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1、36 直流电动机,各物理量正方向的规定：,电枢电动势Ea与电流Ia方向相反； 电磁转矩Te与转速n方向一致。,思考题？,一、基本方程式,（2）电势平衡式,重要的转速公式,励磁回路：,（1）电流方程,基本方程式,（3）转矩平衡式,推论：,（2） 实际空载时， Ia 0。,（4）功率平衡式,功率平衡式,功率平衡式：,效率：,功率流程：,二、 直流电动机的工作特性,工作特性: 是指在UUN，IfIfN时， 转速n、电磁转矩Te和效率随输出功率P2而变化的关系。即,或,机械特性:是指在UUN，IfIfN时研究n与T之间的关系， 即。nf（Te）,(一)并励（他励）电动机,时，,根据转速公式，可得,n0
2、： 理想空载转速,转速下降不多， 考虑电枢反应， 有可能升高。,1、转速特性：,考虑去磁， 曲线有所下降。,2、转矩特性：,为可变损耗,3、效率特性：,与Ia之间存在二次关系， 效率曲线存在一个最大值。,电动机效率特性,结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时， 此时效率最高。,推论： （1）额定运行时总损耗 ； （2）可从额定数据来估算电枢回路总电阻。,机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规律。,从 可得,机械特性是稍下降的直线， 计及饱和， 成为水平或上翘。,4、机械特性：,硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化。,用转速变化率来表征：,(1)固有机械特性,当UU
3、N，N，电枢回路无外接电阻时，转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。,分析：,1. 电磁转矩越大， 转速越低， 机械特性是一条下斜直线；,固有机械特性分析,2. 当转矩等于零点， 为理想空载转速。此时Ia0， EaUN， 是一种理想工作状态。,3. n0为电动机的实际空载转速， 比n0略低。对应于空载转矩。,4 为机械特性斜率。增大， 也增大。 通常称小的机械特性为硬特性，大的机械特性为软特性。,固有机械特性分析,5. 额定转速变化率 ，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。,6. nn0时为发电机状态，此时 EaU, Ia反向， Ea与Ia同向， 向电网送出电功率。,7.堵转点： 电枢
4、电流： 为短路电流； 电磁转矩： 为电机堵转转矩。,(2)人为机械特性分析,有三种人为机械特性：,（1）电枢回路串电阻的人为机械特性；,（2）改变端电压时的人为机械特性；,（3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；,电枢回路串电阻的人为机械特性,保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的nf（Te）关系。,对于给定的Rc，为常数。,电枢回路串电阻的人为机械特性,电枢串电阻人为特性的特点： （1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；,（2）斜率 ，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多。,改变端电压时的人为机械特性,保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改
5、变电枢电压时的机械特性。,表达式：,一般都为降低的电压。,改变端电压时的人为机械特性,改变端电压人为特性的特点： （1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。,（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。,减弱电机主磁通的人为机械特性,保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。,表达式：,额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通。,N N,减弱电机主磁通的人为机械特性,减弱电机主磁通人为特性的特点： （1）由于 N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。,（2）人为机械特性的斜率比固有机
6、械特性大，即人为特性比固有特性软。,人为特性的几点补充,（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定性。通过补偿绕组改善。,（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TN),（3）通过电机的数据铭牌估算机械特性,三、电力拖动系统的动力学基础,基础,负载转矩的大小与速度无关，但其方向始终与转向相反,负载转矩特性,反抗性恒转矩负载,位能性恒转矩负载,恒功率负载,通风机型负载,转矩具有固定的方向，不随转速方向的改变而改变,负载的功率为常数，不随转速的变化而改变,负载的转矩与转速的平方成正比,稳定运行条件,平衡点稳定点？,稳定点的条件：,恒转矩负载，下降的机械特性电动机能稳定运行,当励磁回
7、路断路时，气隙中的磁通将骤然降至微小的剩磁，电枢回路中的感应电势也将随着减小。 由于惯性，电机速度不能突变，电枢电流将急剧增加，使电动机严重过载。 电磁转矩的变化 （1）当电枢电流的增加程度不足以补偿每极磁通的减小程度时，电磁转矩减小，因而使电动机减速； （2）当电枢电流的增加程度超过每极磁通的减小程度时，电磁转矩将增大，使电动机加速，直至转速上升到危险的高值（达到电压平衡）,思考题：并励电动机突然励磁失磁,（二）串励电动机,1、转速特性,根据转矩公式：,2、转矩特性,3、机械特性,转速随所需电磁转矩的增加而迅速变化，该特性称为软特性。,（三）复励电动机的工作特性,以并励为主的积复励： 当负载
8、转矩突然增加时，电枢电流增大（电枢反应去磁作用增强），串励磁势增加，使主磁通增大。 使电磁转矩很快的增大以克服突然增大的负载转矩； 使反电势很快的增大以减小电枢电流的冲击值。 当电枢反应去磁作用很强时，仍能使电机有下降的机械特性，保持其稳定运行。,37直流电动机的起动、调速和制动,（2）起动电流要小；,（3）起动设备要简单、经济、可靠。,(一)他励直流电机直接起动,将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。,优点：操作简单，无需另加设备。,缺点：冲击电流大(1020IN)，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。,将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切
9、除。,(二)电枢回路串变阻器起动,电枢回路串变阻器起动,(三)降压起动,开始时，降低端电压， 使 Ia(1.52.0)IN, Tst=(1.52.0）TN。 随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。,优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。,缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。,二、直流电动机的调速,机械调速：改变传动机构的传动比改变工作机构的速度。,电气调速：人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电 流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到 不同转速。,电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、
10、经济。,直流电动机调速,直流电动机的转速公式：,(一)改变励磁调速,If1If2,从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。,弱磁调速的过程,If减小瞬间,弱磁调速,(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化,（3） 恒转矩负载， ， 基本不变,弱磁调速特点,优点：设备简单，调节方便，能耗小。 缺点： 单方向调节，转速调得过高，励磁过弱， 电枢电流变大， 换向变坏， 出现不稳定。,(二)改变端电压调速,保持电动机的 N不变且无外接电枢电阻， 仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的， 称为降压调速。,U1U2U3,电压越低， 转速越低， 调速方向从基值往下调。,（1）
11、降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线， 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。,（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好， 调速范围大。,（3）可平滑调节端电压， 使转速平滑调节，实现无级调速。,（4）调节过程能量损耗小。,调压调速的特点：,(三)改变电枢回路电阻调速,保持UUN且 N不变，电枢回路中串入调速电阻R，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为电枢串电阻调速。,串电枢电阻调速,（2）低速时， 机械特性很软， 当负载变化时， 转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。,（3）由于电阻的不连续调节， 因此速度调节不平滑， 属有级调速。,（4
12、）电枢电流在R上消耗的能量大， 调速时效率低。 效率与转速成正比。,调速性能指标,（1）调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时， 最高转速与最低转速之比。用D表示。,（2）静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 静差率越小， 转速的相对稳定性越好。,（3）调速的平滑性：无级调速平滑性最好， 有级调速由相邻两级转速中， 高一级转速与低一级转速之比。,（4）调速时电动机的容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。,（5） 经济性,电动机调速时的容许输出,在某转速下， 电机即能充分利用， 又能安全运行时输出的功率和转矩称
13、为， 调速时的允许输出功率和转矩。,(1)调压调速的允许输出,在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。 允许输出功率与转速成正比。,弱磁调速时的允许输出,弱磁调速时，保持电流IIN,弱磁调速时， 在整个调速范围内的允许输出功率为常数， 是恒功率调速方式。 其允许输出转矩与转速成反比。,负载与调速方式的配合,两种调速方式，在整个调速范围内，除nnmax外所有的转速点，输出转矩多小于允许输出，速度越低，电机越不能充分利用。 相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些。,三、直流电动机的制动,直流电动机的两种运转状态：,（1）电动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同
14、，此时电网向电动机输入电能， 并转变为机械能带动负载。,（2）制动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变为电能。,电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运行。,直流电动机的制动,断开电源,抱闸,能耗制动,反接制动,回馈制动,（一）能耗制动的方法和原理,保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接至RT， 电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合。,能耗制动时的机械特性,能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗制动时的机械特性：,制动过程：,能耗制动的特点,（二）反接制动,转速反向的反接制动,If及端电压UN不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻
15、RT，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的RT，可得到不同的稳定转速。,T,转速反向的反接制动,能量关系：,U及Ia的方向与电动状态相同，UIa表示由电网输入的功率；,Ea 的方向与电动状态时相反， EaIa表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率；,UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻RaRT上。,T,电枢反接的反接制动,保持If不变， 将开关向下合闸， 使电枢经制动电阻RT而反接于电网上。,参数特点： N， UUN。 R=Ra+RT.,T,电枢反接的反接制动,机械特性：,能量关系：,从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路的电阻上。,T,电枢反接的反接制动,
16、特点： （1）可以很快使机组停机。 （2） 需要加入足够的电阻， 限制电枢电流； （3）反抗性负载， 转速至零时， 需切断电源。,（三）回馈制动,当转速高于某一数值时，电枢电动势大于端电压， 电机进入发电状态， 电磁转矩起制动作用， 限制转速上升， 位能转换为电能， 回馈到电网。 (分反向和正向回馈制动）,（1）电压反向的反接制动,（2）反向电动状态,（3）回馈制动,T,反向回馈制动,回馈制动的下放速度：,系统储存的位能转换成电能送回电网。,T,正向回馈制动,（1）电车下坡,（2）过渡回馈制动过程（降压运行）,T,回馈制动,回馈制动过程中，有功功率U Ia回馈电网。从电能消耗看， 回馈制动是最经济的一种制动方式。 转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。,思考题,设有一并励电机接在电网上，试比较当该机作为发电机运行时和作为电动机运行时的旋转方向。,发电机 Ea U，Ia与Ea同向,电动机 Ea U，Ia与Ea反向,作业： p116习题 3-9, 3-12, 3-13 , 3-17, 3-18,