直流电机基础5

1、电机及拖动基础电机及拖动基础第二章第二章 直流电机直流电机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院2上一节课的主要内容：上一节课的主要内容：(1) 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算重点重点 电角度、机械角速度、转速的概念电角度、机械角速度、转速的概念(2) 直流电机的运行原理直流电机的运行原理重点重点 直流电机的基本方程式（直流电机的数学模型）直流电机的基本方程式（直流电机的数学模型）电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院3602afefGC KfafffeIGnIKCnCEea其中其中 ； 为机械角速度，单位为机械角速度，单位rad/s。感应电动势感应电动势的计算公式为

2、：的计算公式为：电磁转矩电磁转矩的计算公式为：的计算公式为：eTaTCIeTCC55. 9aaeE IT电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院4直流电机的基本方程式：直流电机的基本方程式：20edTTTJdtaaaaUER IfffUR I,aaaafffEUR IUR IdtdJTTTe01直直流流电电动动机机直直流流发发电电机机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院5本节课的主要内容：本节课的主要内容：(1) 直流电机的功率平衡关系直流电机的功率平衡关系重点重点 以并励直流电机为例以并励直流电机为例(2) 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性重点重点 并励并励、串励串励、复励直流电

3、动机工作特性、复励直流电动机工作特性(3) 直流发电机的工作特性直流发电机的工作特性重点重点 空载运行空载运行、负载运行负载运行(4) 直流电机的换向直流电机的换向了解了解电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院6第二章第二章 直流电机直流电机2-1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构2-2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据2-3 直流电机的绕组直流电机的绕组2-4 直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场2-5 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算2-6 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2-7 直流电机的换向直流电机的换向7( (三三) ) 功率

4、平衡关系功率平衡关系输入输入电功电功率率P1励磁损耗励磁损耗PCuf电枢铜耗电枢铜耗PCua电刷接触损耗电刷接触损耗Pc电电磁磁功功率率Pe机械损耗机械损耗Pmech铁心损耗铁心损耗PFe机机械械功功率率P2并励电动机情形并励电动机情形21PPPPPPPFemechcCuaCuf直流电动机电磁功率直流电动机电磁功率Pe ,Pe = EaIaPeTe交变的电动势交变的电动势8并励发电机情形并励发电机情形输入输入机械机械功率功率P1铁心损耗铁心损耗PFe机械损耗机械损耗Pmech电枢铜耗电枢铜耗PCu电电磁磁功功率率Pe电刷接触损耗电刷接触损耗Pc励磁损耗励磁损耗PCuf电电功功率率P221PPP

5、PPPPcCuaCufFemech直流发电机电磁功率直流发电机电磁功率Pe ,Pe = EaIaPeTe电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院9二、直流电动机工作特性二、直流电动机工作特性由于由于电枢电流便于测量电枢电流便于测量，因此往往将工作特性表示为：，因此往往将工作特性表示为：)(),(),(222PfPfTPfne条件条件: U=UN, If=IfN，电枢回路无外加电阻。，电枢回路无外加电阻。工作特性指工作特性指: 转速转速n，转矩，转矩Te，效率，效率和输出功率和输出功率P2的关系。的关系。转速特性转速特性转矩特性转矩特性效率特性效率特性)(),(),(aaeaIfIfTIfn稳态

6、稳态工作特性工作特性电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院10( (一一) ) 并励直流电动机的工作特性并励直流电动机的工作特性1. 转速特性转速特性()anf IaaaaIREUnCEeaaeaeaICRCUn理想转速特性理想转速特性实际转速特性实际转速特性理想转速特性和实际转理想转速特性和实际转速特性为什么不一致？速特性为什么不一致？思考naIOaNI电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院110n理想转速特性理想转速特性实际转速特性实际转速特性naIOaNIaeaeaICRCUn提示：提示：1. 从参数变化的角度思考？从参数变化的角度思考？2. 什么原因导致了什么原因导致了的变化？的变

7、化？当电机电流较大时，当电机电流较大时，电枢反应电枢反应表现出明显的表现出明显的去磁特去磁特性性，从而使，从而使减小。减小。(1) 理想空载转速理想空载转速n0略微上升，略微上升，(2) 使使转速曲线斜率转速曲线斜率减小。减小。转速曲线斜率的转速曲线斜率的绝对值绝对值增大增大电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院122. 转矩特性转矩特性当当U=UN, If=IfN时，时，Te=f(Ia)的关系曲线的关系曲线aTaTeICICTTTCC0TaIeTaNI理想转矩特性理想转矩特性实际转矩特性实际转矩特性20eTTTT0为电机空载转矩；为电机空载转矩；T2为负载制动转矩；为负载制动转矩；思考：思

8、考：理想转矩特性与理想转矩特性与实际转矩特性为什么不实际转矩特性为什么不同？同？电枢反应的去磁作用电枢反应的去磁作用电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院133. 效率特性效率特性当当U=UN , ,If=IfN时时，=f(Ia)的关系曲线的关系曲线电机效率为输出功率电机效率为输出功率P2与输入功率与输入功率P1之比的百分数之比的百分数)(21%100212facaaaCufmecFeIIUUIRIpppPPaIaNI主磁通在电枢铁磁材料中交变主磁通在电枢铁磁材料中交变所产生的损耗，分为磁滞损耗所产生的损耗，分为磁滞损耗和涡流损耗。和涡流损耗。当电机主磁通和转速变化不大当电机主磁通和转速变化

9、不大时，铁耗近似不变，因此这部时，铁耗近似不变，因此这部分损耗也被称为不变损耗。分损耗也被称为不变损耗。机械损耗包括轴承及电刷的摩机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗、电机通风散热引起的擦损耗、电机通风散热引起的风阻损耗。在电机转速不变时，风阻损耗。在电机转速不变时，机械损耗也是大致不变的。机械损耗也是大致不变的。励磁回路铜耗，电流流过导体，励磁回路铜耗，电流流过导体，消耗在电阻上的损耗，一般可消耗在电阻上的损耗，一般可以忽略不计。以忽略不计。电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电流流过时，产生的发热损耗。电流流过时，产生的发热损耗。这一部分损耗是随着电枢电流这一部分损耗是随着电枢

10、电流变化的，或者说输出功率变化变化的，或者说输出功率变化的，因此也被称为可变损耗。的，因此也被称为可变损耗。电刷接触损耗。电刷接触损耗。当电机可变损耗等于不变损耗时，当电机可变损耗等于不变损耗时，电机的效率达到最高。电机的效率达到最高。一般电机的最高效率点出现在一般电机的最高效率点出现在80左右的负载时左右的负载时(额定功率附近额定功率附近)。2FemecCufaapppI R求函数极值的方法得到求函数极值的方法得到电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院14( (二二) ) 串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性串励直流电机中，串励直流电机中，IfIa气隙主磁通气隙主磁通随随Ia而

11、变化而变化电动势平衡方程式电动势平衡方程式)(fcaaeRRInCU电动势公式电动势公式aeafECnC I n 转矩平衡方程式转矩平衡方程式20eTTT转矩公式转矩公式eTaTafTCIC I I其中，其中，Rfc为串励绕组电阻，为串励绕组电阻，aefCC K fTTKCC aafcRRR 电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院15串励直流电机当在负载很小时，串励直流电机当在负载很小时，电机的转速将会很高，容易导致电机的转速将会很高，容易导致转子出现机械损坏，因此串励直转子出现机械损坏，因此串励直流电机不允许轻载运行。流电机不允许轻载运行。串励直流电机在启动时，转速串励直流电机在启动时，转

12、速很低，端电压基本上靠励磁绕很低，端电压基本上靠励磁绕组和电枢绕组的电阻压降平衡，组和电枢绕组的电阻压降平衡，此时电枢电流很大。磁路饱和，此时电枢电流很大。磁路饱和，因此磁通因此磁通接近不变。根据接近不变。根据TeCT Ia，可知串励直流电机，可知串励直流电机带载带载启动能力很强启动能力很强。1aaaaUnRC IC转速特性转速特性 由曲线可知，串励电动机的转速随输由曲线可知，串励电动机的转速随输出功率出功率P2的增加而迅速减小。的增加而迅速减小。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院162200602ePTTTTn转矩特性转矩特性由曲线可知，电磁转矩由曲线可知，电磁转矩Te随着随着P2的的

13、增大、增大、n的下降而迅速增大。的下降而迅速增大。定量分析电磁转矩定量分析电磁转矩Te增大的原因。增大的原因。当磁路不饱和时，当磁路不饱和时，fffaK IK I eTaTCI2eTfaTC K I当磁路饱和时，当磁路饱和时，接近不变，接近不变，eTaTCI即即Te正比于正比于Ia串励电动机具有串励电动机具有更大的起动转矩更大的起动转矩。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院17( (三三) ) 复励直流电动机的工作特性复励直流电动机的工作特性1-并励电动机转速特性；并励电动机转速特性；2-积复励电动机转速特性；积复励电动机转速特性；3-串励电动机转速特性；串励电动机转速特性；电气与自动化工

14、程学院电气与自动化工程学院18V750NU例例2-1 一台他励直流电动机的额定数据为：一台他励直流电动机的额定数据为：kW1325NPA1930NImin/r200Nn电枢绕组的电阻电枢绕组的电阻电刷接触压降电刷接触压降0161. 0aRV22cU设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总设电动机原来在额定转速和额定负载下运行，在负载的总制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求制动转矩（包括损耗转矩）保持不变的情况下，试求(1) 在电枢回路中突然串入电阻在电枢回路中突然串入电阻R=0.0743，求串入电阻，求串入电阻最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？最初瞬间和达到稳

15、定时的电枢电流和转速分别是多少？(2) 减少电动机的励磁电流，使磁通减少电动机的励磁电流，使磁通 减少减少10%，当达到，当达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？稳定时的电枢电流和转速分别是多少？电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院19解：解：(1) 电枢回路中突然串入电阻电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间，电机转速不发生变最初瞬间，电机转速不发生变化，但电流发生变化。化，但电流发生变化。2(750 1930 0.0161 2)717aaacEUI RUVV VEa717AARRUEUIacaa3430743. 00161. 027177502进入新的稳态时，由于负载转矩未发生变化，认为电磁

16、转矩不进入新的稳态时，由于负载转矩未发生变化，认为电磁转矩不发生变化发生变化AIICTaaTe1930,VVURRIUEcaaa5742)0743. 00161. 0(19307502)(min/160min/)717574200(rrEEnnaa额定运行时电机的反电动势为：额定运行时电机的反电动势为：aeECn实现了实现了调速调速串入的电阻越大，转速降串入的电阻越大，转速降低越多。低越多。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院20(2) 磁通磁通减少为原来的减少为原来的0.91930 121450.9aaIIAA VVURIUEcaaa713)20161. 02145750(2min/22

17、1min/9 . 01717713200rrEEnnaa由于负载转矩不变，电磁转矩不会发生变化。由于负载转矩不变，电磁转矩不会发生变化。aTaTeICICTaeaeECnECn 实现了实现了调速调速转速变化与磁通成转速变化与磁通成反比反比电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院21三、直流发电机的工作特性三、直流发电机的工作特性他励直流发电机他励直流发电机 并励直流发电机并励直流发电机 复励直流发电机复励直流发电机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院22( (一一) ) 空载运行空载运行1. 空载特性空载特性当当他励直流发电机他励直流发电机被原动机拖动，被原动机拖动，n=nN 时，励磁绕组

18、端加上时，励磁绕组端加上励磁电压励磁电压Uf ,调节励磁电流调节励磁电流If0 ,得出空载特性曲线得出空载特性曲线U0=f(I0)。aeECnBHBFefIH 所以他励发电机的空载特性与电所以他励发电机的空载特性与电机的磁化特性非常一致。机的磁化特性非常一致。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院232. 并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机空载电压的建立 并励和复励直流发电机均是一种自励发电机，它们并励和复励直流发电机均是一种自励发电机，它们不需要外部直流电源供给励磁电流。不需要外部直流电源供给励磁电流。 一般情况下，这种自励发电机的运行首先是在空载一般情况下，这种自励发

19、电机的运行首先是在空载时建立电压，即所谓时建立电压，即所谓自励自励，在建立额定电压后，才能加，在建立额定电压后，才能加以负载。以负载。 并励和复励直流发电机的这种空载电压是如何建立并励和复励直流发电机的这种空载电压是如何建立的？的？电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院24并励和复励直流发电机空载电压的建立并励和复励直流发电机空载电压的建立(1) 原动机拖动发电机旋转。由于电机原动机拖动发电机旋转。由于电机剩剩磁磁的作用，产生一个不大的电动势的作用，产生一个不大的电动势E0r(2) 闭合励磁回路闭合励磁回路，E0r产生励磁电流，该电产生励磁电流，该电流将使电机内部的磁场进一步增强（可能流将使

20、电机内部的磁场进一步增强（可能出现该电流产生的磁场与剩磁相反，两者出现该电流产生的磁场与剩磁相反，两者互相抵消）。互相抵消）。电机必须有剩磁。电机必须有剩磁。(3) 若励磁绕组回路的电阻较大，则建立起的电枢电压若励磁绕组回路的电阻较大，则建立起的电枢电压无法产生足够的励磁电流，因此必须将无法产生足够的励磁电流，因此必须将励磁回路电阻励磁回路电阻限限定在一定范围内。定在一定范围内。励磁绕组并联到电枢励磁绕组并联到电枢两端的极性必须正确两端的极性必须正确励磁回路电阻应小于临界电阻励磁回路电阻应小于临界电阻电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院25( (二二) ) 负载运行负载运行无论他励、并励还

21、是复励发电机，建立电压以后，在无论他励、并励还是复励发电机，建立电压以后，在n=nN 的条件下，加上负载后，的条件下，加上负载后，发电机的端电压都将发生变化发电机的端电压都将发生变化。1积复励发电机外特性；积复励发电机外特性；2他励发电机外特性；他励发电机外特性；3并励发电机外特性；并励发电机外特性；他励发电机负载增加：他励发电机负载增加：（1）电枢反应加剧，去磁作用变大；）电枢反应加剧，去磁作用变大；（2）电枢绕组电阻压降和电刷接触压降变大。）电枢绕组电阻压降和电刷接触压降变大。并励发电机负载增加，除了以上两个原因外，还有并励发电机负载增加，除了以上两个原因外，还有电机电枢端电压降低，导致励

22、磁电压减小，磁场进一步电机电枢端电压降低，导致励磁电压减小，磁场进一步减弱。减弱。积复励发电机中的串励绕组，在负载加大时，能够提供积复励发电机中的串励绕组，在负载加大时，能够提供更大的磁场，从而补偿磁通减小和电枢绕组压降，可以更大的磁场，从而补偿磁通减小和电枢绕组压降，可以做到空载到负载没有压降做到空载到负载没有压降。aaaeaaUEI RC nI R为什么？为什么？电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院26第二章第二章 直流电机直流电机2-1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构2-2 直流电机的铭牌数据直流电机的铭牌数据2-3 直流电机的绕组直流电机的绕组2-4 直流电机的励

23、磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场2-5 感应电动势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算2-6 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2-7 直流电机的换向直流电机的换向电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院27 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。面，使电机不能正常工作。 产生火花的原因很多，除了产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过

24、程还伴随着电化学和电热学等现象。化学和电热学等现象。一、换向的电磁现象一、换向的电磁现象1. 电抗电动势电抗电动势如何产生？如何产生？ 换向时，换向元件中所通过的电流由换向时，换向元件中所通过的电流由+ia变为变为-ia，由于，由于换向元件本身是一个线圈，线圈必有自感作用。另外，被换向元件本身是一个线圈，线圈必有自感作用。另外，被电刷短路的换向元件不止一个，它们之间又有互感。电刷短路的换向元件不止一个，它们之间又有互感。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院28 换向元件中必然出现由自感与互感作用所引起的感应换向元件中必然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势，这个合成电动势称为电抗电动势。

25、电动势，这个合成电动势称为电抗电动势。2. 电枢反应电动势电枢反应电动势 由于电刷放置在磁极轴线下的换向器上，在几何中心由于电刷放置在磁极轴线下的换向器上，在几何中心线处，虽然线处，虽然主磁场的磁密等于零主磁场的磁密等于零，可是，可是电枢磁场的磁密不电枢磁场的磁密不为零为零。因此，换向元件切割电枢磁场，产生一种电动势，。因此，换向元件切割电枢磁场，产生一种电动势，称为电枢反应电动势。称为电枢反应电动势。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院29 装设换向磁极装设换向磁极位于几何中性线处装换向磁极。位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向磁动换向磁动势势抵消抵消电枢反应磁动势，电枢反应磁动势，另外另外剩余部分剩余部分产生一个附加磁产生一个附加磁场，使换向元件切割该磁场产生换向极电动势，其方向场，使换向元件切割该磁场产生换向极电动势，其方向与电抗电动势相反。与电抗电动势相反。 大型直流电机在主磁极极靴内大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组安装补偿绕组，补偿绕，补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势电枢反应磁动势。二、改善换向的方法二、改善换向的方法电气与自动化工