汽车电工电子技术项目二直流电应用分析

1、2019/4/10,1,高职高专改革创新示范教材,课件制作：职业技术学院汽车教研室,2019/4/10,2,高职高专改革创新示范教材,项目一 直流电路的常用分析方法,知识目标,能力目标,掌握直流电动机的电势方程式，转矩方程式和电压平衡方程式； 掌握电动机的机械特性，特别是人工机械特性； 掌握电动机起动，制动，调速的各种方法和应用场所； 了解用机械特性来分析电动机运行状态的方法； 了解常用控制电机的应用场合； 熟悉直流电机控制电路中常用电器元件的结构、原理和工作过程。,能能根据使用要求正确选择直流电动机的种类、结构形式、额定功率、额定电压、额定转速； 能根据使用要求正确选用继电器、接触器、按钮开关等低压电路电器元件； 能正确设计简单的直流电机控制电路解决现实问题； 会查阅有关技术资料和工具书。相关外文 资料。 养成独立思考问题的好习惯 ，具备团队协作精神,2019/4/10,3,任务导入,手动开关控制电动窗帘电路,引导问题1:,2019/4/10,4,福特汽车车窗玻璃升降器控制电路,引导问题2:,2019/4/10,5,项目任务：尝试分析串励直流电机启动、调速、正反转控制电路,将串励直流

2、电机正反转控制电路工作过程的分析结果填写在相应横线上：,2019/4/10,6,任务分析,对引导问题1、引导问题2和任务1中电路的分析可以发现什么呢？ 本质仍是直流电路 引导问题1、2为直流电机正反转控制工作的情况 项目任务与引导问题1、2相比无太大变化，是实现串励直流电机正反转控制的电路，但添加了直流电机的启动、调速等功能,本任务目的：希望大家通过对串励直流电机启动、调速和正反转控制电路的分析，不仅掌握电路的工作实现过程，而且了解和熟悉电路中经常用到的各种电器元件及其特性，并为以后能够独立运用这些元件设计组成自己所需要的功能电路奠定基础。,2019/4/10,7,知识准备,1、图中常用电气符号及标识标准-具体看书表2-1,表2-1 任务1所示电路图中电气符号及其含义,2019/4/10,8,8,2019/4/10,9,2019/4/10,10,2019/4/10,11,2019/4/10,12,2019/4/10,13,2、图中常用电气元件特性认识,直流电动机,1）直流电动机的工作原理,结构中： A、B为电刷； E、F为两个半环的换向器,图2-6 直流电动机工作原理图,注意： 电刷压

3、在换向片上，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,2019/4/10,14,电流具体路径为：,结合上图和提示，想想：永磁式直流电动机的工作过程,描述如下;,问答互动,2019/4/10,15,根据电磁感应定律，线圈切割磁力线会产生感应电动势，因此电动机工作过程中线圈同时也会产生感应电动势，相当于在发电.,图2-7 电动机工作过程中发电产生反电动势的工作原理图,2019/4/10,16,请大家把发电机的工作原理与电动机的工作原理图进行对比，并将二者之间的区别和联系说明如下：,问答互动,2019/4/10,17,2）直流电动机的主要组成部件,知识准备,图2-8 汽车发动机启动直流电动机的结构及主要部件,直流电机主要由定子、转子、刷盖、驱动盖和外壳等组成。,2019/4/10,18,表2-2 直流电机励磁方式分类,2019/4/10,19,3）直流电动机的主要参数,直流电动机的主要参数是指直流电机的铭牌数据，即标注在电机铭牌上的数据，也可理解为电机工作的额定值，它是正确合理使用电机的依据。 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机

4、的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。,2019/4/10,20,参数1：电枢反电动势E 根据电动机在外加电压的作用下旋转工作，同时旋转的线圈切割磁力线又在发电输出电动式，结合图2-X可知电枢电动势E与外加电压U之间有如下关系：,图2-9 电枢电动势E与外加电压U,U：外加电压； Ra：绕组电阻,2019/4/10,21,电枢反电动势（因为E与通入的电流方向相反，所以叫反电势）,外加电压,其中:KE：与电机结构有关的常数 ：磁通（韦伯） n：电动机转速，（r/min，转/每分） E（伏）,可见，当外加电压一定时，电机转速与磁通量成反比， 也即：通过改变磁通，可实现调速。,注：以上两公式反映的概念： 电枢反电动势的大小和磁通量、转速成正比，若想改变E，只能改变Ra或n 若忽略绕组中的电阻，则UE=KEn,2019/4/10,22,参数2：电磁转矩T：,其中：KT：与线圈的结构有关的常数，其数值与线圈匝数，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；,由转矩公式可知： 产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。 改

5、变电机旋转的方向：改变电枢电流的方向或者改变磁通的方向。,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,；,其中：TL：负载转矩 T0：空载转矩,2019/4/10,23,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。,从而达到新的平衡点，与原平衡点相比，新的平衡点体现出：Ia、P都有所增加（这里应该是P还是T呢，应该？）,设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时，若TL突然增加，则具体调整过程为：,2019/4/10,24,参数3：额定功率P 指电动机输出转轴上输出的机械功率，单位为W或kW。 参数4：额定电压UN 指在额定工作条件下，电动机输入端的平均电压，额定电压的单位为V。 参数5：额定电流 指电机在额定电压下，运行于额定功率时的电流值。 单位为A。 参数6：额定转速 指对应于额定电压、额定电流、电机运行于额定功率时所对应的转速。单位为rmin。 参数6：额定温升 指电机允许的温升的限值，主要决定于电机的绝缘材料的绝缘等级。,2019/4/10,25,4）直

6、流电动机的机械特性 机械特性是直流电动机最重要的运行特性，它反映了电机转速与转矩之间的关系，是分析研究电机启动、调速和制动的重要依据。,设磁通和电流成正比，即,则,2019/4/10,26,据此公式做出 T-n 曲线,图2-10 串励直流电动机机械特性曲线,综上分析可知，串励直流电动机具有如下特性： T=0时，在理想情况下，n趋于无穷大。但实际上负载转矩不会为0，不会工作在T=0 的状态，但空载时T很小，n很高，因此，串励直流电动机不允许空载运行，以防转速过高。 随转矩的增大，n下降得很快，这种特性属软机械特性。,2019/4/10,27,图2-11 他励、并励电动机的机械特性曲线,他励电动机和并励电动机的机械特性一样，直接给出其机械特性图如图2-11所示,2019/4/10,28,实际生产生活的应用中，直流电动机特性类型的选择： 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关）要选硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。 恒功率负载（P一定时，T 和 n 成反比），要选软特性电机拖动。如：电气机车等。,问答互动,请大家根据图和查阅资料说明其特点，并与串励直流电动机的特性进行比较：,2019

7、/4/10,29,5）直流电动机的调速方法,与异步电动机相比，直流电动机结构复杂，价格高，维护不方便，但它的最大优点是调速性能好，不仅调速均匀平滑，可以无级调速，而且调速范围大，调速比可达200 （他励式）以上（调速比等于最大转速和最小转速之比）。 直流电机调速的根本目的是改变生产机械的工作速度，提高生产率，具体方法有机械方法、电气方法、机械电气配合等方法。调速指标具体包括调速范围D、静差率%、平滑性、和调速时的允许输出等。,知识准备,2019/4/10,30,以他励直流电动机的转速特性为例说明调节直流电动机转速的常用方法。,注：n和有关，在U一定的情况下，改变可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变的大小。,If的调节有两种情况：,但在额定情况下，已接近饱和，If再加大，对影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用,减弱磁通是常用的调速方法。,第一种：,第二种：,2019/4/10,31,综上所述，直流电动机的常用调速方法有以下三种： （1）调节电枢端电压U，即改变电枢电源电压；降压方向，从ne向下调，其特点是： 工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过

8、UN，所以调速只能下调。 可得到平滑、无级调速。 调速幅度较大。 （2）调节励磁磁通，即改变励磁回路的调节电阻Rfj 以改变励磁电流If；弱磁调速，从ne向上调，其特点是，当减小磁通调速时，具有： 调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。 调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。,2019/4/10,32,（3）在电枢回路中串联调节电阻Rtj，并调节电枢外串电阻Rtj；从ne向下调 ，其特点是： 这种调速方法耗能较大，只能用于小型直流机。 串励电机也可以用类似的方法调速。,在要求调速范围很大的场合， 上述几种方法总是同时兼用的。 当电源电压可调时， 则利用降低电源电压使转速降低， 利用增加励磁回路调节电阻使转速增高。 当电源电压恒定时， 则利用增加电枢回路调节电阻使转速降低， 利用增加励磁回路调节电阻使转速升高。,2019/4/10,33,6）直流电动机的使用,启动是指电动机从静止状态过渡到稳速的过程叫启动过程，电机的启动性能有以下几点要求： (1)启动时电磁转矩要尽可能大，以利于克服启动时的阻转矩。 (2)启动时电枢电流要尽可能的小。

9、(3)电动机有较小的转动惯量和在加速过程中保持足够大的电磁转矩，以利于缩短启动时间。,在启动的最初瞬间， 因为转速n=0， 反电势Ea=0， 故电动机的端电压Ua全部降落在电枢电阻Ra上， 此时的电枢电流,称为电动机的启动电流初始值。,2019/4/10,34,对于功率为几千瓦的动力用直流电动机， 其启动电流初始值将达到正常运行时允许电流值的十几倍， 由于启动电流过大， 使电动机的过电流保护装置动作， 切断电源， 以致不能启动；而且很大的启动电流导致很大的线路压降， 以致影响电源上的其他用户， 因此启动电流不容许太大。 一般均采用电枢回路串联电阻的办法来限制启动电流， 但也不能限制得过小， 以致于过多地影响启动转矩， 故一般把启动电流限制在允许电流值的 1.52 倍以内。,2019/4/10,35,注意： 直流机在启动和工作时，励磁电流一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故： （1）若电动机原本静止，由于励磁转矩,而0电机将不能启动，因此，反电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。 （2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，则,可能不满足,的要求，电动机必将减速或停转，使,更大，也很危险。 （3）如果电机空载运行，可能造成飞车。,2019/4/10,36,7)直流电动机的反转 电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定，改变电动机的转向，就必须改变电磁转矩的方向。根据左手定则可知改变电磁转矩的方向有两种方法： （1）改变励磁电流的方向。 （2）或改变电枢电流的方向。 注意:磁通和电流的方向只能改变其中的一个。,8)直流电动机的制动 制动是指从某一稳定转速开始减速到停止或限制位能负载下降速度的一种运转状态。 直流电动机制动的常用方法有发电反馈制动、反接制动和能耗制动三种，具体如表2-3所示：,2019/4/10,37,表2-3 直流电动机常用制动方法比较,2019/4/10,38,2019/4/10,39,熔断器 熔断器因其结构简单，维护方便，价格便宜，体小量轻，主要串接于被保护电路的首端用来短路和严重过载保护。 1)常用的低压熔断器 常用的低压熔断器有插入式、螺旋式、无填料封闭管式、填料封

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