直流电机工作特性

一、直流电机的基本方程式：（电系统的电势平衡方程式，机械系统的转矩平衡方程式，能量系统的功率平衡方程式。）1、电势平衡方程式：

A、不计磁路饱和效应，并励电动机电枢回路和励磁回路的电势方程式：第1页/共45页第一页，共46页。B、并励发电机电势方程式：发电机的大于。第2页/共45页第二页，共46页。2、转矩平衡方程式：A、电动机：

瞬态方程（电磁转矩负载转矩

稳态方程B、发电机：

瞬态方程原动机拖动转矩

稳态方程

空载转矩惯性转矩第3页/共45页第三页，共46页。3、功率方程式：A、直流电机中的损耗、效率：损耗有三类消耗于导体电阻中。消耗于摩擦损耗、通风和机械损耗。消耗于铁心中的损耗。铁耗：由于电枢旋转时主磁通在电枢铁心内交变而引起的。铜耗：电枢回路铜耗励磁回路铜耗电刷接触铜耗为一对电刷总接触电压降。第4页/共45页第四页，共46页。机械损耗：包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定转子和空气的摩擦损耗。附加损耗：电枢齿、槽存在，使气隙磁通产生脉动，电枢反应使磁场畸变引起的铁耗。换向电流引起的损耗。按额定容量的１%计算，无补偿绕组按额定容量的0.5%计算，有补偿绕组在以上损耗中，，随负载变化而变化，称为可变损耗；，，为不变损耗。电机的效率第5页/共45页第五页，共46页。当不变损耗＝可变损耗时，取得最大，是的二次曲线。B、并励电动机的功率方程式：电磁功率机械功率电功率第6页/共45页第六页，共46页。C、并励发电机的功率方程式：电磁功率电功率机械功率第7页/共45页第七页，共46页。二、直流电动机的工作特性：

当端电压为额电压，电枢回路无外串电阻，励磁电流为额定励磁电流时，电机转速，电磁转矩，和效率与输出功率之间的关系。即：实际运行中，可测，且随增大而增大，所以，工作特性可表示为：第8页/共45页第八页，共46页。1、并励直流电动机的工作特性：A、转速特性：第9页/共45页第九页，共46页。其中，为理想空载转速。转速特性为一斜率为的直线。当电机磁路饱和时，随着的增大，增大，电枢反应的去磁作用使增大，直线上翘。为保证电机稳定运行，0采取措施使特性略为下降。B、转矩特性：不计去磁特性为一过原点的直线。当考虑电枢反应时，实际曲线偏离直线，仍接近于一条直线。

第10页/共45页第十页，共46页。C、效率特性：是的二次曲线。当不变损耗＝可变损耗时，取得最大。0第11页/共45页第十一页，共46页。2、串励直流电动机的工作特性：基本方程式：不计饱和时：第12页/共45页第十二页，共46页。A、转速特性：第13页/共45页第十三页，共46页。分析：a、转速随着的增大而迅速减小。（因为）。b、空载时，很小，及很小，电机必须产生反电势与电源电压相平衡，因此,很高。理论上，时，，。故串励电动机不允许空载或轻负载运行。第14页/共45页第十四页，共46页。B、转矩特性：当增大，很快减小，使升很快。即，随着增大，将以高于的一次方比例增大。在同样大小的起动电流下，串励电动机的大于并励电动机的。C、效率特性：与并励电动机类似。第15页/共45页第十五页，共46页。并励电动机与串励电动机工作特性比较：A、串励电机的随增大而迅速下降。B、串励电动机不允许空载或轻负载运行。C、在同样大小的起动电流下，串励电动机的大于并励电动机的。串励并励第16页/共45页第十六页，共46页。3、复励直流电动机的工作特性：它介于并励和串励电动机特性之间。当并励绕组磁势起主要作用，特性接近于并励电动机特性。当串励绕组磁势起主要作用，特性接近于串励电动机特性。在空载时无飞速现象。第17页/共45页第十七页，共46页。三、直流发电机的工作特性：可测物理量有：发电机端电压，电枢电流，励磁电流，转速等。有四种特性曲线：空载特性负载特性外特性调节特性第18页/共45页第十八页，共46页。(一)、他励发电机特性：1、他励发电机空载特性：当电机时，调节使发电机空载端电压，然后使逐渐回到零，测取空载端电压与关系曲线即为空载特性曲线。分析：A、空载特性表明电机磁路的性质。即：当一定时，电机绕组感应电势与其对应磁势的关系。B、改变励磁电流的方向，可测出反方向的空载特性曲线。C、改变电机转速，可得不同的空载特性曲线。D、并励、复励直流发电机的空载特性都以他励形式测取。第19页/共45页第十九页，共46页。空载特性曲线：第20页/共45页第二十页，共46页。2、负载特性：当，时，端电压曲线。与空载特性比较：当上升时，两曲线都上升。当一定时，两特性的电压不同。

空载

负载第21页/共45页第二十一页，共46页。3、外特性：当，时，端电压曲线。当负载电流及电枢电流增大时，曲线略为下垂。积复励

他励

并励第22页/共45页第二十二页，共46页。4、调节特性：当，时，端电压曲线。当电枢电流增大时，曲线往上翘。第23页/共45页第二十三页，共46页。(二)、并励直流发电机空载电压的建立：并励和复励直流发电机均为自励发电机，首先应在空载时建立电压，然后再带负载。自励电压建立的三个条件：必须有剩磁；励磁绕组与电枢并联的极性正确；励磁回路中电阻小于临界电阻。电机有剩磁，极性正确气隙磁场得到加强电枢绕组电势增加励磁电流增加电枢端电压建立起来如何稳定呢？第24页/共45页第二十四页，共46页。临界电阻线励磁电阻线

空载特性空载电压建立能否稳定？励磁绕组端电压与励磁电流：

在磁路上满足空载特性，在电路上满足伏安特性。当时，达稳定点A。即两曲线的交点。第25页/共45页第二十五页，共46页。(三)、并励、复励直流发电机负载运行：当，建立自励电压后，保持，接入负载，逐渐减小，测取与的曲线。下垂原因：电枢反应；积复励电枢绕组压降；他励并励直流电机随并励的减小，电枢感应电势大大减小；串励电机随负载变化，使不稳定，可安自动装置。第26页/共45页第二十六页，共46页。

第八节直流电机的换向换向的电磁现象改善换向的方法补偿绕组第27页/共45页第二十七页，共46页。

直流电机电枢绕组中的电势和电流是交变的。借助于换向器和电刷，在电刷间获得直流电压和电流。当旋转的电枢绕组元件从一条支路经电刷底而进入另一条支路时，该元件中的电流从一方向变换成另一方向，这种电流方向的变换称为换向。

换向不良：电刷火花，烧坏电刷和换向器，电机不能运行。

换向过程复杂：电磁、机械、电化学等各方面因素。现仅就电磁现象及改善换向的方法作介绍：第28页/共45页第二十八页，共46页。一、换向的电磁现象：第29页/共45页第二十九页，共46页。在上述过程中，元件1中的电流改变了方向。经过了一个换向过程。换向过程经历时间为换向周期，一般为千分之几秒。若换向元件中电势为零，则元件中电流变化为线性的变化。实际换向元件中会出现两种电势：电抗电势，电枢反应电势。(一)、电抗电势：换向元件中在电流变化时，必然出现由自感和互感作用引起的感应电势，称为电抗电势。由元件自感和互感漏磁通产生，作用是阻碍换向。

第30页/共45页第三十页，共46页。(二)、电枢反应电势：由于电枢反应的作用，换向元件的有效边所处的电枢磁场的磁密不为零，元件边将切割电枢磁场产生旋转电势，称为电枢反应电势。其作用是阻碍换向。（三）、和均使电流换向延时。1、被电刷短路的换向元件瞬时断开时，附加电流不为零，储能以弧光放电转化为热能，产生火花。2、、均与电枢电流和转速成正比。大电流，高转速电机换向更困难。第31页/共45页第三十一页，共46页。二、改善换向的方法：从减小和消除附加电流着手：1、装换向极。主极间几何中性线处，绕组与电枢绕组串联。作用：抵消电枢磁势在几何中性线处的作用；剩余部分产生附加磁场，抵消。2、移动电刷位置。电刷移开几何中性线一角度。一般不常用。3、选用合适电刷：减小接触电阻。石墨电刷－－－换向不困难的中小型电机，碳－－石墨电刷－－－换向困难的中小型电机，青铜－－石墨电刷－－－低压大电流电机，紫铜－－石墨电刷－－－低压大电流电机。第32页/共45页第三十二页，共46页。三、补偿绕组：在主极极靴上冲出一些均匀分布的槽，放置补偿绕组。补偿绕组与电枢绕组串联。磁势与电枢磁势方向相反，其作用是减小电枢反应引起磁场畸变，防止环火。结构复杂，成本较高，一般不采用。环火产生原因：电枢反应磁场畸变，元件切割极尖下增磁区的时感应出很大的电势，使处于该处换向片间的电位差很大，当此电位差值超过一定限制，就发生换向片间电位差火花。该火花延伸到片间电压较大处，在正负电刷间形成电弧连通，使换向器周围发生环火。第33页/共45页第三十三页，共46页。作业：9月29日1、一台P对极的直流电机，电枢绕组为单迭绕组，其电枢绕组电阻为，电枢电流为。若改接为单波绕组，并保持支路电流不变，问电枢绕组电阻和电枢电流将为多少？2、一台并励直流电动机在的条件下运行，电枢绕组电阻为，励磁绕组电阻为额定负载时效率求：额定输入功率；额定输出功率；总损耗；电枢回路铜耗；励磁回路铜耗；电刷接触损耗；附加损耗；机械损耗与铁耗之和。第34页/共45页第三十四页，共46页。3、一台并励电动机，1)、电动机的额定输出转矩；2)、在额定电流时的电磁转矩；3)、当电枢电流时，电机的转速；4)、在总制动转矩不变时，当电枢中串入一电阻0.1欧，电机稳定时的转速。第35页/共45页第三十五页，共46页。4、一台并励电动机，忽略电枢反应作用，试求：1)、当电枢电流时，电机的转速；2)、当电枢电流安时，电动机的转速；3)、若保持负载转矩不变，当磁通减少15％时，电机稳定时的电枢电流和转速。第36页/共45页第三十六页，共46页。

直流电机小结1、直流电机的工作原理－－电和磁相互作用。电机外电路中电压、电流、电动势为直流性质；每个绕组元件中的为交流性质。4、电枢绕组－－直流电机的心脏，主要电路。由许多完全相同的绕组元件以一定的规律连接起来的闭合绕组。叠绕组、波绕组。并联支路对数。2、结构－－静止的磁极、旋转的电枢、气隙。3、额定值－－第37页/共45页第三十七页，共46页。5、磁场－－空载、负载时气隙磁密波形。电枢反应。电机旋转气隙磁通变化电路磁链变化气隙储能变化电气系统反应，产生E。E与I作用，输入或输出电能机械系统反应，产生T。T与n作用，输入或输出机械能标志机电能量转换的功率。6、能量转换－－电气系统（电枢绕组）、机械系统（转轴）、联系两系统的耦合介质（磁场）。第38页/共45页第三十八页，共46页。7、基本方程式－－电势、转矩、功率平衡方程式。分析电机的运行特性、工作特性。8、并励直流电动机－－恒速电动机，T与I成正比。串励直流电动机－－转速变化大，T与I平方成正比。复励直流电动机－－介于两者之间。9、直流发电机特性－－端电压的建立、变化及调节。励磁方式不同－－特性不同。10、换向－－几种电动势阻碍换向。换向不良引起环火。补偿绕组。第39页/共45页第三十九页，共46页。思考题：1、在直流电机中，换向器起什么作用？2、在下列情况下，直流发电机电刷两端电压的性质？1)、磁极固定，电刷与电枢同时旋转。2)、电枢固定，电刷与磁极同时旋转。3、下列哪种情况可以使连接在电网上的直流电机逆变为发电机？1)、加大励磁电流，使磁通增加，并使。2)、在电机轴上外加一转矩，使其转速上升，并使。4、并励直流发电机正转时能自励，反转能否自励？为什么?应如何处理？第40页/共45页第四十页，共46页。5、如何判断直流电机是运行于发电状态还是电动状态？它们的电磁转矩、转速、电枢感应电势、电枢电流和端电压的方向有何不同？能量转换关系有何不同？6、一台他励直流电动机拖动一台他励直流发电机，当发电机电枢电流增加时，电动机的电枢电流如何变化？试分析其变化过程。7、直流电动机的电磁转矩是驱动转矩，当电枢电流增大，即电磁转矩增大时，转速似乎应该上升，但从其转速特性看，其转速随电磁转矩的增大而减小，为什么？8、串励直流电机不能在空载下起动和运行，而并励和复励直流电机就可以，为什么？第41页/共45页第四十一页，共46页。9、要改变他励、并励、串励、复励直流电动机的旋转方向，应采取什么措施？10、并励直流电机正常运行时，其电枢电流由谁决定？其在起动时，起动电流由谁决定？11、并励直流发电机自励建立电压的条件是什么？12