電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ) 第5版 課件 胡幸鳴 第0-2章 緒論、直流電機(jī)、直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)(4版)緒論一、電機(jī)的分類(lèi)、作用及發(fā)展

1、電機(jī)的分類(lèi)、作用

電機(jī)——利用電磁感應(yīng)定律和電磁力定律。將能量或信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換或變換的電磁機(jī)械裝置。電源的產(chǎn)生、變換、傳送、分配、使用都要用到各類(lèi)電機(jī)。電能的產(chǎn)生——變換——傳送│使用電機(jī)按功能用途分類(lèi)如下：常規(guī)電機(jī)控制電機(jī)電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)交流電動(dòng)機(jī)電機(jī)變壓器直流發(fā)電機(jī)交流發(fā)電機(jī)異步電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)電機(jī)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)領(lǐng)域中起著重要作用異步發(fā)電機(jī)同步發(fā)電機(jī)2、電機(jī)工業(yè)的發(fā)展電機(jī)工業(yè)的發(fā)展，與科技發(fā)展密切相關(guān)，從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應(yīng)現(xiàn)象起，它的歷史至今尚不到200年。我國(guó)的電機(jī)工業(yè)，從新中國(guó)成立以來(lái)的70多年間，建立了獨(dú)立自主的完整體系。近些年來(lái)，隨著對(duì)電機(jī)新材料的研究并在電機(jī)設(shè)計(jì)、制造工藝中利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，普通電機(jī)的性能更好、運(yùn)行更可靠；而控制電機(jī)的高可靠性、高精度、快速響應(yīng)使控制系統(tǒng)完成各種人工無(wú)法完成的快速?gòu)?fù)雜的精巧運(yùn)動(dòng)。一、電機(jī)的分類(lèi)、作用及發(fā)展

電力拖動(dòng)——以電動(dòng)機(jī)為動(dòng)力拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)方式。電力拖動(dòng)系統(tǒng)的起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速的控制簡(jiǎn)單方便、快速性好且效率高。由于電動(dòng)機(jī)的類(lèi)型多，有不同的運(yùn)行特性，加上計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展，滿足了各種類(lèi)型的生產(chǎn)機(jī)械的拖動(dòng)要求。

二、電力拖動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)三、本課程內(nèi)容和要求本課程是《電機(jī)原理》、《電力拖動(dòng)基礎(chǔ)》兩大部分內(nèi)容的有機(jī)結(jié)合。學(xué)習(xí)直流電機(jī)、變壓器、異步電動(dòng)機(jī)、和控制電機(jī)的基本理論和電力拖動(dòng)的基本原理，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)或?qū)嵱?xùn)，熟悉常用電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理；掌握直流電動(dòng)機(jī)和三相異步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、制動(dòng)、調(diào)速的電力拖動(dòng)基本原理及相關(guān)計(jì)算；了解單相異步電動(dòng)機(jī)、控制電機(jī)的特點(diǎn)和用途。四、本課程特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法

本課程既有基礎(chǔ)性又有專(zhuān)業(yè)性。它是運(yùn)用《電工基礎(chǔ)》等基礎(chǔ)課程的基本理論來(lái)分析研究各類(lèi)電機(jī)內(nèi)部的電磁物理過(guò)程，從而得出各類(lèi)電機(jī)的一般規(guī)律及其各異的特性。但它與《電工基礎(chǔ)》等基礎(chǔ)程課的性質(zhì)不同。在《電機(jī)及拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程中，不僅有理論的分析推導(dǎo)，磁場(chǎng)的抽象敘述，而且還要用基本理論去分析研究比較復(fù)雜的又往往帶有機(jī)、電、磁綜合性的工程實(shí)際問(wèn)題。這是學(xué)習(xí)本課程的特點(diǎn)，也是難點(diǎn)。四、本課程特點(diǎn)及學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)過(guò)程中，對(duì)電機(jī)結(jié)構(gòu)要結(jié)合實(shí)物弄清各主要部件的組成和作用；要從物理概念上去理解和記憶有關(guān)公式而不要死記硬背；要從物理意義上去弄懂各章節(jié)例題的解題步驟，并學(xué)會(huì)解一反三；要注意各種電機(jī)的結(jié)構(gòu)的異同點(diǎn)、電磁關(guān)系的異同點(diǎn)、能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的異同點(diǎn)、拖動(dòng)問(wèn)題的異同點(diǎn)等，運(yùn)用總結(jié)對(duì)比的方法，融會(huì)貫通，加深理解。課前應(yīng)預(yù)習(xí)，便于有的放矢地聽(tīng)課；課后應(yīng)及時(shí)復(fù)習(xí)和小結(jié)、完成相應(yīng)的課外作業(yè)，以提高學(xué)生的理解和運(yùn)算能力。需進(jìn)行必要的實(shí)驗(yàn)和實(shí)習(xí)，一是對(duì)基本原理和理論進(jìn)行驗(yàn)證，二是培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立工作能力，提高實(shí)驗(yàn)操作技能和動(dòng)手能力。相關(guān)網(wǎng)站中國(guó)電機(jī)網(wǎng)/中國(guó)變壓器行業(yè)信息網(wǎng)/webpage/default.asp微電機(jī)網(wǎng)/index/index.asp第一章直流電機(jī)第一章直流電機(jī)直流電機(jī)是電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機(jī)之一。直流發(fā)電機(jī)：機(jī)械能——直流電能直流電動(dòng)機(jī)：直流電能——機(jī)械能直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能、較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩和過(guò)載能力等很多優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本高，運(yùn)行維護(hù)較困難。主要應(yīng)用于起動(dòng)和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械中，如金屬切削機(jī)床，軋鋼機(jī)、電力機(jī)車(chē)、起重機(jī)、造紙及紡織行業(yè)等機(jī)械中。本章主要分析直流電機(jī)的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特性（以直流電動(dòng)機(jī)為重點(diǎn)）。第一節(jié)直流電機(jī)的基本工作原理與結(jié)構(gòu)一、直流電機(jī)的基本工作原理1、直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理基于電磁感應(yīng)原理：e=Blv,右手定則：判斷e的方向產(chǎn)生磁場(chǎng)：（N、S極）運(yùn)動(dòng)導(dǎo)線ab、cd切割磁場(chǎng)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)——交變換向整流——電刷間輸出直流電動(dòng)勢(shì)直流發(fā)電機(jī)的工作原理模型例1-1

如果前圖中的直流發(fā)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，電刷兩端的電動(dòng)勢(shì)極性有何變化？還有什么因素會(huì)引起同樣的變化？解：直流發(fā)電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，由右手定則，圖示線圈中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)方向?yàn)閍-b-c-d,通過(guò)換向片與電刷的滑動(dòng)接觸，則電刷B極性為正，電刷A極性為負(fù)。所以改變電樞轉(zhuǎn)向，可改變電刷間輸出電動(dòng)勢(shì)極性。由右手定則可知：決定感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)極性的因素有兩個(gè)，一是改變電樞轉(zhuǎn)向，二是磁場(chǎng)極性，因此改變磁場(chǎng)的極性也可使直流發(fā)電機(jī)的輸出電動(dòng)勢(shì)極性改變。+-NS注意：電樞轉(zhuǎn)向和磁場(chǎng)極性只能改變其一。2、直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理基于電磁力定律：f=Bli,左手定則：判斷f的方向載流導(dǎo)體ab、cd在磁場(chǎng)中產(chǎn)生電磁力f形成電磁轉(zhuǎn)矩帶動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)換向器作用：在發(fā)電機(jī)中起整流作用，使線圈中的交變電動(dòng)勢(shì)——電刷間的直流電動(dòng)勢(shì)。在電動(dòng)機(jī)中起逆變作用，使電刷間的直流電——線圈內(nèi)的交變電，保證電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向恒定。直流電動(dòng)機(jī)工作原理模型例1-2

電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的生產(chǎn)設(shè)備常需要作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，如電力機(jī)車(chē)的前行和倒退，就要求牽引電動(dòng)機(jī)能正、反轉(zhuǎn)。分析前圖中的直流電動(dòng)機(jī)如何能反轉(zhuǎn)(順時(shí)針旋轉(zhuǎn))?解：圖中的電動(dòng)機(jī)模型要順時(shí)針旋轉(zhuǎn)需獲得一個(gè)順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，由左手定則可知：電磁力的方向取決于磁場(chǎng)極性或?qū)w中電流的方向，所以直流電動(dòng)機(jī)獲得反轉(zhuǎn)的方法有兩個(gè)：一是改變磁場(chǎng)極性，二是改變電源電壓極性使流過(guò)導(dǎo)體的電流方向改變。注意：兩者只能改變其一，否則，直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向不變。-+ffn改變電源極性（導(dǎo)體電流方向）而反轉(zhuǎn)示意圖3、電機(jī)的可逆原理任何一臺(tái)電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，也可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，這一性質(zhì)稱(chēng)為電機(jī)的可逆原理。如果電機(jī)轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械能，而電樞繞組輸出電能，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械能，則電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。電機(jī)的實(shí)際運(yùn)行方式由外施條件決定：二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)的外形圖（自帶鼓風(fēng)機(jī)的Z4系列）圖中上為鼓風(fēng)機(jī)，下為直流電動(dòng)機(jī)二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1-端蓋2-風(fēng)扇3-機(jī)座4-電樞5-主磁極6-電刷架7-換向器8-接線板9-接線盒1-電樞鐵心2-主磁極鐵心3-勵(lì)磁繞組4-電樞齒5-換向極繞組6-換向極鐵心7-電樞槽8-底座9-電樞繞組10-極掌(極靴）11-機(jī)座（磁軛)二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)的徑向剖面圖二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)靜止部分:定子旋轉(zhuǎn)部分:轉(zhuǎn)子中間有氣隙電磁方面：產(chǎn)生磁場(chǎng)和構(gòu)成磁路。機(jī)械方面：整個(gè)電機(jī)的支撐。作用主要部件：磁極、機(jī)座、換向極、電刷、軸承、端蓋等作用感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換主要部件：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸承和風(fēng)扇等主磁極1、定子部分產(chǎn)生磁場(chǎng)，N、S相隔，用p表示極對(duì)數(shù)主磁極由圖中的2-磁極鐵心和3-勵(lì)磁繞組構(gòu)成,磁極鐵心由極身和極靴組成.反映主極磁場(chǎng)的磁力線經(jīng)主磁極的N極-氣隙-電樞齒-電樞磁軛-電樞齒-氣隙-定子齒軛-（回到）N極，形成閉合的磁回路機(jī)座導(dǎo)磁和機(jī)械支撐作用:改善直流電機(jī)的換向，一般電機(jī)容量超過(guò)1kW時(shí)均應(yīng)安裝換向極。安裝在相鄰兩主磁極之間，用螺釘固定在機(jī)座上。用整塊鋼制成，也可用厚1~1.5mm厚鋼板或硅鋼片疊成1-刷握2-銅絲辮3-壓緊彈簧

4-電刷塊（石墨材料）換向極電刷作用：將旋轉(zhuǎn)的電樞與固定不動(dòng)的外電路相連，把直流電壓和直流電流引入或引出2、轉(zhuǎn)子部分材料：為減小磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心用0.35mm或0.5mm厚的硅鋼片疊成，表面有絕緣層。

作用：通過(guò)磁通和嵌放電樞繞組。電樞鐵心鐵心沖片上層有效邊端接部分端接部分下層有效邊線圈首端線圈尾端作用：用于產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和通過(guò)電流，實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。電樞線圈電樞繞組：電樞線圈按一定規(guī)律連接形成。其并聯(lián)支路對(duì)數(shù)用a表示。單疊繞組：a=p單波繞組：a=1單波、單疊繞組聯(lián)接示意圖換向器材料：采用導(dǎo)電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成。作用：實(shí)現(xiàn)電刷內(nèi)外交直流的轉(zhuǎn)換。由許多燕尾狀的銅片間隔絕緣云母片而成主極極靴和電樞間的間隙。不均勻。3、氣隙作用：保證了電機(jī)的轉(zhuǎn)子的正常旋轉(zhuǎn)，又是磁路的重要組成部分。小型電機(jī)氣隙約為0.7～5mm；大型電機(jī)氣隙可達(dá)5～10mm。三、直流電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)電機(jī)型號(hào)銘牌數(shù)據(jù)主要有：額定功率額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速額定勵(lì)磁電流勵(lì)磁方式出廠數(shù)據(jù)如出廠編號(hào)、出廠日期等例：直流電機(jī)的銘牌直流電動(dòng)機(jī)型號(hào)Z4-112/2-1標(biāo)準(zhǔn)編號(hào)GB/T6316冷卻方式IC06額定功率5.5kW勵(lì)磁方式他勵(lì)工作制S1額定電壓440V勵(lì)磁電壓180V絕緣等級(jí)F額定電流14.7A勵(lì)磁功率320W防護(hù)等級(jí)IP21S額定轉(zhuǎn)速2940r/min弱磁轉(zhuǎn)速4000r/min重量××kg出品編號(hào)××××出品日期××年×月整流器編號(hào)

××××電機(jī)廠Z4-112/2-1

直流電動(dòng)機(jī)

第四次系列設(shè)計(jì)

機(jī)座中心高,mm極數(shù)1、電機(jī)型號(hào)型號(hào)表明電機(jī)所屬的系列及主要特性。知道了型號(hào)，可從相關(guān)手冊(cè)中查出電機(jī)的許多技術(shù)數(shù)據(jù)。1號(hào)為短鐵心，2號(hào)為長(zhǎng)鐵心Z4-180-21

直流電動(dòng)機(jī)

第四次系列設(shè)計(jì)

機(jī)座中心高,mm電樞鐵心長(zhǎng)度代號(hào)1、電機(jī)型號(hào)端蓋代號(hào)(1:短端蓋,2:長(zhǎng)端蓋)另一種Z4型號(hào)示例2、額定值(1)額定功率PN

PN(kw)是指在規(guī)定的工作條件下，長(zhǎng)期運(yùn)行允許輸出的功率。對(duì)于發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是指正負(fù)電刷之間輸出的電功率；對(duì)于電動(dòng)機(jī)，則是指軸上輸出的機(jī)械功率。(2)額定電壓ＵN

UN(V)對(duì)發(fā)電機(jī)來(lái)說(shuō)，是指在額定電流下輸出額定功率時(shí)的端電壓；對(duì)電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)，是指所規(guī)定的正常工作時(shí)，加在電動(dòng)機(jī)兩端的直流電源電壓。(3)額定電流IN

IN(A)是直流電機(jī)正常工作時(shí)輸出或輸入的最大電流值。對(duì)于發(fā)電機(jī)，三個(gè)額定值之間的關(guān)系為PN=UNIN

對(duì)于電動(dòng)機(jī)，三個(gè)額定值之間的關(guān)系為PN=UN·IN·

N

(4)額定轉(zhuǎn)速nNnN(r/min)是指電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速。額定效率；

N=（PN/P1）*%

Z4系列直流電動(dòng)機(jī)銘牌中特有的一個(gè)數(shù)據(jù)，是指電動(dòng)機(jī)采用弱磁調(diào)速時(shí)，高于額定轉(zhuǎn)速的最高轉(zhuǎn)速，否則電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度等受損。所以很多廠家的銘牌上常把最高轉(zhuǎn)速標(biāo)注為弱磁轉(zhuǎn)速，如銘牌所示的弱磁（最高）轉(zhuǎn)速為4000r/min。3、最高轉(zhuǎn)速4、冷卻方式

電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，各種損耗會(huì)有熱能產(chǎn)生，需要進(jìn)行相應(yīng)的冷卻。Z4系列電動(dòng)機(jī)的冷卻方式有：IC06（自帶鼓風(fēng)機(jī)的外通風(fēng)），也可為IC17冷空氣進(jìn)口為管道，出口為百葉窗排風(fēng)。5、絕緣等級(jí)

電機(jī)的絕緣等級(jí)高低決定了絕緣材料的耐熱允許溫度，從而決定電機(jī)的允許溫升。Z4系列電動(dòng)機(jī)的絕緣等級(jí)是F。例1-3一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，

PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，

N=85%。求其額定電流和額定負(fù)載時(shí)的輸入功率。

解

例1-4一臺(tái)Z4-132-11直流電動(dòng)機(jī)，PN=18.5KW，UN=440V，nN=2850r/min，

N=83.3%。求其額定電流和額定負(fù)載時(shí)的輸入功率。

解

電樞繞組與勵(lì)磁繞組并聯(lián)勵(lì)磁繞組單獨(dú)供電電樞繞組與勵(lì)磁繞組串聯(lián)有并勵(lì)又有串勵(lì)繞組6、勵(lì)磁方式直流電機(jī)運(yùn)行性能與勵(lì)磁方式密切相關(guān)，因此直流電機(jī)的分類(lèi)以勵(lì)磁方式分類(lèi)（1）Z4系列電動(dòng)機(jī)：中心高100～355mm，是JB／T6316-2006《Z4系列直流電機(jī)技術(shù)條件》所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)系列小型直流電動(dòng)機(jī)；廣泛用作各類(lèi)機(jī)械的傳動(dòng)源，諸如冶金工業(yè)軋機(jī)傳動(dòng)，金屬切削機(jī)床、造紙、印刷、紡織、印染、水泥、塑料擠出機(jī)械等。Z4系列直流電動(dòng)機(jī)比Z2、Z3系列具有更大的優(yōu)越性，它不僅可用直流機(jī)組電源供電，更適用于靜止整流電源供電。而且轉(zhuǎn)動(dòng)慣量小，具有較好的動(dòng)態(tài)性能，并能承受較高的負(fù)載變化率，特別適用于需要平滑調(diào)速、效率高、自動(dòng)穩(wěn)速、反應(yīng)靈敏的控制系統(tǒng)。Z4系列勵(lì)磁方式為他勵(lì)，勵(lì)磁電壓為180V。

四、直流電機(jī)的主要系列簡(jiǎn)介（2）Z系列中型直流電動(dòng)機(jī)中心高355mm～710mm是我國(guó)機(jī)械行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JB／T9577-2011《Z系列中型直流電動(dòng)機(jī)技術(shù)條件》所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)系列中型直流電動(dòng)機(jī)。共有A、B、C三類(lèi)，分別是普通工業(yè)用電動(dòng)機(jī)、金屬軋機(jī)用電動(dòng)機(jī)、可逆軋機(jī)用電動(dòng)機(jī)。除一般的直流電動(dòng)機(jī)要求外，第二類(lèi)電動(dòng)機(jī)要求有連續(xù)過(guò)載能力、有較強(qiáng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、有較高的短時(shí)過(guò)載能力。第三類(lèi)要求有適合傳動(dòng)快速逆轉(zhuǎn)和突然施加重負(fù)荷的能力、有高的短時(shí)過(guò)載能力。

四、直流電機(jī)的主要系列簡(jiǎn)介還有:ZT、ZZJ、ZQ、Z-H系列等第二節(jié)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電動(dòng)勢(shì)

一、電磁轉(zhuǎn)矩T（Torque）

在直流電機(jī)中,電磁轉(zhuǎn)矩T是由電樞電流與磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生的電磁力所形成的。經(jīng)推導(dǎo)電磁轉(zhuǎn)矩可用下式來(lái)表示：

T＝CT

Ia

式中ＣT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；ＣT=Np/(2

a)取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)，即在制成的電機(jī)中，p、N（電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)）、

a均為定值；

——每極下的合成磁通(Wb)；

當(dāng)Ia為(A)時(shí),電磁轉(zhuǎn)矩單位為N.m。

可見(jiàn)對(duì)已制成的電機(jī),電磁轉(zhuǎn)矩T正比于氣隙每極磁通

及電樞電流Ia。

在直流電機(jī)中,感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)是由于電樞繞組和磁場(chǎng)之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),即導(dǎo)線切割磁力線而產(chǎn)生的。根據(jù)電磁感應(yīng)定律可推得：

Ea＝Ce

n式中Ce——電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，Ce

＝Np/(60a)。取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)

當(dāng)每極磁通

、轉(zhuǎn)速n的單位分別是Wb、r/min時(shí),電樞電動(dòng)勢(shì)的單位為V。

可見(jiàn)：對(duì)已制成的電機(jī),Ea正比于每極磁通

和轉(zhuǎn)速n；另：轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT與電勢(shì)常數(shù)Ce之間有固定的比值關(guān)系：

CT／Ce＝(N·p/2

a)/(N·p/60a)=9.55二、電樞電動(dòng)勢(shì)Ea例1-5

一臺(tái)4極直流電動(dòng)機(jī)，電樞繞組為單疊繞組，每極磁通Φ=2.0×10-2Wb，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=432，額定轉(zhuǎn)速nN=2850r/min，求：

1）電動(dòng)機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)。

2）若電樞電流為400A時(shí)，能產(chǎn)生多大電磁轉(zhuǎn)矩？1）電樞電動(dòng)勢(shì)：?jiǎn)委B繞組：解2）電磁轉(zhuǎn)矩Pem=EaIa=(pN/60a)

nIa=(pN/2

a)

Ia(2

n/60)=T

對(duì)電動(dòng)機(jī)而言電動(dòng)勢(shì)Ea是反電動(dòng)勢(shì)，電源電壓U必須大于電動(dòng)勢(shì)Ea把電流Ia灌入。從上式的推導(dǎo)過(guò)程可見(jiàn)，電動(dòng)勢(shì)Ea與電樞電流Ia的乘積是電功率屬性的電磁功率Pem，經(jīng)過(guò)電磁作用轉(zhuǎn)換為等量的機(jī)械功率屬性的電磁功率Pem

，所以Pem是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。橋梁電功率屬性機(jī)械功率屬性Pem三、電磁功率Pem

第三節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖及電路圖電動(dòng)機(jī)慣例：Ea與Ia反向,T與n同方向TL與n反方向電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的基本方程式：電動(dòng)勢(shì)平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、功率平衡方程式一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式1、電動(dòng)勢(shì)平衡方程式根據(jù)電路的基爾霍夫定律可以寫(xiě)出電樞回路的電動(dòng)勢(shì)平衡方程式：

U=Ea＋I(xiàn)aRa

式中Ra——電樞回路總電阻

Ia——他勵(lì)電動(dòng)機(jī)Ia=I

；并勵(lì)電動(dòng)機(jī)Ia=I-If

對(duì)于電動(dòng)機(jī)：U>Ea，Ea與Ia反方向一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式2、功率平衡方程式

電機(jī)在機(jī)電能量轉(zhuǎn)換中，一部分能量不能被利用，這部分能量稱(chēng)為損耗。直流電機(jī)的損耗可分為：

pm：由各類(lèi)摩擦引起的機(jī)械損耗

pFe：鐵心損耗(磁滯與渦流之和)pcua：電樞回路銅耗pcua=Ia2Rapf：勵(lì)磁回路銅耗pf（=UIf=RfIf2）；

ps：附加(雜散stray)

)損耗空載損耗p0即不變損耗因此，功率平衡方程式，就是扣除損耗的過(guò)程。——可變損耗一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式2、功率平衡方程式

P1=UI=UIa=(Ea＋I(xiàn)aRa)Ia=EaIa＋I(xiàn)a2Ra=Pem＋pcua

上式說(shuō)明：當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接上電源U時(shí),電樞繞組中流過(guò)電流Ia,電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入的電功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于電樞銅耗，大部份作為電磁功率轉(zhuǎn)換成了機(jī)械功率。但轉(zhuǎn)變成機(jī)械屬性的Pem還要扣除鐵耗、機(jī)械損耗、附加損耗才是輸出的機(jī)械功率P2

P2=Pem－pFe－pm－ps=Pem－p0

一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式2、功率平衡方程式

注意：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁銅耗pf由其他電源提供。而并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的pf由同一電源提供，所以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式中還應(yīng)包括勵(lì)磁銅耗pf

。上述的功率平衡關(guān)系可用功率流程圖形象的表示：一、直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式3、轉(zhuǎn)矩平衡方程式由：P2/

=Pem/

-p0/

得：T2=T-T0或T=T2+T0T2—電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械轉(zhuǎn)矩。它與軸上所帶的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

相平衡,即T2=TL。

T0—電動(dòng)機(jī)空載轉(zhuǎn)矩,與轉(zhuǎn)向相反；由空載損耗產(chǎn)生,數(shù)值很小。

電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，拖動(dòng)性質(zhì)的T與制動(dòng)性質(zhì)的TL+

T0相平衡電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩的常用計(jì)算公式：負(fù)載轉(zhuǎn)矩：T2=P2/

=P2/(2n/60)=9.55P2/n(N·m)在額定情況下,TN=9.55×PN/nN

(N·m)同理：T=9.55Pem/n(N·m)例1-6一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)接在440V電網(wǎng)上運(yùn)行，已知，1）問(wèn)：此電機(jī)是發(fā)電運(yùn)行還是電動(dòng)運(yùn)行？

2）求電磁轉(zhuǎn)矩、輸入功率和效率各為多少？

解

1）判斷一臺(tái)直流電機(jī)是何種運(yùn)行狀態(tài)，可比較電樞電動(dòng)勢(shì)和端電壓的大小，即因?yàn)楣蚀穗姍C(jī)是電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

2）求

根據(jù)

則電樞電流

電磁轉(zhuǎn)矩效率也可以上：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，I=Ia

例1-7一臺(tái)Z4-180-11他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī),額定數(shù)據(jù)為：PN=37kW，UN=440V，ηN=88.51%，nN=1500r/min,電樞回路總電阻Ra=0.261Ω。試求：1)額定負(fù)載時(shí)的電樞電動(dòng)勢(shì)Ea和額定電磁轉(zhuǎn)矩T；2)額定輸出轉(zhuǎn)矩TN和空載轉(zhuǎn)矩T0。：

解

二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指U=UN=常數(shù),電樞回路不串入附加電阻,勵(lì)磁電流If=IfN時(shí),電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率

與輸出功率P2之間的關(guān)系,即：當(dāng)P2P1IIa所以，工作特性也可看成n、T、與Ia的關(guān)系。二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性1、轉(zhuǎn)速特性當(dāng)電機(jī)軸上的機(jī)械負(fù)載增大時(shí),輸出的機(jī)械功率P2隨之增大,輸入功率P1和電樞電流Ia也隨之增加,電樞電阻壓降增大,使轉(zhuǎn)速n降低。但隨著電樞電流的增加,電樞反應(yīng)的去磁作用使氣隙磁通減小,又使轉(zhuǎn)速n上升。一般情況,電樞電阻壓降的影響較大,所以,轉(zhuǎn)速特性是一條略微向下傾斜的曲線,

如曲線1所示。二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性2、轉(zhuǎn)矩特性T=T2+T0=9.55P2/n+T0如果n不變,則輸出轉(zhuǎn)矩T2與P2成正比關(guān)系。T2=f(P2)特性曲線是一條過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)的直線?？紤]到P2增大時(shí),n略有下降,故T2=f(P2)曲線呈略為上翹趨勢(shì)。而T=f(P2)特性曲線與比T=f(P2)曲線高一個(gè)空載轉(zhuǎn)矩T0,如圖所示的曲線2。二、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性2、效率特性當(dāng)P2從零,Ia值很小,可變損耗Ia2Ra很小,電機(jī)損耗以不變損耗p0為主，損耗小。這樣,輸出功率P2的增大比P1增大的快，效率

上升很快。隨后因可變損耗Ia2Ra隨電流按平方關(guān)系增大，使總損耗的增加很快,P2的增大比P1增大的慢，效率有所下降，如圖曲線3所示。?？梢?jiàn)效率曲線存在最大值，電機(jī)在空載、輕載時(shí)效率低,因此在使用和選擇電機(jī)上應(yīng)盡量使電機(jī)工作在高效率的區(qū)域。

第四節(jié)直流電機(jī)的換向

直流電機(jī)電樞繞組中一個(gè)元件經(jīng)過(guò)電刷從一個(gè)支路轉(zhuǎn)換到另一個(gè)支路時(shí)，電流方向改變的過(guò)程為換向。當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載后，元件中的電流經(jīng)過(guò)電刷時(shí)，電流方向會(huì)發(fā)生變化。換向不良會(huì)在電刷下產(chǎn)生電火花，嚴(yán)重時(shí)出現(xiàn)環(huán)火將燒毀電刷，導(dǎo)致電機(jī)不能正常運(yùn)行。換向問(wèn)題涉及電磁、機(jī)械、化學(xué)等方面因素。這里僅對(duì)換向過(guò)程、影響換向的電磁原因、改善換向的方法作簡(jiǎn)要介紹。一、直流電機(jī)的換向過(guò)程結(jié)論：一個(gè)元件從一個(gè)支路換到另一個(gè)支路時(shí)要經(jīng)過(guò)電刷。元件里的電流必然改變方向以單疊繞組的線圈K為例，它從屬于電刷右側(cè)支路，經(jīng)歷了被電刷短路后，變成屬于電刷左側(cè)支路，這一過(guò)程中，線圈K中的電流從+ia改變成-ia，完成了電流換向，換向周期Tc是極短的.二、影響換向的電磁原因

前述換向線圈K換向過(guò)程中所處的主磁場(chǎng)為零，電動(dòng)勢(shì)為零，稱(chēng)直線換向如圖曲線1所示。但實(shí)際中，換向線圈中存在：（1）電抗電動(dòng)勢(shì)ex

由換向電流變換產(chǎn)生的自感電勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)，阻礙換向，與換向前的電流同方向。（2）電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ea

由電樞磁場(chǎng)引起的電動(dòng)勢(shì)，阻礙換向，與換向前的電流同方向。由于阻礙換向的ex+ea

的存在，使換向線圈中存在一個(gè)附加換向電流ik，使換向電流的變化變慢，稱(chēng)延遲換向。如圖的曲線2所示，使電刷的后刷邊易出現(xiàn)火花。換向電流變化過(guò)程三、改善換向的方法

想法產(chǎn)生一個(gè)與ex+ea

反向的電動(dòng)勢(shì)，起抵消和削弱作用。一般容量在1kW以上的電機(jī)在主磁極之間裝置換向極，極性與電樞磁通勢(shì)方向相反，其磁場(chǎng)大小先抵消電樞磁通勢(shì)，再是產(chǎn)生的換向極電動(dòng)勢(shì)ek與ex大小相等，方向相反，使ek+ex≈0，使ik≈0,達(dá)到減小火花，改善換向的目的。換向極的繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)，極性與電樞磁通勢(shì)方向相反。換向線圈中電動(dòng)勢(shì)方向及換向極位置和極性

例1-8

某臺(tái)直流電動(dòng)機(jī)，在運(yùn)行時(shí)后刷邊發(fā)生火花，如在換向極根部加裝銅墊片，運(yùn)行時(shí)便無(wú)火花，為什么？解：運(yùn)行時(shí)后刷邊發(fā)生火花屬于延遲換向，其原因是換向元件中電抗電動(dòng)勢(shì)大于換向極電動(dòng)勢(shì)。為改善換向，消除火花，應(yīng)該設(shè)法增加換向極電動(dòng)勢(shì)，這就要求增強(qiáng)換向極的磁場(chǎng)。若在換向極的根部加裝非磁性的銅墊片(做成第二氣隙)，整個(gè)換向極磁路的總氣隙長(zhǎng)度雖未改變，但極面下的氣隙減小了。這樣可以減小換向極的漏磁通，增加了換向極的有效磁通，使換向極電動(dòng)勢(shì)增加，從而達(dá)到消除火花的目的。第二章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)第二章直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)

凡是由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)，都稱(chēng)為電力拖動(dòng)系統(tǒng)。生產(chǎn)機(jī)械稱(chēng)為電動(dòng)機(jī)的負(fù)載。電力拖動(dòng)系統(tǒng)一般構(gòu)成如圖所示。

本章首先介紹電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式，然后介紹電動(dòng)機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械的轉(zhuǎn)矩特性，最后主要研究他勵(lì)電動(dòng)機(jī)應(yīng)用的四大問(wèn)題——起動(dòng)、反轉(zhuǎn)、制動(dòng)、調(diào)速第一節(jié)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

電力拖動(dòng)系統(tǒng)中所用的電機(jī)種類(lèi)很多，生產(chǎn)機(jī)械的性質(zhì)也各不相同。因此，需要找出它們普遍的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，予以分析。從動(dòng)力學(xué)的角度看，它們都服從動(dòng)力學(xué)的統(tǒng)一規(guī)律。所以，我們首先研究電力拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)，建立電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式。一、單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式

單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)，就是電動(dòng)機(jī)輸出軸直接拖動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。熟悉的直線運(yùn)動(dòng)方程旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)方程物體的飛輪力矩，它是一個(gè)整體物理量，反映轉(zhuǎn)動(dòng)體的慣性

二、電力拖動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)分析

一個(gè)電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于靜態(tài)（靜止不動(dòng)或勻速）還是動(dòng)態(tài)（加速或減速），都可以從運(yùn)動(dòng)方程式來(lái)判定，當(dāng)電力拖動(dòng)系統(tǒng)的正向運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)分析如下：

1).當(dāng)Ｔ＝ＴL時(shí)，dn/dt=0，則n＝0或n＝常數(shù)，即電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于靜止不動(dòng)或勻速運(yùn)行的穩(wěn)定狀態(tài)。

2).當(dāng)Ｔ

ＴL時(shí)，dn/dt

0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，即處于過(guò)渡過(guò)程中。

3).當(dāng)T

TL

時(shí)，dn/dt

0，電力拖動(dòng)系統(tǒng)處于減速狀態(tài)，也是過(guò)渡過(guò)程。例2-1

分析下圖中電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。解：設(shè)a圖為正向運(yùn)動(dòng)，T幫助正向運(yùn)動(dòng)為正，TL

反對(duì)正向運(yùn)動(dòng)為正，且T<TL，所以運(yùn)動(dòng)方程式中：T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于正向減速狀態(tài)。

設(shè)b圖為反向運(yùn)動(dòng)，T幫助反向運(yùn)動(dòng)為負(fù)，TL

幫助反向運(yùn)動(dòng)為正，且數(shù)值上T=TL，所以運(yùn)動(dòng)方程式中：

-T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于反向加速狀態(tài)。第二節(jié)生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性

不同生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速n變化規(guī)律不同，用負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性來(lái)表征，即n=f(TL)。各種生產(chǎn)機(jī)械的特性大致可分為以下三種類(lèi)型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性

恒功率負(fù)載特性

通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性TL=常數(shù)，與轉(zhuǎn)速n無(wú)關(guān)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機(jī)械運(yùn)動(dòng)的方向相反，總是阻礙電動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，如軋鋼機(jī)、機(jī)床的平移機(jī)構(gòu)、電力機(jī)車(chē)等。當(dāng)下放重物時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相同，促使電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)。起重設(shè)備提升重物時(shí)，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL為阻力矩，與電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向相反位能性負(fù)載轉(zhuǎn)矩由重力作用產(chǎn)生，其大小和方向始終不變恒功率負(fù)載特性通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性

PL=常數(shù),TL=9.55P/nTL=Kn2

例：車(chē)床切削粗加工時(shí),切削量大(TL大)，用低速檔；精加工時(shí)，切削量小(TL小)，用高速檔電扇、水泵、油泵等

注意：以上三類(lèi)是典型的負(fù)載特性，實(shí)際生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性常為幾種類(lèi)型負(fù)載的綜合。

第三節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性就是指在穩(wěn)定運(yùn)行情況下，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f(T)。機(jī)械特性是電動(dòng)機(jī)的主要特性，是分析電動(dòng)機(jī)起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等問(wèn)題的重要工具。下面以他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例討論機(jī)械特性。他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速機(jī)械特性的斜率轉(zhuǎn)速降斜率β越小，特性越平，稱(chēng)為硬特性。反之稱(chēng)為軟特性機(jī)械特性曲線實(shí)際空載轉(zhuǎn)速一般表達(dá)式他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的接線圖一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性U=UN、Φ=ΦN，Rpa=0的機(jī)械特性稱(chēng)固有機(jī)械特性Rpa=0,Ra很小，

=

N數(shù)值最大，機(jī)械特性斜率β最小，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性是硬特性。一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性2、人為機(jī)械特性

如果人為地改變固有機(jī)械特性中的氣隙磁通

、電源電壓Ｕ和電樞回路電阻Rpa中的任意一個(gè)參數(shù)，這樣的機(jī)械特性稱(chēng)為人為機(jī)械特性。（1）電樞回路串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性斜率β

增加電阻增加n0

不變2、人為機(jī)械特性(2)改變電源電壓的人為機(jī)械特性(3)改變磁通的人為機(jī)械特性磁通減小電壓降低U降低，β

不變，n0減小(2)改變電源電壓的人為機(jī)械特性

減小，β

增大，n0增大二、電力拖動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件

電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，是指在某種外界因素(如電網(wǎng)電壓波動(dòng)或負(fù)載的微小變化)的擾動(dòng)下，系統(tǒng)離開(kāi)原來(lái)的平衡狀態(tài)，達(dá)到新的平衡狀態(tài)；或當(dāng)外界因素消失后，仍能恢復(fù)到原來(lái)的平衡狀態(tài)。前面分析了生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性n＝f(TL)和電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n=f(T)，把兩種特性配合起來(lái)，就可以研究電力拖動(dòng)系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行問(wèn)題。電動(dòng)機(jī)在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中運(yùn)行時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行和不穩(wěn)定運(yùn)行兩種情況。電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要條件：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性有交點(diǎn)：即T=TL

電力系統(tǒng)要穩(wěn)定運(yùn)行的充分條件：兩條特性配合恰當(dāng)，即在交點(diǎn)處滿足：dT/dn<dTL/dn二、電力拖動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行的條件電力拖動(dòng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的分析結(jié)論：下斜的機(jī)械特性與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運(yùn)行;上翹的機(jī)械特性與恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載配合,系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性在A點(diǎn)的斜率：dn/dTL=∞,則dTL/dn=0下斜的機(jī)械特性在A點(diǎn)其dn/dT<0,則dT/dn<0，在A點(diǎn)滿足dT/dn<dTL/dn上翹的機(jī)械特性在A點(diǎn)其dn/dT>0,則dT/dn>0，在A點(diǎn)不滿足dT/dn<dTL/dn穩(wěn)定運(yùn)行不穩(wěn)定運(yùn)行系統(tǒng)電壓波動(dòng)機(jī)特系統(tǒng)電壓波動(dòng)機(jī)特1、全壓起動(dòng)第四節(jié)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)：電動(dòng)機(jī)接通電源后，由靜止?fàn)顟B(tài)加速到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的過(guò)程。一、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法

額定電壓加于電動(dòng)機(jī)的電樞兩端，由于起動(dòng)瞬間n=0，Ea=0，由U=Ea＋I(xiàn)aRa故起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩分別為：他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的全壓起動(dòng)先合Q1再合Q2例2-2

一臺(tái)Z4-160-31他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，計(jì)算：1）全壓起動(dòng)時(shí)的起動(dòng)電流。

2）在額定磁通下起動(dòng)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。

解

1）求起動(dòng)電流：起動(dòng)電流是額定電流的15倍2）求起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：略空載轉(zhuǎn)矩T0

當(dāng)不考慮電樞反應(yīng)去磁的影響，磁通Φ不變,則Tst

Ist，所以

后果引起電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)上其他用戶使電動(dòng)機(jī)的換向嚴(yán)重惡化，甚至?xí)龎碾妱?dòng)機(jī)過(guò)大的沖擊轉(zhuǎn)矩，機(jī)械軸過(guò)度沖擊，損壞傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

從上例可以看出，由于電樞電阻Ra阻值很小，額定電壓下直接起動(dòng)的起動(dòng)電流很大，通常可達(dá)額定電流的（10～30）倍。起動(dòng)轉(zhuǎn)矩也相當(dāng)大。

所以，直流電動(dòng)機(jī)一般不允許全壓起動(dòng)。起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便的全壓起動(dòng)只適用于容量很小的直流電動(dòng)機(jī)。（1）要有足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩(Tst>TL)。（2）起動(dòng)電流要限制在一定的范圍內(nèi)。（3）起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、可靠，操作方便，起動(dòng)時(shí)間短。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)的要求：電樞回路串電阻起動(dòng)減壓起動(dòng)注意：起動(dòng)時(shí)應(yīng)保證電動(dòng)機(jī)的磁通為最大值，在限制起動(dòng)電流的情況下使轉(zhuǎn)矩較大。

對(duì)于容量較大的電機(jī)，為限制起動(dòng)電流，可用2、減壓起動(dòng)

減壓起動(dòng)即起動(dòng)前將電源電壓降低，以減小起動(dòng)電流Ist。為獲得足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Tst>TL），起動(dòng)時(shí)電流通常限制在(1.5～2)IN

內(nèi)，則起動(dòng)電壓應(yīng)為：

Ust=IstRa=(1.5～2)INRa

當(dāng)n↑，Ea↑Ia↓,Tst↓——須U↑，保證起動(dòng)電流和轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上。至U=UN，起動(dòng)結(jié)束。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前多用晶閘管整流裝置自動(dòng)控制起動(dòng)電壓。Z4系列電動(dòng)機(jī)均為減壓起動(dòng)。

例2-3

例2-2中的電動(dòng)機(jī)若限制起動(dòng)電流不超過(guò)2INＡ，求采用減壓起動(dòng)，起動(dòng)電壓是多少？解：1)起動(dòng)電壓Ust＝IstRa＝2×77.8×0.376V＝58.51V

電樞串電阻起動(dòng)后，n↑，Ea↑Ia↓Tst↓——加速減慢，為了縮短起動(dòng)時(shí)間，保持電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)過(guò)程中的加速不變，理論上應(yīng)將起動(dòng)電阻平滑地切除，但實(shí)際中把起動(dòng)電阻分成2~4段逐級(jí)切除（稱(chēng)分級(jí)起動(dòng)），最后使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到運(yùn)行值。對(duì)Z2系列直流電動(dòng)機(jī)，可串入合適的起動(dòng)電阻Rst,使起動(dòng)電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。3、電樞回路串電阻起動(dòng)

電樞回路串電阻起動(dòng)時(shí)，電源電壓為額定值且恒定不變，在電樞回路中串接一起動(dòng)電阻Rst，達(dá)到限制起動(dòng)電流的目的。二、他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)

要使電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩T的方向。只要將磁通

和Ia任意一個(gè)參數(shù)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩即改變方向。在自動(dòng)控制中，通常直流電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)實(shí)施方法有兩種：由：

1、改變勵(lì)磁電流方向：保持電樞兩端電壓極性不變，將勵(lì)磁繞組反接，使勵(lì)磁電流反向，磁通

即改變方向。

2、改變電樞電壓極性：保持勵(lì)磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，電樞電流Ｉa即改變方向。實(shí)際應(yīng)用中大多采用改變電樞電壓極性的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。

第五節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電動(dòng)機(jī)的兩種運(yùn)行狀態(tài)：電動(dòng)狀態(tài)：T與n方向相同，機(jī)特Ⅰ、Ⅲ象限制動(dòng)狀態(tài)：T與n方向相反，機(jī)特Ⅱ、Ⅳ象限制動(dòng)方法：能耗制動(dòng)反接制動(dòng)再生制動(dòng)制動(dòng)目的：快速停車(chē)（反向）或限速。一、能耗制動(dòng)制動(dòng)原理：電動(dòng)機(jī)靠生產(chǎn)機(jī)械慣性力的拖動(dòng)切割磁場(chǎng)而發(fā)電，將生產(chǎn)機(jī)械儲(chǔ)存的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，并消耗在繞組及電阻上，直到電動(dòng)機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)為止。能耗制動(dòng)U=0機(jī)械特性過(guò)原點(diǎn)運(yùn)行時(shí)KM1常開(kāi)閉合，與電源連接；制動(dòng)時(shí)連接電阻Rbk制動(dòng)時(shí)，T與n方向相反制動(dòng)時(shí)KM1常閉接通原運(yùn)行于a點(diǎn)制動(dòng)時(shí)，對(duì)于反抗性負(fù)載將經(jīng)b點(diǎn)到達(dá)O點(diǎn)停下來(lái)。能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性

U=0,機(jī)特過(guò)原點(diǎn)斜率取決于限流電阻Rbk一般限流：IbK

(2～2.5)IN

對(duì)位能性負(fù)載將達(dá)到C點(diǎn)。

二、反接制動(dòng)1.電樞反接制動(dòng)制動(dòng)原理：Ibk產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩T，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的制動(dòng)作用，n快速下降。U=-UN,R=Ra+Rbk機(jī)械特性過(guò)-n0機(jī)械特性：制動(dòng)過(guò)程當(dāng)制動(dòng)的目的為停車(chē)時(shí)，在電機(jī)n≈0時(shí)，須立即斷開(kāi)電源。為了限制過(guò)大的電樞電流，反接制動(dòng)時(shí)必須在電樞回路中串接制動(dòng)電阻Rbk

一般：Ibk≤(2～2.5)IN

故制動(dòng)電阻的計(jì)算：電樞反接制動(dòng)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)一方面向電源吸取電功率P1＝UI，另一方面將系統(tǒng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電磁功率Pem＝EaIa，這些電功率全部消耗在電樞電路的電阻(Ra＋Rbk)上。其能量損耗很大。電機(jī)的能耗：

二、反接制動(dòng)2.倒拉反接制動(dòng)只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，下放重物

U=UN，電樞串大電阻Rbk機(jī)械特性過(guò)+n0，與負(fù)載特性的交點(diǎn)落在第Ⅳ象限從提升重物至下放重物過(guò)程：a—b—c—d，Rbk越大，下放轉(zhuǎn)速也越大。三、再生制動(dòng)

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的nn0

時(shí)，Ea>U，Ia方向與電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)相反，T的方向與電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)相反，為制動(dòng)性質(zhì)，P1<0，電機(jī)向電源回饋電能，此時(shí)電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)稱(chēng)為再生制動(dòng)。

當(dāng)位能性負(fù)載進(jìn)行電樞反接制動(dòng)，當(dāng)n=0時(shí)，如不切除電源，電機(jī)便在電磁轉(zhuǎn)矩和位能負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下，迅速反向加速，至

n

n0

時(shí)，電機(jī)進(jìn)入反向再生制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)因n為負(fù)，T為正，機(jī)械特性位于第IV象限，最終穩(wěn)定下放重物運(yùn)行于e點(diǎn)

反向再生制動(dòng)對(duì)位能性負(fù)載下放時(shí)起限速作用。所串電阻Rbk越大，下放速度越高，安全性越差。所以常切除電阻，稱(chēng)在固有機(jī)特上，下放重物。四、制動(dòng)問(wèn)題計(jì)算以上定性分析他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的各種制動(dòng)原理，從機(jī)械特性的角度分析對(duì)應(yīng)的制動(dòng)過(guò)程。制動(dòng)問(wèn)題的計(jì)算則用電動(dòng)勢(shì)平衡方程式，代入不同制動(dòng)條件來(lái)進(jìn)行求解，較為方便。一般先求出，然后分別針對(duì)快速停車(chē)和穩(wěn)定下放重物兩類(lèi)問(wèn)題，進(jìn)行計(jì)算。（1）快速停車(chē)已知瞬時(shí)制動(dòng)電流（），求電樞回路串入的電阻值：（能耗制動(dòng)：U＝0；電樞反接制動(dòng)U＝－UN）四、制動(dòng)問(wèn)題計(jì)算(2)穩(wěn)定下放重物（，與已知負(fù)載轉(zhuǎn)成正比）

1）已知電樞串入電阻Rbk，求下放轉(zhuǎn)速：2）已知下放轉(zhuǎn)速（n<0)，求電樞回路串入的電阻：1)、2）中，能耗制動(dòng)：U=0；倒拉反接制動(dòng)：U=UN；反向再生制動(dòng)：U=-UN

例2-4一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=5.6KW，UN=220V，IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4

，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=0.8TN，試計(jì)算：(略空載轉(zhuǎn)矩T0）

1).電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)反抗性負(fù)載，采用能耗制動(dòng)停車(chē)，電樞回路應(yīng)串入的制動(dòng)電阻最小值是多少？若采用電樞反接制動(dòng)停車(chē)，電阻最小值是多少？（電樞電流不得超過(guò)2倍額定電流）

2).電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，要求以300r/min速度下放重物，采用倒拉反接運(yùn)行，電樞回路應(yīng)串入多大電阻？若采用能耗制動(dòng)運(yùn)行，電樞回路應(yīng)串入多大電阻？

3).想使電機(jī)以n=－1200r/min速度，在反向再生制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，下放重物，電樞回路應(yīng)串多大的電阻？

解

電動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速能耗制動(dòng)電阻反接制動(dòng)電阻電樞對(duì)應(yīng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為為0.8TN的電樞電流，1）快速停車(chē)時(shí)，能耗制動(dòng)電阻和電樞反接制動(dòng)電阻倒拉反接制動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電阻

能耗制動(dòng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電阻

3）反向再生制動(dòng)運(yùn)行計(jì)算反向再生制動(dòng)運(yùn)行時(shí)電阻2)下放重物時(shí)，倒拉反接和能耗制動(dòng)電阻第六節(jié)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速調(diào)速：機(jī)械調(diào)速:電氣調(diào)速:改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)速比改變電動(dòng)機(jī)參數(shù),人為地改變電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，從而使負(fù)載工作點(diǎn)發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速隨之變化。由得調(diào)速方法：降壓U減弱磁通φ電樞回路串電阻一、調(diào)速指標(biāo)1.調(diào)速范圍電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下可能運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，通常又用D表示:受電動(dòng)機(jī)的機(jī)械強(qiáng)度、換向條件、電壓等級(jí)等方面的限制受到低速運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性的限制

不同的生產(chǎn)機(jī)械對(duì)調(diào)速范圍的要求不同，例如車(chē)床Ｄ＝20～120，龍門(mén)刨床Ｄ＝10～40，軋鋼機(jī)Ｄ＝3～120，造紙機(jī)Ｄ＝3～20等。

顯然，在相同的n0情況下，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性愈硬，Δn愈小，靜差率就愈小，相對(duì)穩(wěn)定性就愈好。生產(chǎn)機(jī)械調(diào)速時(shí)，要求靜差率小于一定值，以使負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化，保持一定的穩(wěn)定程度，生產(chǎn)機(jī)械容許的靜差率用

r

表示。例如，普通車(chē)床要求

r

30

，一般設(shè)備要求r

50

，高精度的造紙機(jī)要求r

0.1

。靜差率與調(diào)速范圍兩個(gè)指標(biāo)是相互制約,要統(tǒng)疇考慮。2.調(diào)速的相對(duì)穩(wěn)定性（靜差率）負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化小，其相對(duì)穩(wěn)定性好3.調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多，即調(diào)速越平滑，相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比稱(chēng)為平滑系數(shù)：φ→1，則平滑性好，當(dāng)φ

=1時(shí)，稱(chēng)為無(wú)級(jí)調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時(shí)，級(jí)數(shù)有限，稱(chēng)為有級(jí)調(diào)速。4.調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性對(duì)調(diào)速設(shè)備的投資和電能消耗等經(jīng)濟(jì)效果的綜合比較。

二、改變電樞電路串電阻的調(diào)速電樞回路串電阻的機(jī)特，Rpa愈大，特性愈軟，轉(zhuǎn)速愈低。調(diào)速過(guò)程：電動(dòng)機(jī)原穩(wěn)定運(yùn)行在固有機(jī)械特性的a點(diǎn)上，當(dāng)Ｒpa接入瞬間，因n不能突變，工作點(diǎn)從a點(diǎn)跳至人為機(jī)械特性的b點(diǎn)，這時(shí)，Ia↓→T↓→Ｔ<ＴL，n↓

，Ea↓→Ｉa↑→

Ｔ↑，直到Ｔ＝ＴL，電動(dòng)機(jī)在低速的c點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行。

電樞串電阻調(diào)速的特點(diǎn)：

(1)串入電阻后轉(zhuǎn)速只能降低，由于機(jī)械特性變軟，靜差率變大，特別是低速運(yùn)行時(shí)，負(fù)載稍有變動(dòng)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波動(dòng)大，因此調(diào)速范圍受到限制。Ｄ＝1～3。

(2)調(diào)速的平滑性不高；輕載時(shí)調(diào)速不明顯。

(3)由于電樞電流大，調(diào)速電阻消耗的能量較多，不夠經(jīng)濟(jì)。

(4)調(diào)速方法簡(jiǎn)單，設(shè)備投資少。

Z2系列直流電動(dòng)機(jī)基速以下調(diào)速可用電樞串電阻調(diào)速（例如起重設(shè)備和運(yùn)輸牽引裝置），也可用降壓調(diào)速。

例2-5

一臺(tái)直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，其額定數(shù)據(jù)為：ＰN＝100KＷ，ＩN＝511A，ＵN＝220Ｖ，nN＝1500r/min，電樞電路總電阻Ｒa=0.04

，電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，現(xiàn)用電樞串電阻的方法將轉(zhuǎn)速調(diào)至600r/min，應(yīng)在電樞電路內(nèi)串多大電阻？由且為額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩：Ia=IN得解三、降壓調(diào)速Un0nn01n02n03調(diào)速過(guò)程：a-b-c降壓調(diào)速的特點(diǎn)1)無(wú)論高速還是低速，機(jī)械特性硬度不變，靜差率小，調(diào)速性能穩(wěn)定，故調(diào)速范圍廣。2)電源電壓能平滑調(diào)節(jié)，故調(diào)速平滑性好，可達(dá)到無(wú)級(jí)調(diào)速。3)降壓調(diào)速是通過(guò)減小輸入功率來(lái)降低轉(zhuǎn)速的，低速時(shí)，損耗減小，調(diào)速經(jīng)濟(jì)性好。降壓調(diào)速的性能好，目前被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)中。如軋鋼機(jī)，龍門(mén)刨床等。降壓較大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)再生制動(dòng)Z4系列直流電動(dòng)機(jī)基速以下調(diào)速均采用降壓調(diào)速，恒轉(zhuǎn)矩降低電樞電壓向下調(diào)速，在電流連續(xù)的情況下最低可達(dá)20r/min。

例2-6

例題2-2的電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)額定恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，用欲進(jìn)行降壓調(diào)速。1）將電樞電壓降低至額定電壓的50%，求調(diào)壓后電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是多少？2）要把轉(zhuǎn)速降到400r/min，求電樞電壓應(yīng)降至多少?

調(diào)速后，因負(fù)載轉(zhuǎn)矩未變，磁通也未變，故電