第3章直流电机原理.ppt

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1、* 掌握直流发电机和直流电动机的工作原理。 * 了解直流电机的结构、电枢绕组。 * 熟练掌握并能正确使用直流电机的额定值。 * 熟练掌握直流电机的励磁方式。 * 搞清直流电机空载磁场，正确理解磁化曲 线。 * 正确理解电枢反应概念及其影响。 * 正确理解电势及转矩公式，并能正确使用。,第三章 直流电机原理 DC Motor fundamentals, 3.1 直流电机的用途及其基本工 作原理,3.1.1直流电机的用途,直流电机,DC Machine,直流电机的用途 直流电机是一种通过磁场耦合作用实现机械能与直流电能相互转换的旋转式机械装置。,把直流电能转变为机械能的电机是直流电动机； 反之，把

2、机械能转变为直流电能的电机是直流发电机。,直流电机具有可逆性: 一台直流电机既可以工作在电动机状态，也可以工作在发电机状态，取决于电机的运行条件。 直流电动机与交流电动机相比，其主要特点是： (1)调速范围广，易于平滑调速； (2)起动、制动和过载转矩大； (3)易于控制，控制装置可靠性较高。 直流电动机常应用于调速要求较高的工业应用场合： (1)大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、大型车床、 大型起重机； (2)电动车辆牵引、电力机车牵引； (3)挖掘机械、纺织机械。,直流发电机供电质量较好，常作为大型直流电动机以及大型交流发电机的励磁直流电源。 直流电机与交流电机相比的主要缺点是: (1)电机结

3、构较复杂，成本较高，维护困难，可靠性稍差； (2)主要是换向问题，直流电机在运行时由于电刷与换向器之间易产生火花，它限制了直流电机的极限容量和转速，又增加了维护的工作量；使得直流电机的发展和应用受到限制。 近年出，由于电力电子技术的迅速发展，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有相当重要的理论意义和实用价值。,3.1.2直流电机的基本工作原理 （一）直流发电机的基本工作原理,产生电能要两个必要条件：有一个磁场存在；导体在磁场中有运动,基本原理：电磁感应定律,从以上分析可以看出： 线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片

4、的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。,磁极,电刷,(二) 直流电动机的基本工作原理,基本原理：电磁力定律,产生力矩要两个必要条件：有一个磁场存在；导体中有电流,从以上分析可见，在直流电动机中，线圈中的电流是交变的， 但产生的电磁转矩方向是恒定的。,3.2 直流电机的主要结构与型号3.2.1 主要结构 定子部分(Stator) 、转子部分 (rotator) (电枢，Armature) 、 气隙（Air-gap）,一、 定子部分: 主磁极； 换向磁极； 机座；电刷 main Magnetic pole ;commutation Magnetic

5、pole ; machine bearing; Brush,主磁极,换向磁极,http:/202.194.199.225/new/dianji/dianjijiegou.htm,爆炸图,装配图,1 、主磁极 主磁极的作用: 使用材料及结构形状：,2、换向极： 3、机座： 4 、电刷装置：,二 转子部分：转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。 1 电枢铁心： 2 电枢绕组：,换向器,电刷,刷架,电刷,电枢铁心,电枢铁心硅钢片(0.5mm),电枢铁心,转子下线,换向器,3.2.2 直流电机的额定值（铭牌数据）,1、额定功率PN 发电机是出线端输出的电功率。 PN= UN

6、*IN 电动机是轴上输出的机械功率PN= UN*INN 2、额定电压UN （V） 3、额定电流IN （A） 4、额定转速nN （rpm） 5 、励磁方式和额定励磁电流 (A）,额定运行状态,欠载运行,过载运行,例:一台直流发电机,其额定功率PN=145kw,额定电压UN=230V, 额定转速nN=1450r/min,额定效率N=90%,求该发电机的输入功率p1及额定电流IN各为多少? 例:一台直流电动机,其额定功率PN=160KW,额定电压UN=220V,额定效率N=90%,额定转速nN=1500r/min,求该电动机的输入功率,额定电流及额定输出转矩各是多少?,解: 额定电流,额定输入功率,

7、电机型号表明电机的主要特点，第一部分为产品代号；第二部分为规格代号；,Z231,一般用途的防护式 中小型直流电机,表示第二次设计,表示机座号,表示铁芯长度顺序号,3.2.3 直流电机的主要系列,3.3.4国产直流电机的主要系列产品 国产的直流电机种类很多，常见的产品系列: Z2系列是一般用途的中、小型直流电机，包括发电机和电 动机。 Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流电机系列。Z是直流电动机系列；ZF是直流发电机系列。 ZT系列是用于恒功率且调速范围比较大的拖动系统里的广调速直流电动机。 ZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。 ZJ系列是冶金辅助拖动机械用的冶金起重直流电动机。,

8、ZQ系列是电力机车、工矿电机车和蓄电池供电电车用的直流牵引电动机。 ZH系列是船舶上各种辅助机械用的船用直流电动机。 ZA系列是用于矿井和有易爆气体场所的防爆安全型直流电动机。 ZU系列是用于龙门刨床的直流电动机。 ZKJ系列是冶金、矿山挖掘机用的直流电动机。,3.3 直流电机的磁场 (magnetic field),在介绍直流电机的空载磁场之前，我们先来了解一下直流电机是如何建立磁场的。 3.3.1电机的励磁方式： 即：我们要看一下直流电机是如何给他的 励磁绕组通电的。,根据励磁线圈和转子绕组的联接关系，励磁式的 直流电机又可细分为：,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：

9、励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。,3.3.2 直流电机的空载气隙磁密分布 Main-field flux-density distribution with no-load,一 空载时直流电机的磁路： (magnetic route of DC machine with no load) 空载(no load condition),直流电机空载时的磁路,主磁通：,漏磁通：,经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕 组交链，能在电枢绕组中感应电动势

10、和产生电磁转矩，称为主磁通,仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心， 不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中 感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通,特点：,1）由同一个磁动势所产生 2）所走的路径不同，这就导致了它们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。,二、空载气隙磁密分布波形,分别是气隙.电枢齿.电枢磁轭.主磁极和定子磁轭等段磁路的磁阻,(b) The air-gap Flux-density distribution curve with no-load,极靴下的气隙远远小于极靴之外的气隙， 显然，极靴下

11、沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。对于这一点，我们可以通过数学形式来看一下： 设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为纵轴，又设电枢长度为 ，则离开坐标原点为 的 范围内的气隙主磁通为：,则空载时每极主磁通为：,空载每极主磁通与空载平均气隙磁密成正比，而对于尺寸已定的电机，空载气隙磁密的大小由励磁磁势Ff所决定。当励磁绕组匝数一定时，Ff和If成正比。 换言之，空载时的每极磁通是随磁动势或励磁电流的变化而变化。,Air-gap line,Magnetization curve of a dc machine,3.3.3电机的磁化曲线,为了感应电动势或产生

12、电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。,曲线特点,电机的磁化曲线具有饱和特点，当主磁通0较小时，铁磁材料的磁位降较小，励磁磁通主要消耗在气隙中；当主磁通0较大时，铁磁材料出现饱和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲线离开气隙线弯曲呈非线性。,分析,磁化曲线表征的磁路的饱和程度对电机运行性能有很大的影响。设计电机时，要考虑节省材料，磁通密度B值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更有效经济地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。,3.3.4 直流电机负载磁场及电

13、枢反应,(一) 电枢磁势和磁场 Armature MMF (Magnetic Motive Force) and Magnetic field,1、负载时的气隙磁场：,(1)电刷在几何中性线上的电枢磁动势和磁场：(Armature MMF and flux-density distribution) 如图可见：,(2)电刷不在几何中性线上的电枢磁动势： 看图：引出了直轴电枢磁动势， 直轴电枢磁动势：电枢磁动势的轴线与主磁极轴线重合，称为直轴电枢磁动势。以电动机为例,直流电机的电枢磁势是幅值固定的空间分布波，只是空间的函数 交流电机的电枢磁势是幅值随时间按正弦规律脉动的空间分布波 如沿电枢分布的

14、线圈无限增多，则级形波将趋近于三角形波,如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。,由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。,负载时的 气隙磁势和磁场,交轴,直轴,电枢磁势位置取决于电刷位置，电刷位于交轴，电枢磁势轴线也在交轴，为交轴电枢反应。,极尖处磁密最大 且由于其饱和程度的提高，饱和影响使高峰略有下降，即极面下的总磁通略减小， 呈先去磁作用,负载时的 气隙磁势和磁场,交轴,直轴,交轴电枢反应对气隙磁场的影响： 使气隙磁场发生畸变 使物理中心

15、线偏移几何中心线一个角度（对发电机：顺着旋转方向） 磁路未饱和时，每极磁通不变 如考虑磁路饱和的影响，则交轴电枢反应有去磁作用,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线,两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,(二) 交轴(quadrature axis)、直轴(direction axis)电枢反应： 1）交轴电枢反应：交轴电枢磁动势对主极磁场的影响。,在这里，我们为了分析问题的简单， 假定（1）磁场是不饱和的，（2）发电机电枢转向是逆时针，电动机为顺时针。这样，我们就可以对上图进行叠加，可知 A:交轴电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用，在另半个极内则起增磁作用

16、，引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线，新的等于零的我们称之为物理中性线。 B:不计饱和，交轴电枢反应即无增磁，亦无去磁作用。考虑饱和时，起到去磁作用。,2）直轴电枢反应：当电刷不在几何中性线上，出现了直轴电枢反应，从图上可以看出： A:若为发电机，电刷顺着旋转的方向移动一个夹角，对主极磁场而言，直轴起去磁反应，若电刷逆着旋转方向移动一个夹角，则直轴电枢反应将是增磁的， B:若为电动机，刚好相反，这里不再具体分析。,交轴电枢反应： 1）将主磁场扭曲，磁场为零的位 置发生偏转至物理中性线。 2）主磁通量减少，称为电枢反应 的附加去磁. 3)呈去磁作用,（直动）,电枢绕组

17、是直流电机的核心部分，在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用。 因此，电枢绕组须满足以下要求： 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下，尽可能节省有色金属和绝缘材料，并且要结构简单、运行可靠等。,3.4 直流电机的电枢绕组 Armature winding of DC machine,一、名词术语介绍,(1）极轴线：磁极的中心线； （2）几何中性线：磁极之间的平分线， （3） ：极对数； （4） 极距：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离。 可用槽数表示， （槽），式 中Z为电枢总槽数； （5）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，,元件（线圈）：两端分别连接两个换向片

18、的一匝或多匝线圈,元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,(6) 元件节距（第一节距） ：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数。 整数 其中： ：凑整分数。 ，绕组称为整距绕组 取负值， 称为短距绕组 取正号时 ， 称长距绕组。短距绕组端接短、省铜，且有利于换向，故常用；,合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。,第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。,第二节距 ：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的下层边与第二个元件的上层边间的距离。,单叠绕组,单波绕组,换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。,叠绕

19、组,波绕组,叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。,波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。,叠绕组示意图,波绕组示意图,大的分类为环形和鼓形；环形绕组只曾在原始电机用过，由于容易理解故讲原理时也用此类绕组；现代直流电机均用鼓形绕组，它又分为叠绕组、波绕组和蛙形绕组。鼓形绕组比环形绕组制造容易，又节省导线，运行较可靠，经济性好，故现在均用鼓形绕组。,环形绕组示意图,鼓形绕组示意图,波绕组示意图,叠绕组示意图,单波绕组，单叠绕组，复波绕组，复叠绕组，复合绕组,各种形式的直流电机绕组的区别，主要表现在合

20、成节矩上，其公式为： 叠绕组：y = y1 - y2 若为双叠右行时，则合成节距 y + 2。因单叠左行绕组端接部分交叉，故很少采用。 波绕组：y = y1 + y2按单波绕组的接线规律得知 式中： K - 电机的换向片数； P - 极对数； 单波左行：y 取负号 单波右行：y 取正号 因为右行单波绕组端接部分交叉，故很少采用。,单叠右行：y = + 1,单叠左行：,y = - 1,例：已知某直流电机的极对数P=2，槽数Z、元件数S及换向片数K为Z=S=K=16。试绕成单叠绕组,二、单叠绕组,1、计算节距 第一节距: 换向器节距和合成节距: 第二节距:,2 、绘制绕组展开图 1）画16根等长、

21、等距的平行实线代表16个槽的上层，在实线旁再画16根虚线代表16个槽的下层。一根实线和一根虚线代表一个槽，编好槽号 2）按节距 连接一个元件,第一个元件的上下层边（15槽），令上层边所在的槽号为元件号；,3）接上换向片,4）画出第二个元件,5）放磁极：,6）放电刷,3 单叠绕组元件联接次序图,4.单叠绕组电路图:,单叠绕组的电路图和和并联支路数(a=p),http:/ (2)位于同一个极下的各元件串联起来组成了 一个支路,即支路对数等于极对数.a=p (3)当元件的几何形状对称,电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时,正负电刷间感应电动势为最大,被电刷所短路的元件里感应电动势最小 (4)

22、电刷杆数等于极数 (5)正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势,电枢电压等于支路电压 (6)电枢电流Ia=2aia,三、单波绕组,1.节距 (1) 第一节距 (2)合成节距和换向器节距 (3)第二节距,单波绕组展开图： 我们以一个具体的例子来看这个问题： 已知某直流电机极对数p2，槽数、元件 数及换向片数为z=s=k15。要求绕成单 波绕组。 解：1）计算相关节距： 2）连图：,3）绕组元件连接次序： 从绕组展开图可以后出，全部15个元件是按下列次序串联而构成一个闭合回路的，即： 1815714613512411310291,这样，我们就可以作出他的次序图：,4)、绕组并联支路图（瞬间）

23、 根据单波绕组15个元件的串联次序及 电刷位置，可以画出本例单波绕组的电路图如图所示。；,可以看出，元件15、7、14、6、13串联在一起，即处在S极下的所有元件串联在一起构成一条支路，各元件的电动势方向是相同的。元件4、11、3、10、2串联在一起，构成另一条支路，它们的电动势方向也是相同的。由此可见，单波绕组是把所有N极下的全部元件串联起来组成了一条支路，把所有S极下的全部元件串联起来组成了另一支路。由于磁极只有N、S之分，所以单波绕组的支路图对数与极对数多少无关，永远为1，即：a1 .,单波绕组的特点: （1)位于相同极性下的各元件串联起来组 成了一个支路, a=1 即支路对数与极对数无

24、关. (2)当元件的几何形状对称,电刷放在换向器表面上的位置对准 主磁极中心线时,正负电刷间感应电动势为最大,被电刷所短路的元件里感应电动势最小 (3)电刷杆数等于极数,从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路数多，每条支路里串联元件数少，适用于较低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于1，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。,3-5 直流电机的感应电势与电磁转矩,一、电枢电动势： 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在

25、一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。 一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为，则,又因为： 所以：,一根导体的平均电动势为：,因为一条支路里的串联总导体数 （N 为电枢总导体数， ）， 于是，电枢电动势为： 式中， 是一个常数，称为电动势常数。,叫电势常数,:每极磁通量,n:电机转速 N:绕组总导体数 P:极对数 a:绕组并联支路对数,1、电枢绕组电势与磁 通、转速成正比。 2、Ea表达式虽然在整距绕组情况下推导出，但对短距、长距也适用。 3、若电刷不在几何中性线时， Ea将减小。,结论：,二.电磁转矩 先求一根导体所受的平均电磁力为:

26、 式中: 是导体里流过的电流; 是电枢电流; a是支路对数 一根导体受的转矩为:,式中 是电枢的直径. 总电磁转矩用T表示,为 把 代入上式,得 为转矩常数,CT=9.55Ce,三、直流电机的电磁功率,一、直流发电机稳定运行的基本方程式,他励直流发电机,发电机惯例：,1.电动势平衡方程式,3-6直流发电机,2. 转矩平衡方程式,空载损耗转矩 由机械损耗、铁耗引起,拖动转矩,电磁转矩,方向同n,方向-n,方向-n,3. 功率平衡方程式,发电机的输入功率P1，除小部分损耗外，大部分转换为电磁功率，由机械功率电功率,电磁功率，除去电枢回路的铜损耗外，其余部分输出电功率,发电机的输出功率,电枢回路的铜

27、损耗,并励直流发电机的基本方程式 (一)电动势平衡方程式,(二) 转矩平衡方程式：,直流发电机在稳态运行时，电机的转速为n,作用在电枢上的转矩共有三个：一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩 T1 ；一个是电磁转矩T；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用T0表示,空载转矩是一个制动性转矩,永远与转 速n的方向相反 由上图可得：,(三) 功率平衡方程式： 从原动机输入的机械功率可用下式表示 ： 式中电磁功率PM为转换成电枢回路的电功率：,其中， 空载损耗 为： 由以上各式可得：,如此，则发电机的效率为： 额定负载时，直流发电机的效率与电机的容量有关。10kW以下的

28、小电机，效率约为75%88.5%；10100kW的，效率约为85%9;1001000kW的电机，效率约为88%93%。,二、他励直流电发电机的运行特性,4个主要物理量： 电枢端电压U 励磁电流If 负载电流I=Ia 转速n一般保持为额定值不变 运行特性即：3个量，其中1个不变，其余2个物理量之间的关系。,所谓运行特性，就是要找出电机在工作的过程中所展现的某些特性，并将这些特性用曲线的形式进行表示，在直流电机中，,（1） 负载特性 指当n=常数且I=常数时， U=f(If)的关系， 其中当I=0时的特性U0=f(If )称 为发电机的空载特性。,（2） 外特性 指当n=常数且If=常数或Rf=常

29、数时，U=f(I)的关系 （3）调节特性 指当n=常数且U=常数时，If=f(I)的关系。 （4）效率曲线 下面进行详细的几种主要特性的介绍 (一)他励直流发电机 (1)空载特性： 实验条件：如图所示，,他励直流发电机的空载与负载实验线路,打开闸刀开关Q，调节电阻 从而改变励磁电流 ， 由零开始单调增长直至 ，然后让 单调减小至 零 。 再反向单调增加直至 为负的 后又使 单调减小至零 。 在调节过程中， 读取空载端电压 与励磁电流 数组数据，即空载特性，如图 所示。,直流发电机的空载特性,分析特性： 1）由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线 是一闭合的回线。 2）由于电机有剩磁，使得 时仍有

30、一个很低的电压，称之为剩磁电压，其值约为的%。实际使用时，一般取回线的平均值（如图中的虚线所示）作为空载特性。,3）空载特性 与电机的磁化 曲线 形状相似，只差一个比例常数。 （为什么？） 4）空载特性与励磁方式无关，因此并励发电机的空载特性也可以用上述方法求取，他励直流发电机的空载特性是直流电机最基本的特性曲线,(2) 他励直流发电机的外特性：,实验条件：使发电机接上负载，当原动机保持 调节 使之不变，然后改变负载使 从零增加到 ， 读取 、 之值， 即 得到外特性曲线 ， 如图所示。 电流增大时，端电压下降， 其原因有两个：,试验方法： 1.IfIfN保持 2.nnN保持 3.I从0调节1

31、.2IN,由于电枢反应使磁通减小，使端电压与电流的关系不是一条直线。,发电机端电压随负载电流的增大而减小的程度,电压调整率,重要性能指标,负载增大时，电枢反映的去磁作用增强，使每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小 电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降。 而我们发现并励方式下，端电压下降的更快一些：负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同时端电压的下降进一步也影响了励磁电流使之减小，这样一来，又使得的电枢电动势双重减小，所以，并励下降的更快一些。,(3) 调节特性,负载电流的增大端电压下降，原因？ 调节励磁电流达到保持端电

32、压不变,(4) 他励直流发电机的效率曲线： 不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小小无关，称为不变损耗。 可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与 成正比，称为可变损耗。同样，我们可用实验的方法得到效率曲线。如图：,我们发现效率特性在经过一个峰值后开始下降，那么，这是为什么呢？,分析：我们知道在负载较小时，电机内的损耗主要以不变损耗为主，随着负载的增加，电枢电流也在随之增加，这样，铜损耗的作用开始显著，当增加到和不变损耗相等时，出现效率最大点，随后，若继续增加负载，可变损耗将急剧增大，尽管p2也增大，但增大的速度比不上铜损耗增加速度，使效率反而随着输出的增大而降低 。,四、并励直流发电机

33、的运行特性,空载特性 该接成他励方式后，测量得到空载特性，方法和特性曲线与他励直流发电机相同。,并励直流发电机的外特性,2. 外特性 同一台直流发电机，分别接成并励方式、他励方式，得到外特性分别如图1、2曲线。,3. 并励直流发电机的调节特性,(5).幷励直流发电机的自励过程,(1)自励过程,在前面我们讲过直流电机的励磁方式有两种：他励式和自励式，现在，我们就来看看这种自励过程是如何实现的：如图所示 由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由原动机推动至额定转速时，发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将流过一个不大的电流，并产生一个

34、不大的励磁磁动势。如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同，从而使电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有所增加。在比较高的励磁电压作用下，励磁电流又进一步加大，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一步加大。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。,机座,磁极,励磁 绕组,转子,励磁式直流电动机结构,(2)建立稳定工作点 在自励过程中，发电机 的电压是否会无限制地 增长下去呢？从图可以 清楚地看出，当发电机 的电压上升到P点所对应 的电压时，恰好等于励磁 电流通过励磁回路所需的 电阻压降，因此电枢电压 和励磁电流都不会再增加， 自励

35、过程达到了稳定状态.,(3)自励条件 (a)电机必须有剩磁 (b)极性正确 (c)励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻,必须明确，发电机的转速不同时，空载特性也不同。 因此，对应于不同的转速便有不同的临界电阻。,如果励磁绕组本身的电阻 即已超过所对应的临界电阻值， 电机是不可能自励的，这时唯一的 办法是提高电机的转速，从而提高其临界电阻值。,额定值,1. 额定功率PN :电机轴上输出的机械功率。,2. 额定电压UN ：额定工作情况下的电枢上加的直流电压。（例：110V，220V，440V）,3. 额定电流IN ： 额定电压下，轴上输出额定功率时的电流（并励应包括励磁电流和电枢电流）三者关系：

36、PN=UNIN （ ：效率）,3-7直流电动机,注意：调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过 1.2nN 。,4.额定转速nN ：在PN，UN，IN 时的转速。直流电 机的转速等级一般在 500r/min 以上。特殊的直流电机转速可以做到很低（如：每分钟几转）或很高（每分钟3000转以上）。,他励电动机,一 . 直流电动机的基本方程式,正方向为电动机惯例 1)电动势平衡方程式： U=Ea+Ia(Ra+Rc) 在电动机中，显然端电压必须大于反电动势，由此得到电动机的转速为：,励磁回路的电动势方程为：,2)转矩平衡关系,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

37、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。,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，这时， 若TL突然增加，则调整过程为：,与原平衡点相比，新的平衡点：Ia 、 P入,励磁回路的电动势方程为：,3）功率平衡方程式：并励直流电机从电源输入的电功率为： P1 = UI=U（Ia+If）=Ea+Ia（Ra+Rc）Ia+UIf= EaIa+ （Ra+Rc） + UIf=PM+pCUa+pCUf,所以，综合以上分析可的： 式中的 为电机的总损耗。,二、直流电动机的 工作特性： 直流电动机的工作特

38、性，是指在U=UN， 时, 转速n、电磁转矩T和效率 随输出功率 而变化的关系。 (一)他励直流电动机的工作特性： 1 转速特性： 条件： ， ， 时， 的关系，叫做转速特性。,2 转矩特性,当U=UN, If=IfN时，T=f(Ia)的关系叫转矩特性。当不计电枢反应的去磁作用时，,3 效率特性,(二)并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,当可变损耗pcu等于不变损耗时，效率达到最大值。,直流发电机与直流电动机的区别,能量关系:,机械能转变成电能,电能转变成机械能,电枢电势:,电源电势,反电势,电磁转矩:,制动,驱动,电势平衡方程:,直流发电机与直流电动机的区别,

39、转矩平衡方程：,功率平衡方程：,特性：,(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩 T = KT Ia， 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 E ，Ia ，T 和 ，可能不满 足TL的要求，电动机必将减速或停转，使 Ia更大，也很危险。,措施： 他励直流电动机一定要有失磁保护。一般在励磁绕组加失压继电器或欠流继电器。当失压或欠流时，自动切断电枢电源U。,3.8 他励直流电动机的机械特性,一. 机械特性的一般表达式,其中：,称为理想空载转速； 机械特性斜率,电动机的固有机械特性指：电压、磁通为额定值

40、，电枢回路外串电阻为时，T与n的关系，即n=f(T).,二、他励直流电动机的固有机械特性,特性分析：,（）机械特性是一条下斜直线 （）当时， 为理想空载转速 （） 为电动机的实际空载转速,（） 为机械特性斜率 增大时， 也增大 通常称 小的机械特性为硬特性，通常称 大的机械特性为软特性一般他励直流电机的 小，特性硬，转矩变化时，转速 变化小,（）额定转速变化率,是表示电机额定负载时的转速比 降落的程度令 称为机械特性硬度， 越小， 越大 ，特性越平，特性越硬,例:一台他励直流电动机额定功率 , 额定电压 , 额定电流 , 额定转速 电枢回路总电阻 忽略电枢反应的影响,求 (1)理想空载转 ;

41、(2)固有机械特性斜率 ; (3)电动机的固有机械特性,1.理想空载转速计算,=,=,=0.841 :,2. 斜率,计算,斜率,:,电动机的固有特性:,理想空载转速,三、他励直流电动机的人为机械特性,（一）电枢回路串电阻时的人为特性,（二）改变端电压时的人为特性,（三）减弱电动机主磁通时的人为特性,例:某他励直流电动机额定数据如下: , , 试求 1)固有机械特性表达式 2） 电枢回路串 时的人为特 性表达式 3）端电压 时的人为特 性表达式 4）磁通为 时的人为特 性表达式,1.固有特性:,2.串电阻的人为特性:,3.降低电源的人为特性 此时 不变,所以对应 的转速为,4.弱磁时的人为特性,

42、四、根据电机的铭牌数据 估算机械特性,（一）固有特性的绘制 ( ,0 )和额定工作点( , ),1.估算额定电枢电动势 2. 根据所选电机直流电动机,实测它的电枢回路电阻 或估算:因为,额定转矩: (二)人为特性的绘制,他励直流电动机的机械特性,步骤：,1）估算,2）计算,3）计算理想空载点：,4）计算额定工作点：,他励直流电动机的机械特性,2、人为机械特性的求取,在固有机械特性方程 的基础上，根据人为特性所对应的参数 或 或 变化，重新计算 和 ，然后得（ ）、（ ）。,例:一台他励直流电动机的数据为: , , , , .求: (1)电势 (2) (3) (4) (5) (6) (7),(1

43、)根据额定容量知道,本台电机属于中等容量电机,取 (2) (3) (4),(5) 先求空载损耗功率 (7),例:某他励直流电动机额定数据如下: , , 试求 1)固有机械特性表达式 2)50%额定负载时的转速 3)转速为1050r/min时的转速 ） 电枢回路串 时的人为特 性表达式 ）端电压 时的人为特 性表达式 ）磁通为 时的人为特 性表达式,一、串励直流电动机的工作特性： 由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联，所以励磁电流就是电枢电流，即它是随负载的变化而变化的。因此，其工作特性将与他（并）励直流电机的工作特性有所不同。,3.9 串励串励和复励直流电动机,1) 转速特性：n=f(Ia）,研

44、究条件：,U=UN,RC=0,且If=Ia时的n=f(Ia)关系曲线， 当磁路不饱和时，主磁通与励磁电流成正比,2)转矩特性 U=UN,RC=0,且If=Ia时的T=f(Ia)关系曲线 . 串励电动机有较大的起动转矩与过载能力，这是两个很好的优点。 当生产机械过载时，电动机的转速自动下降，其输出功率变化不大，使电机不致因负载 过重而损坏。当负载减轻时，转速又自动上升。因此，电力机车、电车等一类牵引机械大都采用串励电动机拖动。,串励电动机,适合于作牵引机.当负载轻（TL小）时,转速高,可以提高生产效率;负载重（TL大）时, 转速小,而P=TL近似不变与轻载相同, 可以保护电机。,3）机械特性：,

45、(1) T=0时，在理想情况下，n。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。串励不允许空载 运行，以防转速过高。,串励特性：,(2) 随转矩的增大，n 下降得很快，这种特性属 软机械特性。,串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机 相似,四、复励直流电动机的工作特性： 复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励 磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险 ，复励电动机的转速特性如图所示。,3.10 直流电

46、机的换向,一、换向的物理过程：如图所示，,一、直流电机的换向,以单叠绕组为例，,一个元件被电刷短路前的电流是+ia，被短路一下，之后的电流是-ia，这种电流方向的改变，就称为换向。,1.直线换向(电阻换向),换向元件中的电流决定于该元件中的感应电势和回路电阻。假设换向元件中没有任何电动势，且将换向元件、引线与换向片的电阻均忽略不计，回路中只有电刷和换向片1的接触电阻r1和电刷和换向片2的接触电阻r2，则换向元件中的电流只取决于回路中的电阻 r1 和r2的大小，这种换向情况称为电阻换向。,) * 只考虑接触电阻，它与接触面积成反比。 * 接触电阻是均匀变化的。 * 换向元件的电流是由ia 均匀变

47、化到-ia,直线换向的特点：电刷下的电流密度为常数，不产生火花。理想换向, 元件从+ia -ia产生电抗电势er，er的方向与换向前的电流 方向一致；, 电枢反应使几何中线处B0，产生切割电势ea，它的方向也与换向前电流方向一致。,2、换向元件中的感应电动势,1）电抗电动势 ： 换向元件中，在电流变化时，必然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势，这个电动势称为电抗电动势。,er和eA的存在，使换向延迟了。在电刷中的电流密度分布不均匀，产生附加换向电流ik,延迟换向,换向结束瞬间，附加换向电流ikT0，换向元件储存能量LrikT2，释放出火花,经过推导，可得电抗电动势为： 可见电机的负载越重,转速越高，则 越大。根据楞次定律，漏感的作用