9979997藏宝阁香港马会
大学生考试网 让学习变简单
赞助商链接
当前位置:9979997藏宝阁香港马会 >> 工学 >>

机电传动控制(邓星钟)3

机电传动控制(邓星钟)3

9979997藏宝阁香港马会 www.shixinhuamu.com
第3章 直流电机的工作原理及特性
掌握直流电机的电势方程式,转矩方程 式和电压平衡方程式; 掌握直流电动机的机械特性,特别是人 工机械特性; 掌握直流电动机起动,制动,调速的各 种方法和应用场所; 了解用机械特性来分析直流电动机运行 状态的方法.

3.1直流电机的基本结构和工作原理
一.直流电机的基本结构
主磁极 电枢铁心 换向器 电刷装置

直流电机的结构图

剖面图:电枢1; 主磁极2;换向 极4;机座6

电枢铁心冲片

换向器:换向片3; 连接片4;云母环2

二,直流电机工作原理
直流电机的主要结构可简化为一对磁极,一个线圈 直流电机的主要结构可简化为一对磁极 一个线圈,其工作原理是 基于电磁感应定律和电磁力定律的. 基于电磁感应定律和电磁力定律的. 直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的. 直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的. 直流发电机则是根据切割磁场的导体会产生感生电势这一基本理 论工作的. 论工作的. 发 电 机

电 动 机

1.电磁力定律
载流导体在磁场中将会受到 力的作用,若磁场与载流导 体互相垂直 (图1-1c),作用在 导体上的电磁力大小为: F = BLI

T = K tφ I a

2,电磁感应定理
在磁场中运动的导体将会感应 电势,若磁场,导体和导体的 运动方向三者互相垂直则作用 导体中感应的电势大小为: E= BLv

2.直流电机的基本方程式
1)感应电势E

2)电磁转矩T
式中:

E = K en

T = K tφ I a

φ

式中:E-电动势(V); 一对磁极的磁通(Wb); n-电枢转速(r/min); Ke -与结构有关的常数.

φ

T-电磁转矩(Nm); -一对磁极的磁通(Wb); Ia-电枢电流(A); Kt-与结构有关的常数.

3.2 直流发电机
1.按激磁方法分类 1)他激发电机: 发电机的激磁绕组由外电源供电. 2)自激发电机: 发电机的激磁电流为电枢电流或电枢电流 的一部分.它又分为: (1)并激发电机; (2)串激发电机; (3)复激发电机.

2,直流发电机工作原理 ,
N + -

a
U

e

I A

n i e d
S

c

B

直流发电机是根据导体在磁场中作切割运动就会产生感生电动势这一基 本的电磁理论而制成的.原动机拖动转子逆时针方向旋转,在线圈 本的电磁理论而制成的.原动机拖动转子逆时针方向旋转,在线圈abcd中就 中就 有感生电动势产生,根据电磁感应定律可知,导体 和 中产生的感生电动 有感生电动势产生,根据电磁感应定律可知,导体ab和cd中产生的感生电动 相等. 势e相等 相等

1.他激发电机原理
电枢回路方程为: 电枢回路方程为:Ea=U+IaRa 式中R 为电枢回路总电阻, 式中 a为电枢回路总电阻, 它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻. 它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻. 励磁回路方程为: 励磁回路方程为:Uf=IfRf 式中R 为励磁回路总电阻, 式中 f为励磁回路总电阻, 它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻. 它包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻. 从发电机电压基本方程式可见:电枢电势Ea必须大于电枢 从发电机电压基本方程式可见:电枢电势 必须大于电枢 端电压U,这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据 发电运行状态的依据. 端电压 ,这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据.

2.并激发电机
根据基尔霍夫电压定律得:

N pN Ea = e= Φ n = Ce Φ n 2a 60a
U=Ea-IaR a If=U/Rf I=U/R Ia=If+I≈I Ia= (Ea-U)/Ra

并励发电机的自励条件和外特性 自励过程:并励发电机建立电压的过程. 并励发电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联, 并励发电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联,由发电机自 已供给励磁电流,而不需要另外励磁电源. 已供给励磁电流,而不需要另外励磁电源.
一,并励直流发电机的自励条件

并励直流发电机自励的三个条件: (1)电机必须有剩磁 (2)励磁绕组并联到电枢的极性必须正确 (3)励磁回路中电阻小于 rfc(称为临界值) 二,并励直流发电机的运行特性
并励发电机的建压过程

3.他激和并激发电机的 外特性曲线
电源----------外特性 U=f(I) 硬特性 从空载到满载电压变化率5%-10%

4,串励电动机 ,
特点: 特点:I a = I f 1). 转矩特性 T

Φ = f(I a )

If
+ M

Ia

= f(Ia ) 较小时, 当Ia较小时,铁心不饱和 Φ = KI a

U
_

′ T = K T ΦI a = K T I

串励

2 a

较大时, 当Ia较大时,铁心饱和 T = K T ΦI a 与并励类似

2. 转速特性 n =

f(Ia )

较小时, Φ 当Ia较小时, = KI a 根据 n = U R a I a K EΦ K EΦ U Ra 可得 0 n= K E KI a K E K

n T

n = f(Ia )
Ia

从上式可见, 从上式可见,当轻载时串励电动机的转速 急剧上升,将导致电动机的损坏, 急剧上升,将导致电动机的损坏,所以串 励电动机不允许轻载运行, 励电动机不允许轻载运行,一般最低负载 不小于额定负载的30% 不小于额定负载的 较大时, 当Ia较大时,铁心饱和 与并励类似

3. 机械特性

n = f(T)

U Ra n= K E KI a K E K
求得

′ I a2 T = K T ΦI a = K T

串励电动机在负载变化 U n= b 时, 转速 n 的变化大—软 的变化大— a T 机械特性(自然特性). 机械特性(自然特性).

适合于拖动启动频繁,负载变化大的负载. 适合于拖动启动频繁,负载变化大的负载. 当负载增加时,转速快速下降,当负载减小 当负载增加时,转速快速下降, 转速快速上升,这样不仅可以确保安全, 时,转速快速上升,这样不仅可以确保安全,而 且可以提高生产效率. 且可以提高生产效率.

5,复励电动机 ,
I 他的工作特性介于并励 和串励之间. 和串励之间.如果并励绕组 磁通势起主要作用, 磁通势起主要作用,其工作 特性与并励电动机工作特性 接近. 接近.如果串励绕组磁通势 起主要作用,其工作特性与 起主要作用, 串励电动机工作特性接近. 串励电动机工作特性接近. 但因为有并励绕组磁通势的 存在,磁通Φ不会趋近于零, 存在,磁通Φ不会趋近于零, 所以空载或轻载时, 所以空载或轻载时,仍能正 常运行. 常运行.
+

Ia
M

U
_ 复励

如果串励与并励绕 组的磁势方向相同, 组的磁势方向相同, 则称为加复励( 则称为加复励(或 叫积复励), ),反之 叫积复励),反之 为差复励( 为差复励(或叫减 复励). 复励).

一般来说,并励绕组起主导作用,串励绕组起调节性能的作 用. 一,开路特性 U0=f(If) 开路时串励绕组不起作用,则其开 路特性同并励发电机的开路特性. 二,外特性 U=f(I) 负载运行时,串励绕组产生磁势,这个磁势将影响主磁通的 大小和电机性能. 对加复励发电机来说串励磁势起增磁作用即升压作用,而电 阻压降和电枢反应的去磁作用起降压作用,二者的相对影响 力会决定发电机的外特性. 如果串励绕组作用较大,即在额定电流时端电压超过额定电 压,则为过复励. 如果串励绕组的作用不足,即在额定电流时端电压小于额定 电压,则为欠复励. 如果串励绕组的作用适当,即在额定电流时端电压等于额定 电压则为平复励. 差复励发电机的串励绕组为一个去磁磁势,负载增大时端电 压迅速下降.

3.3直流电动机的机械特性
1.他激和并激直流电动机的机械特性 1)原理电路图

电枢回路电压方程式
U=Ea+IaRa 其中反电势E 其中反电势 a=CeΦn,若为并励时,存在: ,若为并励时,存在: U=If(rf+Rfad)=IfRf 由于R 很小,电枢回路上电阻压降很小, 由于 a很小,电枢回路上电阻压降很小,电 源电压大部分降落在反电势E 源电压大部分降落在反电势 a上.

转矩方程式
电动机空载时,轴上输出转矩 电动机空载时,轴上输出转矩T2=0,则有: ,则有: T=T0 当负载转矩为T 轴上输出有T 当负载转矩为 L,轴上输出有 2=TL,电动 机匀速稳定运行时有: 机匀速稳定运行时有: T=T2+T0 其中电磁转矩为拖动性质转矩, 其中电磁转矩为拖动性质转矩,可用公式 T=CTΦIa计算,( 2+T0)为总的阻转矩, 计算,( ,(T 为总的阻转矩, 方向与T相反 相反. 方向与 相反.

2)直流电动机机械特性方程式


E = U I a Ra


E = K eφ n

Ra U n= Ia K eφ K eφ



T = K tφ I a

将Ia值再代入,得::

Ra U n= T = n0 n 2 K eφ K e K tφ
上式为直流电动机机械特性的一般表达式

3)机械特性硬度 β
在机械特性方程式中, no称为理想空载转速; △n称为转速降落. 机械特性硬度是衡量机械特性平直程度的:
dT T β= = dn n β → ∞ 绝对硬特性 .如交流同步电动机的机械特性 β>10 硬特性 如直流他激电动机和异步电动机的机械特性 β <10 软特性 如直流串激电动机的机械特性

机械特性曲线n=f(T)
Ra U n= T = n0 n 2 K eφ K e K tφ

4.固有(自然)机械特性和人工机械特性
1)他激直流电动机的自然机械特性(正转) 在额定电压,额定磁通,电枢电路内不外接电阻时的 机械特性即为自然机械特性. 额定负载时,转速降 落不多,是硬特性; 金属切削机床,冷轧 机,造纸机等宜于选 用硬特性的电动机.

2)自然机械特性曲线的作法
已知电动机的PN,UN,IN,nN,由公式可计算出Ra, Ke Φ N no,TN,找出两个点,即理想空载点(o,no)和额定运 , 行点(TN,nN),通过这两点作出自然机械特性.
(1)电枢电阻Ra的估算:

p Ra = ( 0 50 0 75 ) 1 N UN IN

UN IN

(2)理想空载转速no计算:

U N I N Ra K eφN = nN
(3)额定转矩Nn的计算:

UN n0 = K eφN

PN TN = 9 55 nN

3)举例
(1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率 5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额定转速 1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性. 解:分析 只要求出理想空载点和额定运行点,就可 绘出机械特性.
p U Ra = ( 0 50 0 75) 1 N N UN IN IN

=0.71

U N I N Ra K eφN = =0.132 nN

no =

UN K eφN =1667r/min

PN TN = 9 55 =35Nm nN

4)电动机人工机械特性(三种)
Ra U n= T = n0 n 2 K eφ K e K tφ

(1)电枢回路串附加电阻Rad的人工机械特性 在自然机械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到 串电阻的人工机械特性方程式:
U N Rad + Ra n= T = n0 n 2 K eφ K e K tφ

附加电阻Rad越大,机械特性越软.

(2)改变电枢电压的人工机械特性
Ra U n= T = n0 n 2 K eφ K e K tφ
no = UN K eφN

随U的变化而变化

U改变,但转速降不变 .因此,变电枢电压的人工机械 特性是一簇与自然机械特性 平行的特性曲线. 只允许在额定电压以下调节. 在后面的自动调速系统学习中 有广泛的应用.

(3)改变磁通的人工机械特性
Ra U n= T = n0 n 2 K eφ K e K tφ
从机械特性方程可知,改变 磁通时,电动机的理想空载 转速和转速降落都会随磁通 的变化而变化. 磁通只能在额定值以下调节, 理想空载转速和转速降落都 要增大-------弱磁增速. 使用中,要防止电动机过载, 更要防止飞车,因此,直流他 激电动机设有失磁?;?

2.串激直流电动机的机械特性
1)特点:电枢电流就是激 磁电流. 2)机械特性分析: 第一段,电动机轻载时, 机械特性具有双曲线的 形状,理想空载转速趋近 无穷大. 第二段,电动机负载较重 时,磁路趋于饱和,机械特 性近似一条直线. 3)注意事项: 直流串激电动机不允许 空载运行----飞车事故.

3.4 直流他激电动机的起动特性
直流他激电动机的起动电流 是额定电流的(10-20)倍,不 允许直接起动.限制其起动电 流的方法有两种. 1.降压起动: 组成SCR-M自动调速系统的 起动环节.是后面学习的一个 重点. 2.电枢电路串外接电阻起动 右图为具有三段起动电阻的 他激电动机电路原理图和起 动特性, 其起动特性就是前面刚刚学 习过的一种人工机械特性.

3.5直流他激电动机的调速特性
U Ra + Rad n= T 2 K eφ K e K tφ
由直流他激电动机人工机械特性方程式 直流电动机的调速方法: 式中, Ke,Kt,Ra 均为常数,因此,电动机有3种调速方法 1.变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压U; 3.变磁通 φ .

1.改变电枢电路外接电阻调速 电动机电枢电路串电阻 后,其人工机械特性如右 图示.
1)应用: 起重机,卷扬机; 2)缺点:机械特性软,实现无级调 速困难; 3)注意:串电阻调速与起动特性相 似,但起动电阻与调速电阻不同.

2.改变电动机电枢供电电压调速 变电枢电压调速的机械 特性如右图. 1)特点:容易实现无级调速; 机械特性是一组平行线,硬度 不变;不需用其他起动设备. 2)应用;适用于恒转矩负载, 组成SCR-M系统,在工业生 产中广泛应用.第11章将重点 学习.

3.改变电动机主磁通调速 变磁通调速的机械特性 如右图示. 1)特点:可以实现无级调速; 机械特性软;调速范围不大. 2)应用:适用于恒功率负载. 一般与调压配合使用. 3)注意:在额定转速以上调节 --------弱磁增速.

例题
例:一台直流他激电机的额定数据 为;PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7 欧 ;如果电动机在额定转矩下运行,求(1)电动机的电枢电压 降到180V时,电动机的转速是多少?(2)激磁电流If=IfM(即磁通 为额定值的0.8时)时,电动机的转速是多少?(3)电枢电路串入 2欧的附加电阻时,电动机的转速是多少? 解:(1)此时,U=180V,Ra=1.7欧 T = T = 9.55 PN 9.55 2200 =14 N
K eφ = K eφ = U N I N Ra 220 12.4 × 1.7 = = 0.13 1500 nN

nN

1500

n = 1962
K e K tφ 2 = 0.13 × 1.24 = 0.16

K tφ = 9.55 K eφ = 9.55 × 0.13 = 1.24

U Ra 180 1.7 n= TN = ×14 = 1236 K eφ K e K tφ 2 0.13 0.16

例题求解
(2)此时,U=UN=220V,Ra=1.7欧

K e = 0.8 K e N = 0.1 K tφ = 9.55 K eφ = 0.99 K e K tφ 2 = 0.099
n= UN Ra 220 1.7 TN = ( × 14 = 1962r / min 2 K eφ K e K tφ 0.1 0.099

K eφ = 0.13 K tφ = 1.24 K e K tφ 2 = 0.16

(3)此时,U=UNa=220V;电枢电路总电阻 R=Ra+Rad=1.7+2=3.7
UN Ra + Rad 220 3.7 n= TN = ×14 = 1368 2 K eφ N K e K tφ 0.13 0.16

(以上转速单位为r/min)

3.6直流他激电动机的制动特性
直流他激电动机的工作状 态分为电动状态和制动状 态,如右图所示. 图中,(a)为电动状态; (b)为制动状态. 1)特点:电动机的转矩T与转 速n方向相反,电机处于发 电工作状态. 2)制动形式:稳定的制动状态; 过渡的制动状态. 3)制动方法有3种:
反馈制动; 反接制动; 能耗制动.

1.反馈制动
1)实现条件:外部作用使电 动机的转速n大于其理想空 载转速no.如,电车下坡,起重 机下放重物. 2)机械特性:正转时,是第一 象限的机械特性在第二象限 内的延伸,如右图所示. 3)特点: (1)利用位能转矩带动电动机发 电,将机械能变成电能,向电源馈 送. (2)重物下放时电动机的转速仍 高于理想空载转速,运行不太安全.

2.反接制动
1)实现条件:电枢电压 或电枢电势反向. 2)分类: (1)电源反接制动.改变 电枢电压U的方向所产 生的制动. 机械特性方程式为;
n= U Ra + Rad T 2 K eφ K e K tφ

为了限制制动时比较大的电枢电流,实施电源反接 制动时,一定要在电枢电路中串入限流电阻. 应用在需要迅速减速或频繁正反转的机械上.

反接制动
(2)倒拉反接制动.改变电枢 电势方向所产生的制动. 如:起重机的重物下降时, 电枢反转,电势反向.此时, 位能负载转矩TL使重物下 放,电动机转矩TM反对重物 下放-----制动. 特点:适当选择电枢电路中 的附加电阻,可以得到低的 转速,保证安全; 转速稳定性较差. 制动特性如右图所示.是第 一象限在第四象限的延伸 或第三象限在第二象限的 延伸.

3.能耗制动
1)实现条件:将电枢电压突 然降为零,串一外接电阻使 电枢短接.此时电动机继续 旋转产生的转矩T与n反向----制动. 2)特点:制动时的机械能转 变为电能使外接电阻发热 而消耗,称之为"能耗"; 稳定性好,电动机不可能 反向起动. 3)应用:要求迅速准确停车 的场合;重物恒速下放.


推荐相关:
9979997藏宝阁香港马会 | 9979997藏宝阁香港马会
All rights reserved Powered by 9979997藏宝阁香港马会 www.shixinhuamu.com
文档资料库内容来自网络,如有侵犯请联系客服。zhit325@qq.com