第一篇直流电机4.doc

第四章 直流电机的运行特性根据可逆原理，直流电机既可以作为发电机运行，也可以作为电动机运行。但是它们的运行特性是不同的。本章将分别介绍。第一节 直流发电机的运行特性直流发电机的稳态运行（n=nN）特性主要有三条：标志其输出电压质量的外特性，反映其励磁调节规律的调整特性表征其力能指标的效率特性。下面分不同励磁方式的电机来介绍。一、他励直流发电机的运行特性分析表明，直流发电机的稳态特性在很大程度上受磁饱和的影响，所以先介绍空载特性。图1-4-1试验接线图空载特性 空载特性是指nnN常值，I0时，电枢的空载端电压与励磁电流之间的关系U0f（If）。空载运行时，I0，因此其空载特性实质上即为Eaf（If）关系曲线。又因为n常值，电枢的感应电动势正比于主磁通，即Ea0Cen00，可见空载特性EaU0f（If）与电机的磁化曲线0f（If）的纵坐标之间仅差一个比例常数Cen，所以亦可认为空载特性实质上就是电机的磁化曲线。空载特性常常用来确定电机磁路和运行点的饱和程度（非线性程度）。图1-4-2 空载特性空载特性可由试验测得，其试验线路如图1-4-1所示。试验时，打开开关Q，发电机由原动机拖动并保持nnN；调节电阻R，使If由零开始单调增长直至空载电压U0 (1.11.3)UN，然后使If单调减小至零，再反向单调增加，直至负的U0与正的U0相等为止。在试验过程中记录每次的If和相应的U0值。由于铁心的磁滞现象，这样所测得的U0f（If）只是整个磁滞回线的左半边，可根据对称关系画出此磁滞回线的右半边，并进一步找到整个磁滞回线的平均曲线，如图1-4-2中虚线所示。一般取平均曲线作为电机的空载特性。直流电机励磁后再将励磁电源断开，磁路中就会留有剩磁，此后即使在If0时，电枢仍会出现由剩磁通所感应的剩磁电压U0r，其值约为(24)%UN。由于空载特性实质上反应了励磁电流与由它建立的主磁通在电枢中所感应电动势之间的关系，而与If的获得方式无关，因此并励、复励发电机的空载特性也可以用上述方法求取，即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。外特性 他励发电机的外特性是指发电机的转速nnN常值，励磁电流If常值（通常等于额定励磁电流IfN）时，发电机的端电压与线路电流之间的关系：Uf（I）。外特性的试验线路也采用图1-4-1的线路。将开关Q闭合使电机接上负载，在保持nnN不变，且调节R使IfIfN不变，改变负载RL使I从零增加到IN，并酌量过载，记录U、I之值。可得到Uf（I）关系曲线，如图1-4-3所示。由他励发电机的电压方程可知，发电机的端电压为 （1-4-1）当励磁电流和转速为常值时，若电刷在几何中性线上，且不计磁饱和效应，则气隙磁通和Ea为常值；于是随着负载电流的增加，电枢电路的电阻压降IaRa逐渐增加，发电机的端电压将稍微下降，外特性Uf（I）为一比水平线稍微下降的直线。如计及饱和效应，交轴电枢反应会产生一定的去磁作用，于是随着负载电流的增加，气隙磁通将略有减小，使电枢电动势Ea随之减小，再计及电枢的电阻压降IaRa，外特性变为曲线，且下降程度略有增加，正如图1-4-3所示。图1-4-3 他励发电机外特性在nnN、IfIfN的条件下，他励发电机从额定负载过渡到空载，电枢端电压变化的数值与额定电压的比值，称为额定电压调整率（简称电压调整率），用uN表示，即 （1-4-2）他励发电机的uN大致在5%10%这一范围内，即负载变化时，发电机的端电压变化不大，所以他励发电机基本上可以看成是一个恒压的直流电源。他励发电机在额定励磁下短路时，由于Ra很小，短路电流IkEa/Ra会很大，可达到额定电流的二三十倍，故他励发电机不允许在额定励磁下发生持续短路。调整特性 调整特性是指nnN常值和UUN常值时，If f（I）的关系曲线。它表明，当负载变化时，如何调节励磁电流，才能维持发电机的端电压不变。图1-4-4 他励发电机的调整特性调整特性的试验线路仍采用图1-4-1的线路。同时调整负载电阻和励磁电流，以使在不同负载下都保持端电压为额定值，然后记录I与对应的If，即得如图1-4-4所示的调整特性曲线。由图可见，他励发电机的调整特性曲线是随负载电流的增大而向上翘的。这是因为负载电流增大时，要保持端电压不变，就必须增大励磁电流，以补偿电枢回路电阻压降和所增加的电枢反应去磁作用。当负载电流IIN时，发电机的端电压UUN时所需的励磁电流称为额定励磁电流，用I fN表示。上面的外特性和电压调整率，就是在额定励磁电流条件下求取的。效率特性 效率特性是指nnN常值，UUN常值时，效率与输出功率的关系f（P2）。直流发电机的损耗分不变损耗和可变损耗两大类。由于直流发电机大多在nnN、UUN情况下运行，因此其基本铁耗和机械损耗等与负载的大小无关，这类损耗属于不变损耗。基本铜耗、电刷接触损耗及杂散损耗随着负载电流的变化而变化，这类损耗属于可变损耗。此外，由于负载变化时励磁电流要做相应调整，因此励磁回路的铜耗也属可变损耗。图1-4-5 并励发电机的接线图他励发电机的效率为 （1-4-3）式中，p为杂散损耗；2Us为电刷与换向器之间的接触压降，对石墨电刷，2Us2V；对金刚石电刷，2Us0.6V。由于电刷与换向器之间的接触电阻为非线性，在计算效率时应将其损耗单独按2UsIa来计算。通常，小型直流发电机的额定效率N70%90%，中大型直流发电机的额定效率N91%96%。二、并励直流发电机的运行特性并励直流发电机是一种自励发电机，励磁电流不需要其他的直流电源供给，而是取自发电机本身，如图1-4-5所示。并励发电机的主极励磁绕组和电枢绕组并联，电枢电流Ia为负载电流I和励磁电流If之和。 If一般为额定电流IN的1%5%，因此可以认为并联了励磁绕组之后，励磁电流对电枢电压的数值影响不大。并励发电机的自励 发电机要实现自励，首先是电机的磁路中必须要有剩磁。如果电机没有剩磁，则可用其他直流电源给主磁极充磁。图1-4-6 并励发电机的自励过程其次是励磁绕组端点与电枢端点的连接要正确。发电机的自励过程如图1-4-6所示。当电枢旋转时，发电机两端将建立的剩磁电压，于是励磁绕组中将产生一个不大的电流，其磁动势的方向可能与剩磁方向相同，也可能相反。相同时，气隙磁场得到加强，使电枢端电压增加，使励磁电流增大，气隙磁场又进一步加强，如此往复，发电机的端电压将逐步建立起来，直至A点达到稳定。相反时，剩磁磁场被消弱，电机工作在B点，电压建立不起来；因此，在转向一定的情况下，要使励磁磁动势的方向和剩磁磁动势的方向相同。最后是励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。图1-4-6中的A点为空载特性曲线1与励磁回路伏安特性直线2的交点，它是并励发电机自励时的稳定运行点。从剩磁点Er开始，一直到A点之前，发电机的端电压U总是大于励磁绕组的电阻压降If0Rf，励磁电流将不断增大，磁场不断加强，端电压不断增高。到达A点时，U等于If0Rf，励磁电流不再增加，电机进入稳定状态。如果增加励磁回路中的电阻Rf，伏安特性曲线变陡，因为伏安特性曲线的斜率为 （1-4-4）交点A将沿着空载曲线向下移动，电机的空载稳定电压就会降低。若继续增大Rf，直到使励磁回路伏安特性与空载特性的直线部分相切，没有固定的交点，如图1-4-6中的直线6所示，空载稳定电压很低，处于“临界”状态，此时励磁回路的电阻称为临界电阻Rcr。若再增大Rf到R2，R2Rcr，励磁回路伏安特性与空载特性的上部没有交点，如图1-4-6中的直线4所示，空载稳定电压接近剩磁电压，则发电机不能自励。因此必须是RfRcr。此外，如果发电机的转速降低时，空载曲线如图1-4-6中的直线5所示，与励磁回路伏安特性的交点过低，发电机也不能建立正常电压。由此可见，在额定转速下，并励发电机的自励条件有三个：（1）电机的主磁路要有剩磁；（2）励磁磁动势与剩磁两者方向必须相同；（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。图1-4-7 并励发电机的外特性并励发电机的外特性 并励发电机的调整特性和效率特性与他励发电机的相似，这里仅说明其外特性。与他励的外特性相比较，并励发电机的外特性有三个特点：（1）负载增大时，端电压下降较快；（2）外特性有拐弯现象；（3）发电机稳态短路（端电压等于零）时，短路电流不大，如图1-4-7所示。这些特点都是并励发电机的励磁绕组与电枢绕组相并联所造成的。当负载电流增大时，除了电枢反应和电枢电阻压降使端电压下降之外，由于UfU，Rf保持不变，端电压的下降将使励磁电流同时减小，引起气隙磁通量和电枢电动势的进一步下降，因此在同一负载下，并励发电机的端电压要比他励的下降得快。并励发电机的电压调整率一般在20%左右。外特性“拐弯”现象的出现是由于IU/RL，当负载电阻RL减小、负载电流增大，端电压的下降到一定值时，磁路将处于低饱和状态。此时若进一步减小RL，端电压的下降使励磁电流下降，而励磁电流的下降将导致气隙磁通和电枢电动势较大幅度的下降，结果使端电压U的下降比负载电阻RL减少的更快，于是外特性出现“拐弯”现象，即端电压下降。负载电流亦下降。拐弯点的电流值约为（23）IN。当发电机稳态短路时，端电压等于零，励磁绕组电压亦等于零，造成励磁电流If 0，电枢的短路电流仅由剩磁电动势所产生，故并励发电机的稳态短路电流Iko常小于额定电流。外特性“拐弯”现象是并励发电机最突出的特点。三、复励直流发电机的特点常用的复励发电机都是积复励，并励磁动势起主要作用，使发电机空载时能达到额定电压；串励磁动势用来补偿负载时电枢反应的去磁作用和电枢电路中的电阻压降。并励绕组匝数较多，通过的励磁电流较小，但有一定的安匝数；串励绕组匝数较少，一般只有几匝，通过的电流为电枢电流。按照串励绕组作用的强弱，外特性可出现三种形式，如图1-4-8所示。若串励绕组的作用恰好补偿电枢反应的去磁作用以及电枢的电阻压降，外特性将基本上成为一条水平线；此时若空载端电压为额定电压，则额定负载时发电机的端电压亦为额定电压，这种情况称为平复励。若串励磁动势的作用较强，补偿作用有余，外特性就会上翘，这种情况称为过复励。若补偿作用不足，外特性仍微有下降，称为欠复励。图1-4-8 积复励发电机的外特性第二节 直流电动机的运行特性表征直流电动机输出机械性能的主要数据是转矩和转速，所以最重要的一条运行特性就是转速转矩特性（亦称为机械特性）；其次是工作特性，包括转速特性和转矩特性；还有效率特性。图1-4-9 并励电动机的接线图当电枢回路没有串联外加电阻（并励电动机有额定励磁电流）时的机械特性，称为自然机械特性。电枢回路串接外加电阻，或非额定电压，非额定励磁电流时的机械特性，称为人工机械特性。研究电动机的机械特性对分析电动机与被拖动负载间的配合能否稳定运行等问题有重要意义。直流电动机的运行性能因励磁方式不同而有很大差异，下面分别进行研究。一、并励直流电动机的运行特性图1-4-9是并励直流电动机的接线图，其运行特性大都可从电压方程和转矩方程中近似推导出。转速转矩特性 指在UUN，电枢和励磁电路电阻不变的情况下，电动机转速和电磁转矩之间的关系曲线nf（Te）。从电磁转矩公式和电压方程得 （1-4-5）由此可解出 （1-4-6）该式就是转速转矩特性的表达式。由于UUN，Rf常值，且RaCTCe2，故不计磁饱和效应时，机械特性为一稍微下降的直线。如果计及磁饱和，交轴电枢反应呈现去磁作用，则机械特性的下降程度减小，甚至可变成水平或上翘的曲线。总之，并励电动机的转速随着所需电磁转矩的增加而稍有变化，如图1-4-10所示，这种特性称为硬特性。转速特性 指在UUN，Rf常值时，转速与输出功率（或电枢电流）之间的关系曲线nf(P2) 或nf(Ia)。从电动势公式Ea=Cen和电压方程可得 （1-4-7）图1-4-10并励电动机的转速转矩特性图1-4-11 并励电动机的工作特性该式常称为电动机的转速公式。可见，在端电压U、励磁电流If均为常值的条件下，影响并励电动机转速的因素有两个：（1）电枢电阻压降；（2）电枢反应。当电动机的负载增加时，电枢电流增大，IaRa使电动机的转速趋于下降；电枢反应如有去磁作用时，则使转速趋于上升，因此这两个因素对转速的影响部分地互相抵消，使并励电动机的转速变化很小。实用上，为保证并励电动机能稳定运行，常使它具有稍微下降的转速特性，如图1-4-11所示。当IfIfN时，并励电动机的转速调整率n为 （1-4-8）式中，nN为额定负载、额定励磁下电动机的转速（额定转速）； n0为同一励磁下电动机的空载转速。并励电动机在负载变化时，转速变化很小，n(38)，它基本上是一种恒速电机。注意，并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。如励磁绕组断开，If0，主磁通将迅速下降到剩磁磁通，使电枢电流迅速增大。此时若负载为轻载，则电动机的转速将迅速上升，造成“飞车”；若负载为重载，所产生的电磁转矩克服不了负载转矩，则电动机可能停转，使电枢电流一直增大到起动电流，引起绕组过热而将电机烧毁。这两种情况都是极其危险的。转矩特性 指在UUN，Rf常值时，转矩与电枢电流（或输出功率）之间的关系曲线Tef(P2) 或Tef(Ia)。从电动机的转矩公式 （1-4-9）可见，If常值且不计磁饱和时，亦为常值，于是电磁转矩将与电枢电流成正比变化，即Tef（Ia）为一条直线，如图1-4-11中虚线所示。计及磁饱和时，由于磁通量略为减少，故转矩特性Tef（Ia）将如图中实线所示。效率特性 指UUN，IIfN时，效率与电枢电流（或输出功率）之间的关系曲线f（Ia）或f(P2)。并励电动机的效率特性与其他电机相类似。如果不计杂散损耗P，则并励电动机的效率为 (1-4-10)图1-4-12 并励电动机的效率特性从该式可见，效率是电枢电流的二次曲线，如图1-4-12所示。效率曲线=f（Ia）有一个最大值，即电动机在某一负载时，效率达到最高。用求函数最大值的方法可求出最大效率及最大效率时电动机的电枢电流值。对于并励电动机，由于IfN IN，可以不计If，令，可得 （1-4-11）该式表明，当电动机的不变损耗等于随电流平方而变化的可变损耗时，电动机的效率达到最高。这个结论对其他电机及不同运行方式都适用。一般直流电动机效率约为0.750.94，容量大的效率高些。二、串励直流电动机的运行特性串励直流电动机的特点是电枢电流与励磁电流相等，即Ia=Is=I。转速转矩特性 从电动机的电压方程可得图1-4-13 串励电动机的转速转矩特性式中，Rs为串励绕组的电阻。若把电机的磁化曲线用=KsIs表示，则于是电磁转矩由此可解出 （1-4-12）该式即为串励电动机转速转矩特性的表达式，曲线如图1-4-13所示。从图1-4-13可见，串励电动机的转速随着转矩的增加而迅速下降，这种特性称为软特性。串励电动机不允许空载运行，因为空载时I很小，主磁通亦很小，使转速极高，会产生“飞车”现象，十分危险。转速特性 由于Ia=Is=I，故从转速公式可得 (1-4-13)该式表明，n与Ia大约成双曲线关系，如图1-4-14所示。当负载增加时，Ia增加，使电枢回路的电阻压降Ia（Ra+Rs）增大；另外由于IaIs，故串励磁动势和主磁场亦