第2章直流电机2.5-2.7

第2章直流电机

河北科技大学电气教研室安国庆电机学2.5直流发电机2.5.1直流发电机的基本方程式（1）电压平衡方程式（2）转矩平衡方程式（3）功率平衡方程式

下面以并励直流发电机为例分别予以讨论。1.电压平衡方程式ΔU为每一电刷的接触电压降,通常假定为常数，当用石墨电刷或碳石墨电刷时，取为1V

Ra称为为电枢回路总电阻，此时它已将电刷接触电阻包含在内2.转矩平衡方程式3.功率平衡方程式空载损耗杂散损耗（按0.5-1%P2）计算（1）输入功率输入功率等于原动机的转矩与电枢的机械角速度的乘积（2）空载损耗铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时，硅钢片中的磁滞损耗和涡流损耗。这两种损耗与磁通密度的大小以及磁通交变的频率有关；机械损耗包括电机各种摩擦损耗，与转速有关；＋（3）杂散损耗又称附加损耗。主要是由于电枢有齿槽存在，当电枢转动时，气隙磁通在主极和电枢铁心中产生脉振损耗以及在主极表面左右摆动而引起的表面损耗加上其它额外损耗等。

（4）铜损耗铜损耗包括电枢回路铜耗和励磁回路铜耗（5）输出功率输入功率等于直流发电机电刷两端输出电压与电流的乘积（6）电磁功率注意区别：Ea电磁功率还有一种机械功率的表示方法：功率平衡方程式：（1）从机械功率的角度（2）从电功率的角度在电压平衡方程两边同乘以电枢电流Ia结合得到总的：功率平衡方程式空载损耗杂散损耗（按0.5-1%P2）计算2.5.2直流发电机的效率特性不变损耗：如机械损耗、铁耗、励磁绕组的铜耗可变损耗：如电枢回路总铜耗，和电流的平方成正比注意：当可变损耗等于不变损耗时，电机效率可达到最大值当负载较小时，不变损耗占主要部分，负载增加时，输出功率将正比增加，故效率迅速上升；在负载电流超过额定电流后，可变损耗所占比重超过不变损耗，可变损耗起主要作用，效率反而下降；(P2)设计电机时Pmax=(3/4～1）PN2.5.3他励直流发电机的运行特性决定直流发电机的运行特性的物理量是：电枢端电压U、负载电流I、励磁电流If以及转速n。在保持电机转速为额定转速的基础上，令电枢端电压U、负载电流I、励磁电流If三者中的一个保持额定值，分析另外两物理量的变化曲线关系，即为分析直流发电机的运行特性。（1）空载特性空载试验时，调节励磁电流应单方向调节，这样作出上升与下降两条曲线取其平均值作为空载特性曲线。当励磁电流＝0时，磁路中还会有剩磁，由此感应的电动势为剩磁感应电动势，其值约为额定电压的2％～4％。

（2）外特性外特性是指原动机的转速n=nN，励磁电流If=IfN时，电枢端电压与负载电流之间的关系，即：U=ƒ(I)。引起端电压下降的主要因素是：1）电枢回路电阻上的电压降随负载电流的增大而增大，使端电压下降。2）负载增大时，电枢反应的去磁作用引起每极磁通量减少，从而使相应的电枢电动势减小。电压变化率的定义：电压变化率要求越小越好，一般他励直流发电机的电压变化率约为5％～10％，可以认为是恒压源。补充：注意事项他励发电机在额定励磁下短路短路电流：由于Ra很小，短路电流大，可为额定电流的20-30倍，故他励发电机不允许在额定励磁下发生持续短路。

（3）调节特性调整特性是指原动机的转速n=nN，保持极端电压U=UN时，励磁电流与负载电流之间的关系，即If=ƒ(I)。

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输出端电压的影响。

他励直流发电机运行特性好，但励磁回路需一直流电源供电，若实际应用中没有条件，可采用并励。并励式直流发电机就是要将励磁绕组和电枢绕组并联。为了测量的需要，串入电流表和可调电阻.2.5.4并励直流发电机的自励并励直流发电机的自励过程并励直流发电机的自励条件:（1）电机的铁心中必须有剩磁。（2）励磁绕组接到电枢绕组的连接方法与电枢旋转方向必须正确配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致，而起增磁作用。（3）励磁回路的电阻应小于与发电机运行转速相对应的临界电阻。

补充：并励直流发电机启动方法实际应用中，并励直流发电机自励而电压未能建立时，应先减小励磁回路的外串电阻，看电压是否能建立，不行再改变励磁绕组与电枢绕组连接的极性，若电压还不能建立，则应考虑可能没有剩磁，充磁后，再进行自励发电。2.5.5并励直流发电机的运行特性并励直流发电机的运行特性包括空载特性、外特性、调节特性等，除外特性外，其他特性与他励直流发电机的特性相类似。现单独拿出与他励直流发电机不同的外特性进行分析。并励直流发电机的外特性并励发电机的外特性是指n=nN，Rf=常值时，发电机的端电压与负载电流间的关系并励发电机的外特性有以下三个特点：

2)外特性有拐弯现象:当负载电阻减小，负载电流增大，端电压下降到一定值时，磁路将处于不饱和状态，此时若进一步减小，端电压的下降使励磁电流下降，而励磁电流的下降将导致气隙磁通和感应电动势较大幅度的下降，结果使端电压的下降比负载电阻减小得更快，于是外特性就出现“拐弯”现象，即端电压下降，负载电流亦下降。1)负载增大时，端电压下降较快;并励发电机的外特性有以下三个特点：3)稳态短路（端电压等于零）时，电流较小;2.5.6复励直流发电机的外特性复励直流发电机具有并励和串励两套励磁绕组：1)并励绕组和串励绕组均按装在主磁极上。并励绕组并接在电枢绕组两端，励磁电流较小，但匝数较多；2)串励绕组与电枢绕组串联，其电流等于电枢电流，一般只有几匝。在复励直流发电机中，若串励磁动势与并励磁动势方向相同，称为积复励；若两者方向相反，称为差复励。

积复励情况下：并励绕组起主要作用，使发电机空载时能达到额定电压；串励绕组则用以补偿负载时电枢回路的电阻压降和电枢反应的去磁作用。若串励绕组的补偿作用使得I=IN

时的U=UN

，这种情况称为平复励；若补偿不足，则外特性略有下降，称为欠复励；若补偿有余，则外特性略向上拱，称为过复励。

复励与他励、并励外特性的比较2.6直流电动机2.6.1电机的可逆原理同一台电机即可作发电机运行，又可作电动机运行，这就是电机的可逆原理，无论直流电机或交流电机中都适用。无论发电机或电动机，电枢电动势和电磁转矩是同时存在的。当Ea﹥U，Te与n反向时为发电机运行状态；当Ea﹤U，Te与n同向时为电动机运行状态。

2.6.2直流电动机的基本方程式（1）电压平衡方程式在并励直流电动机中，励磁电流If由电网供给

（2）转矩平衡方程电动机轴上的转矩有三个：一是起驱动作用的电磁转矩；二是电动机轴上的输出转矩；三是电动机的空载转矩；在电力拖动系统中，往往把直流电动机的空载转矩加上轴上输出转矩，称之为负载转矩，用TL表示。

（3）功率平衡方程对于并励电动机（从电功率角度）：Ia+U－IIfM若忽略电刷两端压降：方程两边同时乘以Ia：代入（3）功率平衡方程对于并励电动机（从机械功率角度）：转矩平衡方程式：两边同时乘以电枢机械角速度Ω：空载损耗若计及杂散损耗上页推出的结果结合：并励直流电动机功率流程图直流电动机的效率：他励直流电动机总损耗：并励直流电动机总损耗：见书P49例2-22.6.3直流电动机的工作特性直流电机的工作特性是指U＝UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，下面我们分别介绍并励、串励两种直流电动机的3种工作特性，并分析其特性曲线的变化趋势。（1）并励直流电动机的工作特性转速特性：U＝UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，影响电动机转速的因素有两个：（1）电枢回路的电阻压降；（2）电枢反应去磁的影响。

转速调整率：并励直流电动机的转速调整率约为3％～8％，基本上是一种恒速电动机并励电动机的断励磁的后果：在并励电动机运行时，励磁绕组决不能断开！

励磁绕组断开时，If=0，主磁通只为剩磁。Ea但外部负载不变，Ia减少：电机停车增加：转速上升，飞车事故！Ea=0由时间一长，绕组烧毁！零励磁保护线路：工程上防止励磁绕组断开的方法I<空气开关励磁欠电流继电器电枢反向续流短路、保护直流电源1直流电源2共地端（1）并励直流电动机的工作特性转矩特性：U＝UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，当气隙每极磁通为常值时，电磁转矩与电枢电流成正比；考虑电枢反应去磁作用，则随着的增大，要略微减小。（1）并励直流电动机的工作特性效率特性：U＝UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，电枢电流从零开始增大时，效率逐渐增大；当可变损耗等于不变损耗时，效率达到最大值。当效率达到最大值之后，随着电枢电流的增大，效率又逐渐减小了。

（2）串励直流电动机的工作特性串励电动机试验接线图串励电动机特点：所以主磁通随电枢电流Ia的变化而变化，但同时又要考虑Ia较大时的磁饱和的非线性问题分析：电枢电压U=UN时，电枢电流与转速、转矩、效率之间的特性曲线关系；串励直流电动机转速特性：因此串励直流电动机的转速特性为反比例曲线。电枢电压U＝UN时串励电动机试验接线图串励直流电动机也可能存在飞车现象！当电机轻载运行时，电枢电流和主磁通都很小，则转速将非常高，容易产生“飞速”现象，十分危险。

注意：串励直流电动机绝对不允许在空载或很轻的负载下运行，否则将发生“飞速”现象而使电枢遭到破坏。

串励直流电动机的转速调整率鉴于上述原因，串励直流电动机的输出功率一般不小于额定功率的1/4，所以串励直流电动机的转速调整率定义为：串励电动机的转矩和效率特性电枢电压U＝UN时且所以1)串励电动机转矩特性为一条二次曲线;2)效率特性与并励直流电动机的效率特性基本相似2.6.4并励直流电动机的机械特性当电源电压为常值、气隙每极磁通量为常值以及电枢回路电阻为常值时，电动机的转速n和电磁转矩Te之间的关系曲线。机械特性固有机械特性：电枢电压和磁通为额定值，其电枢回路不串电阻情况下的机械特性；人为机械特性：人为改变电枢电压、磁通或在电枢回路串上外接电阻时的机械特性；1.机械特性的一般表达式考虑在直流电动机电枢回路串入调节电阻Raj

代入2.固有机械特性即U=UN、If=IfN、电枢回路不串调节电阻时的机械特性。并励直流电动机和他励直流电动机一般用于拖动要求转速变化不大的生产机械，如金属切削机床、通风机、鼓风机、印刷及印染机械等。3.人为机械特性（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性

特性变软空载速度不变；随着电阻的增加，转速降落增加；3.人为机械特性（2）改变电枢电压时的人为机械特性空载理想速度随着U的减小而减小；转速降落不变；3.人为机械特性（3）减弱磁通时的人为机械特性转速降随磁通的改变而变化。理想空载转速随磁通的改变而变化；见书P54例2-32.6.5串励直流电动机的机械特性串励电动机特点：代入串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性方程式表示的曲线是一条双曲线，特性较软。

因此，串励电动机适合低速重载场合，启动转矩大，过载能力强！2.6.6复励直流电动机的机械特性复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组，所以它的机械特性介于并励和串励直流电动机两者之间。

1-并励；2-并励为主；3-串励为主；4-串励特性3在轻载或空载时不会“飞车”2.6.7电力拖动系统运行的稳定性所谓电力拖动系统的稳定问题，就是指由于某种原因（例如电网电压波动、负载转矩波动等）产生的扰动消失后，电动机能否恢复到原来的转速。若能复原，电动机的运行就是稳定的；若不能复原而引起“飞速”或停转，则为不稳定。

现分析a、b两点是否为稳定平衡点？a点：当负载突然增加后当负载波动消除后

故a点为系统的稳定平衡点。

当负载突然增加时，转速有下降的趋势，曲线沿转速向下无法与负载a‘直线特性相交，所以b点不是稳定平衡点。

异步电动机的机械特性生产机械的机械特性结论：只要电动机具有下降的机械特性就能满足稳定运行的条件。试分析P56图2-50中的A、B两点是否为稳定运行点？2.6.8直流电动机的启动电动机启动时存在的问题：启动瞬间t=0时，n=0，Ea=0，Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra，电流很大（10-50IN）副作用有：损坏电枢绕组、导致换向器环火。随着速度增加，反电势增加，电枢电流反而下降。对直流电动机的启动基本要求：（1）有足够大的起动转矩。（2）起动电流限制在允许范围内。（3）起动时间短，符合生产技术要求。（4）起动设备简单、经济、可靠。启动方法：直接启动、电枢串电阻启动、降低电枢电压启动；原则：保证足够大的电磁转矩下减小启动电流为此应保证启动时，磁通为允许的最大值。

1.直接启动

选用条件：只用在容量很小的电动机中。直接起动就是电动机全压直接起动，是指不采取任何限流措施，把静止的电枢直接投入到额定电压的电网上起动。合闸顺序：先Q1后Q2;缺点：无限流措施，起动电流很大，可达额定电流的几十倍，对电机的换向、温升以及机械可靠性都很不利。

2.降低电枢电压起动电枢绕组两端的电压很低，所以起动电流也不大，但起动转矩大于负载转矩，转速开始上升。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少；缺点：起动设备投资较高，需要专用的直流发电机或晶闸管整流电源；

3.电枢回路串接电阻起动由上可见，启动级数愈多，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（3～4）段。2.6.9直流电动机的调速直流电动机优于其他电机的重要一点就是可在宽广的调速范围内平滑进行调速！可看出直流电动机有三种调速方式：（1）改变串入电枢回路中的调速电阻RΩ。（2）改变加于电枢回路的端电压U。（3）改变励磁电流，以改变主极磁通Φ。1.电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速优点：设备简单，操作方便，调速电阻又可作起动电阻用；缺点：调速不均匀，属有级调速，调速平滑性差，随着调速电阻的增大，电动机的机械特性变软，调速电阻串得越大，电能损耗也就越大，则电动机的效率越低。2.改变电枢电压调速优点：机械特性的硬度不变转速也能连续变化，可实现无级调速，调速范围大。缺点：需用专用电源。

晶闸管整流装置逐渐取代了直流发电机，重量轻，无噪音。3.减弱磁通调速由于磁饱和的问题，所以常常只能弱磁升速。且机械特性变软，稳定性变差。2.6.10直流电动机的制动制动可令电动机的电磁转矩反向。由Te=CtΦIa可知，可通过改变Ia的方法实现，常用的方法有三种：（1）切除电枢绕组的电源电压，并将电枢绕组经外接制动电阻短路，称为能耗制动；（2）将电枢电源电压改变方向，并串入限流电阻称为反接制动；（3）如果电动机的转速大于直流电动机的理想空载转速，则感应电动势大于电源电压，电动机向电源回馈电能，称为回馈制动。

1.能耗制动

电磁转矩的方向与电枢旋转方向相反而起制动作用，加快了机组的停车，一直到把机组储藏的动能完全消耗在制动电阻和机组本身的损耗上时，机组就停止转动，故称能耗制动。

能耗制动应注意以下几点：（1）对于他励或并励直流电动机，制动时应保持励磁电流大小和方向不变。切断电枢绕组电源后，立即将电枢与制动电阻接通，构成闭合回路。（2）对于串励直流电动机，能耗制动将使电枢电流与励磁电流同时反向，无法产生制动转矩。所以，应在切断电源后，立即将励磁绕组与电枢绕组反向串联，再串入制动电阻RL，构成闭合回路。（3）制动电阻的大小要选择适当，电阻过大，制动缓慢；电阻过小，电枢绕组中的电流将超过电枢电流的允许值。（4）能耗制动操作简便，但低速时制动转矩很小，停转较慢。为加快停转，可加上机械制动闸。2.反接制动随着电动机转速的下降，电枢电动势随之逐渐减小，电枢电流和电磁转矩的绝对值都逐渐减小。当转速下降到接近于零时，应迅速切除电源，电动机就会很快停下来.反接制动优点:制动转矩大，制动时间短。缺点:制动时要由电网供给功率，电网所供给的功率和机组的动能全部消耗在电枢回路电阻及制动电阻上，因此很不经济。而且制动过程中冲击强烈，易损坏传动零件。

反接制动应注意事项：（1）对于他励或并励直流电动机，制动时应保持励磁电流的大小和方向不变。将电枢绕组的电源反接时，应在电枢回路中串入制动电阻。（2）对于串励直流电动机，制动时一般只将电枢绕组反接，并串入制动电阻。如果直接将电源极性反接，则由于电枢电流和励磁电流同时反向，因而由它们产生的电磁转矩Te的方向却不改变，不能实现反接制动。（3）当电动机的转速下降到零时，必须及时切断电源，否则电动机将反转。3.回馈制动

为负值，电枢电流反向，电磁转矩反向由于某种客观原因，使直流电动机的转速大于其理想空载转速时，电枢电动势则大于电枢绕组电源电压，此时直流电动机变成了直流发电机，向电源回馈电能。回馈制动最典型的例子就是电力机车下坡。机械能转换为电能。2.7直流电机的换向直流电机的电枢旋转时，由于换向器的作用，电枢元件从一条支路进入另一条支路，元件内电流的方向发生了改变，元件电流改变方向的过程，称为换向。换向过程：当电刷从换向片1过渡到换向片2时，元件1中的电流从+ia变到-ia，即发生了2ia的变化，电流的这种变化过程称换向过程。换向的副作用：换向将在电刷和换向器之间引起火花，火花超过一定程度，将烧坏电刷和换向器。火花严重时，还可能与电位差火花汇合在一起，形成