电力拖动 第1章 直流电机

1、电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 1 第第 一一 章章 直直 流流 电电 机机电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 2本章教学基本要求本章教学基本要求1.了解直流电机主要结构，注意了解直流电机主要结构，注意换向器和电刷换向器和电刷的作用；的作用；2.熟悉直流发电机和直流电动机基本熟悉直流发电机和直流电动机基本工作原理工作原理，理解，理解感应电动势感应电动势和和电磁转矩电磁转矩这两个机电能量这两个机电能量转换要素转换要素的物的物理意义，掌握求解它们的计算方法；理意义，掌握求解它们的计算方法；3.掌握直流电机的运行原理，电动势、转矩平

2、衡方程掌握直流电机的运行原理，电动势、转矩平衡方程式以及不同励磁方式的直流电机的工作特性；式以及不同励磁方式的直流电机的工作特性；4.了解直流电机的换向。了解直流电机的换向。重点：重点：直流电机的直流电机的基本平衡方程式和工作特性基本平衡方程式和工作特性。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 3直流电机（直流电机（dc machinesdc machines） 是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。是将机械能转换为直流电能或将直流电能转换为机械能的一种装置。n把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电机把机械能转换为电能的直流电机称为直流发电

3、机，把电能转换为机械能，把电能转换为机械能的直流电机称为直流电动机。它们的直流电机称为直流电动机。它们在理论上是可逆的在理论上是可逆的。在电机的发展史在电机的发展史上，直流电机发明得较早。后来才出现了交流电机。当发明了三相交流上，直流电机发明得较早。后来才出现了交流电机。当发明了三相交流电以后，交流电机得到迅速的发展。但是，电以后，交流电机得到迅速的发展。但是，迄今为止，工业领域里仍使迄今为止，工业领域里仍使用直流电动机用直流电动机，n这是由于直流电动机具有以下突出的优点：这是由于直流电动机具有以下突出的优点：n(1)调速范围广，易于平滑调速；调速范围广，易于平滑调速；n(2)起动、制动和过载

4、转矩大；起动、制动和过载转矩大；n(3)易于控制，可靠性较高。易于控制，可靠性较高。n直流电动机多用于对调速要求直流电动机多用于对调速要求较高较高的生产机械上，比如纺织机械等等。的生产机械上，比如纺织机械等等。n直流发电机可用来作为直流电动机以及交流发电机的励磁直流电源。直流发电机可用来作为直流电动机以及交流发电机的励磁直流电源。n直流电机的主要缺点是直流电机的主要缺点是换向问题换向问题，它限制了直流电机的极限容量，增加，它限制了直流电机的极限容量，增加了维护的工作量。交流电动机的调速也取得了一定的效果，在某些调速了维护的工作量。交流电动机的调速也取得了一定的效果，在某些调速场合可以代替直流电

5、动机。由于目前使用可控硅整流电源，直流电动机场合可以代替直流电动机。由于目前使用可控硅整流电源，直流电动机的应用场合还是很多的。的应用场合还是很多的。电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 4直流直流发电机发电机的基本工作原理的基本工作原理 电枢逆时针旋转时，导体切割磁力线，根据电磁感应定律导体内产生感应电动势，大小为e=Bxlv感应电动势方向由右感应电动势方向由右手定则判定，伸开右手定则判定，伸开右手使大拇指与四指呈手使大拇指与四指呈90，当磁力线指，当磁力线指向手心，大拇指指向向手心，大拇指指向导体运动方向，则四导体运动方向，则四指的指向为导体中感指的指向为导体

6、中感应电动势方向。应电动势方向。在图中在图中tt=0=0时，时，A A端为端为，与之相接触，与之相接触的电刷的电刷B1B1为为“+”+”，X X端为端为，与之相接触，与之相接触的电刷的电刷B2B2为为“-”-” 当电枢旋转了当电枢旋转了180180后，在图后，在图(b)(b)中中tt=180=180时，时，X X端端旋转到旋转到N N极下，极下，X X端为端为，A A端旋转到端旋转到S S极下，极下，A A端为端为其波形如下其波形如下图所示。图所示。N N极下导体电动势极下导体电动势指向纸外，电刷指向纸外，电刷B1B1总为总为“+”+”；S S极下导体电动势极下导体电动势指向纸内，电刷指向纸内

7、，电刷B2B2总为总为“-”-”，不难看出，线圈中不难看出，线圈中的电动势是的电动势是交流交流电电动势，而通过换向动势，而通过换向器的作用，使电刷器的作用，使电刷间的电动势为间的电动势为直流直流电动势。电动势。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 5气隙磁蜜分布波形气隙磁蜜分布波形在直流发电机中，换向器和电刷的共同作用：在直流发电机中，换向器和电刷的共同作用：将线圈中的将线圈中的交流交流电动势整流成刷间的电动势整流成刷间的直流直流电动势；电动势；把转动的电路与外面不转的电路联接。把转动的电路与外面不转的电路联接。从刷间电动势波形看，电动势脉动很大，为了减小电动势

8、的脉动从刷间电动势波形看，电动势脉动很大，为了减小电动势的脉动程度，实际电机采用程度，实际电机采用很多元件（线圈）很多元件（线圈）组成电枢线圈，均匀分布组成电枢线圈，均匀分布在电枢铁芯上，并按一定规律联接，构成电枢绕组，刷间在电枢铁芯上，并按一定规律联接，构成电枢绕组，刷间串联元串联元件数件数增多，脉动减小，可在电刷增多，脉动减小，可在电刷A A、B B两端获得恒定的直流电动势。两端获得恒定的直流电动势。 实质上是一台装有换向装置的交流发电机；实质上是一台装有换向装置的交流发电机；电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 6直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作

9、原理 将直流电加到电刷将直流电加到电刷上（上（B1B1为为+ +、B2B2为为- -），线圈），线圈AXAX上就有上就有电流通过（电流通过（A A端为端为、X X端为端为），根据电），根据电磁力定律，载流导磁力定律，载流导体在磁场中要受力，体在磁场中要受力，大小为：大小为：f=f=BxliBxli（N N），方向），方向由由左左手定则确定。手定则确定。载流导体受力方向载流导体受力方向的确定：伸开左手的确定：伸开左手使大拇指与四指呈使大拇指与四指呈9090，当磁力线指，当磁力线指向手心四指的指向向手心四指的指向为导体中电流方向，为导体中电流方向，则大拇指指向导体则大拇指指向导体受力方向在图受力方

10、向在图1-51-5中中A A受向左的切向力，受向左的切向力，X X受向右的切向力，受向右的切向力，这一对力形成了力这一对力形成了力矩矩T(T(称电磁转矩称电磁转矩) )，使电枢按逆时针方使电枢按逆时针方向旋转。向旋转。 在直流电动机中，换向在直流电动机中，换向器和电刷的共同作用：器和电刷的共同作用：将刷间的直流电将刷间的直流电逆变逆变成线圈中的交流电；成线圈中的交流电；把外面不转的电路与把外面不转的电路与转动的电路联接。转动的电路联接。 实质上是一台装有换向实质上是一台装有换向装置的交流电动机；装置的交流电动机； 带电导体在磁场中受到电带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转磁力的作用并形

11、成电磁转矩，推动转子转动起来矩，推动转子转动起来电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 7n外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈向器再加到线圈n电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。，从而使电磁转矩的方向不变。n电枢电动势电枢电动势反电势（与反电势（与I I反向）；电磁转矩反向）；电磁转矩驱动转矩（与驱动转矩（与n n同向）同向）n说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。

12、向装置的交流电机。直流电动机的基本工作原理直流电动机的基本工作原理 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 8直流电机的主要结构直流电机的主要结构 要实现机电能量变换，电路和磁路之间必须有相对运动，所以要实现机电能量变换，电路和磁路之间必须有相对运动，所以旋转电机具备静止和转动的两大部分，即直流电机由两大部旋转电机具备静止和转动的两大部分，即直流电机由两大部分组成：分组成： 定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢）定子（静止部分）和转子（转动部分或称电枢） 定子由主磁极、定子由主磁极、换向极、电刷装换向极、电刷装置、机座等组成。置、机座等组成。 主磁极：由主极铁心

13、主磁极：由主极铁心和励磁绕组组成，铁和励磁绕组组成，铁心用心用11.5mm11.5mm的钢板冲的钢板冲片叠成，外套励磁绕片叠成，外套励磁绕组。主磁极的作用是组。主磁极的作用是建立主磁场，它总是建立主磁场，它总是成对出现，成对出现，N N、S S极交极交替排列。替排列。 换向极：由铁心和绕换向极：由铁心和绕组组成，铁心一般是组组成，铁心一般是由整块钢组成换向极由整块钢组成换向极安放在相邻两主磁极安放在相邻两主磁极之间，它的作用是改之间，它的作用是改善电机的换向。善电机的换向。 电刷装置：由电刷、电刷装置：由电刷、刷握、刷杆、压紧弹刷握、刷杆、压紧弹簧等组成，它的作用簧等组成，它的作用是联接转动和

14、静止之是联接转动和静止之间的电路。间的电路。机座：作用是固定主机座：作用是固定主磁极等部件，同时也磁极等部件，同时也是磁路的一部分。是磁路的一部分。 转子由电枢铁心、电转子由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转枢绕组、换向器、转轴等组成。轴等组成。电枢铁心：一般用电枢铁心：一般用0.5mm0.5mm涂过绝缘漆的涂过绝缘漆的硅钢片叠压而成，硅钢片叠压而成，作用是嵌放电枢绕作用是嵌放电枢绕组，同时它又是电组，同时它又是电机主磁路的一部分。机主磁路的一部分。 电枢绕组：由绝缘电枢绕组：由绝缘导线绕制成的线圈导线绕制成的线圈（又称绕组元件）（又称绕组元件）按一定规律联接组按一定规律联接组成，每个元件两个成，

15、每个元件两个有效边分别嵌放电有效边分别嵌放电枢铁心表面的槽内，枢铁心表面的槽内，元件的两个出线端元件的两个出线端分别与两个换向片分别与两个换向片相连。电枢绕组的相连。电枢绕组的作用是产生感应电作用是产生感应电动势和电磁转矩，动势和电磁转矩，是实现机电能量转是实现机电能量转换的枢纽。换的枢纽。 换向器：由许多相互换向器：由许多相互绝缘的换向片组成，绝缘的换向片组成，作用是将电枢绕组中作用是将电枢绕组中的交流电整流成刷间的交流电整流成刷间的直流电或将刷间的的直流电或将刷间的直流电逆变成电枢绕直流电逆变成电枢绕组中的交流电。组中的交流电。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机P

16、age 9直流电枢绕组直流电枢绕组 匝数为匝数为1 1的是单匝元件，匝数大于的是单匝元件，匝数大于1 1的是多匝元件。直流电机电的是多匝元件。直流电机电枢绕组的基本形式是枢绕组的基本形式是单叠单叠和和单波单波（以两匝元件为例）。（以两匝元件为例）。 由于工艺等原因，电枢不宜开太由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放多个下层嵌放多个(设为设为u个个)元件边，元件边，将一个上层边和一个下层边在槽将一个上层边和一个下层边在槽内所占的空间称为一个虚槽。若内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件电枢每槽上、下层只有一个元件边，则边，则

17、总元件数总元件数S等于实槽数等于实槽数Q；若每槽的上、下层各有若每槽的上、下层各有u个元件边个元件边时，则有：时，则有：S=u.Q=QuQu为虚槽数。为虚槽数。对于一般的小型电机，每一槽中仅有一个上层边和一个下层边；对于一般的小型电机，每一槽中仅有一个上层边和一个下层边；在大型电机中，需要产生更大的电磁转矩和感应电动势，必须在大型电机中，需要产生更大的电磁转矩和感应电动势，必须增加元件数，增加元件数，电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 10直流电枢绕组直流电枢绕组极距极距：在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的距离称作：在直流电机中，把相邻两个主磁极轴线之间的

18、距离称作极距，记作极距，记作t，一般用槽数表示，即有：，一般用槽数表示，即有：式中式中p为主磁极的极对数。为主磁极的极对数。 pQu2元件：元件：电枢绕组是由许多个形状完全一样电枢绕组是由许多个形状完全一样的元件以一定的规律联接起来的。一个绕组的元件以一定的规律联接起来的。一个绕组元件也就是一个线圈。也就是说元件也就是一个线圈。也就是说组成电枢绕组成电枢绕组的基本单元称为元件组的基本单元称为元件。元件的个数用。元件的个数用S表示。表示。一个元件的尾端按照一定规律和另一元件一个元件的尾端按照一定规律和另一元件的首端相连，接到同一换向片上，所有元件的首端相连，接到同一换向片上，所有元件依次串联，最

19、后使整个电枢绕组通过换向片依次串联，最后使整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路，这是直流电枢绕组的一连成一个闭合回路，这是直流电枢绕组的一个特点，也是直流电枢绕组构成的原则。个特点，也是直流电枢绕组构成的原则。电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 11直流电枢绕组直流电枢绕组直流电机中，各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的直流电机中，各元件在电枢表面的几何关系一般用元件的节距节距表示。表示。是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示，所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数

20、来表示， 第一节距第一节距y1一一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 第二节距第二节距y2连至同一换向片上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间的距离。 合成节距合成节距y连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 换相器节距换相器节距yk同一同一元件首末端连接的换向元件首末端连接的换向片之间的距离。片之间的距离。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 12直流电枢绕组直流电枢绕组1、第一节距、第一节距y1 指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数指同一元件的二个有效边在电枢表面跨过的距离，用槽数表示。其表达式为：表示。其表达式为：

21、式中式中为把为把y1凑整的小于凑整的小于1的分数。的分数。 当当=0，y1=t称为整距元件；当称为整距元件；当0称为长距元件；当称为长距元件；当T，故电磁转矩为制动，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机的阻力矩。转矩，是阻碍原动机的阻力矩。 01TTT电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 35功率平衡关系功率平衡关系 从原动机输入的机械功率为从原动机输入的机械功率为P1=Pem+ p0 式中，式中，P1为输为输入的机械功率；入的机械功率；Pem为电磁功率；为电磁功率；p0为空载损耗。为空载损耗。 空载损耗等于铁损空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗、机械摩擦损耗pm

22、、附加损耗、附加损耗pad，即有即有 p0=pFe+pm+pad 其中附加损耗又称杂散损耗，一般难其中附加损耗又称杂散损耗，一般难以精确计算。靠经验估算约为额定功率以精确计算。靠经验估算约为额定功率P的的0.5%1%。 功率平衡关系功率平衡关系 电磁功率为电磁功率为 从中可见电磁功率可表示为从中可见电磁功率可表示为Pem=T 说明电磁功率具有说明电磁功率具有机械功机械功率率性质。性质。电磁功率又可表示为电磁功率又可表示为Pem=EaIa 此表达式说明电磁功率又具有此表达式说明电磁功率又具有电功率电功率性质，所以电磁功率是性质，所以电磁功率是机电能量转换的桥梁。机电能量转换的桥梁。 aaaaaT

23、emIEnIapNnIapNnICTPFFF606022602角速度角速度电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 36功率平衡关系功率平衡关系 发电机输出的电功率为发电机输出的电功率为P2=Pem-pCua 式中式中pCua为为电枢回路铜电枢回路铜耗耗；P2为输出的电功率，同时输出功率又可表示为为输出的电功率，同时输出功率又可表示为P2=UIa 电磁功率电磁功率电磁功率电磁功率输入的机输入的机械功率械功率空载损耗空载损耗等于铁损等于铁损pFe、机械摩擦损、机械摩擦损耗耗pm、附加损耗、附加损耗pad（风阻）（风阻）他励直流发电机的总损耗为他励直流发电机的总损耗为p=

24、pFe+pm+pad+pCua 即即p=p0+pCua电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 37效率效率 他励直流发电机的总损耗为他励直流发电机的总损耗为p=pFe+pm+pad+pCua 即即p=p0+pCua效率为效率为 即有即有pPpPpPPP211121hpPp21h运行特性运行特性 发电机的运行特性是指发电机运行时，发电机的运行特性是指发电机运行时，端电压端电压U、负载电流负载电流I、励磁电流励磁电流If这三个基本物理量之间的函数关系。这三个基本物理量之间的函数关系。 一般保持其中一个物理量不变，讨论剩余两个量之间的关系，一般保持其中一个物理量不变，讨论

25、剩余两个量之间的关系，这种函数关系就是运行特性。这种函数关系就是运行特性。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 38运行特性运行特性1空载特性空载特性 空载特性是指原动机的转速空载特性是指原动机的转速n=nN，输出端开路，负载，输出端开路，负载电流电流I=0时，电枢时，电枢端电压端电压与与励磁电流励磁电流之间的关系，即：之间的关系，即：U0=E0=（If）。）。 空载特性由实验测出空载特性由实验测出（保持额定转速）：（保持额定转速）：可测出上下两个分支曲线，一般取平均值可测出上下两个分支曲线，一般取平均值作为作为空载特性空载特性电力拖动与控制电力拖动与控制第一章

26、第一章 直流电机直流电机Page 39运行特性运行特性2外特性外特性是指原动机的转速是指原动机的转速n=nN，励磁，励磁电流电流If=IfN时，电枢端电压与时，电枢端电压与负载电流之间的关系，即：负载电流之间的关系，即：U=（I），），从空载到负载电压下降从空载到负载电压下降是一条略微下斜的曲线。是一条略微下斜的曲线。 从空载到负载电压下降的原因是：从空载到负载电压下降的原因是：负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；电枢电流增大，使电枢反应的去磁作用增强，端电压进一步下降。电枢电流增大，使电枢反应的去磁作用增

27、强，端电压进一步下降。电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 40电压变化率电压变化率 发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率（或称发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率（或称电压调整率）表示。电压变化率是指发电机从额定负载（电压调整率）表示。电压变化率是指发电机从额定负载（U=UN，I=IN）过渡到空载（）过渡到空载（U=U0 I=0）时，电压升高数值）时，电压升高数值与额定电压的百分比，即：与额定电压的百分比，即： 通常他励直流发电机的电压变化率通常他励直流发电机的电压变化率U%约为约为（510）%。%100%0NNUUUU并励直流发电机并励直流发电

28、机 1自励过程自励过程 当发电机以额定转速当发电机以额定转速nN运转时，在有运转时，在有剩磁剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中产生感应电动势产生感应电动势Er（约为（约为25%UN），从而），从而在电枢两端建立在电枢两端建立剩磁电压剩磁电压Ur，Ur作用下，产作用下，产生不大的励磁电流生不大的励磁电流If，此励磁电流通过励磁，此励磁电流通过励磁励磁绕组导线细匝数多，励磁绕组导线细匝数多，电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 41并励直流发电机并励直流发电机1自励过程自励过程绕组会产生磁场，磁场的方向若与绕组会产生磁场，

29、磁场的方向若与剩磁剩磁方向一致，则主磁通得方向一致，则主磁通得以加强，使电枢端电压进一步提高，端电压的升高，又使励以加强，使电枢端电压进一步提高，端电压的升高，又使励磁电流增大，主磁通更加强，如此反复，最终使电枢端电压磁电流增大，主磁通更加强，如此反复，最终使电枢端电压建立建立。（自励是一个过程）。（自励是一个过程） 自励条件：自励条件：电机必电机必须有须有剩磁剩磁，否则应利用其，否则应利用其它直流电源对其充磁；它直流电源对其充磁； 励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁的接法要正确，即使励磁电流产生的磁通方向与剩电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则应改变磁方向一致，否则

30、应改变并励绕组极性；曲线并励绕组极性；曲线4 励磁回路总电阻应小励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。于该转速下的临界电阻。 场阻线与空载特性相切，发场阻线与空载特性相切，发动机也不能自励动机也不能自励电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 42并励直流发电机并励直流发电机2外特性外特性 并励直流发电机的励磁绕并励直流发电机的励磁绕组与电枢绕组并联，当发电机组与电枢绕组并联，当发电机端电压下降，励磁电流减少，端电压下降，励磁电流减少，使磁通变弱，则电枢电动势降使磁通变弱，则电枢电动势降低，从而使端电压进一步下降低，从而使端电压进一步下降它的外特性要比他励直流发电它

31、的外特性要比他励直流发电机下垂。它的电压变化率机下垂。它的电压变化率U%约为（约为（2030）%。电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 43【例例1-31-3】 一台一台并励并励直流发电机数据为直流发电机数据为PN=82kW UN=230V nN=970r/min，电枢绕组总电，电枢绕组总电阻阻Ra=0.0259，并励绕组内阻，并励绕组内阻rf=22.8，额定负载时，并励，额定负载时，并励回路串入的调节电阻回路串入的调节电阻Rf=3.5，一对电刷压降，一对电刷压降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加损耗，附加损耗pad=0.005PN，试求额定负载时，试求额

32、定负载时，发电机的，发电机的输入功率输入功率P1、电磁、电磁功率功率Pem、电磁转矩和效率、电磁转矩和效率。fNaIIIURIUEaaNa2电枢电动势aaemIEPadmFeempppPP1电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 44【例例1-31-3】解：（解：（1）求电磁功率）求电磁功率励磁电流为励磁电流为 额定负载电流为额定负载电流为 电枢电流为电枢电流为 ARrUIffNf75. 85 . 38 .22230AUPINNN52.35623010823AIIIfNa27.36575. 852.356电枢电动势为电枢电动势为 电磁功率为电磁功率为 （2）求输入功

33、率）求输入功率（3）求电磁转矩）求电磁转矩（4）求效率）求效率VURIUEaaNa5 .2412029. 027.3652302kWIEPaaem2 .8827.3655 .241kWpppPPadmFeem9182005. 05 . 22 .881mNnPTNem4 .868970102 .8855. 955. 93%1 .90%1009182%10012PPh电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 45直流电动机直流电动机 直流电动机是将输入的直流直流电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备电能转变为机械能的电气设备，即有：，即有： 直流电能直流电能机械能

34、。机械能。 他励时有：他励时有：I=Ia；并励时有：并励时有：I=Ia+If。电枢回路电压方程式为电枢回路电压方程式为U=Ea+IaRa其中反电动势其中反电动势Ea=Cen，若，若为并励时，还存在为并励时，还存在U=If（rf+Rfad）=IfRf 由于由于Ra很小，电枢回路上电阻压降很很小，电枢回路上电阻压降很小，电源电压大部分降落在反小，电源电压大部分降落在反电动势电动势Ea上。上。电动机空载时，电动机空载时，轴上输出转矩轴上输出转矩T2=0，则有，则有T=T0当负载转矩为当负载转矩为TL，轴上输出有，轴上输出有T2=TL，电动机匀速稳定运行时有，电动机匀速稳定运行时有T=T2+T0其中其

35、中电磁转矩为拖动性质转矩电磁转矩为拖动性质转矩，可用公式，可用公式T=CTIa计算，计算，（T2+T0）为总的阻转矩，方向与）为总的阻转矩，方向与T相反。相反。转矩方程式转矩方程式 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 46功率平衡关系功率平衡关系 他励直流电动机输入功率为他励直流电动机输入功率为P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra P1=Pem+pCua 式中电磁功率式中电磁功率Pem的功率性质为电功率，的功率性质为电功率，pCua=Ia2Ra为电枢回路为电枢回路上的铜耗。上的铜耗。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机

36、直流电机Page 47功率平衡关系功率平衡关系 在转矩平衡方程式在转矩平衡方程式T=T2+T0两边同乘以角速度两边同乘以角速度可得可得T=T2+T0，则有，则有Pem=P2+p0 也可表示为也可表示为P2=Pem-p0式中电磁功率式中电磁功率Pem的功率性质为机械功率，空载损耗为：的功率性质为机械功率，空载损耗为：p0=pFe+pm+pad空载损耗空载损耗等于铁损等于铁损pFe、机械摩擦损耗、机械摩擦损耗pm、附加损耗附加损耗pad电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 48【例例1-41-4】 已知一台已知一台永磁永磁直流电动机的电枢电阻直流电动机的电枢电阻Ra=

37、1.03当在当在50V直直流电源供电下空载运行时，电机转速为流电源供电下空载运行时，电机转速为2100r/min，吸收电流，吸收电流是是1.25A。试计算：。试计算：（1）转矩常数）转矩常数CT（CT= CTF F）（2）电动机的空载损耗）电动机的空载损耗p0；（3）当转速为）当转速为1700r/min以及电源电压为以及电源电压为48V时，电动机的输出时，电动机的输出功率功率P2。 解：（解：（1）求转矩常数）求转矩常数CT感应反电动势为感应反电动势为转矩常数为转矩常数为VRIUEaaa7 .4803. 125. 150rVnECaTmin/221. 021007 .4855. 955. 9n

38、CEeaF电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 49【例例1-41-4】（3）求输出功率）求输出功率在转速为在转速为1700r/min时，感应电动势为时，感应电动势为电枢电流为电枢电流为电磁功率为电磁功率为输出功率为输出功率为VnCEea44.3917000232. 0AREUIaaa31. 803. 144.3948WIEPaaem32831. 844.39WpPPem2676132802（2）求空载损耗）求空载损耗空载损耗为空载损耗为WIEpaa6125. 17 .480电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 50直流电动机的工作特

39、性直流电动机的工作特性其表达式为其表达式为 若忽略电枢反应，电枢电阻又较小，若忽略电枢反应，电枢电阻又较小，转速特性是一条略微向下倾斜的直转速特性是一条略微向下倾斜的直线（实线所示）；考虑电枢反应的线（实线所示）；考虑电枢反应的祛磁作用如虚线所示。祛磁作用如虚线所示。aeaaeaeNICRnICRCUnFFF0n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)图136 他励(并励)直流电动机工作特性 转速特性转速特性是指当是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻，电枢回路外串电阻R=0时时， n=(Ia) 的关系。的关系。 直流电动机工作特性是指在直流电动机工作特性是指在

40、U=UN，If=IfN，电枢回路不外串电阻的条件，电枢回路不外串电阻的条件下，下，转速转速n、转矩、转矩T、效率、效率h h与输出功率与输出功率P2之间的关系曲线之间的关系曲线。实际运行中，。实际运行中，电枢电流电枢电流Ia是随是随P2增大而增大，又便于测量，故也可把转速增大而增大，又便于测量，故也可把转速n、转矩、转矩T、效、效率率h h与电枢电流与电枢电流Ia之间的关系曲线称为工作特性。之间的关系曲线称为工作特性。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 51直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 转矩特性转矩特性是指当是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外

41、串电阻，电枢回路外串电阻R=0时，时，T=(Ia)的关系。的关系。 根据转矩公式根据转矩公式T=CTIa，忽略电枢反应，忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线（实线所示）。考虑电枢反，转矩特性是一条过原点的直线（实线所示）。考虑电枢反应的祛磁作用，转矩特性如图虚线所示。应的祛磁作用，转矩特性如图虚线所示。n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)图136 他励(并励)直流电动机工作特性电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 52直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性式中总损耗为式中总损耗为 其中空载损耗其中空载损耗p0与负载电流变化与负载

42、电流变化无关，称为不变损耗无关，称为不变损耗,电枢铜耗电枢铜耗pCua随负载电流平方倍变化，随负载电流平方倍变化，又称可变损耗又称可变损耗aIUpPP112haaadFemCuaRIpppppp20 当负载电流从零逐渐增大时当负载电流从零逐渐增大时，效率也随之增大，当负载电流，效率也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大之增大到一定程度，效率达最大之后随负载电流的继续增大，效率后随负载电流的继续增大，效率反而减，如图所示。反而减，如图所示。n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)图136 他励(并励)直流电动机工作特性效率特性效率特性是指当是指当U=UN，If

43、=IfN，电枢回路外串电阻，电枢回路外串电阻R=0时，时，h h ( (I Ia a)的关系。的关系。 根据效率的定义可得根据效率的定义可得 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 53直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 如果令如果令 dh h/ /dI Ia a00，可得：，可得：说明不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特性的这个特点说明不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特性的这个特点，对其他电机、变压器也适用，具有普遍意义。，对其他电机、变压器也适用，具有普遍意义。Cuapp 0【例例1-51-5】 有一有一他励他励直流电动机接在额定电压为直流电动机

44、接在额定电压为220V的电网的电网上额定运行时，电动机的额定电枢电流上额定运行时，电动机的额定电枢电流Ia=15A，电枢回路总电，电枢回路总电阻阻Ra=0.7，（，（1）求电动机额定运行时的反电动势；（）求电动机额定运行时的反电动势；（2）若）若因某种原因，使电网电压下降至因某种原因，使电网电压下降至195V，但励磁电流和负载转矩，但励磁电流和负载转矩均未发生变化，求在达到新平衡点后电动机的反电动势。均未发生变化，求在达到新平衡点后电动机的反电动势。解：解：1）额定运行时的反电动势）额定运行时的反电动势2）新平衡点时的反电动势）新平衡点时的反电动势 VRIUEaaNaN5 .2097 . 01

45、5220VRIUEaaa5 .1847 . 015195电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 54他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 （1）固有机械特性）固有机械特性:他励直流电动机的固有机械特性是指：他励直流电动机的固有机械特性是指：在电源电压在电源电压U=UN，气隙磁通，气隙磁通=N，电枢外串电阻，电枢外串电阻R=0时时，n=(T)的机械特性，其数学表达式为的机械特性，其数学表达式为 NNNTeaNeNnnTnTCCRCUn002式中式中b称为斜率，称为斜率，nN为额为额定负载时的定负载时的转速降转速降。 他励直流电动机固有机械特性他励直流电动机

46、固有机械特性是一条过理想空载点（是一条过理想空载点（n=n0，T=0）斜率很小的硬特性曲线。）斜率很小的硬特性曲线。当空载转矩为当空载转矩为T0时，实际空载转时，实际空载转速为速为n0。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 55他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性求理想空载点（求理想空载点（n0，0） 计算理想空载转速公式为计算理想空载转速公式为式中式中NeNCUn0NaNNNaNNenRIUnEC（2） 根据铭牌数据估算机械特性根据铭牌数据估算机械特性 直流电动机的固有机械特性可通过实验测得，也可根据直流电动机的固有机械特性可通过实验测得，也可根据

47、铭牌数据估算求得。铭牌数据估算求得。 由于固有机械特性是一条直线，一般通过求取两个特殊由于固有机械特性是一条直线，一般通过求取两个特殊点（理想空载点和额定工作点），再将这两点连成直线便点（理想空载点和额定工作点），再将这两点连成直线便可得到固有机械特性。可得到固有机械特性。电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 56他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 电枢回路电阻电枢回路电阻Ra，可实测或根据经验公式估算。一般直流，可实测或根据经验公式估算。一般直流电动机额定运行时的铜损约占电动机额定运行时的铜损约占总损耗总损耗的一半至三分之二，则的一半至三分之二，则

48、Ra的估算式为的估算式为 )(10)3221(23NNNNaIPIUR求额定工作点（求额定工作点（nN，TN） 根据铭牌数据可得额定转速根据铭牌数据可得额定转速nN，而计算电磁转矩公式为，而计算电磁转矩公式为 NNeNNTNICICT55. 9电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 57【例例1-61-6】 一台他励直流电动机额定数据为一台他励直流电动机额定数据为PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，电枢回路电阻，电枢回路电阻Ra=0.044，试求：，试求：1）固有机械特性方程式；）固有机械特性方程式；2）额定负载时的电枢电动势

49、和额定电）额定负载时的电枢电动势和额定电磁转矩；磁转矩；3）额定输出转矩和空载转矩；）额定输出转矩和空载转矩；4）理想空载转速和实）理想空载转速和实际空载转速；际空载转速；5）电机额定运行，分别求电枢回路外串电阻）电机额定运行，分别求电枢回路外串电阻Ra=0.206时的转速、电压时的转速、电压U=50V时的转速和磁通时的转速和磁通F F=75%F FN时的转速。时的转速。 解：（解：（1）求固有机械特性方程式）求固有机械特性方程式164. 01200044. 0517220NaNNNenRIUCTTTCCRCUnNTeaNeN17. 01341164. 055. 9044. 0164. 022

50、022电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 58【例例1-61-6】（3）额定输出转矩和空载转矩）额定输出转矩和空载转矩输出转矩为输出转矩为 空载转矩为空载转矩为 （4）求理想空载转矩和实际空载转矩）求理想空载转矩和实际空载转矩理想空载转速为理想空载转速为 实际空载转速为实际空载转速为 mNnPTNNN8 .79512001010055. 955. 932mNTTTN9 .138 .7957 .80920min/13410rCUnNeNmin/6 .13389 .1317. 0134117. 0134100rTn（2）求电枢电动势和电磁转矩）求电枢电动势和电磁转矩

51、电枢电动势为电枢电动势为 电磁转矩为电磁转矩为 VnCENNea8 .1961200164. 0mNICTaNe7 .809517164. 055. 955. 9电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 59【例例1-61-6】（5）电枢回路外串电阻）电枢回路外串电阻Ra=0.206时的转速时的转速（6）电压）电压U=50V时的转速时的转速 （7）磁通）磁通F F75%75%F FN N时的转速时的转速 min/5537 .809164. 055. 9206. 0044. 01341)(55. 9134122rTCRRnNeaamin/1667 .809164. 05

52、5. 9044. 0164. 050)(55. 922rTCRCUnNeaNemin/1542)%75(55. 9%752rTCRCUnNeaNeN电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 60Page 60他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 式中式中为为T=0 时的转速时的转速， 称为理想空载转速；称为理想空载转速； 2FTeaCCRR 是机械特性的斜率。是机械特性的斜率。 FeCUn0 表达式表达式 TnTCCRRCUCRRIUnTeaeeaaFFF02)( 他励直流电动机的转速他励直流电动机的转速n随转矩随转矩T的增大而降低。即负载时的增大而降低。

53、即负载时转速低于理想空载转速转速低于理想空载转速n0，负载时转速下降的数值称为负载时转速下降的数值称为转速降转速降，用用n表示为表示为Tnnn0定义：在电动机的运行中转速与转矩之间的关系称为机械特性定义：在电动机的运行中转速与转矩之间的关系称为机械特性 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 61Page 61他励直流电动机固有机械特性他励直流电动机固有机械特性 当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串电阻时，回路不串电阻时，即即 , , , , 这种情况下的机械特性，称为固有机械特性。其表达式为这

54、种情况下的机械特性，称为固有机械特性。其表达式为NUU ， ， ， NFF 0R TCCRCUnNTeaNeN2FF 显然，显然，n与与成正比，当成正比，当越大，越大，n就越大。通常称就越大。通常称值大的机械特性为软特值大的机械特性为软特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转干扰导致负载转矩增大或减小，对系统转速速 产生影响大，那么系统抗干扰能力弱；产生影响大，那么系统抗干扰能力弱； 值小的机械特性为硬特性，即在电力拖值小的机械特性为硬特性，即在电力拖动系统中，如系统受外界干扰导致负载转动系统中，如系统受外界干扰导致负载转矩

55、增大或减小，对系统转速矩增大或减小，对系统转速 产生影响小，产生影响小，那么系统抗干扰能力强。对于一个恒速运那么系统抗干扰能力强。对于一个恒速运行的系统，我们总希望值行的系统，我们总希望值越小越好。越小越好。 是一条下斜直线，特性较硬。机械特性只是一条下斜直线，特性较硬。机械特性只表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关表征电动机电磁转矩和转速之间的函数关系，是电动机本身的能力体现，系，是电动机本身的能力体现，电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 62Page 62人为机械特性人为机械特性 图图3- -2电枢串电阻人为机械特性电枢串电阻人为机械特性 他励直流电动机的参

56、数如电压、励磁电流、电枢回路电阻他励直流电动机的参数如电压、励磁电流、电枢回路电阻大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。主要人为机械大小等改变后，其机械特性称为人为机械特性。主要人为机械特性有三种。特性有三种。 1 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TCCRRCUnNTeaNeN2FF 电枢加额定电压电枢加额定电压UN，每极磁通每极磁通为额定值为额定值N，电枢回路串入电阻电枢回路串入电阻R后，机械特性表达式为后，机械特性表达式为电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 63Page 63人为机械特性人为机械特性图图3-3 改变电枢电压

57、人为机械特性改变电枢电压人为机械特性 2 2改变电枢电压的人为机械特性改变电枢电压的人为机械特性TCCRCUnNTeaNe2FF 保持每极磁通为额定值不变，保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，只改变电电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，机械特性表达式为枢电压时，机械特性表达式为电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 64Page 64人为机械特性人为机械特性图图3-43-4减少每极磁通人为机械特性减少每极磁通人为机械特性 3 3 . .减少气隙磁通量的人为机械特性减少气隙磁通量的人为机械特性 电枢电压为额定值不变，电枢电压为额定值不变，电枢回路不串电阻时，仅

58、电枢回路不串电阻时，仅改变每极磁通的人为机械改变每极磁通的人为机械特性表达式为特性表达式为TCCRCUnTeaeN2FF 一般他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近于饱和，增大每极磁通是难以做到的。因此，改变磁通实际上只能减少磁通。我们通过改变励磁回路串接电阻或降低励磁电压来改变励磁电流，从来调节磁通的大小。电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 65Page 65人为机械特性人为机械特性图图3- -5电枢反应有去磁效应时的机械特性电枢反应有去磁效应时的机械特性以上分析直流电机的固有机械特性或人为机械特性时，都忽以上分析直流电机的固有机械特性或人为机械特性时，

59、都忽略了电枢反应的影响。实际上，由于电枢反应表现为去磁效略了电枢反应的影响。实际上，由于电枢反应表现为去磁效应，使机械特性出现上翘现象，将对电动机的稳定运行产生应，使机械特性出现上翘现象，将对电动机的稳定运行产生不良影响。不良影响。为了避免机械特性的上翘，对容量较大的直流电机，为了补偿电抠反应去磁效应，在主极上加上一个绕组，称稳定绕组，绕组里流的是电枢电流，产生的磁通补偿了电枢反应的去磁部分，使电机的机械特性不出现上翘现象。电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 66Page 66根据电机的铭牌数据绘制机械特性根据电机的铭牌数据绘制机械特性 1.1.固有机械特性的绘

60、制固有机械特性的绘制(1)(1)估算估算EaN或实测或实测Ra；(2)(2)计算计算CeN；(3)(3)求求n0；(4)(4)计算计算TN 。在坐标纸上标出在坐标纸上标出(0, n0)，(TN , nN)两点，过此两点联成直线，两点，过此两点联成直线，即为该直流电动机的固有机械特性。即为该直流电动机的固有机械特性。2.2.人为机械特性的绘制人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数代入相应的人为机械特性方程式即可。代入相应的人为机械特性方程式即可。 电力拖动与控制电力拖动与控制第一章第一章 直流电机直流电机Page 67