直流電機工作原理及調速特性

1、第1章 電動機的工作原理及特性掌握直流電動機的電勢方程式，轉矩方程式和電壓平衡方程式；三相異步電動機的同步轉速和轉差率的概念; 掌握電動機的機械特性，特別是人工機械特性；掌握電動機起動，制動，調速的各種方法和應用場所；了解用機械特性來分析電動機運行狀態(tài)的方法;了解常用控制電機的應用場合.1.1直流電機的工作原理及特性1.直流電機的基本結構主磁極電樞換向器電刷裝置直流電機的結構圖剖面圖：電樞1；主磁極2；換向極4；機座6電樞鐵心沖片換向器：換向片3；連接片4；云母環(huán)22.直流電機的基本工作原理發(fā)電機電動機簡化為一對磁極,一個線圈1)感應電勢E2.直流電機的基本方程式2)電磁轉矩TtaTKI-一對

2、磁極的磁通(Wb);n-電樞轉速(r/min); Ke -與結構有關的常數(shù).式中:E-電動勢(V);-一對磁極的磁通(Wb); Ia-電樞電流(A); Kt-與結構有關的常數(shù).式中:T-電磁轉矩(Nm);nKEe3.直流電動機的機械特性1.他激和并激直流電動機的機械特性1)原理電路圖1)直流電動機機械特性方程式直流電動機電樞電壓平衡方程式 aaUEI ReEKneaeeRUnIKK02aeetRUnTnnKK K上式為直流電動機機械特性的一般表達式式中,Ra為電樞電阻.以代入得:taTKI由將Ia值再代入,得:機械特性曲線n=f(T)4.固有(自然)機械特性和人工機械特性1)他激直流電動機的自

3、然機械特性(正轉)在額定電壓,額定磁通,電樞電路內不外接電阻時的機械特性即為自然機械特性.額定負載時,轉速降落不多,是硬特性;金屬切削機床,冷軋機,造紙機等宜于選用硬特性的電動機.02aeetRUnTnnKK K2)自然機械特性曲線的作法已知電動機的PN,UN,IN,nN,由公式可計算出Ra,Ke , N0 500 751NNaNNNpURU II NNaeNNUI RKn0NeNUnK9 55NNNPTn(1)電樞電阻Ra的估算:(2)理想空載轉速no計算:(3)額定轉矩Nn的計算:no,TN,找出兩個點,即理想空載點(o,no)和額定運行點(TN,nN),通過這兩點作出自然機械特性.3)舉

4、例(1)一臺Z2-51型直流他激電動機,已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉速1500r/min,忽略損耗,求自然機械特性.解:分析 只要求出理想空載點和額定運行點,就可繪出機械特性. 0 500 751NNaNNNpURU II =0.71NNaeNNUI RKn=0.132NoeNUnK=1667r/min9 55NNNPTn=35Nm4)電動機人工機械特性(三種)(1)電樞回路串附加電阻Rad的人工機械特性在自然機械特性方程式中,用(Rad+Ra)代替Ra,得到串電阻的人工機械特性方程式:附加電阻Rad越大,機械特性越軟.nnTKKRRKUnteaadeN02

5、02aeetRUnTnnKK K(2)改變電樞電壓的人工機械特性U改變,但轉速降不變.因此,變電樞電壓的人工機械特性是一簇與自然機械特性平行的特性曲線.只允許在額定電壓以下調節(jié).在后面的自動調速系統(tǒng)學習中有廣泛的應用. NoeNUnK隨U的變化而變化02aeetRUnTnnKK K(3)改變磁通的人工機械特性從機械特性方程可知,改變磁通時,電動機的理想空載轉速和轉速降落都會隨磁通的變化而變化.磁通只能在額定值以下調節(jié),理想空載轉速和轉速降落都要增大-弱磁增速.使用中,要防止電動機過載,更要防止飛車,因此,直流他激電動機設有失磁保護.02aeetRUnTnnKK K串激直流電動機的機械特性1)特

6、點:電樞電流就是激磁電流.2)機械特性分析: 第一段,電動機輕載時,機械特性具有雙曲線的形狀,理想空載轉速趨近無窮大. 第二段,電動機負載較重時,磁路趨于飽和,機械特性近似一條直線.3)注意事項: 直流串激電動機不允許空載運行-飛車事故. 4 直流他激電動機的起動特性直流他激電動機的起動電流是額定電流的(10-20)倍,不允許直接起動.限制其起動電流的方法有兩種.1.降壓起動: 組成SCR-M自動調速系統(tǒng)的起動環(huán)節(jié).是后面學習的一個重點.2.電樞電路串外接電阻起動 右圖為具有三段起動電阻的他激電動機電路原理圖和起動特性, 其起動特性就是前面剛剛學習過的一種人工機械特性.5.直流他激電動機的制動

7、特性直流他激電動機的工作狀態(tài)分為電動狀態(tài)和制動狀態(tài),如右圖所示.圖中,(a)為電動狀態(tài); (b)為制動狀態(tài).1)特點:電動機的轉矩T與轉速n方向相反,電機處于發(fā)電工作狀態(tài).2)制動形式:穩(wěn)定的制動狀態(tài); 過渡的制動狀態(tài).3)制動方法有3種: 反饋制動; 反接制動; 能耗制動.1.反饋制動1)實現(xiàn)條件:外部作用使電動機的轉速n大于其理想空載轉速no.如,電車下坡,起重機下放重物.2)機械特性:正轉時,是第一象限的機械特性在第二象限內的延伸,如右圖所示.3)特點:(1)利用位能轉矩帶動電動機發(fā)電,將機械能變成電能,向電源饋送.(2)重物下放時電動機的轉速仍高于理想空載轉速,運行不太安全.2.反接制

8、動1)實現(xiàn)條件:電樞電壓或電樞電勢反向.2)分類:(1)電源反接制動.改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的制動.機械特性方程式為; TKKRRKUnteadae2 為了限制制動時比較大的電樞電流,實施電源反接制動時,一定要在電樞電路中串入限流電阻. 應用在需要迅速減速或頻繁正反轉的機械上.(2)倒拉反接制動.改變電樞電勢方向所產(chǎn)生的制動.如:起重機的重物下降時,電樞反轉,電勢反向.此時,位能負載轉矩TL使重物下放,電動機轉矩TM反對重物下放-制動.特點:適當選擇電樞電路中的附加電阻,可以得到低的轉速,保證安全; 轉速穩(wěn)定性較差.制動特性如右圖所示.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.

9、反接制動3.能耗制動1)實現(xiàn)條件:將電樞電壓突然降為零,串一外接電阻使電樞短接.此時電動機繼續(xù)旋轉產(chǎn)生的轉矩T與n反向-制動.2)特點:制動時的機械能轉變?yōu)殡娔苁雇饨与娮璋l(fā)熱而消耗,稱之為“能耗”; 穩(wěn)定性好,電動機不可能反向起動.3)應用:要求迅速準確停車的場合;重物恒速下放. 6.直流他激電動機的調速特性由直流他激電動機人工機械特性方程式直流電動機的調速方法:式中, Ke,Kt,Ra 均為常數(shù),因此,電動機有3種調速方法 1.變電樞電路外接電阻Rad; 2.變電樞電壓U; 3.變磁通 .TKKRRKUnteadae21.改變電樞電路外接電阻調速電動機電樞電路串電阻后,其人工機械特性如右圖示

10、.1)應用: 起重機,卷揚機;2)缺點:機械特性軟,實現(xiàn)無級調速困難;3)注意:串電阻調速與起動特性相似,但起動電阻與調速電阻不同. 2.改變電動機電樞供電電壓調速變電樞電壓調速的機械特性如右圖.1)特點:容易實現(xiàn)無級調速;機械特性是一組平行線,硬度不變;不需用其他起動設備.2)應用;適用于恒轉矩負載,組成SCR-M系統(tǒng)，在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應用.第11章將重點學習.3.改變電動機主磁通調速變磁通調速的機械特性如右圖示.1)特點:可以實現(xiàn)無級調速;機械特性軟;調速范圍不大.2)應用:適用于恒功率負載.一般與調壓配合使用.3)注意:在額定轉速以上調節(jié)-弱磁增速.例題例:一臺直流他激電機的額定數(shù)據(jù)為;

11、PN=2.2kW,UN=220V.IN=12.4A,nN=1500r/min,Ra=1.7歐 ;如果電動機在額定轉矩下運行,求(1)電動機的電樞電壓降到180V時,電動機的轉速是多少?(2)激磁電流If=IfM(即磁通為額定值的0.8時)時,電動機的轉速是多少?(3)電樞電路串入2歐的附加電阻時,電動機的轉速是多少?解: 1500220055. 955. 9NNNnPTT13. 015007 . 14 .12220NaNNeenRIUKK24. 113. 055. 955. 9etKK16. 024. 113. 02tKKe12361416. 07 . 113. 01802NteaeTKKRK

12、Un1962n(1)此時,U=180V,Ra=1.7歐=14例題求解99. 055. 9etKK099. 02teKK(2)此時,U=UN=220V,Ra=1.7歐min/196214099. 07 . 11 . 0220(2rTKKRKUnNteaeN(3)此時,U=UNa=220V;電樞電路總電阻R=Ra+Rad=1.7+2=3.713. 0eK24. 1tK16. 02teKK13681416. 07 . 313. 02202NteadaNeNTKKRRKUn(以上轉速單位為r/min)1 . 08 . 0NeeKK5.定子鐵心定子鐵心,6.定子繞組定子繞組,7.轉軸轉軸,8.轉子轉子,

13、9.風扇風扇,11.軸承軸承,12.機座機座00nnnS此時的合成磁場如圖此時的合成磁場如圖(d)(d)所示。合成磁場從所示。合成磁場從t=0t=0瞬間所在瞬間所在位置順時針方向旋轉了位置順時針方向旋轉了。按以上分析可以證明：當三。按以上分析可以證明：當三相電流隨時間不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不相電流隨時間不斷變化時，合成磁場的方向在空間也不斷旋轉，這樣就產(chǎn)生了旋轉磁場。斷旋轉，這樣就產(chǎn)生了旋轉磁場。t=T/2t=T/2時，時，t=T/2=,it=T/2=,iA A=0=0；i iB B為正；為正；i iC C為負。為負。pfn600式中式中,f,f為電源頻率為電源頻率50HZ;p50

14、HZ;p為電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù). .電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù)為1 1時時, ,同步轉速為同步轉速為3000r/min;3000r/min;電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù)為2 2時時, ,同步轉速為同步轉速為1500r/min;1500r/min;電動機的磁極對數(shù)為電動機的磁極對數(shù)為3 3時時, ,同步轉速為同步轉速為1000r/min.1000r/min.注意注意:三相繞組連接成星形三相繞組連接成星形,每相繞組承受相電壓每相繞組承受相電壓220V; 三相繞組連接成三角形三相繞組連接成三角形,每相繞組承受線電壓每相繞組承受線電壓380V.dtdNe1其有效值為其有效值

15、為 : :11144.4NfE 定子和轉子電路的感應電勢定子和轉子電路的感應電勢11EU其大小為其大小為:11EU忽略忽略R1和和X1上的電壓降上的電壓降,有有:)1(11111EIIUxjR考慮定子電流產(chǎn)生的漏磁考慮定子電流產(chǎn)生的漏磁通通, ,用復數(shù)表示為用復數(shù)表示為: :一相電路圖一相電路圖dtdNe2222244. 4NfE 12sff 其中其中21244. 4NfEo起動瞬間起動瞬間osEE2221202LLfXosxx22220222222222)(sXRsEXREIo2202222)(sXRRCOSNNNnPT9550NNNNNIUPcos31111cos3IUP 1112PPPP

16、PP2等于等于P1減去電動機的總損耗減去電動機的總損耗電源輸入的功率P1:電動機的輸出功率P2(銘牌功率)VNfE1634023. 03205044. 444. 4111VNfEo102023. 0205044. 444. 4212HzfsfN43. 1500285. 012解解:1):1)由電勢計算公式得由電勢計算公式得 : : VNfEo102023. 0205044. 444. 42123)3)額定轉速時額定轉速時, ,轉子電動勢的頻率轉子電動勢的頻率2)2)轉子繞組開路時轉子繞組開路時,f2=f1,f2=f1,得得 AXREIst5 .24208. 002. 0202222022202

17、例例2:一臺一臺4極三相異步電動機極三相異步電動機,電源頻率電源頻率50Hz, 額定轉速額定轉速1440r/min,轉子電阻轉子電阻0.02歐歐,轉子電抗轉子電抗0.08歐歐,轉子電動勢轉子電動勢E20=20V,求求: 1)電動機的同步轉速電動機的同步轉速;2)電動機起動時的轉子電動機起動時的轉子電流電流.解解;1)電動機為電動機為4極極,磁極對數(shù)磁極對數(shù)p=2,有有n0=60f/P=3000/2=1500r/min 2)電動機起動時的轉子電流電動機起動時的轉子電流 22cosIKTt220222222222)(sXRsEXREIo2202222)(sXRRCOS21244. 4NSfEo代入

18、代入用用代入代入,合并上面幾個式子得轉矩又一公式合并上面幾個式子得轉矩又一公式:2202222)(SXRUSRKT注意注意,轉矩與電壓平方成正比轉矩與電壓平方成正比NNNnPT955000nnnSNN2202222XRURKTstNststTT202XRSm2022XUKTmanNmanmTT解解(1)電動機額定功率與供電變壓器容量之比為電動機額定功率與供電變壓器容量之比為 75/320=0.2340.2 電動機不宜直接起動電動機不宜直接起動. (2)(2)電動機的額定轉矩和起動轉矩分別為電動機的額定轉矩和起動轉矩分別為 TN=9550(PN/nN)=TN=9550(PN/nN)= 9550(

19、750/1480)=484Nm 9550(750/1480)=484NmTst=1.9TN=1.9X484=920NmTst=1.9TN=1.9X484=920Nm如果采用如果采用Y- Y- 降壓起動降壓起動, ,則起動轉矩僅為起動轉矩的三分之一則起動轉矩僅為起動轉矩的三分之一, ,即即TstY=1/3X920=307200=TLTstY=1/3X920=307200=TL因此因此, ,可以采用可以采用Y- Y- 降壓起動降壓起動. .2cos2cos2cos3AXREIst87604163. 00344. 01462222022202206. 0cos2202222XRR984. 0cos2得得222222)(cosXRRRR得得R=0.0732歐歐; 由由222222)(XRREI由下式由下式0196. 0202 SXX5 .17202 SEE12. 060052860000nnnS (3)984. 0cos222222NNXRRAX