第2章 直流电机的建模及特性(第2部分)_hq

1、A、1 1、空载特性、空载特性定义： 在 、 条件下，正负电刷之间的空载端电压与励磁电流之间的关系曲线 ，即为空载特性。Nnn 0aI)(00fIfU图2.17 他励直流发电机的空载特性2、外特性、外特性定义： 在 、 条件下，端部输出电压与输出电流之间的关系曲线 ，即为外特性。Nnn fNfII)(22IfU 对于他励直流发电机，外特性可通过电压方程式（2-27）获得： aaeaaaaIRnCIREUU1（3-37）图2.33 各种励磁方式下直流发电机的外特性1-积复励 2他励 3并励结论结论: : 对他励直流电动机，影响端部电压随负载增加而下降的因素：对他励直流电动机，影响端部电压随负载增

2、加而下降的因素：u 负载电流增加，电阻压降增加；负载电流增加，电阻压降增加；u 电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降。电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降。 定义定义:电压变化率电压变化率 ： 在 ， 的条件下，%1000NNUUUU（2-38）Nnn fNfII式中， 为直流发电机的空载端电压。 0U图2.33 中，显然，并励直流发电机的电压变化率大于他励直流发电机。主要原因为： 负载电流增加，电阻压降增加；负载电流增加，电阻压降增加； 电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降；电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降； 随着电枢电压下

3、降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感应随着电枢电压下降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感应电势的进一步下降；电势的进一步下降；3 3、调节特性、调节特性定义： 在 、 条件下，负载输出电流与励磁电流之间的关系曲线 ,即为调节特性。Nnn NUU 2)(2IfIf图2.34 他励直流发电机的调节特性从外特性可知，负载电流增加时，发电机的端电压要下降，如要维持端电压为一常值，励磁电流应相应地增加，以抵消电枢反应的去磁作用和电枢回路电阻压降的作用。4 4、效率特性、效率特性定义： 电机的效率定义为输出功率 与输入功率 之比，即：1P2P%100)1 (%100)(%10011112PpPpPPP

4、（2-39）式中，总损耗为：mecFeascuappIUpp2（2-40）其中，不变损耗不变损耗即即空载损耗为： 00TpppmecFeasaaIUrIp22。可变损耗可变损耗为： 2102111aaaPppI RPPPUI 对Ia求导2022022()()0aaaaaaaaaI R UIpI R UUII RpUI 0cupp当可变损耗等于不变损耗时，其效率最高。效率特性的这一特点具有普遍意义，可适用于各种电机。设计制造电机时，通常要求在额定运行附近的效率最高。(实际上额定运行点并不是效率最高)通常在设计电机时，需要将各种损耗作适当的分配，使最大效率出现在（0.751）PN范围内，这样电机在

5、实际使用时，能够处在较高的效率下运行，比较经济。这种要求同样适用于其它各种类型电机（包括交流电机和变压器）22NNNNaU IPI R212NNNaNU IPRI如何估算电枢绕组电阻Ra?212()23NNNaNU IPRI图2.35 典型直流发电机的效率曲线B、定义： 并励或复励直流发电机空载电压的建立过程又称为发电机的自发电机的自励过程励过程。 图2.36a为并励直流发电机的接线图。图2.36b给出了并励直流发电机建压过程的曲线解释。 典型直流发电机的效率曲线如图2.35所示。 对于并励和复励直流发电机，对于并励和复励直流发电机，其励磁电流要靠发电机自身提其励磁电流要靠发电机自身提供的电压

6、产生，供的电压产生， 而发电机电压的产生则需要有励磁电流才行。由而发电机电压的产生则需要有励磁电流才行。由此可见，并励和复励直流发电机在起始阶段需要有一个自我励磁此可见，并励和复励直流发电机在起始阶段需要有一个自我励磁并建立电压的过程，这称之为自励过程。并建立电压的过程，这称之为自励过程。 图图2.36给出了并励和复给出了并励和复励直流发电机空载电压建立的过程：励直流发电机空载电压建立的过程： 当原动机拖动发电机以恒定当原动机拖动发电机以恒定转速转速n 旋转时，旋转时， 由于主磁极存在剩磁，由于主磁极存在剩磁， 电枢绕组切割剩磁磁通会电枢绕组切割剩磁磁通会产生一个较小的感应电动势产生一个较小的

7、感应电动势Er， 由由Er 在励磁回路中产生励磁电流在励磁回路中产生励磁电流If1 ； 如果极性正确，如果极性正确， 将在磁路中产生与剩磁方向相同的磁通，将在磁路中产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感应电动势增大为使主磁路中磁通增加，使感应电动势增大为E01，E01又使励磁电又使励磁电流增大为流增大为If2 ； 如此循环，如此循环， 使得感应电动势和励磁电流不断增加，使得感应电动势和励磁电流不断增加，最终建立起发电机的空载电动势。最终建立起发电机的空载电动势。 例如，例如， 在图在图2.36中的中的A点（点（E0A，IfA）稳定工作。）稳定工作。图2.36 并励直流发电机的自励建

8、压过程 图2.36b中，曲线1代表直流发电机的空载曲线： ；曲线2为励磁回路的伏-安特性 ，又称为磁场电阻线磁场电阻线，其表达式为： ；曲线3为临界磁场电阻线，其对应的临界电阻临界电阻为： 。)(0fIfU)(0fIfUfIRU0crR并励（或复励）直流发电机自励建压需满足下列三个条件：并励（或复励）直流发电机自励建压需满足下列三个条件： 电机主磁路须有剩磁。 励磁回路与电枢回路的接线须正确配合。 励磁回路的总电阻不能超过临界电阻值。三是励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率三是励磁回路的电阻不能太大，即其伏安特性的斜率U/If 不不能太陡能太陡（如曲线（如曲线2），）， 否则如果伏安特性

9、的斜率太陡，与发否则如果伏安特性的斜率太陡，与发电机空载特性交点很低或无交点（见曲线线电机空载特性交点很低或无交点（见曲线线3），）， 就无法建就无法建立空载电压。立空载电压。总之，自励发电机的运行首先要在空载阶段建总之，自励发电机的运行首先要在空载阶段建立电压，然后才能带负载运行。立电压，然后才能带负载运行。 2.8.1 他励直流电动机的工作特性定义： 直流电动机的工作特性定义为： ， ，且电枢回路无外接电阻条件下， 或 的关系曲线。 NUU 1fNfII)(2PfTnem，)(aemIfTn，A、转速特性、转速特性 定义： 在 ， 条件下，转速与电枢电流之间的关系曲线： 定义为转速特性转速

10、特性。NUU 1fNfII)(aIfn 将电势平衡方程式（2-23）代入电势表达式（2-13）即可获得转速特性为： aaNeaNeNNeaaNeaInICRCUCIRUCEn01（2-41）其中， 为理想空载转速理想空载转速； 为转速特性的斜率。 NeNCUn0NeaCR根据上式绘出转速特性曲线如图2.37所示。图2.37 并励直流电动机的工作特性结论：结论： 随着负载的增加，转子转速下降。影响转子转速的因素有两个：随着负载的增加，转子转速下降。影响转子转速的因素有两个：（1 1）电枢的电阻压降；）电枢的电阻压降；（2 2）电枢反应的去磁作用。）电枢反应的去磁作用。 通常，直流电动机的转速变化

11、用转速变化率转速变化率来描述。转速变化率定义为：空载转速与额定转速的差值占额定转速的百分比，即：%1000NNNnnnn（2-42）结论：结论： 在运行过程中，他励直流电动机不能失磁亦即励磁绕组不能开在运行过程中，他励直流电动机不能失磁亦即励磁绕组不能开路，否则转子转速将迅速上升，造成所谓的路，否则转子转速将迅速上升，造成所谓的“飞车飞车” ” 现象。现象。 B B、转矩特性、转矩特性定义： 在 ， 条件下，电磁转矩与电枢电流之间的关系曲线： 即为转矩特性。 NUU 1fNfII)(aemIfT由转矩表达式（2-16）得转矩特性为：aaNTemKIICT（2-43）式中， NTCK根据上式绘出

12、转矩特性如图2.37所示（见前面）。 电动机的电磁转矩是驱动性质的，但为什么电磁转矩增大时电动机转速反而会下降？（不变） C C、效率特性、效率特性其定义和计算过程与直流发电机基本相同，见图2.37。2.8.2 他励直流电动机的机械特性定义： 在 ， ，且电枢回路未串任何电阻条件下， 的关系曲线定义为机械特性机械特性。 NUU 1fNfII)(emTfn 根据直流电动机的基本关系式： ， ，以及 得他励直流电动机的机械特性为：nCEeaaTemICTaaaIREU1ememNTeaNeNeaTnTCCRCUCEn02（2-44）根据上式绘出他励直流电动机的机械特性曲线如图2.38所示。图2.3

13、8 他励直流电动机的机械特性由图2.38可见，随着转矩的增大，电机转速有所下降。故此，机械特性可进一步表示为：nnTnnem00（2-45） 其中，转速降 。 越小，转速变化越小，称电动机具有较硬硬的机械特性的机械特性；反之，称电动机具有较软的机械特性软的机械特性。ememNTeaTTCCRn2图图2.382.38中，需注意：中，需注意： 电机的理想空载转速电机的理想空载转速 与实际空载转速与实际空载转速 的区别；的区别； 重载时由于电枢反应的去磁作用造成机械特性的上翘。重载时由于电枢反应的去磁作用造成机械特性的上翘。 0n0n2.8.3 他励直流电动机的人工机械特性定义: 在额定电压、额定励

14、磁且电枢回路未串任何电阻条件下的机械特性又称为固有（或自然）机械特性固有（或自然）机械特性。而把通过人工改变控制量或参数所获得的机械特性称为人工机械特性人工机械特性。A、电枢回路外串电阻的人工机械特性、电枢回路外串电阻的人工机械特性 当 ， 时，电枢回路的总电阻为 （即电枢回路的外串电阻为 ）时，利用类似于式（2-44）的推导，得他励直流电动机的人工机械特性为： NUU 1fNfIIRRRaemNTeaNeNTCCRRCUn2）（2-46）上式可用图2.39所示曲线表示之。R图2.39 他励直流电动机电枢回路串电阻时的人工机械特性B、改变外加电枢电压的人工机械特性、改变外加电枢电压的人工机械特

15、性当 ， 时，仅改变电枢电压时的人工机械特性由下式给出： fNfII0RemNTeaNeTCCRCUn21（2-47）式（2-47）可用图2.40所示的曲线表示之。(1) 在不同的R下，n0不变；(2) 斜率绝对值随R增大而增大;(3) 所有人为特性均在固有特性之下;(4) 调速只能在固有特性之下进行。特点：图2.40 他励直流电动机改变电枢电压的人工机械特性C、弱磁时的人工机械特性、弱磁时的人工机械特性当 ， 时，仅改变励磁时的人工机械特性为： NUU 10RemTeaeNTCCRCUn2（2-48） 为了方便于起见，先绘出弱磁时的转速特性 ，然后在再绘出相应的人工机械特性。)(aIfn (

16、1)斜率不变，与固有机械特性相同，各条人为特性互相平行；(2)理想空载转速n0与U成正比;(3)所有人为特性均在固有特性之下。特点：注意：注意：实际上只能降压，而不能升压，以免损坏电动机。于是有：aeaeNICRCUn（2-49）根据上式，绘出弱磁条件下的转速特性如图2.41a所示。图中， 为起动电流（对应于 ）。又根据 ，得弱磁条件下的人工机械特性如图2.41b所示。 stTstICTaNstRUI/0n(a) 转速特性 (b) 机械特性图2.41 他励直流电动机弱磁时的人工机械特性(1)磁通减弱会使n0升高，因n0与磁通成反比；(2)磁通减弱会使斜率大，因与磁通的平方成反比；(3)人为机械

17、特性是一组直线，它们既不平行也非放射状。磁通减弱时特性上移而且变软。(4)在有效负载范围内，人为机械特性在固有特性之上。(5)对恒转矩负载，弱磁后，速度升高同时电流相应也增大 。特点：弱磁调速一般不单独使用，往往同降压调速配合使用，可使调速范围变宽。注意：注意：磁通不可太小，否则理想空载转速太高，电动机的 换向能力和机械强度承受不了。D、机械特性的人工绘制、机械特性的人工绘制根据铭牌数据，便可以绘制他励直流电动机的固有机械特性。具体方法是：（1）求出理想空载点 ；（2）求出额定运行点 。通过上述两点绘制直线即可获得固有机械特性。)0 ,(0n),(NNTn2)()3221(NNNNaIPIUR

18、对于理想空载转速： ，其中，NeNCUn0NNaNNNNenIRUnEC00(0.90 0.97)NNEU其中小容量电机取小系数，大数，大容量电机取大系数。容量电机取大系数。若Ra未给出，如何求Ra?若Ra未给出，可用估算法或伏安法求取对于额定运行点处的额定转矩，可由下式给出：NeNNTNCICT55. 9同样的方法可求出控制参数改变后的人工机械特性。伏安法VAUIRc测量时，在I=(0.51.2)IN中取几点，读取电压表和电流表的数值，计算Rai（i=1、2、N），最后取平均值，得11NaaiiRRN他励直流电动机在拖动恒转矩负载时，降低电机端电压，其稳态下的电枢电流大小如何变化？感应电势、

19、电机的转速、输入功率、输出功率、铜耗、铁耗、机械损耗如何变化？他励直流电动机在拖动恒转矩负载时，增大电枢回路串接电阻时，其稳态下的电枢电流大小如何变化？感应电势、电机的转速、输入功率、输出功率、铜耗、铁耗、机械损耗如何变化？若降低电机端电压，他励电动机的输入功率P1=UIa要减小，Ea=U-IaRa要减小，从而n要减小，输出功率P2=T减小，铁耗减小（因转速变化使铁心中磁通的交变频率改变），机械损耗减小（因速度变化）。而电枢回路的铜耗不变2aCuaapI R增大电枢回路串接电阻，电枢电流不变，感应电势减小、电机转速减小、输出功率减小、 铁耗pFe减小 、 机械损耗pmec减小、铜耗pcua增大

20、，输入功率不变 一台并励电动机原在某一状态稳定运行，现设负载转矩增大，试分析电动机将发生怎样的过渡过程，并将最后稳定的Ia、n、Ea和Tem的数值与原值进行比较。 稳定运行时Tem=T0+T2，当T2增大时TemT0+T2，从而使转速n下降,Ea下降而端电压不变，所以Ia增加，Tem=CT Ia也上升,这个过程一直持续到新的平衡Tem=T0+T2为止，电动机在新的状态下稳定运行。与原值相比，Ia增大、n减小、E减小、Tem增大。 2.9.1 串励直流电动机的固有机械特性图2.43 串励直流电动机的接线图 串励直流电动机的电路接线如图2.43 所示，其特点是： 。机械特性的表达式如他励直流电动机

21、基本相同，即： 1IIIsaemTesaeNTCCRRCUn2当负载较轻、磁路未饱和时，由式（2-18）得： 。于是： ffIK2aTaffTaTemICIIKCICT（2-54）则机械特性变为： esaemfesaafeemTesaeCRRTKUKCRRIKCUTCCRRCUn1121)(（2-56）根据式（2-56）并结合上述结论，得串励直流电动机的固有机械特性曲线如图2.44所示。 图2.44 串励直流电动机的机械特性值得一提的是：当负载较轻时，由式（2-56）可见，随着 ，转速 。 0emTn结论：串励直流电动机不允许轻载或空载运行结论：串励直流电动机不允许轻载或空载运行。 当负载较重

22、、磁路饱和时， 近似不变。此时，转速随转矩的增加线性下降。通过改变下列控制参数和控制量便可获得各种情况下的人工机械特性： 电枢回路串电阻；电枢回路串电阻； 降低电源电压；降低电源电压； 在串励绕组两端并联电阻实现弱磁；在串励绕组两端并联电阻实现弱磁； 在电枢两端并联电阻实现增磁；在电枢两端并联电阻实现增磁；下图给出了各种情况下串励直流电动机的人工机械特性。图2.45 串励直流电动机的人工机械特性。1-固有机械特性 2-电枢回路串电阻时的人工机械特性3-励磁绕组并联电阻时的人工机械特性 4-电枢回路并联电阻时的人工机械特性 图2.46 复励直流电动机的接线图 积复励直流电动机的机械特性介于并励（

23、或他励）和串励直流电动机之间，如图2.47所示。为便于比较，图2.47还同时绘出了并励和串励电动机的机械特性曲线。图2.47 复励直流电动机的机械特性1并励 2串励 3复励定义定义: 换向换向是指：电枢元件在经过电刷前后其中的电流方向的改变。 换向过程如图图2.48所示。图2.48 电枢绕组元件的换向过程示意图aiiaii 元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。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面，使电机不能正常工作。 产生火花

24、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化学和电热学等现象。理想的换向被称为线性（或直线）换向线性（或直线）换向，如图2.49所示。但由于电磁和机械等方面的原因，实际直流电机很难达到线性换向。换向不良会会带来换向问题，严重时会引起电位差火花电位差火花，甚至环火环火。图2.49 理想换向时电枢元件中的电流波形改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻装设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磁动势抵消电枢反应磁动势大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势图2.50 直流发电机换向极的接线与极性图2.51 直流电机的补偿绕组 显然，对于发电机，沿电枢旋转方向，换向极极性与下一个主极的极性相同；显然，对于发电机，沿电枢旋转方向，换向极极性与下一个主极的极性相同；而对电动机则相反。而对电动机则相反。 环火环火: :因某些换向片的片间电压过高而发生所谓电位差火花。