《电机学》全套课件-PPT(PPT 233页)

1、电机学第1页，共233页。绪论第一章 直流电机第二章 直流电动机的电力拖动第三章 变压器第四章 三相异步电动机第五章 三相异步电动机的电力拖动第六章 同步电机第七章 驱动和控制微电机第八章 电力拖动系统中电动机的选择电机及拖动电子教案第2页，共233页。绪 论 电机是利用电磁感应原理工作的机械。 电机常用的分类方式有两种：一是按功能分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。0.1 电机及电力拖动系统概述两种方法归纳如下： 电机变压器直流电机直流发电机直流电动机交流电机控制电机同步电机同步发电机同步电动机异步电机异步发电机异步电动机第3页，共233

2、页。绪 论 电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。0.1 电机及电力拖动系统概述它们之间的关系如下 电动机传动机构生产负载控制设备电源第4页，共233页。绪 论 本课程是工业电气石自动化、电气技术和供用电技术等专业的一门专业基础课。0.2 本课程的性质、任务和内容 本课程的任务是让学生掌握电机制基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。 本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的

3、电力拖动、同步电机、驱动和微控电机、电动机的选择八个部分。第5页，共233页。绪 论 电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。0.3 本课程的特点及学习方法 为了学好本门课程，必须做到以下几点：1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理

4、和性能的理解；4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；5、充分预习和复习。 第6页，共233页。1.2 直流电机电枢绕组简介1.3 直流电机的电枢反应 本章主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性。1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩1.5 直流电机的换向1.6 直流发电机1.7 直流电动机1.1 直流电机的基本工作原理与结构第7页，共233页。1.1.1直流电机的主要结构1.1 直流电机的基本工作原理和结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电

5、枢绕组换向器转轴轴承第8页，共233页。1.1.2 直流电机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。 直流发电机是将机械能转变成电能的旋转机械。 当原动机驱动电机转子逆时针旋转时同，线圈abcd将感应电动势。如右图，导体ab在N极下，a点高电位，b点低电位；导体cd在S极下，c点高电位，d点低电位；电刷A极性为

6、正，电刷B极性为负。 第9页，共233页。1.1.2 直流电机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后 ，如右图。 可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下， 导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。第10页，共233页。1.1.2 直流电机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性

7、总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。第11页，共233页。1.1.2 直流电动机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构二、直流电动机工作原理 把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电

8、机转子逆时针方向旋转。第12页，共233页。1.1.2 直流电动机的工作原理1.1 直流电机的基本工作原理和结构二、直流电动机工作原理原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。 当电枢旋转到右图所示位置时 同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。第13页，共233页。1.1.3 直流电机的铭牌数据1.1 直流电机的基本工作原理和结构额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：是

9、指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速第14页，共233页。1.1.3 直流电机的铭牌数据1.1 直流电机的基本工作原理和结构 此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。 电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。对应于额定电压、

10、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式第15页，共233页。1.2.1 直流枢绕组基本知识1.2 直流电机的电枢绕组简介元件：构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件的首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示。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前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组：指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件串联起来，象波浪式的前进。第16页，共233页。1.2.1 直流枢绕组基本知识1.2 直流

11、电机的电枢绕组简介合成节距 ：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。第一节距 ：一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。第二节距 ：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。单叠绕组单波绕组换向节距 ：同一元件首末端连接的换向片之间的距离。第17页，共233页。1.2.2 单叠绕组1.2 直流电机的电枢绕组简介 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： 。 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。第18页，共233页。1.

12、2.2 单叠绕组1.2 直流电机的电枢绕组简介根据单叠绕组的展开图可以得到绕组的并联支路电路图(下图)。单叠绕组的的特点：1） 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。2）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。3）电枢电流等于各支路电流之和。第19页，共233页。1.2.3 单波绕组1.2 直流电机的电枢绕组简介 单波绕组的特点是合成节距与换向节距相等，展开图如下图所示。 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，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。第20页，共233页。1.2.3 单波绕

13、组1.2 直流电机的电枢绕组简介单波绕组的并联支路图如右图所示。单波绕组的特点1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。第21页，共233页。1.3.1直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 右图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。当励磁绕组的串联匝数为 ，流过电流为 ，每极的励

14、磁磁动势为：第22页，共233页。1.3.1直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由N极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入S极，再经定子铁轭回到N极主磁通主磁路磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁路第23页，共233页。1.3.1直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下

15、气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。 如右图 (a) 所示几何中性线极靴极身（a）气隙形状 磁极中心及附近的气隙小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐渐变大，磁通密度减小；极尖以外，气隙明显增大，磁通密度显著减少，在磁极之间的几何中性线处，气隙磁通密度为零。第24页，共233页。1.3.1 直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 空载时的气隙磁通密度为一平顶波，如下图(b) 所示。 空载时主磁极磁通的分布情况，如右图(c) 所示。（b）气隙磁密分布第25页，共233页。1.3.1 直流电机的空载磁场1.3 直流电机的电枢反应 为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机

16、气隙中需要有一定量的每极磁通 ，空载时，气隙磁通 与空载磁动势 或空载励磁电流 的关系，称为直流电机的空载磁化特性。如右图所示。 为了经济、合理地利用材料，一般直流电机额定运行时，额定磁通 设定在图中A点，即在磁化特性曲线开始进入饱和区的位置。第26页，共233页。1.3.2 直流电机负载时的负载磁场1.3 直流电机的电枢反应 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电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。 右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。 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在空间的分布情况，电枢磁动势

17、为交轴磁动势。第27页，共233页。1.3.2 直流电机负载时的负载磁场1.3 直流电机的电枢反应 如果认为直流电机电枢上有无穷多整距元件分布，则电枢磁动势在气隙圆周方向空间分布呈三角波，如图中 所示。 由于主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生的气隙磁通密度为对称的马鞍型，如图中 所示。第28页，共233页。1.3.3 直流电机的电枢反应1.3 直流电机的电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中的磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用的结果。电枢磁场对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应与电刷的位置有关。1、当电刷在几何中性线上时，将

18、主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机的磁场分布情况，如图（a）所示。第29页，共233页。1.3.3 直流电机的电枢反应1.3 直流电机的电枢反应主磁场的磁通密度分布曲线电枢磁场磁通密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线第30页，共233页。1.3.3 直流电机的电枢反应1.3 直流电机的电枢反应由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点： 2)、对主磁场起去磁作用1)、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 角，磁通密度的曲线与空载时不同。

19、 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。电机正常运行于磁化曲线的膝部，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。第31页，共233页。1.3.3 直流电机的电枢反应1.3 直流电机的电枢反应2、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随之移动 角，如图(a)(b)所示。这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：交轴电枢磁动势 和直轴电枢磁动势 。如图(a)(b)所示。第32页，共233页。1.3.3 直流电机的电枢反应1.3 直流

20、电机的电枢反应电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移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第33页，共233页。1.4.1 直流电机的电枢电动势1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。大小:性质: 发电机电源电势(与电枢电流同方向); 电动机反电势(与电枢电流反方向).)(电动势常数为电机的结构常数其中可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。第34页，共233页。1.4.2 直流电机的电磁转矩1.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩产生:电枢绕组中有

21、电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小:性质: 发电机制动(与转速方向相反)； 电动机驱动(与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，有其中第35页，共233页。1.5.1 换向概述1.5 直流电机的换向 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度。 直流电机的某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。 电枢移到电刷与换向片2接触时，元件1的被短路，电流被分流。如图所示。 电刷与换向片1接触时，元件1 中的电流方向如图所示，大小为 。 电刷仅与换向片2接触时，元件

22、1 中的电流方向如图所示，大小为 。元件112第36页，共233页。1.5.1 换向概述1.5 直流电机的换向 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。 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。第37页，共233页。1.5.2 换向的电磁理论1.5 直流电机的换向换向元件中的电动势：自感电动势 和互感电动势 ：换向元

23、件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。切割电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为： 根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的。换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应的电动势。换向电动势是帮助换向的。第38页，共233页。1.5.2 换向的电磁理论1.5 直流电机的换向换向元件中的电流： 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是 和 ，元件自身的电阻为 ，流过的电流为 ，元件与换向片间的连线电阻为 ，元件在换向时的回路方程： 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，并设电刷与换向

24、片的接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中的电流变化规律为第39页，共233页。1.5.2 换向的电磁理论1.5 直流电机的换向一、直线换向当 时换向元件电流随时间线性变化。当 时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向当 时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向直线换向延迟换向超越换向第40页，共233页。1.5.3 改善换向的方法1.5 直流电机的换向 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。 改善换向一般采用以下

25、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第41页，共233页。1.6.1 直流发电机的励磁方式1.6 直流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1、他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。如图所示。 他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：第42页，共233页。1.6.1 直流发电机的励磁方式1.6 直流发电

26、机2、并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足 。3、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足 。第43页，共233页。1.6.1 直流发电机的励磁方式1.6 直流发电机4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。第44页，共233页。1.6.2 直流发电机的基本方程1.6 直流发电机如图规定各物理量的参考方向一、电枢电动势和电动势平衡方程 为电枢回路总电阻， 为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：电枢电动势：从方程式可见，直流发电机第45页，共233页。1.6.2 直流发电机的基本方程1.6 直流发电机二、电磁转矩和转矩平

27、衡方程电磁转矩：直流发电机的励磁电流直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩 、电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。平衡方程为：三、励磁特性公式每极气隙磁通第46页，共233页。1.6.2 直流发电机的基本方程1.6 直流发电机四、功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率机械摩擦损耗、铁损耗、附加损耗 。空载损耗 包括： 电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗第47页，共233页。1.6.3 他励发

28、电机的运行特性1.6 直流发电机一、空载特性定义：当 、 时， 直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。 空载时， 。由于 ，因此空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线第48页，共233页。1.6.3 他励发电机的运行特性1.6 直流发电机二、外特性定义：当 、 时， 外特性曲线如图所示 由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励 根据 可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作

29、用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。第49页，共233页。1.6.3 他励发电机的运行特性1.6 直流发电机三、调节特性定义：当 、 时， 外特性曲线如图所示 由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性 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。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。第50页，共233页。1.6 直流发电机一、自励条

30、件1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性 曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称场阻线 。 原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确， 产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大， 增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与 相等时，达到稳定的平衡工作点A。增大 ，场阻线变为曲线3时， 称为临界电阻 。如图所示。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。第51页，共233页。1.6 直流发电机一、自励条件1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性可见，并励直流发电机的自

31、励条件有：二、空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确第52页，共233页。1.6 直流发电机三、外特性1.6.4 并励发电机的自励条件和外特性四、调节特性 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。 对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流

32、减小，端电压进一步下降。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。第53页，共233页。1.7 直流电动机1.7.1 直流电机的可逆原理以他励电机为例说明可逆原理： 一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。 把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行， 保持不变。 保持发电机的 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当 下降到一定程度时，使得 ，此时 ，发电机输出的电功率 ，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的空载损耗。继续降低原动机的 ，将有 ， 反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，电

33、机从电动机状态转变到发电机状态。第54页，共233页。第1章 直流电机1.7 直流电动机1.7.2 直流电动机的基本方程如图规定各物理量的参考方向电机的基本方程如下：第55页，共233页。1.7 直流电动机1.7.3 直流电动机的工作特性1、转速特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性定义：当 、 时，由方程式可得 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。如图所示。2、转矩特性定义：当 、 时，转矩表达式 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。如图所示。第56页，共233页。1.7 直流电动机1.7.3 直流电动机的工作特性3、效率特性一、他励（并励）直流电动机的工作

34、特性定义：当 、 时，由方程式可得 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。如图所示。第57页，共233页。1.7 直流电动机1.7.3 直流电动机的工作特性二、串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：转速特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。曲线如图所示。 当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运

35、行。第58页，共233页。主编：撰稿教师：（以姓氏为序）制作：责任编辑：电子编辑：谢谢观看，再见！第59页，共233页。2.1 电力拖动系统的运动方程和负载转矩特性2.2 他励直流电动机的机械特性 2.3 他励直流电动机的起动 本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。2.4 他励直流电动机的制动2.5 他励直流电动机的调速2.6 串励直流电动机的电力拖动第60页，共233页。2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性 电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。2.1.1 电力

36、拖动系统的运动方程式一、运动方程式 根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：其中 为系统的惯性转矩。第61页，共233页。2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性运动方程的实用形式：2.1.1 电力拖动系统的运动方程式一、运动方程式系统旋转运动的三种状态1)当 或 时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2)当 或 时,系统处于加速运行状态，即处于动态。3)当 或 时,系统处于减速运行状态，即处于动态。第62页，共233页。2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性 首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：2.1.1 电力拖动系统的运

37、动方程式二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩 与转速 的正方向相同时为正，相反时为负。（2）负载转矩 与转速 的正方向相同时为负，相反时为正。（3）惯性转矩 的大小和正负号由 和 的代数和决定。第63页，共233页。2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性2.1.2 负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩 与转速 无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载TLn2.位能性恒转矩负载TLn第64页，共233页。2.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性2.1.2 负

38、载的转矩特性二、恒功率负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。 恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即 与 成反比，特性曲线为一条双曲线。TLn三、泵与风机类负载特性 负载的转矩 基本上与转速 的平方成正比。负载特性为一条抛物线。TLn12TL0第65页，共233页。2.2 他励直流电动机的机械特性2.2.1 机械特性的表达式 直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。实际空载转速第66页，共233页。2.2 他

39、励直流电动机的机械特性2.2.2 固有机械特性和人为机械特性一、固有机械特性当 时的机械特性称为固有机械特性：二、人为机械特性当改变 或 或 得到的机械特性称为人为机械特性。 由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。第67页，共233页。2.2 他励直流电动机的机械特性2.2.2 固有机械特性和人为机械特性1、电枢串电阻时的人为特性 保持 不变,只在电枢回路中串入电阻 的人为特性特点：1） 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。第68页，共233页。2.2 他励直流电动机的机械特性2.2.2 固有机械特性和人为机械特性2、降低电枢电压时的人为特性 保持 不变，只改变电枢电

40、压 时的人为特性：特点：1) 随 变化, 不变; 2) 不同,曲线是一组平行线。第69页，共233页。2.2 他励直流电动机的机械特性2.2.2 固有机械特性和人为机械特性3、减弱励磁磁通时的人为特性 保持 不变，只改变励磁回路调节电阻 的人为特性：特点：1）弱磁， 增大； 2）弱磁， 增大第70页，共233页。2.2 他励直流电动机的机械特性2.2.3 机械特性求取一、固有特性的求取 已知 ，求两点:1）理想空载点 和额定运行 。具体步骤：（1）估算（2）计算（3）计算理想空载点：（4）计算额定工作点：二、人为特性的求取 在固有机械特性方程 的基础上，根据人为特性所对应的参数 或 或 变化，

41、重新计算 和 ，然后得到人为机械特性方程式。第71页，共233页。2.2 他励直流电动机的机械特性2.2.4 电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。在 点，系统平衡扰动使转速有微小增量，转速由 上升到 ， ，扰动消失，系统减速，回到 点运行。扰动使转速由 下降到 ， ，扰动消失，系统加速，回到 点运行。第72页，共233页。2.2 他励直流电动机的机械特性2.2.4 电力拖动系统稳定运行条件

42、电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是：在 点，系统平衡1.必要条件: 电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在扰动使转速由 下降到 ， ，系统将一直减速，不可能回到 点运行。扰动使转速由 上升到 ， ，即使扰动消失，系统也将一直加速，不能回到 点运行。2.充分条件: 在交点 处满足 。 或者说，在交点的转速以上存在 ,在交点的转速以下存在 。第73页，共233页。2.3 他励直流电动机的起动 电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。 起动时由于转速 ，

43、电枢电动势 ，而且电枢电阻 很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。 第74页，共233页。2.3 他励直流电动机的起动一、起动过程2.3.1 电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为第75页，共233页。2.3 他励直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算2.3.1 电枢回路串电阻起动 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点c点d点e点f点g点比较以上各式得： 在已知起动电流比和电枢电阻Ra

44、前提下，经推导可得各级串联电阻为:第76页，共233页。2.3 他励直流电动机的起动二、分组起动电阻的计算2.3.1 电枢回路串电阻起动（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻 ；（2）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流 ；（3）选取起动级数 ；（4）计算起动电流比： 取整数（5）计算转矩:，校验：如果不满足，应另选 或 值并重新计算，直到满足该条件为止。计算各级起动电阻的步骤：第77页，共233页。2.3 他励直流电动机的起动2.3.2 降压起动 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。 起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的

45、上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。 降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。第78页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动 当 与 的方向相同时，电机运行于电动机状态，当 与 方向相反时，电机运行于制动状态。 2.4.1 能耗制动电动制动 在电动状态，电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图所示。需要制动时,将开关S投向制动电阻 上即可。 由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与

46、 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。 制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。第79页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.1 能耗制动能耗制动时的机械特性为：电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点第80页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.1 能耗制动 但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是 能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速

47、下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。 改变制动电阻 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。 越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。即：其中 为制动瞬间的电枢电动势。第81页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.2 反接制动 电压反接制动时接线如图所示。一、电压反接制动电动制动 开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流： 反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用电

48、压反接制动。第82页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.2 电压反接制动一、电压反接制动机械特性为：曲线如图中 所示。工作点变化为： 。制动过程中, 、 、 均为负，而 、 为正。,表明电机从电源吸收电功率；,表明电机从轴上吸收机械功率;,表明轴上输入的机械功率转变为电枢回路电功率。 可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路电阻上。第83页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.2 电压反接制动二、倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。电枢回路串入较大电阻 后特性曲线正向电动状态提升重物(A点)负载作

49、用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点第84页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.2 电压反接制动第二章 直流电动机的电力拖动二、倒拉反转反接制动 倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有 倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分。 倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。第85页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.3 回馈制动 回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。 电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现 情况，此时 ， 反向， 反

50、向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态回馈制动状态。稳定运行有两种情况:当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限第86页，共233页。2.4 他励直流电动机的制动2.4.3 回馈制动 发生在动态过程中的回馈制动过程有以下两种情况1、降压调速时产生的回馈制动制动过程为 段。2、增磁调速时产生的回馈制动制动过程为 段。 回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。第87页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调

51、速的方法称为机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。他励直流电动机的转速为电气调速方法：1.调压调速；2.电枢串电阻调速；3.调磁调速。 改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。第88页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.1调速指标：一、调速范围:二、静差率（相对稳定性）：%越小，相对稳定性越好；%与机械特性硬度和n0有关。指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。 D与%相互制约:越小,D越小,相对稳定性越好;在

52、保证一定的指标的前提下,要扩大D,须减少n,即提高机械特性的硬度。第89页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.1调速指标：三、调速的平滑性 越接近1，平滑性越好，当 时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。四、调速的经济性 在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数 ：主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。第90页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法一、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由AAB第91页，共23

53、3页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法一、电枢回路串电阻调速调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。第92页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法一、电枢回路串电阻调速优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2）低速时特性曲线斜率大,静差率大,所以转速的相对稳定性差； 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D2；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电

54、阻消耗了。缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；第93页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法二、降低电源电压调速TemTLAAB调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点 降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。第94页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法二、降低电源电压调速优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达 D=2.512。 4）电能损耗较小。缺点： 需

55、要一套电压可连续调节的直流电源。第95页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法三、减弱磁通调速ABTemTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA弱磁稳定后的工作点第96页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法三、减弱磁通调速减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0n结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。第97页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.2调速方法三、减弱磁通调速优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电

56、动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般 D2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压 调速。缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；第98页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.3 调速方式与负载类型的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢 电流达到额定值。 当电动机调速时，

57、在不同的转速下，电枢电流能否总保持为额定值，即电动机能否在不同转速下都得到充分利用，这个问题与调速方式和负载类型的配合有关。 以电机在不同转速都能得到充分利用为条件，他励直流电动机的调速可分为恒转矩调速和恒功率调速。第99页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.3 调速方式与负载类型的配合 电动机的容许输出功率与转速成正比，而容许输出转矩为恒值-恒转矩调速。 电枢串电阻调速和降压调速时，磁通 保持不变，若在不同转速下保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率分别为： 第100页，共233页。2.5 他励直流电动机的调速2.5.3 调速方式与负载类型的配合 电动机的容许输

58、出转矩与转速成反比，而容许输出功率为恒值-恒功率调速。 减弱磁通调速时，磁通 是变化的，在不同转速下若保持电流 不变，即电机得到充分利用，容许输出转矩和功率别为： 为了使电动机得到充分利用，拖动恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式。拖动恒功率负载时，恒功率调速方式。对风机类负载，三种方式都不是十分适合，但采用串电阻或降压调速比弱磁调速合适一些。第101页，共233页。2.6 串励直流电动机的电力拖动2.6.1 串励电动机的机械特性当磁路不饱和时 当磁路饱和时，磁通基本不变，机械特性与他励直流电动机的机械特性相似。TemnABC磁路不饱和时的机械特性曲线AB段磁路饱和时的机械特性曲线BC段一、固有

59、特性第102页，共233页。2.6 串励直流电动机的电力拖动2.6.1 串励电动机的机械特性固有特性是指当 时的特性，具有以下特点：一、固有特性（1）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；（2）空载时， 为无穷大。实际上，空载时存在剩磁， 为有限值，但值也很大“飞车”现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。（3）由于 ，起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。第103页，共233页。2.6 串励直流电动机的电力拖动2.6.1 串励电动机的机械特性二、人为特性1、电枢串电阻的人为特性 串入电阻后，转速降增大，所以电枢串电阻的人为特性在固有特性的下方，且特性变得更软。

60、2、降低电压的人为特性 降低电压时，理想空载转速下降，人为特性下移。电压下降后，电枢反电动势随之减少，转速必然减少，所以降低电压的人为特性位于固有特性下方。3、改变磁通的人为特性 改变磁通的方法是在励磁绕组上并联一个分流电阻。与固有特性相比，在电枢电流相等情况下，励磁电流减少，磁通减少，所以人为特性位于固有特性上方。第104页，共233页。2.6 串励直流电动机的电力拖动2.6.2 串励电动机的起动、调速与制动一、起动与调速 串励电动机的调速也采用电枢串电阻、降压和弱磁三种方法，其中串电阻常用，弱磁用得较少。 为了限制起动电流，串励电动机的起动方法与他励电动机一样，也采用电枢串电阻和降低电源电