直流电机稳态分析

第三章直流电机的稳态分析直流电机是电机的主要类型之一。直流电机自身有着显著的优点，但与交流电机相比自身有着缺点。近年来，与电力电子装置结合而具有直流电机性能的电机不断涌现，使直流电机有被取代的趋势。尽管如此，直流电机仍有一定的理论意义和实用价值!优点:1.直流电动机以其良好的起动性和调速性能著称。2.直流发电机供电质量较好，常常作为励磁电源。

结构较复杂直流电机成本较高使它的应用受到限制

可靠性较差缺点：第1页/共79页第一页，共80页。本章主要内容

1、直流电机的工作原理和基本结构2、说明电机的磁动势和磁场4、分析直流电机的稳态运行性能3、导出电机的电动势和电磁转矩公式第2页/共79页第二页，共80页。

3-1直流电机的工作原理和基本结构一、直流电机的工作原理固定部分（定子）：主磁极N和S；1、直流电机的结构旋转部分（转子）：电枢铁心；电刷；换相片；换相器；电枢绕组AB(一个线圈)；定子与转子之间为气隙。两极直流电机模型第3页/共79页第三页，共80页。2、直流发电机的工作原理第4页/共79页第四页，共80页。

发电机：虽然线圈AB电动势是交流电动势，但由于换向器的整流作用，电刷间的输出电动势却是直流电动势。图3-2a气隙磁通密度和线圈电动势的波形图3-2b电刷间的电动势波形第5页/共79页第五页，共80页。3、直流电动机的工作原理电动机：在直流电动机中，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上的。所以，导体中的电流将随其所处磁极极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的方向始终保持不变。4、脉动的减小此时电刷上的电动势脉动程度将大为减小。为了减少电枢感应电动势和电磁转矩地脉动，实际的电枢绕组由多个线圈串联而构成的。实现方法：第6页/共79页第六页，共80页。二、直流电机的基本结构图3-4国产直流电机的结构第7页/共79页第七页，共80页。1、主磁极

构成：主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组。

2、机座

构成：用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。作用：建立主磁场。作用：1、主磁路的一部分；2、电机的结构框架。旋转电机都有定子和转子两部分，在定、转子之间有一个储存磁能的气隙。

第8页/共79页第八页，共80页。第9页/共79页第九页，共80页。3、电枢铁心作用：1、主磁路的一部分；2、电枢绕组的支撑部件。

构成：一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽的DR530

4、电枢绕组作用：直流电机的电路部分。

构成：用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，上下层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘，并用槽楔压紧。或DR510的硅钢片叠压夹紧而成。第10页/共79页第十页，共80页。第11页/共79页第十一页，共80页。5、换向器

作用：整流（发电机）或逆变（电动机）。构成：由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒片间用V形云母绝缘，两端再用两个形环夹紧而构成。6、电刷装置作用：电枢电路的引出（或引入）装置。构成：电刷、刷盒、刷杆和连线等。

7、换向极构成：由铁心和绕组组成。作用：改善换向。第12页/共79页第十二页，共80页。第13页/共79页第十三页，共80页。三、励磁方式励磁绕组的供电方式称为励磁方式。直流电机按励磁方式可分：他励自励1、他励式其励磁绕组由其他电源供电，励磁绕组与电枢绕组不相连。第14页/共79页第十四页，共80页。复励式：装有两个励磁绕组，一为与电枢并联的并励绕组，2、自励式对发电机：利用自身发出的电流励磁；对电动机：励磁绕组和电枢绕组由同一电源供电。并励式：励磁绕组与电枢绕组并联；串励式：励磁绕组与电枢绕组串联；二为与电枢串联的串励绕组。第15页/共79页第十五页，共80页。图3-5直流电机按励磁方式分类第16页/共79页第十六页，共80页。四、直流电机的额定值

（1）额定功率

：指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，

（2）额定电压：指额定状态下电枢出线端的电压，以V表示。（3）额定电流：指电机运行在时电机的线电流，以A表示。

（4）额定转速：指额定状态运行时转子的转速，以r/min表示。

（5）额定励磁电压（仅对他励电机）。对电动机，—输出的机械功率；对发电机，—输出的电功率。直流电机的额定值有：电机的输出功率，以kW表示。第17页/共79页第十七页，共80页。

3-2直流电枢绕组电枢绕组是直流电机实现机电能量转换的枢纽。第18页/共79页第十八页，共80页。一、直流电枢绕组的构成图3-13电枢绕组的元件直流电枢绕组是由结构形状相同的绕组元件（简称元件）构成。是组成绕组的基本单元。第19页/共79页第十九页，共80页。图3-13电枢绕组的元件元件依次地嵌放在电枢槽内，一条有效边放在槽地上层，另一条放在另一槽地下层，构成双层绕组。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则整个绕组的元件数S等于槽数Q但多数直流电机，每槽的上、下层中各包含u个元件。如图3-15所示。此时S＝uQ通常把一个上层和一个下层元件边在槽内所占的空间称为“虚槽”。这样虚槽数Qu＝uQ在说明元件的空间安排情况时，就一律以虚槽来编号，用虚槽数做为计算单位。

S＝K＝Qu图3-15含有两个元件的线圈换相片数第20页/共79页第二十页，共80页。因此只能是整数当时，称为短距绕组，反之长距绕组。短距绕组能节省端部用铜，故常被采用。第21页/共79页第二十一页，共80页。第22页/共79页第二十二页，共80页。5.叠绕组和波绕组，单绕组和复绕组：叠绕组：电枢绕组中各磁极下的元件依次相连，后一个元件总是叠在

前一个元件上。波绕组：电枢绕组中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，像波浪一样向前延伸。单绕组：合成节距的绝对值等于1复绕组：合成节距的绝对值大于1第23页/共79页第二十三页，共80页。二、单叠绕组第24页/共79页第二十四页，共80页。第25页/共79页第二十五页，共80页。第26页/共79页第二十六页，共80页。第27页/共79页第二十七页，共80页。第28页/共79页第二十八页，共80页。第29页/共79页第二十九页，共80页。第30页/共79页第三十页，共80页。第31页/共79页第三十一页，共80页。

3-3

空载和负载时直流电机的磁场一、空载时直流电机的磁场：空载时的主磁极的磁通：a)主磁通：b)主极漏磁通极矩：通过气隙，并形成气隙磁场。图3-22空载时直流电机的气隙磁场空载是指电枢电流等于零或者很小，因而可以忽略不计的情况。第32页/共79页第三十二页，共80页。第33页/共79页第三十三页，共80页。二、负载时的电枢磁动势和电枢反应有负载时，电枢绕组电流不为零，电枢电流将产生电枢磁势；此时气隙磁场将由主极磁势和电枢磁势两者的合成磁势所建立电枢反应：负载时电枢磁势对主极磁场的影响第34页/共79页第三十四页，共80页。1、交轴电枢磁势和交轴电枢反应为解释方便，假设电枢表面为光滑，绕组为整距，元件导体均匀地分布在电枢表面。图3-23电刷在几何中性线时电枢磁势和磁场当电刷位于几何中性线上时，电枢磁势为交轴电枢磁势第35页/共79页第三十五页，共80页。设电枢表面主极中心下的位置为原点，

电枢表面每单位长度的安培导体数为〔A/m〕，则作用于处每极电枢磁势应为交轴电枢磁势的最大值为忽略铁芯磁阻时，处电枢磁场为因此，整个交轴电枢磁场会呈马鞍形分布。第36页/共79页第三十六页，共80页。交轴电枢反应：图3-24交轴电枢反应（1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁通密度等于零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。顺着旋转方向（发电机）、逆着旋转方向（电动机）（2）不计磁饱和时，既无增磁，也无去磁作用。考虑磁饱和时，具有一定的去磁作用。第37页/共79页第三十七页，共80页。2、直轴电枢磁势和直轴电枢反应当电刷不在几何中性线上时，电枢磁势也将随之移动。这时，电枢磁势将可分成两个分量：交轴电枢磁势直轴电枢磁势图3-25电刷不在几何中性线上时的电枢磁势第38页/共79页第三十八页，共80页。交轴电枢磁势最大值直轴电枢磁势最大值（1）若为发电机，电刷顺电枢旋转方向移动某一角度时，将起去磁作用，电刷逆电枢旋转方向移动某一角度时，将起增磁作用。（2）若为电动机，与发电机情况相反。第39页/共79页第三十九页，共80页。

3-4直流电机的感应电势和电磁转矩一、电枢绕组的感应电势电枢绕组的感应电势是指从一对正负电刷之间引出的电势，也称为电枢电势，记作Ea。图3-26导体感应电势、电磁力的计算第40页/共79页第四十页，共80页。设电刷放在几何中性线上，则每根导体的感应电势为电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的电动势的代数和，则令为平均气隙磁密，则上式改写为电势常数第41页/共79页第四十一页，共80页。二、直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中受力所形成的转矩的总和。电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距为一个极下的载流导体上的电磁转矩应为整个电枢上的电磁转矩则为第42页/共79页第四十二页，共80页。考虑到转矩常数三、电势常数与转矩常数之间的关系第43页/共79页第四十三页，共80页。

3-5直流电机的基本方程一、电压方程1、他励直流电机（a）发电机（b）电动机图3-27他励直流电机的稳态电路图直流电机的运行情况可用基本方程来研究。基本方程：电压方程、转矩方程他励时，励磁电流由其他电源单独供电，故线路电流第44页/共79页第四十四页，共80页。对于发电机：则有电枢绕组电阻电刷上的接触电压降电枢回路总电阻对于电动机：则有励磁回路方程：电枢回路方程：第45页/共79页第四十五页，共80页。2、并励直流电机其电枢回路的电压方程与他励时相同，但激磁电压为电枢端电压，即（a）发电机（b）电动机并励直流电机的稳态电路图励磁回路方程：励磁调节电阻电枢回路方程：对于发电机：对于电动机：第46页/共79页第四十六页，共80页。3、串励直流电机（a）发电机（b）电动机串励直流电机的稳态电路图电枢回路电压方程应加入串励绕组的电阻压降电枢回路方程：对于发电机：对于电动机：串励励磁电流第47页/共79页第四十七页，共80页。二、转矩方程1、发电机情况下（a）发电机（b）电动机图3-28直流电机的电磁转矩和外施转矩电磁转矩为制动转矩，有原动机的驱动转矩电机本身的机械阻力转矩电磁转矩2、电动机情况下电磁转矩为驱动转矩，有负载转矩第48页/共79页第四十八页，共80页。对于发电机：机械能转化为电能；对于电动机：电能转化为机械能。

将代入上式，得电磁功率为感应电势和电枢电流的乘积，用表示，则三、电磁功率电磁功率就是能量转换过程中电能转换为机械能或相反转换的转换功率。第49页/共79页第四十九页，共80页。四、直流电机的可逆性电机的可逆性：从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦可作为电动机运行。（a）发电机（b）电动机图3-30并励直流电机的接线图发电机运行；电动机运行。第50页/共79页第五十页，共80页。

3-6直流发电机的运行特性

一、他励发电机的运行特性1、空载特性直流发电机的运行特性主要有三条，第一条是输出电压质量的外特性；第二条是励磁调节用的调整特性；第三条是表征力能指标的效率特性。直流发电机的稳态特性很大程度上受到磁路饱和的影响，因此在分析运行特性以前，先了解直流电机的空载特性。第51页/共79页第五十一页，共80页。图3-31他励发电机的接线图图3-32空载特性第52页/共79页第五十二页，共80页。第53页/共79页第五十三页，共80页。2、外特性图3-33他励发电机的外特性第54页/共79页第五十四页，共80页。3、调整特性图3-34调整特性第55页/共79页第五十五页，共80页。4、效率特性是指，，效率与输出功率的关系总损耗＝机械损耗＋电枢基本铁耗＋基本铜耗＋电刷接触损耗＋励磁绕组铜耗＋杂散损耗第56页/共79页第五十六页，共80页。一、并励发电机的自励和外特性磁路中的剩磁电势很小的励磁电流1、并励发电机的自励图3-35接线图若此磁场方向与剩磁方向相同(即正反馈)时气隙磁场、电势、励磁电流将加强如此往复，发电机就能自励起来若此磁场方向与剩磁方向相反(即负反馈)时剩磁磁场被抑制，发电机就自励不了此外，并励发电机若能自励发电机的空载特性曲线和励磁回路的伏安特性曲线肯定有交点。第57页/共79页第五十七页，共80页。图3-36自励时稳态空载电压因此并励发电机要自励1.磁路必须有剩磁，2.在一定方向旋转时励磁绕组和电枢绕组的连接要正确。3.励磁回路总电阻要小于临界电阻此交点就是发电机的空载运行点。设与空载特性曲线相切的电阻线，其电阻称为临界电阻。则显然并励发电机要自励，励磁回路总电阻必须小于临界电阻。第58页/共79页第五十八页，共80页。2、并励发电机的外特性并励发电机的调整特性与他励情况相似，所以这里只介绍并励发电机的外特性。并励发电机的外特性：，励磁回路电阻为常值时，发电机的端电压与负载电流之间的关系。负载电流增加因电枢反应效果增加因电枢电阻压降增加端电压下降励磁回路电流减小所以在同一负载下，并励发电机的端电压比他励时下降得多。20％第59页/共79页第五十九页，共80页。一开始因为磁路处于饱和状态当励磁电流减小时端电压下降不多所以当负载电阻减小时负载电流会增加（端电压下降比负载电阻的下降慢）但当励磁电流进一步减小磁路将处于低饱和或未饱和状态励磁电流的少量减小也会导致磁通和电势的大幅减少使端电压下降突然加快最终会有端电压下降比负载电阻下降快的情况。于是外特性会出现拐弯现象，即端电压下降同时负载电流也下降。当负载电阻为零时，端电压为零，励磁电流也为零，电枢电流将由剩磁电势产生。因此稳态短路电流不大。第60页/共79页第六十页，共80页。二、复励发电机的外特性图3-38接线图图3-39外特性复励发电机既有并励绕组，又有串励绕组。并励绕组与电枢并联，励磁电流较小，匝数较多串励绕组与电枢串联，一般只有几匝，电流为电枢电流。一般串励绕组只起补偿电压降作用。积复励，差复励平复励，过复励，欠复励第61页/共79页第六十一页，共80页。

3-7直流电动机的运行特性

一、并励电动机的运行特性1、工作特性直流发电机的运行特性主要有三条，第一条是工作特性（转速、转矩、效率与输出功率间的关系）第二条是机械特性（转矩－转速特性）并励电动机的运行特性可通过实验法获得。图3-40接线图并励电动机的工作特性：，时，电动机的、、与输出功率的关系。即。由于实际运行时，较易检测，且随的增大而增大。因此也可把工作特性表示为第62页/共79页第六十二页，共80页。（1）转速特性据转速公式当负载增加电枢电流增加转速趋于下降。电枢电流增加电枢反应使磁通减小转速趋于上升。因此电枢电阻压降和电枢反应对转速的影响会部分互相抵消，使并励电动机的转速变化很小。转速调整率：＝（3～8）％，因此可以看成是恒速电动机。注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。如轻载时，转速将迅速上升，造成“飞车”如重载时，所需电磁转矩大，而电枢电流迅速提高，而烧坏绕组。第63页/共79页第六十三页，共80页。（2）转矩特性转矩方程输出功率增大时，转速基本不变，因此转矩特性为直线关系。若考虑输出功率增大时转速稍微下降，则曲线将略为向上弯曲（3）效率特性图3-41并励电动机的工作特性并励电动机的效率特性和其他电机相类似。第64页/共79页第六十四页，共80页。2、机械特性（转矩—转速特性）指，励磁回路电阻＝常值时，。转速与转矩的关系表达式为由于不计磁饱和效应时，并励电动机的转矩－转速特性为稍微下降的直线。如果考虑磁饱和，曲线的下降程度减小。图3-42并励电动机的机械特性这种随着电磁转矩的增加，转速稍有变化的特性称为硬特性。第65页/共79页第六十五页，共80页。二、串励电动机的运行特性特点：图3-43接线图1、工作特性串励电动机的工作特性：时，或据转速公式串励绕组电阻上式表明曲线大致为一双曲线。第66页/共79页第六十六页，共80页。图3-44串励电动机的工作特性轻载时，、＝常值负载增加时，磁路饱和，常值注意：串励电动机不允许空载运行。其转速调整率定义为：第67页/共79页第六十七页，共80页。2、机械特性（转矩—转速特性）是指时。由电压方程可知于是电磁转矩为可得软特性图3-45串励电动机的机械特性第68页/共79页第六十八页，共80页。三、复励电动机的特点复励电动机通常接为积复励，其特性介于并励和串励电动机之间。图3-46接线图图3-47复励电动机的机械特性第69页/共79页第六十九页，共80页。

3-8直流电动机的起动、调速和制动

一、直流电动机的起动起动、调速和制动是直流电动机的三种运行状态。起动：接到电源以后，转速从零达到稳态转速的过程。起动要求：起动转矩足够大；起动电流在允许范围内；起动时间要满足要求；起动设备要简单、经济、可靠。起动时：很小很大，要限制但起动电流不能太少因此起动直流电动机时，通常采用保证足够的起动转矩下尽量减小起动电流的方法。第70页/共79页第七十页，共80页。起动方法直接起动接入变阻器起动降压起动1、直接起动图3-49并励电动机直接起动接线图先合上Q1调节励磁电流max再合上Q2优点：操作简单，无需其它起动设备缺点：冲击电流大（10～20倍）一般用于小型电动机的起动。第71页/共79页第七十一页，共80页。2、电枢回路接入变阻器起动图3-50三点起动器及其接线图起动时再电枢回路中接入起动电阻，待转速上升后逐步切除起动电阻的方法。这时的起动电流：以并励电动机常用的三点起动器为例：起动前手柄位置为触点0触点1随着转速上升，把手柄移过一个个触点，切除电阻触点5（起动电阻全部切除）手柄倍电磁铁YA吸住特点：起动过程中励磁接全电压，正常运行中若电源或励磁回路断开，起保护作用。一般用于小容量并励电动机中，是属于人工起动。第72页/共79页第七十二页，共80页。3、降压起动通过降低电动机的电枢端电压来限制起动电流的方法。电动机应采用他励。（为了使励磁不受电枢电压的影响）此外，降压起动需要一套专用电源作为电动机的电源。■发电机－电动机组，■整流器－电动机组。优点：起动电流小，可平滑起动，能量损耗小。缺点：机组投资费用较多一般用于需要经常起动的大容量电动机中。4、改变电动机的转向励磁绕组或电枢绕组接到直流电源的两极对调第73页/共79页第七十三页，共80页。二、直流电动机的调速调速：根据实际应用环境的需要，电力拖动机组要求带着机械负载的情况下能改变机组的转速，称为调速。直流电动机具有良好的调速性能：可在宽广范围内平滑而经济地调速。改变串入电枢回路电阻调速改变电枢端电压调速改变励磁电流调速调速方法：第74页/共79页第七十四页，共80页。1、他励和并励电动机的调速图3-51电枢接入电阻后并励电动机的机械特性（1）改变串入电枢回路电阻调速优点：简单易行缺点：效率降低，机械特性变软，轻载