直流电机运行特性

1、第二章第二章 本章主要教学内容本章主要教学内容：1 1. . 直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理2. 2. 直流电动机的运行原理直流电动机的运行原理3. 3. 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性4. 4. 串励和复励直流电动机串励和复励直流电动机第二章第二章2.1 直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理2.1.1 直流发电机的基本方程式直流发电机的基本方程式 电压平衡方程式、转矩平衡电压平衡方程式、转矩平衡方程式和功率平衡方程式。方程式和功率平衡方程式。 右图右图为并励直流发电机惯例为并励直流发电机惯例1.电压平衡方程式电压平衡方程式 ffaaaRIURIUE第二章第二章2.转矩

2、平衡方程式转矩平衡方程式3.功率平衡方程式功率平衡方程式将转矩平衡方程式两边乘以电枢机械角速度将转矩平衡方程式两边乘以电枢机械角速度 得得 01TTT01TTT01pPPMsFempppTP00其中其中，aaaeaaMIEnICnIapNnIapNTP606022cuacufcuafaaaaappPpIIURIUIIE22)(注意注意：如果是他励发电机则没有如果是他励发电机则没有fI第二章第二章pPpPP2121并励直流发电机并励直流发电机功率流图功率流图直流发电机效率直流发电机效率：第二章第二章例例2-12-1 一台额定功率一台额定功率 的并励直流发电机的并励直流发电机，额定电额定电压压 ，

3、额定转速额定转速 ，电枢回路总电枢回路总电阻电阻 ，励磁回路总电阻励磁回路总电阻 。已知机已知机械损耗和铁耗械损耗和铁耗 ，附加损耗附加损耗 ，求额求额定负载时各绕组的铜耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率定负载时各绕组的铜耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率各为多少？各为多少？ KWPN20VUN230min/1500rnN156. 0aR3 .73fRkwppFem1NsPp01. 0解解：先计算额定电流：先计算额定电流 )(96.8623020000AUPINNN励磁电流励磁电流)(14. 33 .73230ARUIfNf电枢电流电枢电流)( 1 .9014. 396.86AIIIfNa

4、第二章第二章电枢回路铜耗电枢回路铜耗)(1266156. 01 .9022WRIpaacua励磁回路铜耗励磁回路铜耗)(7233 .7314. 322WRIpffcuf电磁功率电磁功率)(219897231266200002WppPIEPcufcuaaaM总损耗总损耗)(31892000001. 010007231266WppppppsFemcufcua输入功率输入功率)(2318931892000021WpPP效率效率%25.86231892000012PP第二章第二章2.1.2 2.1.2 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 直流发电机的运行特性指发直流发电机的运行特性指发电机的电枢

5、端电压、励磁电流、电机的电枢端电压、励磁电流、负载电流或电枢电流这三个基本负载电流或电枢电流这三个基本物理量之间的关系。保持其中一物理量之间的关系。保持其中一个量不变，只研究其余两个量之个量不变，只研究其余两个量之间的关系就构成了一种运行特性。间的关系就构成了一种运行特性。我们只研究端电压特性。我们只研究端电压特性。 1.1. 空载运行空载运行 (1)(1)空载特性空载特性第二章第二章(2)(2)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都是自励发电机，可不需要外部并励和复励直流发电机都是自励发电机，可不需要外部直流电源供给励磁电流，即可以自励直

6、流电源供给励磁电流，即可以自励。右图右图为并励发电机接线图为并励发电机接线图，下图下图为为自励分析曲线自励分析曲线。第二章第二章自励的自励的三个三个条件条件电机电机必须有剩磁必须有剩磁，如果电机无剩磁，可用其他直流电源激励，如果电机无剩磁，可用其他直流电源激励一次，以获得剩磁一次，以获得剩磁。励磁绕组并联到电枢的励磁绕组并联到电枢的极性必须正确极性必须正确，否则励磁绕组接通以，否则励磁绕组接通以后，电枢电动势不但不会增大，反而会下降，如有这种现象，后，电枢电动势不但不会增大，反而会下降，如有这种现象，可将励磁绕组与电枢出线端的连接对调，或者将电枢反转。可将励磁绕组与电枢出线端的连接对调，或者将

7、电枢反转。励磁回路电阻必须励磁回路电阻必须小于小于临界电阻值。如果励磁回路中电阻很临界电阻值。如果励磁回路中电阻很大，则伏安特性很陡，与空载特性交点很低或无交点，也不能大，则伏安特性很陡，与空载特性交点很低或无交点，也不能建立电压，如上页左图中直线建立电压，如上页左图中直线3 3与空载特性相切，此时励磁回与空载特性相切，此时励磁回路的电阻值称为临界电阻值路的电阻值称为临界电阻值。 第二章第二章2. 2. 负载运行负载运行(1) 外特性：保持外特性：保持 ， 不变，端电压与负载不变，端电压与负载电流之间的关系曲线。电流之间的关系曲线。fNfIINnn 1 1积复励；积复励；2 2他励；他励；3

8、3并励并励右图右图为直流发电机为直流发电机外特性外特性曲线曲线。思考思考：为什么并励直流发：为什么并励直流发电机的外特性下降最多电机的外特性下降最多？第二章第二章(2) (2) 调节特性：保持端电压恒定，励磁电流与负载电流之间调节特性：保持端电压恒定，励磁电流与负载电流之间的关系曲线的关系曲线。(3) (3) 效率特性：发电机的效率与负载电流之间的关系曲线。效率特性：发电机的效率与负载电流之间的关系曲线。下图下图分别为他励直流发电机的分别为他励直流发电机的调节特性和效率特性调节特性和效率特性调节特性调节特性效率特性效率特性第二章第二章2.2 2.2 直流电动机的运行原理直流电动机的运行原理2.

9、2.1 2.2.1 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 以并励发电机为例说明以并励发电机为例说明发电机运行发电机运行：UEa0aI0aaMIEP保持保持 不变，撤去原动机不变，撤去原动机，fI0, 0, 011MPTP naE0, 0, 0,0MaaPTIUEnn存在0T0nnn00, 0,TPIUEMaa0T为阻转矩为阻转矩变为驱动转矩变为驱动转矩当当 时稳速运行时稳速运行 变为电动机运行。变为电动机运行。 0TT 第二章第二章上述电机上述电机可逆运行可逆运行的原理说明的原理说明： 发电机与电动机在一定条件下可以相互转换，关键取发电机与电动机在一定条件下可以相互转换，关键取决于加在电机轴上

10、转矩的性质和大小。如能使决于加在电机轴上转矩的性质和大小。如能使 升高，升高，并使并使 ，则电机运行在发电机状态，反之则运行在，则电机运行在发电机状态，反之则运行在电动机状态电动机状态。电动机运行：只要在电机轴上接上原动机，向电机输入机械功电动机运行：只要在电机轴上接上原动机，向电机输入机械功率，转速率，转速 和电枢电动势和电枢电动势 就会上升。如果使得就会上升。如果使得 大于电网大于电网电压电压 , ,电枢电流将反向，电机的电磁转矩电枢电流将反向，电机的电磁转矩 也反向，与电机也反向，与电机的转向相反，变成制动性转矩。此时电机向电网输送电功率，的转向相反，变成制动性转矩。此时电机向电网输送电

11、功率，变成发电机运行变成发电机运行。naEaEUTnUEa第二章第二章cufcuaMppPP12.2.22.2.2 直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式右图右图为并励直流电动机惯例为并励直流电动机惯例1. 1. 电压平衡方程式电压平衡方程式ffaaaRIURIEU2.2. 转矩平衡方程式转矩平衡方程式LTTTT023. 3. 功率平衡方程式功率平衡方程式0202pPTTTIEPaaM第二章第二章pPpppPppPPcufcuacufcuaM2021下图下图为并励直流电动机的为并励直流电动机的功率流图功率流图电动机的效率电动机的效率：PPPPP2121第二章第二章例例2-22-2 一台四

12、极他励直流电机，电枢采用单波绕组，电枢总导一台四极他励直流电机，电枢采用单波绕组，电枢总导体数体数 ，电枢回路总电阻电枢回路总电阻 。当此电机运行当此电机运行在电源电压在电源电压 ，电机的转速电机的转速 ，气隙气隙每极磁通每极磁通 时时，电机的铁耗电机的铁耗 ，机械摩机械摩擦损耗擦损耗 ( (忽略附加损耗忽略附加损耗) )。求。求： 该电机运行在发电机状态还是电动机状态？该电机运行在发电机状态还是电动机状态？ 电磁转矩为多少？电磁转矩为多少？ 输入功率和效率各为多少？输入功率和效率各为多少？372N208. 0aRVU220min/1500rn Wb011. 0WpFe362Wpm204解解：

13、 先计算电枢电动势先计算电枢电动势 )(6 .2041500011. 0160372260VnapNEa由于由于 ，故此电机运行在电动机状态故此电机运行在电动机状态。VUEa220第二章第二章 电枢电流为电枢电流为)(03.74208. 06 .204220AREUIaaa电磁转矩为电磁转矩为)(47.9660/150014. 3203.746 .20460/2mNnIEPTaaM 输入功率为输入功率为)(6 .1628603.742201WUIPa输出功率为输出功率为)(54.1458020436203.746 .2042WppIEppPPFemaaFemM总损耗为总损耗为)(06.1706

14、54.145806 .1628621WPPp效率为效率为%5 .89%100)1620806.17061 (1112PpPP第二章第二章例例2-32-3 一台并励直流电动机，额定功率一台并励直流电动机，额定功率 ，额定电额定电压压 ，额定电流额定电流 ，额定转速额定转速 ，电枢回路总电阻电枢回路总电阻 ，额定励磁电流为额定励磁电流为 ，忽略电枢反应的影响。求：忽略电枢反应的影响。求： 额定输出转矩为多少？额定输出转矩为多少？ 在额定电流时的电磁转矩为多少？在额定电流时的电磁转矩为多少？KWPN96VUN440AIN255min/500rnN078. 0aR解解： 额定输出转矩为额定输出转矩为

15、)(6 .1833500109655. 955. 932mNnPTNNN 额定电流时的电枢电流为额定电流时的电枢电流为)(2505255AIIIfNNa)( 5 .420078. 0250440VRIUEaaNaN)(1051252505 .420WIEPaaM)(8 .200860/500210512560/2mNnPPTNMMAIfN5第二章第二章2.2.3 2.2.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性：指当直流电动机的工作特性：指当 , , ，电枢电枢回路不外串电阻时，转速、电磁转矩、效率随输出功率变化的回路不外串电阻时，转速、电磁转矩、效率随输出功率变化的

16、关系关系。 NUU fNfII1. 1. 转速特性转速特性aNeaNeNICRCUn2. 2. 转矩特性转矩特性aNTaTICICT3. 3. 效率特性效率特性1211211PRIpppPpPPaacufmFe电动机工作特电动机工作特性曲线性曲线第二章第二章2.3 2.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性2.3.1 2.3.1 机械特性的一般表达式机械特性的一般表达式TnTCCRRCUnTecae022.3.2 2.3.2 固有机械特性固有机械特性 指指 ， 且电枢且电枢回路不外串电阻时的机械特性回路不外串电阻时的机械特性。 NUU NTCCRCUnNTeaNeN2固有机械特性曲线固有

17、机械特性曲线 第二章第二章例例2-42-4 一台他励直流电动机额定功率为一台他励直流电动机额定功率为96KW,96KW,额定电压为额定电压为440V440V，额定电流为额定电流为250A250A，额定转速，额定转速 ，电枢回路总电阻电枢回路总电阻为为 , ,忽略电枢反应的影响，求忽略电枢反应的影响，求： 理想空载转速理想空载转速 ； 固有机械特性斜率固有机械特性斜率 ； 画出固有机械特性曲线。画出固有机械特性曲线。min/500rnN078. 0aR0n解解： 由电动机的电压平衡方程式得由电动机的电压平衡方程式得841. 0500078. 0250440NaNNNenRIUCmin/2 .52

18、3841. 04400rCUnNeN第二章第二章 固有机械特性的斜率固有机械特性的斜率 固有机械特性固有机械特性0116. 0841. 055. 9078. 02NTNeaCCR第二章第二章2.3.2 2.3.2 人为机械特性人为机械特性固有机械特性的条件有三个固有机械特性的条件有三个： ，改变其中改变其中任何一个条件即可改变其特性，故人为机械特性可分为三种任何一个条件即可改变其特性，故人为机械特性可分为三种。0,CNNRUU1.1.电枢回路串电阻的人为机械特性电枢回路串电阻的人为机械特性 TCCRRCUnNTecaNeN2特点特点：(1)(1)为过理想空载转速点的一组为过理想空载转速点的一组

19、放射形直线放射形直线；(2)(2)特性斜率随外串电阻的增大特性斜率随外串电阻的增大而增大，即机械特性的硬度随而增大，即机械特性的硬度随外串电阻的增大而降低。外串电阻的增大而降低。第二章第二章2.2.降低电枢电压的人为机械特性降低电枢电压的人为机械特性 TCCRCUnNTeaNe2特点特点：(1) (1) 为一组斜率相同的平行线；为一组斜率相同的平行线；(2)(2)在负载转矩一定时，降低电在负载转矩一定时，降低电枢电压，转速枢电压，转速 下降，但转速下降，但转速降降 不变。不变。nnLNTeaTCCRn2第二章第二章3.3.减弱磁通的人为机械特性减弱磁通的人为机械特性TCCRCUnTeaeN2特

20、点特点：(1) (1) 是既不平行也不呈放射形的一是既不平行也不呈放射形的一组直线；组直线；(2)(2)在负载转矩一定时，一般情况下在负载转矩一定时，一般情况下减弱磁通会使转速升高，转速降也减弱磁通会使转速升高，转速降也会增大。但在负载很重或磁通很小会增大。但在负载很重或磁通很小时，再减弱磁通，转速反而会下降。时，再减弱磁通，转速反而会下降。 第二章第二章考虑电枢反应的机械特性考虑电枢反应的机械特性 由于电枢反应的去磁效由于电枢反应的去磁效应，使机械特性出现一定应，使机械特性出现一定的上翘现象，影响电动机的上翘现象，影响电动机的稳定运行，如的稳定运行，如图中图中虚线虚线所示。所示。 解决方法解

21、决方法：小容量电机电枢反应不小容量电机电枢反应不严重，一般可忽略；对大容量电动严重，一般可忽略；对大容量电动机，可在主磁极上加补偿绕组，补机，可在主磁极上加补偿绕组，补偿电枢反应的去磁效应，使电机的偿电枢反应的去磁效应，使电机的机械特性不出现上翘现象。机械特性不出现上翘现象。 第二章第二章2.3.3 2.3.3 根据电机的铭牌数据估算机械特性根据电机的铭牌数据估算机械特性1.1. 理想空载转速点理想空载转速点(0(0， ) )的求取的求取0n电机的铭牌数据通常有电机的铭牌数据通常有：NNNNnIUP,NeNCUn0NaaNNNaNNenRIUnEC 根据经验估算额定电枢电动势根据经验估算额定电

22、枢电动势aNENaNUE)97. 093. 0( 根据所选直流电动机，实测它的电枢回路电阻根据所选直流电动机，实测它的电枢回路电阻aR 根据经验公式估算电枢回路电阻根据经验公式估算电枢回路电阻aR2)3221(NNNNaIPIURNNNaIURR)07. 003. 0()07. 003. 0(或或第二章第二章2. 2. 额定运行点额定运行点( ， )的求取的求取NTNnaNNeaNNTNICICT55. 9例例2-52-5 一台他励直流电动机的铭牌数据为一台他励直流电动机的铭牌数据为： ， ， 。试计算其固有机械特性试计算其固有机械特性。AIVUNN115,220KWPN22min/1500r

23、nN解解： 估算额定电枢电动势估算额定电枢电动势VUENaN20922095. 095. 0139. 01500209NaNNenECmin)/(7 .1582139. 02200rCUnNeN第二章第二章)(7 .152115139. 055. 955. 9mNICTNNeN 于是得到固有机械特性上的两个特殊点：理想空载转速点于是得到固有机械特性上的两个特殊点：理想空载转速点(0,1582.7)(0,1582.7)，额定工作点额定工作点(152.7,1500)(152.7,1500)，通过这两点即可画出通过这两点即可画出这台直流电动机的固有机械特性这台直流电动机的固有机械特性。2.4 2.4

24、 串励和复励直流电动机串励和复励直流电动机2.4.1 2.4.1 串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的励磁绕组是串联在电机电枢回路里的串励直流电动机的励磁绕组是串联在电机电枢回路里的。 串励直流电动机惯例串励直流电动机惯例如图如图所示所示。第二章第二章如果电机的磁路不饱和，则气隙每极如果电机的磁路不饱和，则气隙每极磁通磁通 与励磁电流与励磁电流 呈线性关系呈线性关系。 fIafffIKIK代入电动机的机械特性方程，有代入电动机的机械特性方程，有eaaeeaaCRICUCRIUnfeeKCC fcaaRRRR式中式中，又又fTTKCC 2aTafTaTICIICIC

25、T第二章第二章eaeTCRTUCCn整理上述各式，得串励电动机机械特性方程式为整理上述各式，得串励电动机机械特性方程式为：机械特性的机械特性的特点特点：(1) (1) 它是一条非线性的软特性；它是一条非线性的软特性；(2) (2) 当电磁转矩很小时，转速会很当电磁转矩很小时，转速会很高；高；(3) (3) 电磁转矩与电枢电流的平方成电磁转矩与电枢电流的平方成正比，因此启动转矩大，过载能力正比，因此启动转矩大，过载能力强。强。思考思考：串励电动机能否空载运行？串励电动机能否空载运行？1-1-并并( (他他) )励；励；2-2-复励；复励；3-3-串励串励第二章第二章2.4.2 2.4.2 复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性右图右图为复励电动机接线图为复励电动机接线图复励分为：积复励，差复励。复励分为：积