第2章 直流电机的运行原理

1、河南科技学院机电学院第第 2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2.1 电力拖动系统的基本概念电力拖动系统的基本概念2.2 直流电动机的基本平衡方程式直流电动机的基本平衡方程式2.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性2.4 直流电直流电动动机的机械特性机的机械特性2.5 直流串励电动机直流串励电动机2.1 电力拖动系统的基本概念电力拖动系统的基本概念2.2 直流电动机的基本平衡方程式直流电动机的基本平衡方程式2.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性2.4 直流电直流电动动机的机械特性机的机械特性2.5 直流串励电动机直流串励电动机电机拖动电机拖动2.6 直流发电机直流发

2、电机2.6 直流发电机直流发电机2.7 电机放大机电机放大机2.7 电机放大机电机放大机 2.1 2.1 直流电机的基本概念直流电机的基本概念 电力拖动系统:电动机作为原动机，拖动生产机械完成一定生产任务的系统。电力拖动系统由电动机、生产机械、传动机构、控制设备及电源组成。 2.1.12.1.1电力拖动系统的运动方程式电力拖动系统的运动方程式 1.1.运动方程式运动方程式 (1)直线运动方程式 式中F为电动机产生的拖动力；FL为系统阻力； 为惯性力。第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理河南科技学院机电学院dtdvmFFLdtdvm (2)旋转运动方程式T为电动机电磁转矩；TL为负

3、载阻转矩，或称负载转矩；J为运动系统的转动惯量 ，单位 , 为惯性转矩。运动方程式: dtdJTTLdtdJgGDmJ422dtdnGDTTL37522mkg第第 2 2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理 2.1.1 2.1.1 电力拖动系统的运动方程电力拖动系统的运动方程式式 河南科技学院机电学院 2. 2. 电动机工作状态的判断电动机工作状态的判断 (1) (1)当 时，则n=0或n=常值，电力拖动系统处于静止或稳态运行状态，即拖动系统稳定运行状态； (2)当 时，电力拖动系统处于起动或调速时的升速运行状态，即过渡过程的升速过程； (3)当 时，电力拖动系统处于停车或调速时的减速

4、运行状态，即过渡过程的减速过程。03752dtdnGDTTL03752dtdnGDTTL03752dtdnGDTTL 2.1.2 2.1.2 生产机械的负载转矩特性生产机械的负载转矩特性 含义：生产机械的转速与负载转矩之间的关系。包括恒转矩负载、恒功率负载 、通风机类负载（泵类负载）三种。 1.1.恒转矩负载恒转矩负载 指生产机械的负载转矩的大小不随转速变化而改变的负载。 （1）反抗性恒转矩负载； （2）位能性恒转矩负载。 2.2.恒功率负载恒功率负载 当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值。 3.3.通风机类负载（泵类负载）通风机类负载（泵类负载） 是负载转矩的大小与转速n的平方成正比

5、 。河南科技学院机电学院图2.1反抗性恒转矩负载特性 图2.2位能性恒转矩负载特性LLLL226060nPTTTn常数 图2.3恒功率负载特性曲线 图2.4通风机负载特性曲线2LTKn第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理河南科技学院机电学院 2.22.2直流电动机的基本平衡方程式直流电动机的基本平衡方程式 电压平衡方程式、功率平衡方程式、转矩平衡方程式。2.2.12.2.1电压平衡方程式电压平衡方程式1.1.瞬态运行平衡方程式瞬态运行平衡方程式 Ra为电枢回路绕组的电阻和电刷与换向器接触电阻之和。2.2.稳态运行平衡方程式稳态运行平衡方程式2.2.22.2.2功率平衡方程式功率平

6、衡方程式1.1.机械损耗机械损耗P Pm m (1)轴承损耗；(2)电刷摩擦损耗；(3)通风损耗；(4)周边风阻损耗。2.2.铁耗铁耗P PFeFe (3)磁滞损耗、 (3)涡流损耗。3.3.电阻损耗电阻损耗P Pcucu (1)励磁损耗 可忽略；(2)铜损耗 ；(3)电刷接触损耗 。则4.4.杂散损耗杂散损耗P P (1)齿槽损耗;(2)电枢反应损耗。5.5.电磁功率（转换功率）电磁功率（转换功率）P PMaaMEIP第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理dtdiLERIUaaaaaaaERIU2fffffpU II RaacuarIp2bs a2pu I aabcuaacuRI

7、pppp2图2.5 直流他励电动机河南科技学院机电学院6.6.直流电动机的轴上的净输出功率（有效负载）直流电动机的轴上的净输出功率（有效负载）P P2 2 7.7.直流电动机的功率平衡关系直流电动机的功率平衡关系 (1)电源输入的电功率P P1 1 电枢回路： 忽略励磁损耗 (2)功率平衡平衡方程式 (3)功率流程如图2.6所示。2.2.3 2.2.3 转矩平衡方程式转矩平衡方程式 根据理论力学转矩的定义 。则 , , ,T2轴上净输出转矩，T0由机械损耗、铁心损耗和杂散损耗引起的空载转矩。 图图2.6 2.6 功率流程图功率流程图第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理)(2mFe

8、MpppPPaaaaaaaaaEIRIERIIUIp21)(11pP pPPppppPPpPmbaMcu2211TP 20TTTaaMa2E IPpNTIa22PTmFe0pppT河南科技学院机电学院2,()n Tf P)(,aIfTnnnICRCUnaeaeN0图图2.72.7他励电动机的工作特性他励电动机的工作特性aTICTUIPRIPPpPPPaaaoa0211121 2.3 2.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 以他励直流电动机为例，工作特性是在端电压额定，励磁电流额定，电枢回路不串加电阻的条件下转速、电磁转矩、效率随输出功率变化的关系。 实际上工作特性常常讨论的是 。 2

9、.3.1 2.3.1 转速特性转速特性2.3.2 2.3.2 转矩特性转矩特性2.3.3 2.3.3 效率特性效率特性1.1.不变损耗（空载损耗）不变损耗（空载损耗）p02.2.可变损耗（铜耗可变损耗（铜耗）pa3.3.效率效率 令： ，则当不变损耗与可变损耗相等时效率最大当不变损耗与可变损耗相等时效率最大。这一结论适合于直流发电机、变压器、交流电机。第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理n0:理想空载转速。0adId河南科技学院机电学院 2.4 2.4 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 机械特性是指电动机的转速与其转矩(电磁转矩)之间的关系。即n=f(T)曲线。2.4.1

10、2.4.1机械特性方程式机械特性方程式 根据工作特性方程式 及电磁转矩公式 ，可得 ，也可写成 。式中为机械特性硬度; 大，硬度小，运行稳定性差，反之则稳定性好。2.4.22.4.2固有机械特性固有机械特性 当直流他励电动机端电压额定，磁通额定，电枢回路附加电阻为零时的机械特性称为固有机械特性。1.1.固有机械特性曲线固有机械特性曲线2.2.固有机械特性特点固有机械特性特点 (1)对任何一直流电动机，固有机械特性只有一条； (2)特性曲线斜率小较小，特性较平坦，属硬特性。当磁通随负载及电枢电流增加而减少时，会使转速趋向上升，称为上翘特性。 图图2.82.8直流他励电动机的机械特性直流他励电动机

11、的机械特性第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理nnICRCUnaeaeN0aTICTa2eeTRUnTCC C00nnTnn 河南科技学院机电学院图2.9 电枢串接电阻时的人为机械特性 2.4.3 2.4.3 直流电动机的人为机械特性直流电动机的人为机械特性 将固有机械特性方程式 的U、Ra、 三个参数中的两个参数保持不变，人为地改变另一个参数，可得三种不同的人为机械特性。 1.1.电枢串接电阻时的人为机械特性电枢串接电阻时的人为机械特性 电枢串接电阻时的人为机械特性与固有机械特性相比，具有如下一些特点： (1)理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻的变化而变化； (2)变

12、化电枢串接电阻，可获得不同斜率的射线族； (3)随着的加大，特性的斜率增加，转速降落加大，特性变软，稳定性变差。 第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理a2eeTRUnTCC CTCCRRCUnTeKaNeN2河南科技学院机电学院2.2.电源电压改变时的人为机械特性电源电压改变时的人为机械特性 电源电压改变，一般是将额定电压向下改变，而不能向上调，这是由电机的耐压决定的。 a2eeTRUnTCC C图图2.10 2.10 电源电压改变时的人为机械特性电源电压改变时的人为机械特性1 1 ;2-;2- ;3;3 NUU1UU 电源电压改变时的人为机械特性的特点： (1)理想空载转速n0

13、发生变化，随电源电压的而降低； (2)由于RK=0，特性斜率不变，机械特性由一组平行线所组成； (3)特性斜率不变，转速降落n不变，因此其特性较串联电阻时硬。2UU第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理河南科技学院机电学院图图2.11 减弱磁通的人为机械特性曲线减弱磁通的人为机械特性曲线 3.3.改变主磁通时的人为机械特性改变主磁通时的人为机械特性 正常运行时，在额定磁通下工作，即磁路已接近饱和，所以改变主磁通只能是减弱磁通。 减弱磁通时的人为机械特性的特点: (1)理想空载转速n0与磁通成反比，即当下降时，n0上升； (2)不同的磁通，所得的机械特性曲线斜率不同； (3)磁通下降

14、，特性斜率上升，且与的平方成反比，特性情况下变软； (4)一般情况下下降，n上升，但负载过大速度n反而会下降。2.4.4 2.4.4 机械特性的计算与绘制机械特性的计算与绘制请同学们自行分析1第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理a2eeTRUnTCC C河南科技学院机电学院2.4.5 2.4.5 电力拖动系统稳定运行的条件电力拖动系统稳定运行的条件 所谓电力拖动系统稳定运行,是指系统在扰动作用下离开原来得平衡状态，仍能在新的运行条件下达到新的平衡，或者在扰动消失后，能够回到原来的平衡状态。1.1.稳定运行的要求稳定运行的要求 系统在扰动作用下能达到新的平衡，扰动消失后能够回到原平

15、衡状态。2.2.稳定运行的分析稳定运行的分析3.3.稳定运行的条件稳定运行的条件 (1)必要条件：电机机械特性与负特性须有交点,即存在载转矩T=TL； (3)充分条件：在交点处，满 足 或者说在交点以上的转速部分满足TTL。（a）稳定运行工作点（b）不稳定运行工作点 。 图2.12 电力拖动系统稳定运行的工作点第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理dndTdndTL 2.5 2.5 直流串励电动机直流串励电动机2.5.12.5.1直流串励电动机的接线与特点直流串励电动机的接线与特点 接线如图2.13，特点：励磁绕组串入电枢回路。 河南科技学院机电学院图2.13直流串励电动机的接线图

16、 KCRRRKICUnefKaaeN图2.14串励电动机的转矩和转速特性图2.15 串励电动机的机械特性第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理2.5.32.5.3串励电动机机械特性串励电动机机械特性1.1.空载或轻载运行空载或轻载运行 (1)特性软;(2)易“飞车”。2.2.负载运行负载运行 负载较大时，由于磁路已饱和，每极磁通变化不大。其特性与他（并）励电动机的机械特性基本相似。2.5.2 2.5.2 串励电动机的工作特性串励电动机的工作特性1.1.转速特性转速特性 (1)空载或轻载运行特性方程 (2)负载特性如图2.14A点右边。2.2.转矩特性转矩特性 图2.14A点左边。

17、3.3.效率特性效率特性2TaTaTCIC KI河南科技学院机电学院图2.16 直流他励发电机的接线图 2.6 2.6 直流发电机直流发电机2.6.12.6.1直流他励发电机直流他励发电机1.1.直流他励发电机的接线图直流他励发电机的接线图 (1)在电压与反电动势的形式上，直流他励发电机与直流他励电动机相同； (2)电枢回路的电流，直流他励发电机与直流他励电动机方向相反； (3)在直流他励发电机中，电磁转矩为阻转矩，原动机的机械转矩为拖动转矩；直流他励电动机，电磁转矩为拖动转矩，机械转矩（主要是负载转矩）为阻转矩，方向上二者相反。 2.2.电压平衡方程式电压平衡方程式2.6.2 2.6.2 直

18、流他励发电机的特性直流他励发电机的特性1.1.空载特性空载特性 符合磁化特性 aaaRIEU)(feaIKKnCEU图2.17 直流他励发电机空载特性第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理 2.6.2 2.6.2 直流直流他他励发电机的特性励发电机的特性河南科技学院机电学院2.2.外特性外特性 他励发电机电枢电流变化引起端电压变化的关系。 (1)电枢电阻（内阻）的影响； (2)电枢反应的影响。3.3.调节特性调节特性 保持端电压基本不变，根据负载变化,适当调节励磁电流即 (1)减小电枢电阻（内阻）； (2)减小电枢反应的影响采用自动

19、控制，随着负载电流的增大，励磁电流也应略微增大，以确保端电压基本不变或降压较小。4.4.应用应用 他励发电机的电压变化率很小，且其励磁电流能在相当大的范围内调节。因此，他励方式适用于需要大幅度调压的大型发电机。工业上应用的624V的低压直流发电机和超过600V的高压直流发电机也采用他励。2.18直流他励发电机外特性 )(afIfI图2.19直流他励发电机调节特性 aaaRIEU河南科技学院机电学院图2.20 直流并励发电机的接线图 图2.21并励发电机的自励发电特性1空载特性 2励磁电阻线 3临界电阻线2.6.3 2.6.3 直流并励发电机直流并励发电机1.1.直流并励发电机的接线图直流并励发

20、电机的接线图2.2.空载特性空载特性3.3.并励直流发电机发电的条件并励直流发电机发电的条件 (1)并励发电机内部必须有一定的剩磁,若剩磁较弱，可采用激磁； (2)励磁绕组接线极性要正确； (3)励磁电阻RL小于或等于临界电阻RfLj。2.6.4 2.6.4 直流并励发电机的负载运行直流并励发电机的负载运行1.1.并励发电机外特性并励发电机外特性 特性如图2.22曲线3（2号为他励曲线）。2.2.影响端电压下降的因素影响端电压下降的因素 (1)电枢电阻（内阻）的影响； (2)电枢反应的影响； (3)励磁绕组并接方式的影响。 复励发电机的串励磁通势与并励磁通势方向一致为积复励，曲线1较好。 图2

21、.22 直流发电机空载特性第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理河南科技学院机电学院 2.7 2.7 电机放大机电机放大机 电机放大机又称为交磁扩大机。它实际上是一台二级直流发电机。 2.7.1 2.7.1 电机放大机的工作原理电机放大机的工作原理 控制绕组加控制电压UK产生磁通K，电枢绕组切割K产生感应电动势Eq，约几伏，如图2.23中电枢外表面所标的和。电刷1、2称交轴电刷，短接后电枢绕组中会产生较大的电流Iq，电枢产生磁通q，方向如图2.23。电枢另一绕组又切割磁通q，产生电动势Ed，方向如图2.23中电枢内表面所标的和表示。电刷3、4称为直轴电刷，直轴电刷对外输出，可得输出

22、电压Ud。 控制电压Uk，励磁电流Ik一般都不大，而输出电压Ud较高，电流较大。较小的输入功率变化引起了较大输出功率的变化，这就是功率放大。输出功率与输入功率之比称为功率放大系数，一般电机放大机放大系数为20100。因为电机放大机是利用交轴磁通q来放大的，所以，又称为交磁扩大机，扩大就是放大功率的意思。 电机放大机相当于两级直流发电机并且转速高，气息小、气隙小、材料好，因此其功率放大系数很大，可达100010000，可作为自动调节系统的调节元件。若作为直流发电机的励磁电压，则可获可控的励磁电流。第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理图2.23 电机放大机的原理图 河南科技学院机电学

23、院2.7 2.7 电机放大机电机放大机图2.24电机放大机定子上各绕组分布2.7.2 2.7.2 电机放大机的结构电机放大机的结构1.1.定子定子 (1)控制绕组：加控制电压称控制信号。 (2)补偿绕组：Id产生的磁通d对控制绕组中的磁通K有强烈的去磁作用，使电机放大机无法工作。为了抵消磁通d，在大槽和小槽中嵌放补偿绕组Nb与电枢绕组串联，产生的磁通b和K同方向，抵消d的去磁作用，补偿了K的变化。 (3)换向绕组：在直轴方向装有换向绕组,是因为电机放大机的输出电流较大，为了改善直轴换向，在中槽内嵌放了换向绕组NH，也与电枢绕组串联。 (4)交轴助磁绕组:嵌放在中槽内串接到交轴两电刷间，产生的磁

24、通与q同方向，改善了交轴的换向。 (5)去磁绕组：为了减小电机放大机的剩磁和磁滞回线，磁轭上还绕有交流去磁绕组，所加工频交流电压为13V。2.2.转子转子 电机放大机的转子（电枢）上有交轴绕组与直轴绕组。第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理河南科技学院机电学院2.7 2.7 电机放大机电机放大机图2.25 电机放大机的空载特性 2.7.3 2.7.3 电机放大机的特性电机放大机的特性 电机放大机的特性分为空载特性和外特性。1.1.电机放大机的空载特性电机放大机的空载特性 电机放大机不接负载时，由交流电动机拖动到额定转速，电动势Ed随控制绕组的磁势IkNk变化而变化的特性称为电机放大机的空载特性。第第2 章章 直流电机的运行原理直流电机的运行原理