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第9章 直流电动机.pdf

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第九章 直流电动机 9-1 概述 9-2 直流电动机的运行原理 9-3 直流电动机的工作特性和机械特性 9-4 直流电动机的起动 9-5 直流电动机的调速 9-6 直流电动机的电磁制动 小结 第九章 直流电动机 基本要求: 1.了解直流电动机的励磁方式 2.了解直流电机的可逆原理,掌握直流电机运行状态的判 别依据 3.掌握直流电动机的基本方程式 4.掌握直流电动机的工作特性和机械特性 5.掌握直流电动机的起动方法、调速方法和制动方法 9-1 概述 •直流电动机的功能:直流电能→机械能。 •直流电动机的优点:具有良好的起动性能和调速性能。 •直流电动机的励磁方式:他励、并励、串励、复励。 1.他励直流电动机 I = Ia + U − I Ea M Ia + Uf I f F − 2.并励直流电动机 U =Uf I = Ia + I f 3.串励直流电动机 I = Ia = I f + U − I Ea M Ia If F + U − I If F Ea M Ia 4.复励直流电动机 I = Ia + I f1 = I f 2 +U − I I f 2 F2 Ea M Ia I f 1 F1 短复励直流电动机 I = Ia + I f1 I f 2 = Ia + U − I I f 2 F2 Ea M Ia I f 1 F1 长复励直流电动机 9-2 直流电动机的运行原理 1.直流电机的可逆原理 把一台他励直流发电机并联于直流电网 上运行,U 保持不变。 •发电机状态: Ea > U Ia > 0 + Ia T1 + Uf If U − Ea e i T0 T n Φ P2 = UIa > 0 − 向电网输出电功率 rj 发电机惯例 PM = EaIa > 0 机械功率→电功率 P1 = T1Ω > 0 由原动机输入机械功率 ↓ P1(T1) n↓ Ea↓ •当 nL至 n = n0 时,Ea=U + Ia U − Ea e i T0 T Ia = 0 T1 P2 = UIa =直0流状电态动机 + Uf If n Φ •当 nU 时,为直流发电机; 当EaU 时,为直流发电机; 当EaEa 2)转矩平衡方程式 作用在直流电动机转轴上的转矩: 1电磁转矩T; 驱动转矩 2电动机的空载转矩T0; 3机械负载的转矩T2。 制动转矩 转矩平衡方程式: T = T2 + T0 = TL 式中,TL = T2 + T0 为负载总转矩。 + U − I Ia Ea T0 T2 n T If rj 3)功率平衡方程式 + U − •并励直流电动机 P1 = U I I = Ia + I f I Ia Ea T0 T2 n T U = Ea + Ia Ra If P1 = EaIa + Ia2Ra + I 2 f Rf = PM + pCu + pf rj 电磁功率 PM = Ea Ia = T Ω 物理意义:直流电动机电枢绕组从电源吸收的电功率 EaIa,通过电磁感应在电磁转矩T的作用下,转换为电动 机发出的全部的机械功率T Ω。 T = T2 + T0 PM = TΩ PM = T2Ω + T0Ω = P2 + p0 = P2 + pm + pFe + pa P1 = P2 + pm + pFe + pa + pcu + pf = P2 + ∑ p 式中, 耗。 ∑p= pm +pFe+pa +pcu +pf 为并励直流电动机的总损 pf = I 2 f Rf pCu = I 2 a Ra p0 = pm + pFe + pa P1 = UI PM = E a I a = TΩ P2 =T2Ω 并励直流电动机的功率流程图 •他励直流电动机 P1 = UI = EaIa + Ia2Ra = PM + pCu + Ia U − Ea T0 T2 PM = P2 + p0 = P2 + pm + pFe + pa + nT P1 = P2 + pm + pFe + pa + pcu = P2 +∑ p Uf If − rj 式中, ∑p= pm + pFe+ pa + pcu 为他励直流电动机的总损耗。 pCu = I 2 a Ra p0 = pm + pFe + pa P1 = UI PM = Ea I a = TΩ P2 = T2Ω 他励直流电动机的功率流程图 例 9-1 有 一 台 他 励 直 流 电 动 机 , PN=40kW , UN=220V , IN=210A,nN=1000r/min,电枢回路总电阻Ra=0.078Ω,附加 损耗pa=0.01PN,试求额定负载时: (1)电动机的输入功率P1和总损耗Σp; (2)电枢铜耗pCu、电磁功率PM和铁耗与机械耗之和pFe +pm ; (3)额定电磁转矩TN、输出转矩T2和空载制动转矩T0。 解:(1)输入功率 P1 = U N IN = 220 × 210 = 46200(W ) 总损耗 ∑ p = P1 − PN = 46200 − 40000 = 6200(W ) (2)电枢铜耗 pCu = I 2 a Ra = 2102 × 0.078 = 3440(W ) 电磁功率 PM = P1 − pCu = 46200 − 3440 = 42760(W ) 铁耗与机械耗之和 pFe + pm = PM − PN − pa=42760−40000−0.01×40000=2360(W) (3)额定电磁转矩 TN = 9.55 PM nN = 9.55× 42760 = 408(N ⋅ m) 1000 输出转矩 T2 = 9.55 PN nN = 9.55× 40000 = 382(N ⋅ m) 1000 空载制动转矩 T0 = TN − T2 = 408 − 382 = 26(N ⋅ m) 9-3 直流电动机的工作特性和机械特性 1.他励直流电动机的工作特性 1)转速特性 2)转矩特性 3)效率特性 2.他励直流电动机的机械特性 1)机械特性的表达式 2)他励直流电动机的固有机械特性 3)机械特性的求取 4)电动机稳定运行的条件 3.并励直流电动机的运行特性 4.串励直流电动机的机械特性 5.复励直流电动机的机械特性 1.他励直流电动机的工作特性 他励直流电动机的工作特性:U=UN、If=IfN时,n、T、η = f(P2) 或n、T、η = f(Ia) 。 直流电动机的额定励磁电流:U=UN、I=IN、n=nN、P2=PN 时的励磁电流。 1)转速特性n=f(Ia) U = Ea + I a Ra Ea = CeΦn n = U N − Ia Ra CeΦ n = UN CeΦ − Ra CeΦ Ia = n0′ − Ra CeΦ Ia n = U N − Ia Ra CeΦ = UN CeΦ − Ra CeΦ Ia n n0′ = n0′ − Ra CeΦ Ia •不计电枢反应的去磁作用,他励 o Ia 直流电动机的转速特性为一条略为 下降的直线。 •考虑电枢反应的去磁作用,转速下降会减少,他励直流 电动机的转速特性为一条略为下倾的曲线。 2)转矩特性T=f(Ia) T T = CtΦIa •不计电枢反应的去磁作用,有 T = CT ΦIa ∝ Ia O 转矩特性为一直线。 Ia •考虑电枢反应的去磁作用,随Ia的增大,主磁通Φ略有减 少,转矩特性偏离直线向下弯曲。 3)效率特性η=f(Ia) η = P2 = 1 − ∑ p P1 P1 P1 = U N I a η 1.0 ∑ p = pcu + pm + pFe + pa = I 2 a Ra + p0 0.8 η =1− I 2 a Ra + p0 UN Ia = f (Ia) dη = 0 dIa Ia2Ra = p0 0.6 0.4 0.2 Ia o 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 IN 当不变损耗=可变损耗时,电动机效率最高。 2.他励直流电动机的机械特性 他励直流电动机的机械特性:电动机在电枢电压U、励磁 电流If、电枢回路总电阻一定的条件下,转速n与电磁转矩 T之间的关系,即n=f(T)。 1)机械特性的表达式 U = Ea + Ia (Ra + RS ) T = Ct ΦI a Ea = CeΦn n = U CeΦ − Ra + RS CeCt Φ 2 T = n0′ − βT 式中,n 0′ = U CeΦ 为理想空载转速; β = Ra + RS CeCtΦ 2 为机械特性的斜率。 2)他励直流电动机的固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性:U=UN,If=IfN(Φ=ΦN), 电枢回路不串任何电阻时的机械特性。 n= UN CeΦ N − Ra CeCt Φ 2 N T= n0′ −αT n 固有机械特性分析: n0′ 1理想空载转速 n0′ = UN CeΦ N ; 2机械特性的斜率 α = Ra CeCt Φ N 2 , 该固有机械特性是一条硬特性。 o T n 3实际空载转速 n0 = n0′ − α T0 。 4当T=TN时,n = nN = n0′ − αTN 。 nnnN0′0 转速调整率 Δn = n0 − nN ×100% nN 3)机械特性的求取 o T0 TN T 他励直流电动机的固有机械特性是一条过理想空载点(T=0, n = n0′ = UN CeΦ N ,斜率 α = Ra C e C t Φ 2 N 的直线。 利用他励直流电动机的额定数据求取其固有机械特性: c计算CeΦN: CeΦ N = EaN nN = UN − IN Ra nN d计算理想空载转速 n0′: n0′ = UN CeΦ N 3计算机械特性的斜率α α = Ra C eC t Φ 2 N = Ra 9.55 (C e Φ N ) 2 例 9-2 一 台 他 励 直 流 电 动 机 额 定 数 据 为 : PN=100kW , UN=220V , IN=517A , nN=1200r/min , 电 枢 回 路 总 电 阻 Ra=0.044Ω。求该电动机固有机械特性的表达式。 解:Ce Φ N = UN − I N Ra nN = 200 − 517 × 0.044 1200 = 0.164 n0′ = UN CeΦ N = 220 0.164 = 1341(r / min) α = Ra Ce Ct Φ 2 N = Ra 9.55(CeΦ N )2 = 0.044 9.55× 0.1642 = 0.171 固有机械特性的表达式为 n = 1341 − 0.171T 4)电力拖动机组稳定运行的条件 稳定运行的概念:电力拖动机组在外界短时扰动作用下, 离开原来的平衡状态,但在扰动消失后能自动恢复到原来 的平衡状态,则称机组的运行是稳定的。 A点:T=TL,n=nA。 n 当扰动使转速由nA n′A 时, nn′AA 扰动消失后,TTL,系统加速,回到A点运行。 B点:T=TL,n=nB。 n 当扰动使转速由nB n′B 时, 扰动消失后,T>TL,系统将 n′B nB n′B′ 一直加速。 当扰动使转速由nB n′B′ 时, 扰动消失后,TTL T 3.并励直流电动机的运行特性 并励直流电动机的工作特性和机械特性与他励直流电动机 相同。 + Ia U − Ea T0 e i T2 n + T Uf If Φ − rj 他励直流电动机 + U − I If Ia Ea e i T2T0 n T Φ rj 并励直流电动机 4.串励直流电动机的机械特性 •串励直流电动机的机械特性:U=UN, + U − RS =常数时,n=f(T)。 I If F •串 励 直 流 电 动 机 的 固 有 机 械 特 性 : U=UN,RS =0时,n=f(T)。 Ea 串励直流电动机的特点: I = Ia = I f M Ia Φ = f (Ia) 1)当负载较小时 当负载较小时,磁路不饱和,Φ = kI f = kI a T = CtΦIa = Ct k Φ2 或 Φ= k Ct T n = U CeΦ − Ra CeΦ Ia = Ct Ce k ⋅ U T − Ra Cek 串励直流电动机的机械特性是一条软特性。 2)当负载较大时 当负载较大时,磁路饱和,气隙 n 磁通基本上为一常数,即 A Φ=C n = U N − Ra T CeΦ CeCtΦ2 = UN CeC − Ra CeCt C 2 T o 磁路不饱和时的 机械特性曲线 磁路饱和时 的机械特性 曲线BC段 B C T 3)串励直流电动机的特点 n •串励直流电动机的机械特性是一 条非线性的软特性。 飞车现象 A •串励直流电动机空载或轻载时, 转速很高。 B C •串励直流电动机起动转矩大、 过载能力强。 o n T 5.复励直流电动机的机械特性 复励电动机通常接成积复励,其 特性介于并励与串励直流电动机 之间。 串励 并励 并励为主的 复励电动机 串励为主的 复励电动机 o T 3)串励直流电动机的特点 n •串励直流电动机的机械特性是一 条非线性的软特性。 飞车现象 A •串励直流电动机空载或轻载时, 转速很高。 B C •串励直流电动机起动转矩大、 过载能力强。 o n T 5.复励直流电动机的机械特性 复励电动机通常接成积复励,其 特性介于并励与串励直流电动机 之间。 串励 并励 并励为主的 复励电动机 串励为主的 复励电动机 o T 9-4 直流电动机的起动 起动:电动机接通电源后,转速从零上升到稳定转速的过 程称为起动过程。 对直流电动机起动的基本要求: 1起动转距要大; 2起动电流要小,限制在安全范围之内; 3起动设备简单、经济、可靠。 直流电动机的起动方法: 1直接起动;2电枢串电阻起动;3降压起动 1.直接起动 定义:直接将电动机接到额定 电压的电源上起动。 + U− Kf Ka 最初起动电流: M Is = UN Ra Is=(10~20)IN。 rj 并励直流电动机直接 起动线路图 优点:不需要起动设备,操作简单,起动转矩大。 缺点:起动电流太大,会对电网和电动机造成冲击。 适用范围:小型直流电动机。 2.电枢串电阻起动 定义:起动时,在电枢回路中串入起动电阻,以限制电枢 电流;起动结束后将电阻全部切除。 + UN − S Rs1 Rs2 Rs3 M C1 C2 C3 最初起动电流: Is = UN Ra + RS = UN Ra + RS1 + RS2 + RS3 n n0′ nN h 三级电阻起动时电动机的机械特性 g n3 n2 f3 d2 Ra e Ra + Rs1 = R1 n1 b1 c Ra + Rs1 + Rs2 = R2 a Ra + Rs1 + Rs2 + Rs3 = R3 o TL T2 T1 T IL I2 I1 I 优点:起动设备简单,操作方便。 缺点:电能损耗大。 适用范围:中、小型直流电动机。 3.降压起动 定义:起动时,通过降低电枢端电压的方法来限制起动 电流。 最初起动电流: Is = U Ra 优点:起动电流小,起动平稳,起动时能量损耗少。 缺点:需要专用调压直流电源,投资较大。 适用范围:大容量频繁起动的直流电动机和各类直流电 力电子传动系统。 9-5 直流电动机的调速 调速指标:衡量各种调速方法技术经济性能的参数。 1调速范围D:电动机在额定负载下所能达到的最高转速 与最低转速之比。 D = nmax nmin 2静差率S:电动机由理想空载变到额定负载时,额定转 速降落△nN与理想空载转速n0之比。 S = ΔnN ×100% = n0 − nN ×100% n0 n0 3调速的平滑性:相邻两级转速之比称为平滑 系数ϕ。 ϕ = ni ni −1 4调速的经济指标:调速设备的投资;运行过程中的能量损 耗;维护费用。 1.他励直流电动机的调速 n = U CeΦ − Ra + Rs CeCtΦ 2 T = n0′ − βT 他励直流电动机的调速方法: 1改变电枢回路中的串联电阻Rs调速; 2改变气隙磁通Φ调速; 3改变电枢端电压U调速。 1)改变电枢回路中的串联电阻RS调速 1电枢回路串电阻时的人为机械特性 保持U=UN,If =IfN,在电枢回路中串入电阻RS时的人为机械 特性: n= UN CeΦ N − Ra + RS CeCt Φ 2 N T= n0′ −αT 特点: 理想空载转速 n0′不变; n n0′ RS2 > RS1 A Ra B 特性斜率α 随Rs的增大而增 C Ra + RS1 大结。果: Ra + RS 2 TL不变时,RS越大,n越低。 o TL T 2调速的物理过程 工作点:AJA′JB n n0′ n1 A′ 他励直流电动机带恒转矩负载运 n2 行,采用电枢回路串电阻调速, A Ra B Ra + RS Ia2 = Ia1 o n2 = Ea 2 Ea1 ⋅ n1 = U − Ia1(Ra + Rs ) U − Ia1Ra ⋅ n1 TL T 思考题:他励直流电动机带恒转矩负载运行,采用电枢 回路串电阻调速,调速前后稳态电枢电流如何变化? 保持不变 3优缺点 •优点:设备简单,操作方便。 •缺点: n n0′ 轻载时调速范围小; 低速时机械特性变软,转速 的稳定性较差; 属有级调速; 低速时效率较低,不经济; 0 转速只能调慢,不能调快。 Ra Ra + RS1 Ra + RS 2 Ra + RS3 TL T RS 3 > RS 2 > RS1 2)减小气隙磁通Φ调速 1减小气隙磁通时的人为机械特性 保持U=UN ,RS =0,减小气隙磁通Φ时的人为机械特性: n = UN CeΦ − Ra CeCt Φ 2 T = n0′ −αT 特 n 点理:想空载转速 n0′增大; Φ2 Φ1 特性斜率α 增大。 n0′ ΦN Φ2 < Φ1 < Φ N 一般情况下,n0′比αT 增加得快。 结果: TL不变时, Φ越小,n越高。 0 TL T 2调速的物理过程 n 工作点:AJA′JB n0′2 n2 他励直流电动机带恒转矩负 n0′1 n1 载运行,采用弱磁调速, B A A′ 2 Ia2 = Φ1 Φ2 ⋅ Ia1 Φ2 < Φ1 1 o TL T n2 = Ea2 Ea1 ⋅ Φ1 Φ2 ⋅ n1 = U U − Ia2 Ra − Ia1Ra ⋅ Φ1 Φ2 ⋅ n1 思考题:他励直流电动机带恒转矩负载运行,采用弱磁 调速,调速前后稳态电枢电流如何变化? 电枢电流增大 3优缺点 n •优点: n 0′2 调速设备简单,控制方便; n 0′1 调速的平滑性好; n 0′ 调速时电动机的效率基本不 变,经济性好。 o •缺点: 转速只能调高; Φ2 < Φ1 < Φ N Φ2 Φ1 ΦN TL T 最高转速受电动机机械强度及换向的限制,调速范围不 大,一般 D≈2~3。 3)改变电枢端电压U调速 1改变电枢端电压时的人为机械特性 保持If=IfN,RS=0,只改变电枢端电压U时的人为机械特性: n = U CeΦ N − Ra CeCtΦ N 2 T = n0′ −αT n n0′ U2 0 T ↓ > 0 制动原理 n B n2 制动状态 n0′ n1 电动状态 A TL n T TG TL′ o TL T n↑ n > n0′ Ea↑ > U N I ↓ a < 0 T↓ <0 此时电机进入发电状态,发出电能,回馈到电网。 特点:经济性好。 2.能耗制动 制动方法:保持If 的大小及方向 不变,将开关S向下合闸,使电枢 脱离电网而经制动电阻RL闭合。 Ia 制动原理: U =0 Ia = − Ea Ra + RL <0 T <0 制动过程中,机组转动部分的动能变成 电能,消耗在电枢回路的总电阻上。 机械特性: n = − Ra + RL CeCtΦ 2 T = −α T +U− 电动 S 制动 RL Ea M TL T n If n 能耗制动过程: 工作点:AJB JO B n 0′ 1 能耗制动运行: 工作点:O JC 电动机拖动反 抗性负载,电 机停转。 3 2 特点: o •能耗制动操作简单,便于实 现准确停车; •低速时制动转矩小,制动作 用减弱。 电动机带位能 性负载时的稳 定工作点 A Ra Ra + RL TL T C 3.反接制动 + U− 1)电枢反接的反接制动 适用对象:反抗性负载,停车。 制动方法:需要制动时,保持If 不变,将开关S向下合闸,使电枢 经制动电阻RL反接到电网上。 制动原理: Ia = −U − Ea Ra + RL <0 T <0 电动 S RL 制动 Ia Ea TL M T n If 反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功 率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。 机械特性: n = − U CeΦ − Ra + RL CeCtΦ 2 T = −n0′ − β T 制动过程: B 正向制动 C n n ′ 0 −TL 0 D A Ra Ra + RL TL T 工作点:AJB JC 反向电动 −n0′ 特点: 1低速时制动转矩大; 2能量损耗大,很不经济; 3转速下降到零时,必须及时断开电源,否则有可能反转。 2)限速反转反接制动 适用对象:位能性恒转矩负 载(稳速下放)。 制动方法:保持If及端电压U 不变,仅在电枢回路中串入足 够 大 的 制 动 电 阻 RL , 使 之 对 应的人为机械特性与负载转矩 特性的交点处于第四象限。 机械特性: K + Ia RL U Ea M T _ n n = U CeΦ − Ra + RL CeCt Φ 2 T = n0′ − βT TL If 电动 v 制动 G 稳速下放重物过程: Ia = U − Ea Ra + RL ↓ T ↓ < TL n↓ BC段:正向电动状态 n = 0 ↓ TC < TL n<0 CD段:反向制动状态 工作点:AJB JC JD n n 0′ B A Ra + RL C o TL 负载作用下电 D 机反向旋转 (下放重物) 正向电动状态 工作点(提升 重物) Ra T 电动机拖动位 能性负载稳定 工作点 小结 1.直流电动机的励磁方式 直流电动机的励磁方式分为他励、并励、串励和复励。 •他励直流电动机: I = I a •并励直流电动机: I = Ia + I f •串励直流电动机: I = I a = I f 2.直流电机的可逆原理 直流电机的可逆原理:同一台直流电机,在不同的外部条件 下,既可作电动机运行又可作发电机运行。 直流电机运行状态的判断依据:当Ea>U时,为发电机;当 Ea

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