第 3 章直流电机

1、重点内容：重点内容：（1）直流电机的工作原理）直流电机的工作原理（2）直流电机的基本概念）直流电机的基本概念（3）电枢感应电势和电磁转矩）电枢感应电势和电磁转矩（4）基本方程）基本方程难点：难点：（1）电枢绕组及电路图）电枢绕组及电路图（2）电枢反应）电枢反应3.1 3.1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构3.2 3.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组3.3 3.3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应3.4 3.4 电流电机的电磁转矩和电动势电流电机的电磁转矩和电动势3.5 3.5 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析3.6 3.6 直流电动机的功率和转矩直流电动机

2、的功率和转矩3.7 3.7 直流发电机的运行分析直流发电机的运行分析3.8 3.8 直流发电机的功率和转矩直流发电机的功率和转矩NS3.1 直流电机的工作原理及结构直流电机的工作原理及结构1. 直流电动机的工作原理直流电动机的工作原理NSUU电刷电刷换向片换向片直流电机模型直流电机模型电刷电刷转轴转轴换向片换向片直流电机模型直流电机模型转向转向电流方向电流方向换向片换向片线圈线圈磁极磁极直流直流电流电流交流交流电流电流电磁转矩电磁转矩(拖动转矩拖动转矩)换向换向机械机械负载负载旋转旋转 电磁关系电磁关系NS2. 直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理NSEE输出输出直流电直流电换向换向原动机

3、原动机感应电动感应电动势、电流势、电流电磁转矩电磁转矩（阻转矩）（阻转矩）做功做功 电磁电磁 关系关系1.直流电机的工作原理 图3-1表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分(定子)上，装有一对用直流励磁的主磁极N和S，在旋转部分(转子)上装设电枢。定子与转子之间有一气隙。电枢铁心上装有由A和X两根导体连接而成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别接到两个圆弧形的铜片K1和K2，此铜片称为换向片，换向片之间互相绝缘。由换向片构成的整体称为换向器，换向器固定在转轴上。换向器上放置着一对静止不动的电刷B1和B2，电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。1.直流电机的工作原理1.直流电机的

4、工作原理图3-2气隙磁场的分布波形1.直流电机的工作原理1.直流电机的工作原理图3-4电枢上装有6个线圈(11到66)的情况图3-5每条支路有3个串联线圈时，电刷上的电动势波形 电动势脉动的减小电动势脉动的减小*实际的电枢绕组在电机转子表面相隔一定实际的电枢绕组在电机转子表面相隔一定角度的多个线圈串联组成，可以减小脉动角度的多个线圈串联组成，可以减小脉动轴承机座转子电枢主磁极电刷换向器接线盒转子轴端盖 直流电机的结构直流电机的结构3. 直流电机的基本结构直流电机的基本结构主磁极主磁极换向磁极换向磁极机座机座电刷电刷u 定子定子主磁极主磁极作用：建立主磁场。 构成：构成：主极铁心和套装在铁心上的

5、励磁绕组。电刷电刷构成：构成：电刷、刷握、刷杆和连线等。作用：把直流电压、直流电流引入或引出u转子（电枢）转子（电枢） 电枢铁心电枢铁心 电枢绕组电枢绕组 换向器换向器 转轴与风扇转轴与风扇电枢绕组电枢绕组作用：作用：直流电机的电路部分。构成：构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。换向器换向器作用：作用：和电刷配合将直流电引入或引出的装置。构成：构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒，片间用V形云母绝缘。M4. 励磁方式励磁方式If+UaIa+Uf他他励励并并励励串串励励复复励励(1) 直流电动机按励磁方式分类直流电动机按励磁方式分类M

6、+UIIfIaM+UIIaMIaIf+UIG(2) 直流发电机按励磁方式分类直流发电机按励磁方式分类自自励励GIa+Ua他他励励串串励励复复励励并并励励Ia+UIfIGGIfIa+UI+UIfIIaIf+Uf 1 1）额定容量（额定功率）额定容量（额定功率）P PN N 指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以 “W” 为量纲单位。 电机制造厂按照国家标准，根据电机的设计和试验数据，规定了电机的正常运行状态和条件，通常称之为额定运行情额定运行情况况。凡表征电机额定运行情况的各种数据，称为额定值。额定值一般都标注在电机的铭牌上，所以也称为铭牌数据，它是正确合理使用电机的依据。直流电

7、机的额定值主要有下列四项：2 2）额定电压）额定电压U UN N 指额定状态下电枢出线端的电压，以 “V” 为单位。 3 3）额定电流）额定电流I IN N 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以 “A” 为单位。 4 4）额定转速）额定转速n nN N 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，PNUNINN 对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。 PNUNIN 3.2 直流电机的电枢绕组1、直流电枢绕组的构成l 组成绕组的基本单元称为组成绕组的基本单元称为元件元件。元件有单匝的，也有多匝的。一元件有单匝

8、的，也有多匝的。一个元件由两个元件边和端接线组个元件由两个元件边和端接线组成。元件边置于槽内称为成。元件边置于槽内称为有效边有效边，端接线端接线置于铁心外，不切割磁场，置于铁心外，不切割磁场，仅起到连接作用。仅起到连接作用。上元件边下元件边后端接前端接电枢绕组是电机能量转换的枢纽。电枢绕组是电机能量转换的枢纽。构成原则：产生足够的感生电势；允许一定的电流；构成原则：产生足够的感生电势；允许一定的电流； 结构简单，运行可靠。结构简单，运行可靠。电枢绕组元件两匝元件单匝元件叠绕组元件波绕组元件l元件的一条有效边放在槽的上部，另一条有效边放在另一槽元件的一条有效边放在槽的上部，另一条有效边放在另一槽

9、底部，每一槽内有上层和下层两个元件边构成底部，每一槽内有上层和下层两个元件边构成双层绕组双层绕组。元件元件首尾首尾按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕组通过按一定规律接到不同的换向器片上，最后使整个绕组通过换向片连接成一个闭合回路。换向片连接成一个闭合回路。 因为每一个元件有两个元件边，而每一换向片连接一个元件的始端和另一个元件的末端；又因为每一个虚槽包含着两个元件边，所以绕组的元件数绕组的元件数S S、换、换向片数向片数K K和虚槽数和虚槽数Z Zi i三者应相等，三者应相等，即即S=K=ZS=K=Zi i=uZ =uZ 为了确切地说明每个元件边所处的具体位置，引入“虚槽”的概念。

10、设槽内每层有u个元件边，则把每个实际槽看作包含有u个“虚槽”，每个虚槽的上、下层各有一个元件边，如图表示u=3时，元件边的布置情况。 若实槽数为Z，虚槽数为Zi，则Zi=uZ 2、直流电枢绕组的节距电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。电枢绕组的连接规律是通过绕组的节距来表征的。（1）第一节距）第一节距y1一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称一个元件的两条有效边在电枢表面上所跨的虚槽数，称为第一节距，用为第一节距，用y1表示。表示。为得到较大的感应电动势和电磁转矩，第一节距应等于为得到较大的感应电动势和电磁转矩，第一节距应等于或接近一个极距。或接近一个极距。上元件边下元件边后

11、端接前端接y1y21215262aDp2iZp极距极距NSNS12345（2）第二节距）第二节距y2相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上相串联的两个元件中，第一个元件的下层边与第二个元件的上层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为层边在电枢表面所跨过的虚槽数，称为第二节距。第二节距。，用，用y2表示，表示，也用虚槽数计算。也用虚槽数计算。56y1y2121526 相串联的两个元件的对应边之间的距离称为合成节距，用虚槽数表示。 合成节距表示每串联一个元件后，绕组在电枢表面前进或后退了多少个虚槽，它是反映不同形式绕组的一个重要标志。 单叠绕组单叠绕组 y=y1-y2 单波绕组单波绕组

12、y=y1+y2 y1y2121526 一个元件的两个出线端所联接的换向片之间的距离称为换换向器节距向器节距，以换向片数表示。 由于元件数等于换向片数，因此元件边在电枢表面前进（或后退）多少个虚槽，其出线端在换向器上也必然前进（或后退）多少个换向片，所以换向器节距必然等于合成换向器节距必然等于合成节距节距，即： y yk k = y = y 叠绕组：叠绕组：指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在指串联的两个元件总是后一个元件的端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：波绕组：指把相隔约为一对极距的指把相隔约为一对极距的同极性

13、同极性磁场下的相应元件串磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。联起来，象波浪式的前进。波绕组示意图波绕组示意图叠绕组示意图叠绕组示意图电枢绕组的常用术语电枢绕组的常用术语 单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：y=yc=1。单叠绕组的展开图是把放在铁心槽里、构成绕组的所有元件取出来画在一张图里，展示元件相互间的电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间的相对位置关系。3、直流电枢绕组展开图12315161234567891011121314161545678910121314 15161514电枢转向SNNSS下下层层元元件件边边上上层层元元件件边边y1

14、yyy212345678910111213141615678910111213141615123451闭闭合合ap单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：同一主磁极下的元件串联成一条支路，主同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。磁极数与支路数相同。电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。电动势。电枢电流等于各支路电流之和。电枢电流等于各支路电流之和。单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等。两个串联元件放在同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，其末

15、尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。单波绕组234761011121415A1A2B1B21158954139128151a 下层元件边下层元件边上层元件边上层元件边y1yyy212345689101112136789101112131415123451闭合闭合15714单波绕组单波绕组单波绕组的特点：单波绕组的特点：1 1）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支）上层边位于同一极性磁极下的所有元件串联起来组成一条支路，并联支路路，并联支路对数对数恒等于恒等于1 1，与磁极，与磁极对数对数无关；无关；2 2）当元件的几何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对）当元件的几

16、何形状左右对称，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，支路电动势最大；准主磁极中心线时，支路电动势最大；3 3）电刷数等于磁极数（）电刷数等于磁极数（全额电刷全额电刷）。）。4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。 单叠绕组与单波绕组的主要区别在于单叠绕组与单波绕组的主要区别在于并联支路对数的多少并联支路对数的多少。单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低单叠绕组可以通过增加极对数来增加并联支路对数。适用于低电压大电流的电机；单波绕组的并联支路对数电压大电流的电机；单波绕组的

17、并联支路对数a=1a=1，但每条支路，但每条支路串联的元件数较多，适用于小电流较高电压的电机。串联的元件数较多，适用于小电流较高电压的电机。单波绕组单波绕组1、直流电机的空载磁场空载时的气隙磁密为一平顶波空载时主磁极磁通的分布情况xB（b b）气隙磁密分布）气隙磁密分布3.3 直流电机的磁场及电枢反应直流电机的磁场及电枢反应（a a）主磁通与漏磁通）主磁通与漏磁通直轴直轴交轴交轴2、直流电机负载时的负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组中直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为有电流，电枢电流产生的磁动势称为电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电

18、机的磁场发生变化。机的磁场发生变化。 假设励磁电流为零，只有电枢电流。假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。轴磁动势。3、直流电机的合成磁场及电枢反应当励磁绕组中有励磁电流，当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢动势共同作用的结果。电枢反应与电刷的位置有关。反应与电刷的位置有关。(1)当电刷在几何中性线上当电刷在几何中性线上时，将主磁场分布和电枢磁时，将主磁场

19、分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图电机的磁场分布情况，如图（a）所示。）所示。 电枢反应：电枢反应：电枢磁通势对主极磁场的影响。电枢磁通势对主极磁场的影响。xB0axBxB主磁场的主磁场的磁通密度磁通密度分布曲线分布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线的磁通密度分布曲线NS几何几何中心线中心线 N S励磁磁场励磁磁场（空载磁场）（空载磁场）物理物理中心线中心线电枢磁场电枢磁场合成磁场合成磁场（负载时的磁场）（负载时的磁场）物理物理中性线中性

20、线 2) 2)对主磁场起去磁作用对主磁场起去磁作用1)1)使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线削弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度的曲线角，磁通密度的曲线与空载时不同。与空载时不同。 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。磁路饱和时，主磁极增磁部此每极量的磁通量与

21、空载时相同。磁路饱和时，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性质。电枢反应为交轴去磁性质。由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：(2)(2)当电刷不在几何中性线上时当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移角，电枢磁动势轴线角，电枢磁动势轴线也随之移动也随之移动角。角。这时电枢磁动势可以分这时电枢磁动势可以分解为

22、两个垂直分量解为两个垂直分量: :交交轴电枢磁动势轴电枢磁动势Faq和直和直轴电枢磁动势轴电枢磁动势Fad。顺电枢转向移刷逆电枢转向移刷发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁NSU3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩电枢的感应电动势和电磁转矩NSU一、电枢绕组的感应电动势一、电枢绕组的感应电动势1.电枢绕组的感应电动势图3-27气隙磁场分布和导体感应电动势和电磁力的计算空载时直流电机气隙磁场空载时直流电机气隙磁场Bl极距极距R平均磁密：平均磁密： B = l (1) 产生产生 电枢旋转电枢旋转 n 磁磁 场场 (2) 大小大小l 每个导体：每个导体：e = B l

23、vl 导体切割磁场的线速度：导体切割磁场的线速度：l 电动势：电动势： E = N1e ee E v = n2 R60=N1B l v = N1 l n 2p 60 l= n2p 60= n 2pN60*2a注意注意：N N1 1为串联支路的总导体数，而电枢总导体数为串联支路的总导体数，而电枢总导体数N=NN=N1 1* *2a2a E = CE n CE 电动势常数：电动势常数： CE =pN60a单位：单位：Wb单位：单位：r/min(V) (3) 方向：方向： 由由 和和 n 共同决定。共同决定。(4) 性质：性质： 发电机为电源电动势；电动机为反电动势。发电机为电源电动势；电动机为反电

24、动势。二、直流电机的电磁转矩二、直流电机的电磁转矩(1) 产生产生 电枢电流电枢电流 i 磁磁 场场 F T (2) 大小大小l 电磁力：电磁力： F = B l i l 平均磁密：平均磁密：l 每根导线上电磁力所每根导线上电磁力所 形成的电磁转矩：形成的电磁转矩： FRB = lBl极距极距R Rl电枢绕组总导体数电枢绕组总导体数: Nl电枢绕组串联支路总导体数：电枢绕组串联支路总导体数： N1=N/ 2al 电枢绕组并联支路数：电枢绕组并联支路数：2al电枢的周长：电枢的周长： 2 R = 2p l 电磁转矩：电磁转矩： T = NFR = N B l i p =N l i p l =N

25、i p = 2ai pN 2a 电枢电流电枢电流 Ia(2) 大小大小 T = CT IaCT 转矩常数：转矩常数：(3) 方向方向 由由 和和 Ia 共同决定。共同决定。(4) 性质性质CT =pN2a 单位：单位：Wb单位：单位：A(Nm) CTCE=602 = 9.55 CT = 9.55 CECT =pN2a CE =pN60a3.5 直流电机基本方程直流电机基本方程基本方程：电压方程，转矩方程，功率方程1、他励直流电机2aabaaaUEI RUEI R UEa他励电动机电枢电流与线路电流相等：aII电压方程：电枢绕组内阻电枢绕组内阻电枢回路电枢回路总电阻总电阻UaEMaIemTnfI

26、fUI*电动机惯例：以输入电流作为电枢电流正方向，Ia与Ea方向相反2aabaaEUI RUUI R aEU他励发电机电枢电流与线路电流相等：aII电压方程：电枢绕组内阻电枢绕组内阻电枢回路电枢回路总电阻总电阻aEMUaIemTnfIfUI电机向负载供电，电枢感应电势Ea作为电源电势必定大于端电压U，采用发电机惯例。*发电机惯例：以输出电流作为电枢电流正方向，Ia与Ea方向相同2、并励直流电机aEMaIemTnfIfUIU2aabaaaUEI RUEI R UEa并励电动机电枢电流与线路电流：afIII电压方程：2aabaaEUI RUUI R aEU并励发电机励磁电流由电枢供给：afII I

27、 电压方程：M1T0TeTn电动机电动机发电机发电机NSneTNSneTMeT0T2Tn20eTTT1、电动机转矩平衡方程10eTTT2、发电机转矩平衡方程Te为电磁转矩，T2为输出的负载机械转矩，T0为空载转矩。T1为原动机动力转矩，Te为电磁转矩，T0为空载转矩。MeT0T2Tn电动机电动机电磁功率：eaaPE I60aaapNE In Ia260n转子机械角速度：则有：ea aePE IT9.55eeePPTn2229.55PPTn9.55NNNNPPTn260 2an pNIaTaCI eT1.他励电动机功率平衡方程输入功率：P1=UI1eCuaPPp电枢回路功率平衡方程:2()eme

28、cFeadPPppp0mecFeadpppp20ePPp输出功率平衡方程:空载损耗12PPp功率平衡方程:CuamecFeadppppp他励电动机总损耗2. 直流发电机的功率（并励）直流发电机的功率（并励）(1) 输入功率输入功率 P1 :(2) 空载损耗空载损耗 p0 :(3) 电磁功率电磁功率 Pe :(4) 铜损耗铜损耗 pCu :(5) 输出功率输出功率 P2 :P1 = T1p0 = pFepmecpadPe= P1 p0= T = Ea Ia pCu = Ra Ia2Rf If2P2 = U I = Pe pCu2 60= T1n(6) 效率效率 = 100%P2P1P1pmec+

29、 padpFePepCuP2功率流程图功率流程图 小型发电机：小型发电机： N = 70% 85% 中大型发电机：中大型发电机： N = 91% 96% 发电机功率平衡方程式：发电机功率平衡方程式：P1= P2+ p p= pCua + pCufpmec + pFe pad一一. 并励直流发电机并励直流发电机3.6 直流发电机及运行直流发电机及运行 并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为机建立电压的过程

30、称为自励过程自励过程，满足建压的条件称为，满足建压的条件称为自励条自励条件件。MIa+U0IfE+ -rfrjAIVARLn定子铁心RLB定子铁心转子电枢u定子采用永磁体励磁NSIaIaIan定子铁心RL0r定子铁心转子电枢u定子采用电流励磁绕组NSEaEau定子铁心有剩磁, 向上u空载u转子顺转au剩磁通和励磁电流磁通方向相同，正反馈n定子铁心RL0r定子铁心转子电枢u定子采用电流励磁绕组NSEaEau定子铁心有剩磁, 向上u空载u转子逆转au剩磁通和励磁电流磁通方向相反，负反馈并励发电机自励条件并励发电机自励条件EUaGIfIaI E ? E ? 主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁r ：rE

31、rIfrEEr与与r 方向相同方向相同EEr与与r 方向相反方向相反 励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：rErIfrEEr IfIfr E E 与与 If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。既应满足空载特性又应满足欧姆定律。当当 Rf Rk 时，时， E Er ， 能够自励。能够自励。当当 Rf = Rk 时，时， E不确定，不能自励。不确定，不能自励。当当 Rf Rk 时，时， EEr，不能自励。，不能自励。 励磁电路的电阻必须小于临界电阻。励磁电路的电阻必须小于临界电阻。If =ERaRfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线：场阻线的斜率

32、：场阻线的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRkGIa+UaIf+Uf二、直流发电机的运行分析二、直流发电机的运行分析1. 他励发电机他励发电机外电源外电源Uf If E n原动机原动机电枢电枢Ua (1) 空载运行空载运行励磁电路：励磁电路：If =UfRf励磁电路励磁电路总电阻总电阻电枢电路：电枢电路： Ia = 0， Ua = U0 = E调节调节RfIf 可变可变 可变可变 E 可变可变 Ua可变。可变。 E U0 = E = f (If ) 空载特性空载特性OIfU0Er剩磁感应剩磁感应电动势电动势(2) 负载运行负载运行 输出电压输出电压: U

33、 = Ua 输出电流输出电流: I = Ia 电压平衡方程式电压平衡方程式 U = Ua = ERa Ia当当 Ia Ra Ia E (电枢反应电枢反应)Ua n = nNIa = 0空载特性空载特性当当n、I为常值，发电机端电压为常值，发电机端电压U与励磁电流的关系，称为发与励磁电流的关系，称为发电机的负载特性。电机的负载特性。OIfUn =CI= CIf1U0负载特性负载特性U=f(If) 电压调整率电压调整率VR =U0UNUN100% ( 5% 10% ) 调节特性调节特性 当当 n = nN，U = UN 时：时： If = f ( I )OI If IfNIN调节特性调节特性 外特

34、性外特性 U = f (I )n = nNIf = 常数常数OIUn = nNIf = IfNINUNU0外特性外特性 【例例】 一他励直流发电机，一他励直流发电机， PN = 10 kW，UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通如果磁通 保保持不变，求持不变，求 1 000 r/min 时的空载电压时的空载电压 U0 和和 900 r/min 时时的满载电压的满载电压 U 。 解：解：在在 nN 和和 UN 时的电枢电流时的电枢电流9001 000E = E U0 = E = UaRa IaN = (2300.443.5) V = 247 V 在在

35、 保持不变时，保持不变时， E n10103230= A = 43.5 A PNUaIaN = 9001 000= 247 V = 222 V U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V2、并励发电机运行分析、并励发电机运行分析I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaIaI Ia RaIa E ( (电枢反应电枢反应) )Uf Ua 外特性外特性 U = f ( I )EUaGIfIaIn = nNRf = 常数常数OIUU0他励他励并励并励 负载增加时，负载增加时， U 下降较快。下降较快。 VR 20% 外特性有拐弯现象。外特性有拐弯现象。

36、OI UU0他励他励并励并励INUNRL I (Ia) U 低饱和磁路低饱和磁路RL U If E (较大幅度较大幅度) U 的下降比的下降比 RL的减少得更快的减少得更快 I = U / RLRL U I RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 较小。较小。 稳态短路电流不大。稳态短路电流不大。 P2 = UI = 230100 W = 23 000 WIa = IIf = (1002) A =102 APCu = Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2102211522 ) W = 2 540.8 W Pe = P2PCu = 25 540.8 W 【

37、例例】 一并励直流发电机，输出电压一并励直流发电机，输出电压 U = 230 V，输出电流输出电流 I = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115，n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求发电机的输出功率求发电机的输出功率P2 、电磁转矩、电磁转矩 T、输入功率、输入功率 P1 和效率和效率 。 解：解：230115= A = 2 A URfIf = P0 = T0n2 60= 17.321 500 W 2 60 = 2 719.24 W P1 = PeP0 = (25 540.82 719.24) W = 28 260 W = 100%P2P1= 100%

38、 = 81.39% 23 00028 260M3.7 直流电动机的运行分析直流电动机的运行分析1. 他励电动机他励电动机励磁电压励磁电压 Uf If 电枢电压电枢电压 Ua Ia T n E E(1) 电压平衡方程式电压平衡方程式励磁电路：励磁电路： Uf = Rf If电枢电路：电枢电路： Ua = E + Ra Ia+UaIaIf+Uf 稳态电枢电流稳态电枢电流 Ia 由谁确定由谁确定？ T = CT Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：例如：负载不变负载不变 ( T 不变不变)，Ua (Ra) 变化时，变化时， Ia 变化否（设变化否（设 不变）？不变）？Ua (或或Ra ) 瞬

39、间瞬间 n 不变不变 E 不变不变Ia T TTLE n Ia T T = TLIa不变不变 结论：结论：Ia 的大小取决于负载的大小。的大小取决于负载的大小。 当当 Ia= = IaN 时为满载，当时为满载，当 IaIaN 时为过载。时为过载。 规定短时过载的最大电枢电流：规定短时过载的最大电枢电流： Iamax =( (1.5 2) )IaN =MC IaN机械特性机械特性E CE n = UaRa IaCE=UaCE=RaCECT2T (2) 转速转速O nTn0当当T 时，时， n 下降不多下降不多 硬特性硬特性。 励磁电路断电的后果励磁电路断电的后果 当当 If = 0， =r 很小

40、，很小，n 不能突变，不能突变，E 很小很小T = CTr Ia 仍有一定数值。仍有一定数值。Ia 若若 T TL n 飞车！飞车！ T TL n n = 0 闷车！闷车！ (3) 转向转向取决于电磁转矩取决于电磁转矩 T 的方向。的方向。 T 的方向取决于的方向取决于 和和 Ia 的方向。的方向。M+UaIaIf+UfM+UaIaIfUf+MUa+IaIf+Uf磁磁场场反反向向电电枢枢反反向向2. 并励电动机并励电动机 并励与他励的区别并励与他励的区别:(1) 输入电压输入电压 U = Ua = Uf(2) 输入电流输入电流 I = Ia + If(3) 输入功率输入功率 P1 = UI =

41、 UIa + UIfMIa+UIIf 【例例】 某并励直流电动机，某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ，Ra = 0.41 。求该电机在额定状态下运行时的：。求该电机在额定状态下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解：解： (1) 励磁电流励磁电流 If UfRfIf =220628= A = 0.35A(2) 电枢电流电枢电流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 电动势电动势 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 VCT = 9.55 CE = 0.685T = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm (4) 电磁转矩电磁转矩CE =EnN2153 000= = 0.071 7 E3. 串