,TL,T,n,O,動畫,調(diào)速過程:,直至T=TC達到新的平衡。,在高于n的轉(zhuǎn)速下運行,弱磁調(diào)速時，?減小，但Ia保持不變，所以轉(zhuǎn)矩隨調(diào)速的升高而下降，而允許

20、輸出的功率恒定。所以屬于恒功率調(diào)速，且轉(zhuǎn)速n 只能上調(diào)。,(1)調(diào)速平滑，可得到無級調(diào)速；但只能向上調(diào)，受　 機械本身強度所限，n不能太高。(2) 調(diào)速設(shè)備簡單，經(jīng)濟，電流小，便于控制。(3) 機械特性較硬，穩(wěn)定性較好。(4) 對專門生產(chǎn)的調(diào)磁電動機,其D可達３~４, 一般D=2,減小? 調(diào)速的特點：,8.6.2 降壓調(diào)速,由轉(zhuǎn)速公式知：調(diào)電壓U，n0變化，但斜率不變，所以調(diào)速特性是一組平行曲線。,,特性曲線,改變電壓調(diào)速的特

21、點:,(1)工作時電壓不允許超過UN ，而n ? U, 所以調(diào)速 只能向下調(diào)。,(2)機械特性較硬，并且電壓降低后硬度不變，穩(wěn) 定性好。,(4)均勻調(diào)節(jié)電樞電壓，可得到平滑無級調(diào)速。,(5)調(diào)速范圍較大。一般D=8~10,調(diào)速過程:,保持If 為額定,減小電樞電壓。,改變電壓調(diào)速需要用電壓可以調(diào)節(jié)的專用設(shè)備，投資費用較高。 近年來已普遍采用晶閘管整流電源對電動機進行調(diào)壓和調(diào)磁，以改變它的轉(zhuǎn)速。,(3)屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。

22、,8.6.3 電樞回路串電阻調(diào)速,電樞回路串電阻調(diào)速時，?和Ia保持不變，所以屬恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速而允許輸出的功率隨轉(zhuǎn)速下降。且轉(zhuǎn)速n 只能下調(diào)。,特點：(1) 設(shè)備簡單，操作方便。,(2)機械特性軟，穩(wěn)定性差。,(4)能量損耗大，只用于小型直流機。,,,,TL,,,,(3)調(diào)速范圍較小，一般D=2~2.5,例: 有一他勵電動機， 已知U=220V , Ia=53.8A, n=1500r/min Ra=0.7 ? 。今將電樞電

23、壓降低一 半，而負載轉(zhuǎn)矩不變，問轉(zhuǎn)速降低多少？,解: 由T=KT ? Ia可知，在保持負載轉(zhuǎn)矩和勵磁電 流不變的條件下，電流也保持不變。,電壓降低后的轉(zhuǎn)速n′對原來的轉(zhuǎn)速n之比為,例: 有一他勵電動機， 已知 :Ia=68.5A, PN=13KW nN=1500r/min Ra=0.225 ? 。 UN=220V,(1)采用電樞串電阻調(diào)速，使n=1000r/min，應(yīng)串入多大的電阻？,(2)

24、采用降壓調(diào)速，使n=1000r/min，電源電壓應(yīng)降為多少？,(3)采用弱磁調(diào)速， ? =0.85?N ，電動機的轉(zhuǎn)速為多少？能否長期運行？,(4)如要求靜差率??30%， 分別采用 (1),(2)種調(diào)速方法能達到的調(diào)速范圍有多大？,(1)采用電樞串電阻調(diào)速時，當(dāng)?= ?N,T=TN時Ia=68.5A,,根據(jù),(2)降壓調(diào)速時，當(dāng)?= ?N,T=TN時Ia=68.5A,,根據(jù),(2)弱磁調(diào)速時，當(dāng)?= 0.85?N,T=TN時,,根據(jù),

25、電動機不能長期運行,(4)額定條件下，固有特性,根據(jù),額定負載允許的轉(zhuǎn)速降為,允許的最低轉(zhuǎn)速為,調(diào)速范圍為：,允許的最低轉(zhuǎn)速為,調(diào)速范圍為：,8.7 他勵直流電動機的制動,7.7.1 能耗制動,制動方法,能耗制動反接制動發(fā)電反饋制動,能耗制動時，電動機勵磁電流不變，電樞電壓U=0,,因為電樞電流方向改變，所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變，為制動轉(zhuǎn)矩。,8.7 他勵直流電動機的制動,7.7.1 能耗制動,此時機械特性方程為,可見T=0 時，

26、n=0; T>0時，n0;所以，機械特性應(yīng)在二、四象限，并通過原點。,n,,制動過程:,能耗制動特點：,（1）設(shè)備簡單，運行可靠，且不需從電網(wǎng)輸入電能。,（2）能準(zhǔn)確停車。,（3）低速時制動效果較差。,8.7.2 反接制動,1.電樞電壓反接制動,此時電樞電流,由,變?yōu)?同樣因為電樞電流方向改變，所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變，為制動轉(zhuǎn)矩。,此時機械特性方程為,-n0,制動過程:,反接制動特點：,-U,Ia 反向,T 反向為制動轉(zhuǎn)矩,C點

27、時，n=0,,,n ?,T ?,,,（1）設(shè)備簡單，制動轉(zhuǎn)矩大，常用于反抗性負載的快速停車和快速反向運行。,（2）能量損耗大,8.7.2 反接制動,2. 倒拉反轉(zhuǎn)反接制動：只能適用于電動機拖動位能性負載，實現(xiàn)勻速下放重物。,此時機械特性方程為,當(dāng)K閉合時，電動機為正向電動運行（提升重物）為使重物下放，斷開K，,此時n反向為負值，E也為負值,所以電樞電流方向不變，所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也不變，但與n的方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩。,電樞電流,在電樞串入

28、較大的電阻，使（n=0時的電磁轉(zhuǎn)矩T)小于負載轉(zhuǎn)矩TL，這樣在位能負載轉(zhuǎn)矩TL的作用下，時電動機反轉(zhuǎn)（n為負，下放重物）。一直到D點穩(wěn)定運行,8.7.3 回饋制動,當(dāng)位能性負載快速下放物體時，當(dāng)n>n0時，使E>U，由原來的電動狀態(tài)轉(zhuǎn)為發(fā)電狀態(tài)。,電樞電流,同樣電樞電流方向改變，所以電磁轉(zhuǎn)矩方向也改變，為制動轉(zhuǎn)矩。,因為此時P1=UIa<0，將位能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)，稱回饋制動。,8.8 串勵電動機的啟動、調(diào)速及制動

29、,啟動,串勵電動機的啟動方法與他勵電動機一樣，采用電樞串電阻和降壓啟動。,串勵電動機的調(diào)速方法與他勵電動機一樣，采用電樞串電阻和降壓啟動和弱磁調(diào)速。其原理與他勵電動機相同。,調(diào)速,制動,串勵電動機由于理想空載轉(zhuǎn)速無窮大，所以沒有回饋制動運行狀態(tài)，只能進行能耗和反接制動。,1.額定功率PN: 電機軸上輸出的機械功率。,2.額定電壓UN : 額定工作情況下的電樞上加 的直流電壓。（例：110V，220V，440V）,3.額定電流IN :

30、 額定電壓下軸上輸出額定功 率時的電流（并勵包括勵磁和電樞電流）。 三者關(guān)系：PN=UNIN? （ ?：效率）,4.額定轉(zhuǎn)速nN: 在PN , UN , IN 時的轉(zhuǎn)速。 直流電機的轉(zhuǎn)速一般在500r/min 以上。特 殊的直流電機轉(zhuǎn)速可以做到很低（如每分 鐘幾轉(zhuǎn)）或很高（每分鐘3000轉(zhuǎn)以上）。,注意: 調(diào)速時對于沒有調(diào)速要求的電機，最大轉(zhuǎn)速 不能超過1.2nN 。 。,直流電動機的額定值

31、,(3) 恒功率負載（P 一定時，T和n 成反比)，要選 軟特性電機拖動。如：電氣機車等。,直流電動機特性類型的選擇:,(1) 恒轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械(TL一定，和轉(zhuǎn)速無關(guān))要選 硬特性的電動機，如：金屬加工、起重機械等。,(2) 通風(fēng)機械負載，機械負載 TL 和轉(zhuǎn)速 n 的平方成正比。這類機械也要選硬特性的電動機拖動。,直流電機有四個出線端，電樞繞組、勵磁繞組各兩個，可通過標(biāo)出的字符和繞組電阻的大小區(qū)別。,8.5.4 電動