电气工程师公共基础科目第58讲第二十九章：直流电机

1、29.4.4.3调整特性调整特性是指保持发电机的端电压为长治，负载变化时励磁电流的调节规律，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圧不变，故乂称为励磁电流调整特性29.4.5并励直流发电机的口励条件和特性29.4. 5. 1并励直流发电机的口励过程及条件自励：励磁绕阻并接丁-电枢绕组两端，由发电机本身的端电圧提供励磁，而发电机的端电圧有必 须在有了励磁电流后才能产生，所以并励发电机由初始的U二0到正常运行时U为一定值，有一个口己 建立电压的过程（口励过程）.电机的主磁极通常总有剩磁存在。原动机拖动转子旋转，电枢绕组切割剩磁场，产生一个不大 的剩磁感应电势。这一电势加到励磁绕

2、组将产生一个不大的励磁电流。该励磁电流产生的磁势如果和剩磁同方向，将相互加强，会建立起稳定电压。该励磁电流产生的磁势如果和剩磁反方向，将相互减弱，无法建立稳定电压。可见励磁绕组的接线对建立电压很重要稳定点：由动态方程可知，当（uO（if）-Rfif）=O时，励磁电流和电圧将达到稳定值。建圧临界电阻：场阻线与空载特性相切时对应的励磁回路电阻。建压条件：1电机中要有剩磁2励磁绕组与电枢绕组并接正确3励磁回路电阻小建压临界电阻29.4.5.2并励发电机的特性并励直发的外特性曲线随I增大而下降的原因：（1）电枢电阻圧降的存在：（2）电枢反应的去磁作用；（3）励磁电流的进一步减少。由经曲线图可知外特性曲

3、线形状仍然是端电圧随负载电流的增大而下降，其原因（1）、（2）同他励直流发电机。这里比他励式多了第（3）个理由， 因为励磁绕组和电枢绕组并联励磁绕组上的电圧是由电枢绕组产生的，由于前两个原因，使得电枢电压下降，因而励磁电流乂进一步减少。故并励式直流发电机的电压调整率比他励式大。2. 平复励串励磁势的助磁作用恰好补偿电枢反应地去磁作用和电枢电阻的斥降，在额定负载时 的；3. 复励串励磁势的助磁作用较弱，外特性曲线微有下降；4减复励串励磁势为减磁作用，外特性曲线随负出电流的増加急剧下降。29.5直流电动机的基本方程式和工作特性29. 5. 1电动势平衡方程式稳态运行时，电枢回路有3a式中Rj仍与前

4、面的方程定义相同电流方程改写为：1 =十兀在动态情况下，需耍考虑回路中电感的作用。电枢回路d?厶亍+ R丄+ gQ = u dr励磁回路L( + Rif=Uf dr f fSfQ = c仰 i = e 或 5. = cT029. 5. 2功率平衡方程式2.功率平衡方程此时.电机输入功率拆为电功率即灼=5尅功率平衡方程就是片（厶 +4） = " f + "f =心 *3 + Pcnf =隘 + %电磁功率p®产生电磁转矩7,使电机转动并拖动机械负我，实现电能到机械能的转 换.在此过程中，势必要克服因转动而引起的各种损耗，苴成分和物理含义与发电机中的空 载损耗完全相同

5、，最终在电机转轴上输出的机械功率为乃，即凡n =马七P*十P艮十=星十P0:有九=马 + Pg 十 Pg + Pg+ Pn = E 4卫5 + 4 =马 + 勿29. 5. 3转矩平衡方程式稳态恒速运行时，由忒（2.63）有Em 二 B | P0Q 0 盘 即平衡方程为变速运行时，考虑机组轴系转动惯呈的作川，则更为普通的转矩平衡方程（適常改称为转子 运动方程）九式中.AT = Tm-T-7； = J 称为加速转矩。A7>0时.转予加速.反之转干减速. dt当且仅当A 70时转速才保持恒定.29. 5. 4直流电动机的工作特性29. 5. 4. 1并励电动机的工作特性1.速率特性刀吹随负载

6、/>2壇加，转速"略有下降.这是因为在实验过程中厂和保持不变得U 厶Kn =J知.增加即厶増加时，随电枢回路电阻压降/風的增加，转速乜讹时定必然 要下降的，但厶増加的冋时亦使电枢反应的去磁作用会冇所増强.这样.0也冇下降趋势。 因此，两者相消.转速究竟是上升还是下降，最终还要看各Ij变化的速系。不过.对于一台 设il良好的在流电动机來说.以稳定运行为前提，速率待性总是略微下降的.定义转速调整率” =巴_x 100%式中，"和冲分别为空裁转速和额定转速。并励电动机的转速淵整率在3%4%ZNJ,转速基本怛疋。必须拆岀，并励电动机运行时.励磁绕组绝对不能开路。这是因为車我时

7、，这将使电机 停转，反电动势为芯 电枢电漩急剧增加而导致过黒；轻裁亦俗导致“飞速而损坏转动部 件。2. 转矩特性Tx=f(Ia)3. 效率特性 = /(/fl)29. 5. 4. 2串励电动机的工作特性1.速率特性“寸(P2)结果表明，串励电动机的速度随负载增加而下降的速度很快。这是闵为由式(2.69)可知，串 励电动机在端电压U_Ia(E亠鸟)下降幅度稍大于并励电动机的同时，非但不随厶 的增大而减小，反而增加，结果必然使”快速下降。串励电动机绝对不允许空载运孑以避免发生“飞速”现象。因此，串励电动机的转速调整率定义为乜一 "NAm= X100%nN式中，为丄额定负载时的转速。? 4

8、2.转矩特性為并2)由于转速n随A增加而迅速下降，因此陰会随戶2增加而快速上升，这是串励电动机 区别于并励电动机的突出特点，血閤2 55所示.之所以如此，乃是由于卩2增加，即厶增加 时，。将增加，不饱和时应有0*厶，从血7二*。厶*上，即便考虑饱和影响，转矩亦按大 于电流一次方的速率增加，因此，串励电动机有校大的起动转矩和很强的过载能力，尤其适 令于电力机车类牵引负载。29. 5. 4. 3复励电动机的工作特性积复励介于两者之间，差复励不稳定29.6直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件29.6. 1直流电动机的机械特性直流电动机U=U=常值时，转速"与电磁转矩7迪之间的关系曲

9、线”司72称为机械待性，其基本性质与t作特性巾的速率特性m.对应于电枢回路电阻凡+鸟偈为串入电枢T回路的调节电阻，爲=0时为自然机械特性，妁工0为人T机械特性），用厶=亠-代入式CT0可得厶隐坪）U :區+即n = =Cf0Ce CECT-称之为机械特性方程式。对于并励电动机，K常值隐含4常值，忽略电枢反应影响，即心常值，因此式可改写为即此时的机械伶性为直线。宜线与纵轴的交点«0= 为空载转速，与端电压有关；直线I斜率k =一一J<o,表明"是人的减函数，其下降速率与调节电阻r的人小有关。 CrCr0-J尺产0时，因通常有« CECTr ,故并励电动机的自然

10、机械特性接近于一水平线，并 称为硬特性。串励电动机的机械特性为双曲线，转速随转矩増加而下降的速度很快，称为软特性29. 6. 2电动机组稳定运行的条件处r某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原來 的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原來的转速下 继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。1. 必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性有交点，即存在Tem=TL o2 充分条件:在交点Tem=TL处满足込 v理。或者说，在交点的转速以上存在Tem<Tl9在交点的转速以 dn dn下存在Tem>TL29.

11、 7直流电动机的起动、调速和制动29. 7. 1直流电动机的起动1. 定义：电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。这里分析稳 态起动即n二0,£二0之瞬间，起动电流将很大。起动问题是评价电动机性能的重要方面之一。这是一 个动态过程。但这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。 系统耍求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。2. 对电动机起动的要求（1）起动电流要小：（2）起动转矩要大；（3）起动设备要简单便可靠29. 7.1. 1全压启动1.直接起动（即全圧起动）操作方法简便，不需任何起动设备，

12、只需两个开关（励磁开关Q和电枢开关Q）即可但起动时冲击电流很大，可达（1020） L,从而冲击电源电压，影响同一电源的其他设备 正常运行。还对电机本身造成换向困难引起较大火花。故全压起动仅用于微小型电动机的起动。29. 7.1. 2电枢电路串变阻器启动当电动机已有磁场时，给电枢电路加电源电压U。触点KM1、KM2均断开，电枢串入了全部附加电 阻心|+冬2电枢回路总电阻为Rp+RW树这时起动电流为/ =匕=E心行 + R" +29. 7.1. 3降压启动优点：没有起动电阻，起动过程平滑，起动过程中能量损耗少。缺点：专用降压设备，成本较高。注：（1）并励（或他励）电动机起动时电枢回路的外

13、串电阻陽应置于最大阻值位置；（是为了限制起动电流；）励磁回路的外串电阻R：应置于最小阻值位置。（是为了限制起动电流；）（2）对串励直流电动机，不允许空载（或轻载）起动，否则起动后将造成"飞车"事故。29. 7. 2直流电动机的调速29. 7. 2. 1改变励磁电流调速结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平 滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电 动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软：2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般DW2： 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起來，在额定转速以上，采用弱磁调速, 在额定转速以下釆用降压调速。29. 7. 2. 2改变串入点数回路中的电阻调速结论：带恒转矩负载时，串电阻越大，转速越低。优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；2）低速时特性曲线斜率大，静差率大,所以转速的相对稳定性差；3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为DW2：4）损耗大，效率低，不经汛 对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和la不变，输