第3章直流电动机.ppt

电机拖动与控制,第3章 直流电动机,本章内容主要包括：3.1 电力拖动系统的运动方程式3.2 负载的机械特性3.3 他励直流电动机的机械特性3.4 他励电动机的起动和反转3.5 他励直流电动机的制动3.6 他励电动机的调速3.7 直流电机的故障分析及维护,第3章 直流电动机,在电力拖动系统中，电动机是原动机，起主导作用；生产机械是负载。电动机的机械特性与负载的机械（转矩）特性是研究电力拖动的基础。本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。,3.1 电力拖动系统的运动方程式 3.1.1 电力拖动系统简介,用各种原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生产任务的过程称为拖动。用电动机作为原动机的拖动称为电力拖动。电力拖动系统包括：电动机、传动机构、工作机构、控制设备和电源五个部分。,1.电力拖动系统的组成,3.1.1 电力拖动系统简介,2.电力拖动系统的运动方程,如右图为单轴电力拖动系统。单轴电力拖动系统：电动机直接与生产机械的工作机构相连接，电动机与负载用同一个轴，以同一转速运行。,3.1.1 电力拖动系统简介,2.电力拖动系统的运动方程,运动方程：,其中，T电磁转矩 TL负载转矩 n电动机转速 GD2飞轮矩 T-TL动转矩,系统旋转运动的三种状态,2.电力拖动系统的运动方程,正负及方向：首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：,（2）负载转矩 与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。,3.1.2 直流电动机的基本方程,右图为一台他励直流电动机的示意图。电枢旋转时，电枢导体切割气隙磁场，产生电枢电动势Ea，在电动机中，此电动势的方向与电枢电流Ia的方向相反，称为反电动势。当电动机稳态运行时，有几个平衡关系，分别用以下方程式表示：,3.1.2 直流电动机的基本方程,1.电压平衡方程式（根据基尔霍夫定律列写）,2.转矩平衡方程式,稳态运行时，作用在电动机转轴上的转矩有三个。电磁转矩T 为驱动转矩，在电机稳态运行时，必须与负载转矩及空载转矩相平衡，即,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。,3.1.2 直流电动机的基本方程,3.功率平衡方程式,P1=UIa电动机从电源输入的电功率（kW）PM=EaIa电磁功率PCua=Ia2Ra电枢回路的铜损耗,4.电磁功率,PM=P2+p0=P2+pm+pFe,P1=PM+pCua=P2+p,p=pCua+pFe+pm电动机的总损耗,3.1.2 直流电动机的基本方程,PM电磁功率（kW）P2轴上输出的机械功率（kW）P0空载损耗，包括机械损耗pm和铁损耗pFe,功率流程图：,3.2 负载的机械特性,生产机械工作机构的负载转矩TL与转速之间的关系，即n=f(TL)称为负载的机械特性。也就是负载的转矩特性，简称负载特性。,1.反抗性恒转矩负载机械特性特点是工作机构转矩的绝对值是恒定不变的，转矩的性质总是阻碍运动的制动性转矩。,3.2.1 恒转矩负载的机械特性,恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。,机械特性如右图所示。n0时，TL0（常数）；n0时，TL0（常数）。TL的绝对值相等，位于第一、三象限。轧钢机、电车平地行驶、行走机构等由摩擦力产生转矩的机械属于此类。,3.2.1 恒转矩负载的机械特性,2.位能性恒转矩负载机械特性特点是工作机构转矩的绝对值是恒定不变的，而且方向不变（与运动方向无关），总是重力作用方向。,机械特性如右图所示。n0时，TL0是阻碍运动的制动性转矩；n0时，TL0是帮助运动的拖动性转矩。位于第一、四象限。起重机提升和下放重物属于此类。,3.2.2 泵类负载的机械特性,负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线，右图所示。如水泵、通风机和螺旋桨等。,3.2.3 恒功率负载的机械特性,恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。,3.3 他励直流电动机的机械特性,直流电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系：,3.3.1 机械特性方程,在电枢电路中串入一个附加电阻R，电枢电压为U，磁通为F，根据电压平衡方程式有：,又根据电磁转矩公式T=CTFIa代入上式，得电动机的机械特性方程为：,b-为机械特性的斜率,称为理想空载转速,Ra-电枢绕组电阻,3.3.2 固有机械特性,表达式为：,固有机械特性曲线如图3-9所示,3.3.2 固有机械特性,他励直流电动机固有机械特性具有以下几个特点：,3.3.3 人为机械特性,当改变电枢电压U、电枢回路电阻Ra和气隙每极磁通F得到的机械特性称为人为机械特性，三种人为机械特性如下：,电枢加额定电压UN，励磁磁通N，电枢回路串入电阻R后的人为机械特性方程式：,1.电枢回路串电阻R时的人为机械特性,电枢串入不同电阻R时的人为机械特性曲线如图所示：,电枢回路串电阻的人为机械特性有下列特点：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）特性斜率与电枢回路串入的电阻有关，R增大，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。,3.3.3 人为机械特性,2.改变电枢电压的人为机械特性,保持励磁磁通N，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：,改变电枢电压的人为机械特性如图所示：,3.3.3 人为机械特性,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n0U，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组平行于固有机械特性的直线。,n01,n02,nN,n,UN,U1,U2,3.3.3 人为机械特性,3.减弱磁通的人为机械特性,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减弱。减弱磁通的人为机械特性方程：,其特点是理想空载转速随磁通的减弱而上升，机械特性斜率则与励磁磁通的平方成反比。随着磁通的减弱增大，机械特性变软。不同励磁磁通的人为机械特性如下图所示。,3.3.3 人为机械特性,对于一般电机，当N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N的基础上减弱磁通。注：他励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开。,3.4 他励电动机的起动和反转,3.4.1 起动转矩和起动电流,电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。,起动应考虑的问题：（1）起动电流Is的大小；（2）起动转矩Ts的大小；（3）起动时间的长短；（4）起动过程是否平滑，即加速是否均匀；（5）起动过程的能量损耗和发热量的大小；（6）起动设备是否简单、可靠。其中，起动电流和起动转矩两项是主要应考虑的。,3.4.1 起动转矩和起动电流,起动最初，n=0，Ea0起动电流Is较大。如果电枢电压为额定电压UN，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，必须采取适当的措施限制起动电流，除容量极小的电机外，绝不允许直接起动,起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为：,他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。否则在加励磁电流之前电枢中一直为起动电流。(或理解为电能只以电枢绕组中热量的形式释放）,3.4.2 电枢回路串电阻起动,1.起动过程,为限制起动电流，起动时在电枢回路内串入起动电阻，然后在转速上升过程中逐级短接切除。下面以三级电阻起动为例加以说明。起动电路原理图和机械特性图如下：,3.4.2 电枢回路串电阻起动,电枢回路串电阻起动的工作原理 对应于起动电流Is1的起动转矩为Ts1，因Ts1TL，电动机开始起动。起动过程的机械特性如图所示，工作点由起动点Q沿电枢总电阻为Rs1的人为特性上升，电枢电动势随之增大（Ea=CeFn），电枢电流（反电动势增大）和电磁转矩（T=CTFIa）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)，为了保持起动过程中电流和转矩有较大的值，以加速起动过程。此时闭合S1，切除r1。此时的电流Is2称为切换电流。当r1被断掉后，电枢回路总电阻变为Rs2=Ra+r2+r3。由于机械惯性，转速和电枢电动势不能突变，电枢电阻减小将使电枢电流和电磁转矩增大，电动机的机械特性由图中曲线1上的A点平移到曲线2上的B点。再依此切除起动电阻r2、r3，电动机的工作点就从B点到D点，最后稳定运行在自然机械特性的W点，电动机的起动过程结束。,3.4.2 电枢回路串电阻起动,2.起动电阻的计算,起动电阻计算的主要任务包括选定最大起动电流Is1和切换电流Is2，确定适当的起动级数m，计算各段电阻的阻值和功率等。技术标准规定：一般直流电动机的起动电流应限制在额定电流的2.5倍以内，相应的起动转矩为额定转矩的2-2.5倍。一般选取最大起动电流为：Is1=(1.5-2.2)IN 为尽量缩短起动时间，要求各级起动过程均为加速运行状态，故Is2必须大于负载电流IL。一般选取切换电流为：Is2=(1.1-1.3)IL 起动级数m可根据控制设备来选取，也可根据经验试选，一般不超过六级。,对于三级电阻启动可得：,3.4.2 电枢回路串电阻起动,2.起动电阻的计算,由机械特性图，第一段电阻r1切除前后（A到B），电枢电动势保持不变（Ea=CeFn，n不能突变），即UN-IS2RS1=UN-IS1RS2，故有IS2RS1=IS1RS2，或,-为起动电流比。,分段起动电阻数值：,3.4.2 电枢回路串电阻起动,2.起动电阻的计算,由此得各级起动总电阻：,Rs3=RaRs2=Rs3=2 RaRs1=Rs2=3 Ra,r3=Rs3-Ra=(-1)Rar2=Rs2-Rs3=r3r1=Rs1-Rs2=r2,（1）确定最大起动电流IS1；,（3）选取起动级数，(通常可试取m=3)；,计算起动电阻的步骤：,3.4.2 电枢回路串电阻起动,2.起动电阻的计算,（2）求出Rs1=UN/IS1；,（4）求出起动电流比；,（5）求出切换电流Is2，如果Is21.1IN即可，否则，重新选取m（或在容许范围内重选Is1），至满足Is2=(1.1-1.3)IL或Is2=(1.1-1.3)IN为止。,（7）各段电阻的额定功率可按下式估算：Pr=IS1IS2r,（6）值确定后，计算各段电阻值；,m,a,s1,R,R,=,3.4.3 减压起动,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Ts1TL时；电动机就开始起动。起动后，随着转速上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。起动过程的机械特性如图所示：,3.4.4 直流电动机的反转,电机反转即改变电磁转矩的方向，由电磁转矩公式（T=CTFIa）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。,3.4 他励电动机的起动和反转,例3-1：某他励直流电动机额定功率PN=96kW，额定电压UN=440V，额定电流IN=250A，额定转速nN=500r/min，电枢回路电阻Ra=0.078W，拖动额定恒转矩负载运行，忽略空载转矩。（1）若采用电枢回路串电阻起动，起动电流Is1=2IN时，计算应串入的电阻值及起动转矩。（2）若采用减压起动，条件同上，电压应降至多少？计算起动转矩。,解：(1)串电阻起动时，应串电阻 RS=UN/IS1-Ra=（440/2250-0.078）=0.802W额定转矩 TN9.55PN/nN=(9.5596103/500)=1833.5Nm起动转矩 Ts=2TN=(21833.5)=3667Nm,(2)减压起动时，起动电压 Us=ISRa=(22500.078)V=39V起动转矩 Ts=2TN=(21833.5)=3667Nm,3.5 他励直流电动机的制动,.能耗制动.反接制动(倒拉、电源反接）.回馈制动(又称再生发电),制动的概念,电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。,制动的目的：,1）使电动机减速或停车。2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）,制动的方法,（1）机械制动（2）电磁制动,电磁制动的方法,机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电松闸、失电抱闸）,3.5 他励直流电动机的制动,机械抱闸制动示意图,3.5.1 能耗制动,电动状态（开关S打到电源上），电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭头所示。制动时将开关S打到制动电阻RB上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 Ea(Ea=CeFn)方向不变。由Ea产生的电枢电流IaB 的方向与电动状态时Ia的方向相反IaB=(U-Ea)/R,此时U=0,对应的电磁转矩 TB与T方向相反,为制动性质,电机处于能耗制动状态。能耗制动运行时，电动机靠将生产机械的动能转换成电能，消耗在制动电阻上。,3.5.1 能耗制动,能耗制动时的机械特性方程为：,3.5.1 能耗制动,但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是：,能耗制动操作简单,制动平稳,随着电机转速的减小,制动转矩也不断减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。,改变制动电阻RB的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。RB越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。,3.5.2 倒拉反接制动,倒拉反转反接制动适用于低速下放重物。,制动时在电路串入一个大电阻，此时Ia变小，电磁转矩变小。,倒拉反接,图3-17 倒拉反接原理图,3.5.2 倒拉反接制动,倒拉反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有,倒拉反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分（CD段）。,可以通过改变串入电阻值的大小来得到不同的下放速度。,3.5.2 倒拉反接制动,3.5.3 电源反接制动,电源反接（或称电枢反接）制动时接线如图所示。,开关S投向“电动”(蓝线)侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。反接制动时，将开关投向“制动”（红线）侧，电枢回路串入制动电阻RZ后，接上极性相反的电源电压，这时作用在电枢电路上的电压(U+Ea)2U,电枢回路内产生反向电流：,串入制动电阻Rz，以限制过大的制动电流（制动电流允许最大值2.5IN)反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用电源反接制动。,3.5.3 电源反接制动,电源反接过程的机械特性方程为：,可见,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制动电阻上。,3.5.4 回馈制动（再生制动）,回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。,电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 n n0情况，此时Ea U，Ia 反向，T反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态（P1=UIa 0、P2=T0）。,稳定运行有两种情况:1）正向回馈2）反向回馈,3.5.4 回馈制动（再生制动）,发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况：,回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。,3.5 他励直流电动机的制动,注意：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。说明：很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。,3.5 他励直流电动机的制动,例3-2：Z2-92型的直流他励电动机额定数据如下：PN=40kW，UN=220V，IN=210A，nN=1000r/min，电枢内电阻Ra=0.07W，试求：（1）在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流等于2IN时，电枢应接入多大的电阻？（2）求出它的机械特性的方程。（3）如电枢直接短接，制动电流应多大？,解：(1)额定负载时，电动机电动势EaN=UN-IaRa=（220-2100.07）=205.3V按要求 Ia=-2IN=(-2210)=-420A能耗制动时，电枢回路总电阻 R=-EaN/Ia=(-205.3/-420)=0.489W应接入制动电阻 RZ=R-Ra=(0.489-0.07)=0.419W,3.5 他励直流电动机的制动,(3)如电枢直接短接，制动电流 IZ=-EaN/Ra=-205.3/0.07=-2933A,(2)电动势系数CeFN=EaN/nN=205.3/1000=0.2053转矩系数 CTFN=9.55CeFN=9.550.2053=1.96所以机械特性方程为 n=-RT/CeCTFN2=-0.489T/0.20531.96=-1.215T,注：此电流约为额定电流的14倍，所以能耗制动时，不许直接将电枢短接，必须接入一定数值的制动电阻。,3.6 他励电动机的调速,电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构转速比进行调速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。,他励直流电动机的转速为,电气调速方法：1.电枢回路串电阻调速；2.降低电源电压调速；3.弱磁调速。,3.6 他励电动机的调速,（1）调速范围,衡量调速好坏的指标：,（2）调速的平滑性,在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比称为调速的平滑性，平滑系数为：,越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。,（3）调速的稳定性（静差率）,指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。静差率，是指电动机在某机械特性上运转时，由理想空载至满载时的转速降对理想空载转速的百分比，即：,%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。,D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。,3.6 他励电动机的调速,衡量调速好坏的指标：,（4）调速的经济性,主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。,3.6 他励电动机的调速,衡量调速好坏的指标：,（5）调速时电动机的容许输出,是指电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的功率和转矩。,3.6.1 电枢回路串电阻调速,3.6 他励电动机的调速,未串电阻时的工作点,串电阻R1后,工作点由AAB,拖动恒转矩负载为例。保持电源电压及主极磁通为额定值不变，在电枢回路内串入不同的电阻。,C,n2,串入更大的电阻R2后,将以更低的速度n2运行,3.6.1 电枢回路串电阻调速,调速时，电流变化及转速变化曲线如下：,3.6.1 电枢回路串电阻调速,优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。,1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；2）电枢回路串电阻越大，稳定运行时转速越低，所以，只能在低于额定转速的范围内调速，一般称为由基速（额定转速）向下调速。3）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差；（即受负载波动的影响大）4）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；5）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。,缺点：,3.6.2 降低电源电压调速,拖动恒转矩负载为例。保持主极磁通为额定值不变，电枢回路不串入电阻，降低电源电压。,3.6.2 降低电源电压调速,优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。,2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。,3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。,4）电能损耗较小。,缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源。,3.6.3 弱磁调速,拖动恒转矩负载为例。保持电枢电压不变，电枢回路不串入电阻，减小电动机的励磁电流使主极磁通值减弱。,3.6.3 弱磁调速,减弱磁通调速前、后转速变化曲线,减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线(Ea=CeFn，弱磁瞬间n不能突变，F减小则Ea减小，UN=Ea+IaRa，Ia增大),结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。,调速时，电流变化及转速变化曲线如下：,3.6.3 弱磁调速,优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。,2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大；,为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。,缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；,3.6 他励电动机的调速,例3-3：某台他励直流电动机，额定功率PN=220kW，UN=220V，IN=115A，nN=1500r/min，电枢回路电阻Ra=0.1W，忽略空载转矩T0，电动机带额定负载运行，试求：（1）要求把转速降到1000r/min，可有几种方法，并求出它们的参数。（2）当减弱磁通至F=3/4 FN时，拖动恒转矩负载时，求电动机稳定转速和电枢电流。能够长期运行？为什么？如果拖动恒功率负载，情况又怎样？,解：(1)把转速降到1000r/min，可有两种方法:1）电枢回路串电阻；2）降低电枢电压。1）计算电枢串入电阻的数值CeFN=（UN-IN Ra）/nN=（220-1150.1）/1500=0.139电枢串电阻为R，则有R=（UN-CeFNn）/IN-Ra=(220-0.1301000/115)-0.1=0.604W,2）计算降低后的电枢电压数值U=CeFNn+IN Ra=（0.1391000+1150.1）=150.5V(2)F=3FN/4时，电动机的转速和电枢电流的计算根据电磁转矩公式 T=CTFN Ia拖动恒转矩负载 T=TL=常数则有，Ia=FN IN/F=4IN/3=4115/3=153A电动机转速 n=（UN-IaRa）/CeF=（200-1530.1）/0.750.139=1964r/min可见，由于电动机的电枢电流IaIN，故不能长期运行。如果拖动恒功率负载，由于此时电枢电流 I=IN=常数电动机转速n=（UN-IaRa）/CeF=（220-1150.1）/0.750.139=2000r/min故，电动机可以长期运行（未考虑最高转速的限制）。,3.6 他励电动机的调速,3.7 直流电机的故障分析及维护1、直流电动机安装时，有哪些基本要求？2、电机发生故障时，应从哪些方面做常规检查？3、影响换向恶化的原因主要有哪些？4、电机振动的原因和带来的危害有哪些？通过什么手段来检测振动情况？5、换向器对表面光洁度和清洁度都有严格要求，如出现异常，分别采取哪些方法处理？6、电刷与换向器的接触面积有什么要求？对电刷的压力有什么要求？为什么同一台电机必须使用统一型号的电刷？新更换的电刷需做什么处理？7、电刷架的位置能随便移动吗？为什么？8、电枢绕组匝间短路的后果是什么？9、在电源电压一定的情况下，转速偏高的原因是什么？10、如果电机出现局部过热，试列出几个原因。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,1.机械原因（1）电机振动。现象：电刷在换向器表面跳动。原因：电枢两端的平衡块脱落或位置移动。处理办法：进行平衡。低速，静平衡；高速，动平衡。（2）换向器。现象：电刷不能在换向器上平稳滑动或火花增大。原因：换向器变形；片间云母突出；表面有疤痕或毛刺；换向器表面有油污。处理办法：沾酒精擦拭；用与换向器表面吻合的曲面木块垫上细砂纸磨换向器，严重则刀削外圆；云母突出则将云母下刻。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,（3）电刷。现象：产生有害火花。原因：电刷弹簧压力不合适；电刷材料不符合要求；电刷型号不一致；电刷与刷盒间配合太紧或太松；刷盒边离换向器表面距离太大。处理办法：电刷的弹簧压力根据不同的电刷确定；同一电机使用同一型号的电刷；更换电刷用较细的玻璃砂纸研磨，空转半小时，使换向器表面形成氧化膜，再投入工作。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,2、由机械引起的电气原因现象：产生有害火花或火花增大。原因：磁极、刷盒的装配有偏差。处理办法：使各磁极、电刷安装合适、分布均匀，电刷架保持出厂时的位置，固定牢固。3、电枢绕组故障（1）电枢元件断线或焊接不良。现象：电刷接触和离开的瞬间呈现较大的点状火花，使断路元件两侧的换向片灼黑；若用电压表检查换向器片间电压，断线元件或换向器焊接不良的元件两侧的换向片片间电压特别高,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,（2）电枢绕组短路。现象：局部过热,4、定子绕组故障（1）换向极或补偿绕组极性接反。现象：换向火花急剧增大，换向片明显灼黑。原因：极性接反。（2）换向极或补偿绕组短路。现象：火花增大。原因：换向极或补偿绕组短路,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.1 直流电机运行时的换向故障,（3）换向极绕组不合适。现象：电机修理后，再三调整还不能满足换向要求，从内部也找不出故障原因。原因：可能是换向极磁场不合适引起的。5、电源的影响现象：换向变坏；增加了电机的噪声、振动、损耗、发热。原因：使用晶闸管整流装置代替直流发电机组，这种电源带来了谐波电流和快速暂态变化。解决方法：用串接平波电抗器的方法来减少交流分量。一般外加平波电抗器的电感值约为直流电机电枢回路电感的2倍左右。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.2 直流电机运行时的性能异常及维护,1、转速异常当电机的转速发生异常时，可用转速公式 中的有关因素来找原因。（1）转速偏高。现象：对并励或他励电动机，转速剧升，有飞车的危险。如带负载很重，电动机速度也不致升高，这时电流剧增，使开关的保护装置动作后跳闸；对串励电动机，励磁线圈断线即电枢开路，电动机停止运行。原因：励磁绕组中发生短路现象或个别磁极极性装反，或励磁线圈断线，磁极只有剩磁。,（2）转速偏低。现象：电机转速偏低。原因：电枢回路中连接点接触不良，使电枢电路的电阻压降增大。解决方法：检查电枢电路各连接点（包括电刷）的接头焊接是否良好，接触是否可靠。（3）转速不稳。现象：电机的转速和电流发生急剧变化，电机不能正常稳定运行，如不及时制止，电机和所接仪表均有损坏的危险。解决方法：首先检查串励绕组极性是否准确，减小励磁电阻并增大励磁回路电流；若电刷没有放在中性线上应加以调整。,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.2 直流电机运行时的性能异常及维护,3.7 直流电机的故障分析及维护,3.7.2 直流电机运行时的性能异常及维护,2、电流异常现象：电枢电流增大，长时间运行，易烧毁电机绕组。原因：机械上有摩擦、轴承太紧、电枢回路中引线相碰或有短路现象、电枢电压太高等。3、局部过热现象：烧毁绕组；有绝缘烤糊味或局部过热。原因：电枢绕组中有短路现象；导体各联接点接触不良；换向器上的火花太大；电刷接触不良。,第三章 习 题,1、什么是电力拖动系统？试举出几个实例。2、电车前进方向为转速正方向，定性画出电车走平路与下坡时的负载转矩特性。3、他励直流电动机的电磁功率指什么？4、什么是他励直流电动机的固有机械特性，有何特点？5、他励直流电动机电枢回路串入电阻后，对理想空载转速大小有何影响？为什么？对机械特性硬度有无影响？为什么？6、直流电动机为什么不能直接起动？有哪几种起动方法？采用什么起动方法比较好？7、他励直流电动机起动时，为什么一定要先加励磁电压？如果未加励磁电压（或因励磁绕组断线），而将电枢接通电源，在下面两种情况下会有什么后果：(1)空载起动；（2）负载起动TL=TN。8、他励直流电动机有哪几种调速方法？各有什么优缺点？,第三章 习 题,9、当提到某台电动机处于制动状态时，是不是仅仅意味着减速停车？反之如果电动机在减速过程中，可否说电机一定处于制动状态？10、比较各种电磁制动方法的优缺点，它们各应用在什么地方？11、他励直流电动机的额定数据为PN=17kW，UN=220V，IN=90V，nN=1500r/min，Ra=0.147W，求：（1）直接起动时的起动电流；（2）拖动额定负载起动，若采用电枢回路串电阻起动，应串多大的电阻？若采用降低电枢电压起动，电压应降到多少？（顺利起动为条件）12、一台他励直流电动机，铭牌数据为PN=2.2kW，UN=220V，IN=12.6A，nN=1500r/min，Ra=0.2402W，求：(1)当Ia=12.6A时，电机的转速n；(2)当nN=1500r/min时，电枢电流Ia。,第三章 习 题,13、直流电动机起动时，为什么要在电枢电路中接入起动电阻？若把起动电阻留在电枢回路中长期运行，对电机有什么影响？14、他励电动机在运行过程中，若励磁绕组断线，会出现什么情况？15、有一台他励直流电动机，其额定数据如下：PN=2.2kW，Uf=UN=110V，nN=1500r/min，N=0.8，并已知：Ra=0.4W，Rf=82.7W，试求：（1）额定电枢电流；（2）额定励磁电流；（3）额定输出转矩；（4）额定电流时的反电动势。16、他励直流电动机常用哪几种方法进行调速？它们的主要特点是什么？17、一台他励直流电动机PN=29kW，UN=440V，nN=1050r/min，Ra=0.393W，IN=76.2A，重物类额定负载。（1）电动机在能耗制动下运行，转速nN=500r/min，求电枢回路中串接的电阻RZ1为多大？（2）电动机在倒拉反接制动下运行，转速nN=600r/min，求电枢回路中串接的电阻RZ2，以及电网供给的功率P1和电枢回路的总电阻上消耗的功率。,第三章 习 题 答 案,1、答：用各种原动机带动生产机械的工作机构运转，完成一定生产任务的过程称之为拖动，用电动机作为原动机的拖动称为电力拖动。如：电动葫芦、皮带机、电梯、电动门等。3、答：电磁功率是电动机由电能转换为机械能的那一部分功率。4、答：当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，这种情况下的机械特性，称为固有机械特性。5、答；对理想空载转速没有影响。对硬度有影响，串入的电阻越大，斜率越大，特性越软。6、直接起动电流太大。起动方法有电枢回路串电阻起动和减压起动。减压起动能量损耗很少，起动平滑，但需要专用电源设备。,