电机与拖动直流电机全套课件120p.ppt

page 1,直 流 电 机,本章内容,1 直流电机工作原理,2 直流电机的磁场 ,3 直流电机的基本方程,4 直流发电机的运行特性与试验测试,5 直流电动机的工作特性与试验测试,6 直流电机的换向 ,7 实例（应用）,8 直流电机性能的仿真,page 2,本章教学基本要求,1. 了解直流电机主要结构和励磁方式，注意换向器和电刷的作用，掌握其额定值。,2. 熟悉直流电机的基本工作原理，理解感应电动势和电磁转矩这两个机电能量转换要素的物理意义，掌握其计算方法。,3. 掌握直流电机的基本平衡方程和功率流程，以及不同励磁方式的工作特性。,4. 了解电枢反应对换向的影响和改善换向措施。,page 3,本章教学基本要求,直流电机的基本平衡方程和工作特性。,重点：,直流电机的换向。,难点：,page 4,page 5,提问,什么是直流电机？有什么作用？,作用是将直流电能转换成机械能拖动生产机械并完 成一定工艺要求或将机械能转换成直流电能供直流用电设 备。,把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机，把机 械能转换为电能的直流电机称为直流发电机。,直流电机是将直流电能转换为机械能或将机械能转换为 直流电能的一种装置。,直流发电机的工作原理是建立在电磁感应定律基础上的，变化的磁场在导体中要感应电动势是发电机工作的基本原理，图1所示为简单直流发电机模型。,page 6,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，a端x端 b）wt=180时，a端x端 电刷b1(+)b2(-) 电刷b1(+)b2(-) 图1 直流发电机工作原理,给励磁绕组通入直流电，将在固定的主磁极呈现上为n极、下为s极。n和s极之间是电枢，电枢铁心上安放着由a和x两根导体组成的电枢线圈，线圈的首端（a）和末端（x）分别连在两个相互绝缘的半圆形铜质换向片上，换相片形成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，且与转轴绝缘。,换相片上安放着一对固定不动的电刷b1和b2，电刷能与外电路联接。固定不动的部分（主磁极、电刷等）被称为定子，随转轴转动的部分（线圈、电枢铁心、换相器等）被称为转子（又称电枢）。,page 7,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，a端x端 b）wt=180时，a端x端 电刷b1(+)b2(-) 电刷b1(+)b2(-) 图1 直流发电机工作原理,磁极n和s所产生气隙磁通密度沿空间分布如图2所示。,定、转子之间有一空隙，称为气隙。,图2 气隙磁通密度分布和线圈ax感应电动势,当原动机拖动电枢逆时针方向旋转时，导体切割磁力线，根据电磁感应定律，导体内产生感应电动势，大小为e=bxlv，式中，bx为导体所在处的磁通密度（wb/m2），l为导体的有效长度（m），v为导体的线速度（m/s），e为感应电动势（v）。,page 8,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，a端x端 b）wt=180时，a端x端 电刷b1(+)b2(-) 电刷b1(+)b2(-) 图1 直流发电机工作原理,感应电动势方向由右手定则判定，展开右手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心，大拇指指向导体运动方向时，则四指的指向为导体中感应电动势的方向。,发电机工作时，n极下导体电动势指向纸外，电刷b1总为“+”；s极下导体电动势指向纸内，电刷b2总为“”，不难看出，线圈中的电动势是交流的，而通过换向器的作用，使电刷间的电动势为直流的，如图3所示。,page 9,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，a端x端 b）wt=180时，a端x端 电刷b1(+)b2(-) 电刷b1(+)b2(-) 图1 直流发电机工作原理,图3 电刷b1b2间的电动势,换向器和电刷的共同作用：将线圈中的交流电动势整流成刷间的直流电动势；把转动的电路与外面不转的电路联接。,page 10,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,1直流发电机的基本工作原理,a）wt=0时，a端x端 b）wt=180时，a端x端 电刷b1(+)b2(-) 电刷b1(+)b2(-) 图1 直流发电机工作原理,图3 电刷b1b2间的电动势,从刷间电动势波形看，脉动很大，为了减小电动势的脉动程度，实际电机采用很多元件组成电枢线圈，均匀分布在电枢表面，并按一定规律联接，刷间串联元件数增多，脉动减小，可获得所需的直流电。,如图4所示，将直流电加到电刷上（b1为+、b2为），线圈ax上就有电流通过（a端、x端），根据电磁力定律，载流导体在磁场中要受力，大小为f=bxli ，式中，i为流过导体的电流（a），方向由左手定则确定。,page 11,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,2直流电动机的基本工作原理,展开左手使大拇指与四指呈90，当磁力线指向手心时，四指的指向则为导体中电流的方向，大拇指指向为导体受力方向；f的单位为n。,图4 直流电动机的工作原理,换向器和电刷的共同作用：将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电；把外面不转的电路与转动的电路连接起来。,直流电机由两大部分组成：定子（静止部分）和转子（转动部分，又称电枢）。,page 12,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,图6 直流电机结构,page 13,磁极铁心,励磁绕组,励磁磁场,电动势、电磁转矩,图5直流电机结构概况,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,page 14,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。,（1）定子,主磁极由主磁极铁心和励磁绕组组成，铁心用11.5mm的钢板冲片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是成对出现，n、s极交替排列，如图7所示。,换向极也由铁心和绕组组成，铁心一般由整块钢组成，安放在相邻两主磁极之间（见图7），作用是改善电机的换向。,图7 主磁极与换向极示意图,电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成（见图8），作用是连接转动和静止之间的电路。机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。,图8 电刷装置,page 15,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,机座作用是固定主磁极等部件，同时也是磁路的一部分。,（1）定子,转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴等组成。,（2）转子（电枢）,page 16,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,电枢铁心一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕组，同时又是电机主磁路的一部分。,（2）转子（电枢）,电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈（又称绕组元件）按一定规律连接组成，每个元件两个有效边分别嵌放在电枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端分别与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电动势和电磁转矩，是实现机电能量转换的枢纽。,换向器由许多相互绝缘的换向片组成，如图9所示，作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。,图 9 换向片与换向器,page 17,1直流电机工作原理,1.1直流电机的基本工作原理及主要结构,3直流电机的主要结构,为了使电机能够运转，定子和转子之间要留有一定大小的间隙，此间隙称为气隙，也是主磁路的一部分。,（3）气隙,page 18,1直流电机工作原理,1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,直流电机的电枢绕组可分为单叠、单波、复叠、复波、复合绕组等，其基本形式是单叠绕组和单波绕组。,a）单叠 b）单波 图10 单匝元件示意图,a）单叠 b）单波 图11 两匝元件示意图,图12 u=2示意图,由于工艺等方面的原因，有时电枢不宜开太多的槽，在一个实际的槽中，上、下层嵌放多个（设为u个）元件边，通常把一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。,若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数s等于实槽数q；若每槽的上、下层各有u个元件边时，如图12所示，则有s=uq=qu，qu为虚槽数。,page 19,1直流电机工作原理,1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的距离称作极距，用槽数表示极距时，有,a）单叠 b）单波 图11 两匝元件示意图,式中，p为主磁极的极对数，s为总元件数。,a）单叠 b）单波 图10 单匝元件示意图,page 20,1直流电机工作原理,1.2电枢绕组和直流电机模型,1电枢绕组,单叠绕组是以相邻元件依次串联的联接规律连成的，每个元件的两个出线端分别接到相邻的两个换相片上，最后形成一闭合回路。其特点：支路对数a等于极对数p，同时还等于电刷对数b，即a=p=b；电枢电流ia等于各支路电流ia之和，即ia=2aia。,（1）单叠绕组,单波绕组是将同一极性下的所有元件串联成一条支路，相邻两个串联连接元件形式似波浪向前延伸。其特点：支路对数a等于1，与极对数p无关，即a=1；电枢电流ia等于2倍支路电流ia，即ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数p。,（2）单波绕组,page 21,1直流电机工作原理,1.2电枢绕组和直流电机模型,2直流电机模型,为方便起见，在分析电机内部电磁关系时建议采用电机模型，如图13所示。,图13 直流电机模型,从图中可见，无论电机有多少对磁极，都只用n、s一对磁极表示，不画换相器，电刷放在几何中性线处，并与位于几何中性线处的元件接触，一个圆圈代表一个元件。几何中性线对应的轴线被称为交轴，用q-q表示；与交轴垂直的磁极轴线被称为直轴，用d-d表示。,以后在分析电机内部电磁过程时均采用直流电机模型。,page 22,1直流电机工作原理,1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,为使用户正确使用电机，电机制造厂在每台电机的机座上都钉一块金属牌，上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定数据（又称额定值），该标牌称为铭牌，如下图所示。,page 23,1直流电机工作原理,1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,page 24,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,1直流电机工作原理,1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,page 25,1直流电机工作原理,1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,1电机主要的额定值,额定值：是选择电机的依据，应根据实际使用情况，合理选择 电机容量，使电机工作在额定运行状态。,长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。,page 26,1直流电机工作原理,1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,2国产电机主要系列,国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：“z4-72”表示直流电动机、第四次改进设计型，“7”表示机座号，7后面的2表示长铁心（2号表示长铁心，1号表示短铁心）。,（1） z2系列是普通中小型直流电机。,（2） zzj系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。,其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。,【例题1】,注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。,某直流电动机额定数据为：pn=250kw，额定电压un=220v，额定转速nn=1000r/min，额定效率hn=91.6%，求该电动机的额定电流和输入功率。,解：（1）额定电流,（2）输入功率,1直流电机工作原理,1.3直流电机的铭牌数据和主要系列,电动机的额定电流为：,电动机的输入功率为：,page 27,2直流电机的磁场,2.1直流电机的励磁方式,直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。,按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。,图15 直流电机励磁方式示意图,page 28,2直流电机的磁场,2.1直流电机的励磁方式,1）他励。励磁绕组接在独立的电源上，与电枢绕组无关，如图15a所示。永磁直流电机也属他励。,2）并励。励磁绕组与电枢绕组并联，如图15b所示。,3）串励。励磁绕组与电枢绕组串联，如图15c所示。,图15 直流电机励磁方式示意图,page 29,2直流电机的磁场,2.1直流电机的励磁方式,4）复励。主磁极上有两套励磁绕组，一套与电枢绕组并联称并励绕组，另一套与电枢绕组串联称串励绕组，如图15d所示。,d）复励,若两套励磁绕组产生的磁动势是相加的，则称积复励；若两套励磁绕组产生的磁动势是相减的，则称差复励，如图16所示。实际应用中常用积复励。,a）积复励 b）差复励 图16 复励示意图,page 30,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种状态。,图17所示是一台四极直流电机空载磁场的分布，图中主磁极n、s交替分布，故磁场的分布是对称的。,图17 直流电机空载磁场的分布,空载时，励磁绕组内有励磁电流，电动机电枢电流很小可忽略，而发电机电枢电流为零，这时电机的磁场由励磁电流单独建立。,page 31,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,绝大部分的磁通经主磁极、气隙、电枢铁心及定子磁轭闭合的这部分磁通同时链绕励磁绕组和电枢绕组，称主磁通，记作：0。,图17 直流电机空载磁场的分布,主磁通参与机电能量转换，能产生感应电动势和电磁转矩，是工作磁通。,主磁通通过的磁路称主磁路，主磁路中气隙较小，故磁阻较小。,page 32,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,另一小部分磁通不穿过电枢，仅与励磁绕组自身链绕，称漏磁通，记作：s。,图17 直流电机空载磁场的分布,漏磁通通过的磁路称漏磁路，漏磁路中空气隙较大，磁阻较大。,漏磁通不穿过电枢表面，不参与机电能量转换，不是工作磁通。,所以，漏磁通比主磁通小得多，约占主磁通的20%。,page 33,page 34,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,若不考虑电枢表面齿槽效应，设电枢表面光滑，根据磁路定律可推出气隙磁通密度bd与气隙长度d呈反比，即有bd1/d。,1空载时气隙磁通密度分布,图18 空载磁场气隙磁通密度分布,图18所示，主磁极下气隙小，且均匀，气隙磁通密度分布均匀；在主磁极极靴尖，气隙增大，磁阻增大，磁通密度下降；在极靴尖外，气隙迅速增大，气隙磁通密度急剧下降，在相邻两极的空间分界线上，磁通密度降为零。气隙磁通密度沿电枢表面空间分布的波形被称为平顶波，也可称为钟形曲线。,page 35,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,1空载时气隙磁通密度分布,page 36,空载时的磁场分布示意图,a）空载时磁场分布,b）主磁场磁通密度分布,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,电机的磁化曲线是指电机主磁通0与励磁磁动势ff的关系曲线，即0=(ff)。当励磁绕组的匝数nf一定时，改变励磁电流if就可改变磁动势，可用0=(if) 表示。,2电机的磁化曲线,电机的磁化曲线可通过试验或电机磁路计算得到，如图19所示。图中曲线1为电机磁化曲线，曲线2为气隙线，它表示气隙中所消耗的磁动势，由于空气中的0为常数，故气隙线是线性的。,page 37,图19 电机的磁化曲线,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,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。,2电机的磁化曲线,page 38,图19 电机的磁化曲线,磁化曲线表征磁路的饱和程度，对电机运行性能有很大的影响。,2直流电机的磁场,2.2直流电机的空载磁场,2电机的磁化曲线,page 39,图19 电机的磁化曲线,设计电机时，既要考虑节省材料，磁通密度b值尽量取得大些，但又不能使磁路太饱和，所以，为了更经济有效地利用材料，一般额定磁通取在直流电机磁化曲线开始弯曲的地方。,电机的磁化曲线可通过试验或电机磁路计算得到。,2直流电机的磁场,2.3直流电机负载时的磁场,page 40,图a表示仅由励磁电流产生的空载磁场，图b表示由电枢电流单独产生的电枢磁场，设电机磁路不饱和，利用叠加原理，得到负载时的气隙磁场如图c所示。,直流电机负载运行时，电枢电流ia不为零，气隙中的磁动势由励磁电流if产生的励磁磁动势ff和电枢电流ia产生的电枢磁动势fa共同建立。,a）空载磁场 b）电枢磁场 c）气隙磁场 图20 直流电机电机负载时的磁场,2直流电机的磁场,2.3直流电机负载时的磁场,page 41,引入电枢线负荷的概念，线负荷是指在电枢表面单位长度上的安培导体数，用a表示。设n为电枢绕组总导体数，ia为导体电流，da为电枢直径，则根据线负荷定义有,图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形,将电枢外表面从几何中性线处展开成直线，如图21所示，并设主磁极轴线与电枢表面的交点处为原点0，这点的电枢磁动势为零，在离原点x处作一矩形磁闭合回路，根据安培环路定律，当磁路不饱和时，存在,fax=ax,（7）,（8）,2直流电机的磁场,2.3直流电机负载时的磁场,page 42,式中，fax为每个气隙磁动势，fax与x成正比，则电枢磁动势分布波形为三角波，如图21曲线fax=(x)所示。根据bax=ohax，可推出电枢磁通密度为,图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形,在磁极下气隙均匀，则baxx；在极尖，因气隙很大，则bax很小，电枢磁通密度沿电枢表面分布为一马鞍波形，如图21曲线bax=(x)所示。图中曲线box=(x)表示励磁磁通密度，亦即电机空载时的磁通密度曲线。,fax=ax,（8）,（9）,2直流电机的磁场,2.4直流电机的电枢反应,page 43,当电机带负载后，电枢绕组流过电流，产生电枢磁动势。,图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形,从上面分析可知，电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。,将电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为电枢反应。,2直流电机的磁场,2.4直流电机的电枢反应,page 44,当电机带负载后，电枢绕组流过电流，产生电枢磁动势。,图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形,从上面分析可知，电枢磁动势对主磁极产生的磁场有影响，故对电机的运行性能也会产生一定的影响。,将电枢磁动势对励磁磁动势产生的影响称为电枢反应。,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,2直流电机的磁场,page 45,2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,2直流电机的磁场,page 46,负载磁通合成示意图,b）电枢磁通,a）主磁通,+,=,c）气隙磁通,2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,2直流电机的磁场,page 47,负载磁通密度合成示意图,+,a）主磁通密度,b）电枢磁通密度,c）合成磁通密度,2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,2直流电机的磁场,page 48,负载时的磁场分布示意图,a）负载时的磁场分布,b）合成磁通密度分布,2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,2直流电机的磁场,page 49,2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,当电刷位于几何中性线时，电枢反应表现：使气隙磁场发生畸变并使物理中性线偏移, 当磁路饱和时有去磁作用。,（1）使气隙磁场发生畸变,设电枢旋转时先进入磁极的那个磁极尖称为前极尖，电枢离开磁极的那个磁极尖称为后极尖。电枢反应使气隙磁场发生畸变，如图21所示，对发电机而言是前极尖磁场被削弱，后极尖磁场被加强；对电动机而言是前极尖磁场被加强后极尖磁场被削弱。,图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形,2直流电机的磁场,page 50,2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,（2）使物理中性线偏移,通常，将气隙中各点磁通密度为零的点的连线称为物理中性线。,图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形,直流电机空载时，几何中性线与物理中性线重合。负载时，物理中性线偏离几何中性线a角，对发电机而言是顺转向偏离a角；对电动机而言是逆转向偏离a角（见图21）。,2直流电机的磁场,page 51,2.4直流电机的电枢反应,1电刷位于几何中性线时的电枢反应,（3）当磁路饱和时有祛磁作用,图21 直流电机负载时气隙磁蜜波形,磁路未饱和时，气隙里的磁通密度bx由励磁磁通密度box与电枢磁通密度bax叠加得到。,磁路饱和时，要利用磁化曲线才能得到负载时的气隙磁通密度分布曲线，显然由于磁化曲线进入饱和点后具有饱和性，使负载时的气隙磁场比空载时的磁场要弱，如图21中虚线bx=(x)所示。,2直流电机的磁场,page 52,2.4直流电机的电枢反应,2电刷偏离几何中性线时的电枢反应,当电刷位于几何中性线时，电枢电流只产生交轴电枢磁动势，而电刷偏离几何中性线时，设以电动机为例电刷逆旋转方向偏离角，产生的电枢磁动势为fa，将fa分解成交轴电枢磁动势faq和直轴电枢磁动势fad，如图22所示。,a）交轴电枢磁动势 b）直轴电枢磁动势 c）电枢磁动势 图22 电刷偏离几何中性线时的电枢反应,2直流电机的磁场,page 53,2.4直流电机的电枢反应,2电刷偏离几何中性线时的电枢反应,交轴电枢磁动势faq对主磁场的影响与上面分析的电刷位于几何中性线的电枢反应情况一样，而直轴电枢磁动势fad与主磁极轴线重合，方向相反，故有去磁作用；同理，当电刷顺电动机旋转方向偏离角时，产生的直轴电枢磁动势fad有助磁作用。,a）交轴电枢磁动势 b）直轴电枢磁动势 c）电枢磁动势 图22 电刷偏离几何中性线时的电枢反应,2直流电机的磁场,page 54,2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,1直流电机电枢绕组的感应电动势,直流电机电枢绕组的感应电动势是指从一对正负电刷之间引出的电动势，也称为电枢电动势，记作ea。,如果设n为电枢绕组的总导体数，a为并联支路对数，bav为一个磁极内的平均磁通密度，l为导体的有效长度，v为导体切割磁场的速度，则电枢电动势为,式中， 称为电动势常数，它是与电机结构有关的参数。,（10）,2直流电机的磁场,page 55,2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,1直流电机电枢绕组的感应电动势,由电动势表达式ea=cen可知：ean，改变或n的大小，可使ea大小发生变化，当磁通单位为wb，转速n单位为r/min，则电枢电动势ea单位为v；ea方向取决于和n的方向，改变的方向（改变励磁电流if的方向），就可改变ea方向。,2直流电机的电磁转矩,直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。,2直流电机的磁场,page 56,2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,2直流电机的电磁转矩,设d为电枢直径，n为电枢总导体数，fav为每根导体平均所受的力，则电磁转矩为,式中， 称为转矩常数，它也是与电机结构有关的参数。,由电磁转矩表达式t=ctia可知：tia，改变或ia的大小，可使t大小发生变化，当磁通单位为wb，电枢电流ia单位为a，则电磁转矩t单位为nm；t方向取决于和ia的方向，改变的方向（改变励磁电流if的方向），就可改变t的方向。,（11）,2直流电机的磁场,2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,2直流电机的电磁转矩,根据 和 可得到电动势常数与转矩常数之间的关系为,ct=9.55ce,page 57,（12）,【例题2】,注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。,已知某四极他励直流电动机的额定功率pn=100kw，额定电压un=330v，额定转速nn=730r/min，额定效率hn=91.5%，额定运行时每极气隙磁通fn=6.9810-2wb，电机电枢绕组采用单波绕组，电枢总导体数n=186。求额定感应电动势和额定电磁转矩。,解：（1）计算额定感应电动势,（2）计算额定电磁转矩,page 58,2.5直流电机的感应电动势和电磁转矩,2直流电机的磁场,极对数为： p=2；,支路对数： a=1；,电动势常数为：,感应电动势为：,电枢电流为：,电磁转矩为：,3直流电机的基本方程,3.1电压方程,若直流电机为发电机，采用右图所示发电机惯例（以输出电流作为电枢电流的正方向），则电枢回路方程为,page 59,他励直流发电机惯例,式中，ra为电枢回路的总电阻，包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。,励磁回路方程为,式中，rf为励磁回路总电阻，包括励磁回路外串电阻和励磁绕组内阻。,（14）,（13）,由式（13）可见，电枢电动势ea必须大于电枢端电压u，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。,3直流电机的基本方程,3.1电压方程,若直流电机为电动机，采用如右图所示电动机惯例（以输入电流作为电枢电流的正方向），则电枢回路方程为,page 60,式中，反电动势ea=cen。由于ra很小，电枢回路上电阻压降很小，电源电压大部分降落在反电动势ea上。,电枢电流ia与线路电流i之间的关系与励磁方式有关，若为并励则有,若为串励则有,（16）,直流电动机惯例,u=ea+iara （15）,（17）,3直流电机的基本方程,3.2转矩方程,当发电机处于恒定转速运行时（见右图），转矩平衡方程为,page 61,他励直流发电机惯例,式中，t1为原动机的拖动转矩；t为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩；t0为空载转矩，它是由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。,（18）,各转矩的方向如上右图所示，发电机的转向由原动机决定，t1t，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。,3直流电机的基本方程,3.2转矩方程,当电动机处于稳态运行时，根据右图所示转矩方向，电动机空载时，轴上输出转矩t2=0，则,page 62,当负载转矩为tl，轴上输出有t2=tl，电动机匀速稳定运行时有,式中，电磁转矩为拖动性质转矩，可用公式t=ctia计算，t2+t0为总的阻转矩，方向与t相反。,直流电动机惯例,t=t0 （19）,t=t2+t0,（20）,3直流电机的基本方程,3.3电磁功率和功率平衡方程,由转矩方程两边同乘以角速度，可得功率平衡方程。对于发电机，从原动机输入的机械功率为,page 63,式中，p1为输入的机械功率；pem为电磁功率；p0为空载损耗。,空载损耗等于铁损pfe、机械摩擦损耗pm、附加损耗pad，即有,（24）,2功率平衡关系,（23）,他励直流发电机惯例,p1=pem+p0,p0=pfe+pm+pad,式中，附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算为额定功率p的0.5%1%。,3直流电机的基本方程,3.3电磁功率和功率平衡方程,发电机输出的电功率为,page 64,式中，pcua为电枢回路铜耗；p2为输出的电功率，同时输出功率又可表示为,根据上面所列的功率表达式可得到图24所示的他励直流发电机的功率流程图。,2功率平衡关系,（4-25）,他励直流发电机惯例,p2=pempcua,p2=uia,（26）,图24 他励直流发电机功率流程图,3直流电机的基本方程,3.3电磁功率和功率平衡方程,对于电动机，他励直流电动机输入功率为,page 65,式中，电磁功率pem的功率性质为电功率，pcua为电枢回路上的铜耗，pcua=ia2ra。,转矩平衡方程t=t2+t0两边同乘以角速度可得,2功率平衡关系,（27）,p1=ui=uia=（ea+iara）ia=eaia+ia2ra,tw=t2w+t0w,（28）,直流电动机惯例,p1=pem+pcua,pem=p2+p0,（29）,p2=pemp0,式中，电磁功率pem的功率性质为机械功率，空载损耗为,p0=pfe+pm+pad,（30）,3直流电机的基本方程,3.3电磁功率和功率平衡方程,根据上面所列的功率表达式可得到如图25所示的他励直流电动机的功率流程图。,page 66,2功率平衡关系,直流电动机惯例,图25 他励直流电动机功率流程图,page 66,3直流电机的基本方程,3.3电磁功率和功率平衡方程,他励直流电机的总损耗为p=pfe+pm+pad+pcua，即有,page 67,3效率,p=p0+pcua,（31）,效率公式为,（32）,【例题3】,注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。,一台并励直流发电机数据为pn=82kw，un=230v，nn=970r/min，电枢回路总电阻ra=0.032，励磁支路总电阻radf=26，额定负载时，pfe+pm=2.5kw，附加损耗pad=0.005pn，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。,解：（1）求电磁功率,（2）求输入功率,page 68,3.3电磁功率和功率平衡方程,电枢电流为：,输入功率为：,3直流电机的基本方程,励磁电流为：,额定负载电流为：,电枢电动势为：,电磁功率为：,（3）求电磁转矩,（4）求效率,【例题3】,3.3电磁功率和功率平衡方程,3直流电机的基本方程,电磁转矩为：,page 69,【例题4】,注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。,已知一台永磁直流电动机的电枢电阻ra=1.03w，当在50v直流电源供电下空载运行时，电动机转速为2100r/min，吸收电流是1.25a。试计算：（1）电动势常数ce（ce= ce）；（2）电动机的空载损耗p0；（3）当转速为1700r/min以及电源电压为48v时，电动机的输出功率p2。,解：（1）求电动势常数ce,（2）求空载损耗,page 70,3.3电磁功率和功率平衡方程,电动势常数为：,3直流电机的基本方程,感应电动势为：,（3）求输出功率,【例题4】,3.3电磁功率和功率平衡方程,3直流电机的基本方程,在转速为1700r/min时，感应电动势为：,电枢电流为：,电磁功率为：,输出功率为：,注意：当电动机空载时，轴上输出功率p2=0，此时电磁功率与空载损耗相等。,page 71,4.1他励直流发电机空载特性,4直流发电机的运行特性与试验测试,空载特性是指原动机的转速n=nn，输出端开路，负载电流i=0（ia=0）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即u0=e0=(if)，如图26所示。,注意：试验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到u0=（1.11.3）un为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，使得到的曲线较准确。,图27 他励直流发电机试验接线图,图26 他励直流发电机空载特性,空载特性可以由试验测出，试验接线图如图27所示。,试验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线，如图26中虚线所示。另外，特性曲线与转速有关，一定要保持额定转速。,page 72,4.2他励直流发电机外特性,4直流发电机的运行特性与试验测试,外特性是指原动机的转速n=nn，励磁电流if=ifn时，电枢端电压与负载电流之间的关系，即u=(i)，如图28所示。,发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率表示。电压变化率是指发电机从额定负载（u=un，i=in）过渡到空载（u=u0，i=0）时，电压升高的数值与额定电压的百分比，即,从空载到负载电压下降的原因：负载增大，电枢电流ia增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；ia增大，使电枢反应的去磁作用增强，端电压进一步下降。,图28他励（并励）直流 发电机的外特性,通常他励直流发电机的电压变化率u%为5%10%。,（33）,page 73,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,以空载为例说明并励直流发电机的自励过程，试验接线如图29所示。,1自励过程与试验,图29 并励直流发电机自励试验接线,当发电机在原动机带动下以恒定的额定转速nn运转时，在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则产生感应电动势er（为（2%5%）un），从而在发电机电枢两端建立剩磁电压ur。,在剩磁电压ur作用下，产生不大的励磁电流if（if=ur/rf），此励磁电流通过励磁绕组会产生磁场，磁场的方向如果与剩磁方向一致，则主磁通得以加强，使电枢端电压进一步升高，端电压的升高，又使励磁电流增大，主磁通更加强，如此反复，最终使电枢端电压建立。,page 74,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,图30所示为并励直流发电机自励过程。自励是一个过程，电枢端电压是不断建立的，能否稳定呢？,1自励过程与试验,图30 并励直流发电机自励过程 1空载特性u0f(if) 2,3,4励磁回路伏安特性，即场阻线uff(if),page 75,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,1自励过程与试验,从并联回路可见，励磁绕组中有自感，用lf表示励磁绕组的自感系数，电枢绕组中也有自感，用la表示电枢绕组的自感系数。,图30 并励直流发电机自励过程 1空载特性u0f(if) 2,3,4励磁回路伏安特性，即场阻线uff(if),由于励磁绕组导线细、匝数多，而电枢绕组导线粗、匝数少，存在lfla，rfra，故可忽略la和ra的影响，自励过程电压方程为,（34）,式中，rf为励磁支路的电阻。,page 76,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,1自励过程与试验,图30 并励直流发电机自励过程 1空载特性u0f(if) 2,3,4励磁回路伏安特性，即场阻线uff(if),如果励磁绕组与电枢绕组之间的接法不合适，即励磁电流产生的磁通与剩磁的方向相反，励磁回路的伏安特性如图30曲线4所示，它与空载特性的交点为b，说明发电机不能自励发电。,（34）,由上式可见，只要 ，则if不断上升，当if上升至ifn（a点）时， ，励磁电流不再增大，此时有，说明a点是空载特性与场阻线的交点，也是自励过程的结束点或稳定点。,page 77,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,1自励过程与试验,图30 并励直流发电机自励过程 1空载特性u0f(if) 2,3,4励磁回路伏安特性，即场阻线uff(if),若保持转速n=nn不变，当增大励磁回路附加电阻radf时，夹角增大，场阻线斜率增大，交点a下移。,图30曲线2的斜率,（35）,当夹角增大到一定程度，场阻线与空载特性相切，发电机也不能自励。,若保持励磁电阻rf不变，而改变转速n，使n升高，空载特性曲线会按比例升高，则它与场阻线的交点也会升高，使发电机端电压升高。,page 78,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,1自励过程与试验,图4-30 并励直流发电机自励过程 1空载特性u0f(if) 2,3,4励磁回路伏安特性，即场阻线uff(if),并励直流发电机的自励条件为：,电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；,励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即应使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则应改变并励绕组极性；,励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。,page 79,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,1自励过程与试验,图30 并励直流发电机自励过程 1空载特性u0f(if) 2,3,4励磁回路伏安特性，即场阻线uff(if),实际应用中，并励直流发电机自励而电压未能建立时，应先减小励磁回路的外串电阻radf，观察电压是否能建立，不行再改变励磁绕组与电枢绕组连接的极性，若电压还不能建立，则应考虑是否还有剩磁，若没有剩磁，采用充磁后，再进行自励发电。,page 80,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,1自励过程与试验,图30 并励直流发电机自励过程 1空载特性u0f(if) 2,3,4励磁回路伏安特性，即场阻线uff(if),自励过程动画,page 81,4.3并励直流发电机,4直流发电机的运行特性与试验测试,2并励直流发电机外特性,并励直流发电机电压下降，励磁电流减少，使磁通变弱，则电枢电动势降低，从而使端电压进一步下降，所以它的外特性要比他励直流发电机下垂，如图28所示，它的电压变化率u%为20%30%。,图28他励（并励）直流发电机的外特性,page 82,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,直流电动机工作特性是指在u=un，if=ifn，电枢回路不外串电阻的条件下，转速n、转矩t、效率与输出功率p2之间的关系曲线。,实际运行中，电枢电流ia随p2增大而增大，又便于测量，故也可把转速n、转矩t、效率与电枢电流ia之间的关系曲线称为工作特性。,page 83,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,转速特性是指当u=un，if=ifn，电枢回路外串电阻rw=0时，n=(ia)的关系。,根据电动势方程ea=cen和电压方程u=ea+iara可得,1转速特性,（36）,若忽略电枢反应，电枢电阻又较小，转速特性是一条略微向下倾斜的直线，如图31曲线1实线所示。,图31 他(并)励直流电动机工作特性,式（36）中 ，是电枢电流ia为零时的理想空载转速。考虑电枢反应的去磁作用，转速特性如图31曲线1虚线部分所示。,page 84,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,转矩特性是指当u=un，if=ifn，电枢回路外串电阻rw=0时，t=(ia)的关系。,根据转矩公式t=ctia，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线，如图31曲线3实线所示。,2转矩特性,图31 他(并)励直流电动机工作特性,考虑电枢反应的去磁作用，转矩特性如图31曲线3虚线所示。,page 85,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,效率特性是指当u=un，if=ifn，电枢回路外串电阻rw=0时，h=(ia)的关系。,根据效率的定义可得,3效率特性,图31 他(并)励直流电动机工作特性,式中，总损耗为,（37）,（38）,其中，空载损耗p0与负载电流变化无关，称为不变损耗；电枢铜耗pcua随负载电流二次方倍变化，又称可变损耗。,page 86,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,当负载电流从零逐渐增大时，效率也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大，之后随负载电流的继续增大，效率反而减小，效率特性如图31曲线2所示。,3效率特性,图31 他(并)励直流电动机工作特性,如果令d/dia=0，可得p0=pcua，说明不变损耗等于可变损耗时，效率最高。,page 87,【例题5】,注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。,有一他励直流电动机接在额定电压为220v的电网上额定运行时，电动机的额定电枢电流ia=15a，电枢回路总电阻ra=0.7。试求：（1）电动机额定运行时的反电动势；（2）若因某种原因，使电网电压下降至200v，但励磁电流和负载转矩均未发生变化，求在达到新平衡点后电动机的反电动势。,解：（1）额定运行时的反电动势,（2）新平衡点时的反电动势,page 88,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,【例题6】,注意：变压器的电压比是指一、二次侧相电压之比。,有一台他励直流电动机的数据为：pn=75kw，un=220v，in=383a，nn=1500r/min，电枢回路总电阻ra=0.02，求额定负载时电磁转矩、输出转矩、输入功率和效率。,解：（1）求电磁转矩,（2）求输出转矩,page 89,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,电枢电动势为：,电磁功率为：,电磁转矩为：,（3）求输入功率,【例题6】,（4）求效率,5.1他励（并励）直流电动机的工作特性,5直流电动机的工作特性与试验测试,p