《电机与电气控制》PPT课件

❖ 直流电机的空载磁场 ❖ 直流电机负载时的磁场 ❖ 直流电机的电枢反应
直流电机的换向
换向是指电机旋转时，电枢绕组元件从一条支路，经过电刷短路，进入另一条 支路，其电流方向改变的过程。换向的外观表现是在电刷和换向器间常出现火花。 若火花在电刷下的范围很小，亮度很弱，呈现兰色，对电机并无危害。若电刷下 火花范围较大、比较强烈，对电机会有危害。
直流电机的结构与分类 返回
直流的结构
❖ 定子 作用是产生磁场和作电机的机械支撑，它包括主磁极、换向极、机座、 端盖、轴承、电刷装置等。
❖ 转子又称电枢，是用来产生感应电动势实现能量转换的关键部分。它包括电 枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴、风扇等。
直流电动机的分类
按它励磁绕组在电路中联接方式（即励磁方式）可分为他励、并励、串励和 复励四种。
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降压起动
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当他励直流电动机的电枢回路由专用的可调压直流电源供电时， 可以采用降压起动的方法。起动电流将随电枢电压降低的程度成 正比地减小。起动前先调好励磁，然后把电源电压由低向高调节， 最低电压所对应的人为特性上的起动转矩Ts1>TL时，电动机就开 始起动。起动后，随着转速上升，可相应提高电压，以获得需要 的加速转矩，起动过程的机械特性如图所示
直流电动机的反转
由电磁转矩公式可知，欲改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢 电流方向即可。所以，改变直流电动机转向的方法有两个：
❖ 保持电枢绕组两端极性不变，将励磁绕组反接。 ❖ 保持励磁绕组极性不变，将电枢绕组反接。
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电枢回路串电阻起动
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电枢回路串电阻起动的接线图
KM1 KM2 KM3
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功率平衡方程式
电磁功率
P ME aIa2 p aN Ia2 6 n0 T
PM = P2 +p0 = P2 + pmec +pFe
功率平衡方程式 P1 = P2 + pCu2 +pFe + pmec = P2 +Σp
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电动机的机械特性
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表征电动机运行状态的两个主要物理量是转速n和电磁转矩T。 电动机的机械特性就是研究电动机的转速n和电磁转矩T之间的关 系，即n=f (T)。
改善换向的方法 ❖ 安装换向极 ❖ 正确选用电刷
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直流电机的空载磁场
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直流电机的磁路
（a）两极 （b）四极
直流电机的空载磁场
(a)磁通分布
(b)磁密分布曲线
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直流电机负载时的磁场 返回
电机负载运行时，电枢绕组中有电流流过，它将产生一个电 枢磁势。电机的气隙磁场是由主极磁势和电枢磁势共同建立的。
T KTΦIa
KT：与线圈的结构有关的常数 （与线圈大小，磁极的对数等有关）
：线圈所处位置的磁通
Ia：电枢绕组中的电流
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直流电机的磁场和换向 返回
直流电机的磁场
直流电机运行时除了主磁极外，若电枢绕组中有电流流过，还将产生电枢磁场。 这两个磁场在气隙中相互影响，相互叠加，合成了气隙磁场。它将直接影响电机 的电枢电势和电磁转矩。
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直流电机的铭牌数据
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凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标 注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依 据。
▪ 额定电压 UN（ V） 在额定情况下，电刷两端输出（发电机）或输入（电动机） 的电压。
▪ 额定电流IN （A） 在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流。 ▪ 额定功率（额定容量）PN （kW） 电机在额定情况下允许输出的功率。 ▪ 额定转速nN（r／min） 在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速。 ▪ 额定效率ηN 输出功率与输入功率之比，称为电机的额定效率
比，通过改变 可调速。
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转距平衡方程式
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电磁转矩T为驱动转矩，在电机运行时，必须和外加负载和空 载损耗的阻转矩相平衡，即
TTL T0
TL： 负载转矩 T0 ：空载转矩
转矩平衡过程：当负载转矩（TL）发生变化时，通过电机转速、电动势、电 枢电流的变化，电磁转矩自动调整，以实现新的平衡。
（a）电枢磁场 （b）电枢磁动势和磁场的分布
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直流电机的电枢反应
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负载时电枢磁势对主磁场的影响称为电枢反应。负载时的合成磁场如图所示。
直流电机负载时的合成磁场
▪ 电枢反应的性质
❖ 气隙磁场发生畸变。 ❖ 对主磁场有去磁作用。
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直流电机的基本方程
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电压平衡方程式
转距平衡方程式
直流电机的优点
❖ 调速性能好:调速范围广，易于平滑调节。 ❖ 起动、制动转矩大，易于快速起动、停车。 ❖ 易于控制。
直流电机的应用
❖ 轧钢机、电气机车、无轨电车、中大型龙门刨床等调速范围大的大型设备。 ❖ 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等。 ❖ 家庭：电动缝纫机、电动自行车、电动玩具。
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改变电枢电压的人为机械特性
保持励磁磁通Ф＝ФN，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压大小及方向的人为机械特 性的方程为
U n
CeN
CeCRTa2NT
改变电枢电压的人为机械特性如图所示
n
n0
n01
UN
n02
U1
U2
0 T
改变电枢电压的人为机械特性特点如下：
1）理想空载转速n0与电枢电压U成正比，即n0∝U，且U为负时，n0也为负。 2）特性斜率不变 ，与固有机械特性相同。因而改变电枢电压U的人为机械特性是一
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直流电动机的固有机械特性
U E IaRa
E
K
Φn
E
T
K
ΦI
T
a
nKUEΦKTK RaEΦ2T
nn0n其中 n0
U
K
Φ
E
，n
Ra
KTKEΦ2
T
n电0：机的理T想不空会载为转0。速）,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，
固有机械特性曲线
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固有机械特性曲线
第二章 直流电机
直流电机概述 直流电机的基础知识 直流电机的基本方程 电动机的机械特性 直流电动机的拖动 直流电动机的电气控制 直流电机的故障分析及维护
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直流电机的概述
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电机的定义
电机是一种能实现机电能量转换的电磁装置，是电动机和发电机的统称。 ❖ 拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称为电动机； ❖ 做为电源，将机械能转换为电能的电机称为发电机。
n
n02
Φ2
n01
Φ1
n0
ΦN
0
T
对于一般电机，当Ф＝ФN时，磁路已经饱和，再增加磁通已不容易，所以人 为机械特性一般只能在Ф＝ФN的基础上减弱磁通。
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直流电动机的拖动
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直流电动机的起动和反转
直流电动机的调速
直流电动机的制动
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直流电动机的起动和反转
起动的要求
组平行于固有机械特性的直线。
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减弱磁通的人为机械特性 返回
电枢电压为额定值，电枢回路不串电阻，励磁回路串入调节电阻使磁通Φ减 弱。减弱磁通Φ的人为机械特性方程为
nCUe N CeCRTa2T
其特点是理想空载转速随磁通的减弱而上升，机械特性斜率β则与励磁磁通 的平方成反比。随着磁通Φ的减弱β增大，机械特性变软。不同励磁磁通 的人为机械特性如图所示 。
n
n0
nN
UN
0 TL
TS1 Q
T
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直流电动机的调速
调速及其指标
❖ 调速范围（D） 是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速 与最小转速之比。
❖ 静差率（又称相对稳定性）（δ） 是指负载转矩变化时，电动机的转 速随之变化的程度。
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直流电机的电枢电势和电磁转距
感应电势
电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。通电线圈在磁场中转动，又 会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。根据右手定则知，E和原通入的电流方向相反，其 大小为：
EKEn
电磁转矩
KE：与电机结构有关的常数 ：磁通 n：电动机转速
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直流电动机的工作原理
电刷
F
+
N I
U
F
I
–
换向片
S
直流电源
电刷
换向器
线圈
换向片和电源固定联接，线圈无论怎样转动，总是上半边的电流向里，下半边的电流向外。 电刷压在换向片上
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直流发电机的工作原理
E
I +a
N
E
U
–
S
用右手定则判感应电动势Ea的方向
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n
n0
G
E
+
r1
r2 r3
+
C
U
M
Uf
A
KM _
a)接线图
_0
TN Ts2 b)机械特性
F Ra
D RS3 BRS2 RS1
Ts1 Q T
电枢回路串电阻起动的工作原理
对应示于，起工动作电点流由I起s1的动起点动Q沿转电矩枢为总Ts1电，阻因为Ts1R＞s1的TL人，为电特动性机上开升始，起电动枢。电起动动势过程随的之机增械大特，性电如枢图电所流 和电磁转矩则随之减小。当转速升至n1时，起动电流和起动转矩下降至Is2和Ts2 (图中A点)，为 了的转电速保流和持I电起s2称枢动为电过切动程换势中电不电流能流。突和当变转r，矩1被电有断枢较掉电大后阻的，减值电小，枢将以回使加路电速总枢起电电动阻流过变和程为电。R磁此s2=转时R矩a闭+增r合2+大Kr3M。，1由电，于动切机机除械的r1惯机。性械此特，时 性就从由B图点中到曲D线点1，上最的后A稳点定平运移行到在曲自线然2上机的械B特点性。的再G依点此，切电除动起机动的电起阻动r过2、程r结3，束电。动机的工作点
起动最初，起动电流Is较大，因为此时n= 0，Ea＝0。如果电枢电压 为额定电压UN，因为Ra很小，则起动电流可达额定电流的10~20倍。这 样大的起动电流会使换向恶化，产生严重的火花；与电枢电流成正比的 电磁转矩过大，对生产机械产生过大的冲击力。因此起动时需限制起动 电流的大小。
起动的方法
❖ 电枢回路串电阻起动 ❖ 降压起动
直流电机的基本知识
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直流电机的工作原理 直流电机的结构与分类 直流电机的铭牌数据 直流电机的电枢电势和电磁转距 直流电机的磁场和换向
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直流电机的工作原理
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直流电动机的工作原理
直流发电机的工作原理
直流电机的可逆原理
在直流电机的电刷上加直流电源，将电能转换成机械能，是作为电动机运 行；若用原动机拖动直流电机的电枢旋转，将机械能变换成电能，从电刷引 出直流电动势，则作为发电机运行。同一台电机，既可作电动机运行又可作 发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。
❖ 他励电动机——励磁绕组和电枢绕组分别由不同的直流电源供电。 ❖ 并励电动机——励磁绕组和电枢绕组并联，由同一直流电源供电。 ❖ 串励电动机——励磁绕组和电枢绕组串联后接于直流电源。 ❖ 复励电动机——有并励和串励两个绕组，它们分别与电枢绕组并联和串联。
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直流电机的结构
机座
转子
磁极
励磁 绕组
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n
n0
nN
n
T TN
当 T时n ，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时， 转速 n 的变化不大，属硬机械特性。
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直流电动机的人为机械特性
电枢回路串电阻R的人为机械特性 改变电枢电压的人为机械特性 减弱磁通的人为机械特性
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电枢回路串电阻R的人为机械特性
功率平衡方程式
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电压平衡方程式
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因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势。
UEIaRa
+
Ra
Ia
U
U：外加电压
Ra:绕组电阻
–
+ ME
–
以上公式反映的概念：
(1)电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想 改变E，只能改变 或 n。 (2)若忽略绕组中的电阻Ra，则可见，当外加电压一定时，电机转速和磁通成反
电枢加额定电压UN，励磁磁通Ф＝ФN，电枢回路串入电阻R后的人为机械特性方程式为
电枢串入不同电阻nR 时的C 人U 为e 机N 械N 特性曲C 线如R eC 图a所T 示 R N2T
n n0
Ra Ra+R1 Ra+R2 0
电枢回路串电阻的人为机械特性有下列特点：T 1）理想空载转速n0与固有机械特性的相同，即电枢回路串入的电阻R改变时，n0不变。 2）特性斜率β与电枢回路串入的电阻有关，R增大，β也增大。故电枢回路串电阻的人为 机械特性是通过理想空载点的一簇放射形直线。
直流电动机的固有机械特性
固有机械特性是指电动机的工作电压、励磁磁通为额定值、电枢回路中没有
串附加电阻时的机械特性。
直流电动机的人为机械特性
为了满足生产机械加工工艺的要求，例如起动、调速和制动等到各种工作状 态的要求，还需要人为地改变电动机的参数，如电枢电压、电枢回路电阻和励磁 磁通，相应得到的机械特性即是人为机械特性。