第六篇 直流电机2

第二十三章直流发电机第六篇直流电机1.了解直流发电机的励磁方式2.掌握直流发电机的基本方程式（电压、功率和转矩）3.掌握直流发电机的运行特性4.掌握并励直流发电机的自励条件本章基本要求直流发电机直流发电机的用途及分类直流发电机稳态运行时的基本方程式他励直流发电机的运行特性并励直流发电机的自励条件和特性复励直流发电机的特性主要内容直流发电机23.1直流发电机的用途及分类直流发电机一、用途：

1、直流电动机的电源；

2、同步电机的励磁机；

3、电镀、电解等的低压大电流直流电源；

4、飞机、火车、轮船等运输工具的电源。

二、分类：按励磁方式分

1．励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。

2．分类：

（1）他励直流电机；（2）并励直流电机；（3）串励直流电机；（4）复励直流电机。23.1直流发电机的用途及分类直流发电机二、分类：23.1直流发电机的用途及分类直流发电机二、分类：23.1直流发电机的用途及分类直流发电机二、分类：1、他励直流发电机励磁电流由其他电源单独供给。特点：①励磁电压Uf与电枢电压U无关。②励磁电流If=Uf/RfRf=rf+rfj③电枢电流(Ia)=负载电流(I)

即Ia=I23.1直流发电机的用途及分类直流发电机二、分类：2、自励直流发电机励磁由本身发出的电能供给，据励磁绕组与电枢绕组的连接方式进行分类。⑴并励直流发电机:励磁绕组与电枢绕组并联特点:①Uf=U②If=Uf/Rf③Ia=If+I23.1直流发电机的用途及分类直流发电机二、分类：2、自励直流发电机⑵串励直流发电机:励磁绕组与电枢绕组串联特点:Ia=I=If⑶复励直流发电机:既有并励绕组又有串励绕组差复励:磁场相减积复励:磁场相加23.1直流发电机的用途及分类直流发电机二、分类：2、自励直流发电机⑶复励直流发电机23.2直流发电机稳态运行时的基本方程式直流发电机一、电动势平衡方程式各物理量的正方向采用发电机惯例电枢电动势：

为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。直流发电机:电动势平衡方程为：适用于其他励磁方式的直流发电机23.2直流发电机稳态运行时的基本方程式直流发电机二、功率平衡方程式1、空载：2、负载：他励：23.2直流发电机稳态运行时的基本方程式直流发电机二、功率平衡方程式2、负载：并励：23.2直流发电机稳态运行时的基本方程式直流发电机二、功率平衡方程式3、效率不变损耗=可变损耗时，效率最大（适用于所有电机）

三、转矩平衡方程式23.2直流发电机稳态运行时的基本方程式直流发电机直流发电机的方程式23.3他励发电机的运行特性直流发电机直流发电机的四个基本物理量：U、I、If、n（n由原动机拖动，保持不变）运行特性：在U、I、If之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系。主要特性：（1）空载特性：n＝常数，I＝0，U0＝f（If）；（2）外特性：n＝常数，If＝常数（或rj＝常数），U＝f（I）；（3）调节特性：n＝常数，U＝常数，If＝f（I）。23.3他励发电机的运行特性直流发电机一、空载特性定义：n＝const＝nN，I＝0，U0＝f（If）。分析：n等于常数空载特性实质即为磁化曲线确定磁路和运行点的饱和程度

直流发电机的空载特性为非线性，上升与下降的过程不同。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。23.3他励发电机的运行特性直流发电机一、空载特性空载特性可以通过实验得到。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结论：①空载曲线反映了磁化曲线的关系。②不同的转速有不同的空载曲线，而磁化曲线反映了电机的磁路，只有一条。③电机通常运行于膝点。④有剩磁电压Ur=(2~4)%UN

⑤其他方式发电机由他励方式测得23.3他励发电机的运行特性直流发电机二、外特性（电压调整特性）定义：n＝const＝nN

，If＝const＝IfN

，U＝f（I）。IU外特性下降的原因:①U=Ea-IaRa,

Ia=I↑→IaRa↑→U↓

②Ea=CenΦ,

Ia↑→电枢反应附加去磁作用↑→Φ↓→Ea↓→

U↓

电压调整率:U0是空载时的端电压，一般他励直流发电机的电压变化率约为5％～10%。23.3他励发电机的运行特性直流发电机三、调整特性（励磁电流调整特性）定义：n＝const＝nN

，U

＝const＝UN

，If

＝f（I）。调整特性上翘的原因: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。负载电流增大，电枢反应的去磁作用及电枢回路电阻压降增加，为维持端电压不变，励磁电流增大。IIfINIfN23.4并励直流发电机的自励条件和运行特性直流发电机一、自励过程和条件自励过程：并励发电机建立电压的过程。自励条件：满足建压的条件。过程分析：剩磁：励磁磁场与剩磁方向一致。Φr

→Er→If→Φ

与Φr方向一致→Φ

↑→Ea↑→If↑→Φ↑↑

U和If同时满足空载特性曲线U0＝f（If）和场阻线U＝RfIf

。临界电阻：tgα＝U0/If=Rf电机的转速发生变化，场阻线发生移动，稳定工作点发生改变。不同的转速，具有不同的临界电阻23.4并励直流发电机的自励条件和运行特性直流发电机一、自励过程和条件IfU23.4并励直流发电机的自励条件和运行特性直流发电机一、自励过程和条件自励条件：（1）电机必须有剩磁。可通过“充磁”获得（2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合，使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致（3）励磁回路的电阻应小于与电机转速相对应的临界电阻。改变并励发电机的极性，励磁绕组连接及转向要同时改变；若转向不能变，改变剩磁方向，即反向充磁。若励磁绕组本身的电阻已超过所对应的临界电阻值，电机不可能自励，唯一的办法是提高电机的转速，从而提高其临界电阻值。23.4并励直流发电机的自励条件和运行特性直流发电机二、并励发电机的运行特性1、空载特性和调整特性：用他励接法测取。2．外特性：n＝const＝nN

，Rf＝const，U＝f（I）。IU1他励12并励223.4并励直流发电机的自励条件和运行特性直流发电机二、并励发电机的运行特性2．外特性：特点：①随着负载电流I增加，并励的电压比他励的下降的多。②有拐弯现象。③稳定短路电流小。原因：

1）外特性下降的多的原因：除了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，即由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，引起主磁通、感应电动势和端电压进一步下降。23.4并励直流发电机的自励条件和运行特性直流发电机二、并励发电机的运行特性2．外特性：原因：

2）外特性拐弯的原因：负载电阻减小后，一方面使负载电流增加，端电压下降；另一方面，端电压下降后，使励磁电流减小，电势下降，使负载电流下降。当电压较高时，磁路饱和，励磁电流对电势影响不大；（负载电流随电阻下降而增大）当电流达到临界值时，磁路退出饱和，励磁电流的微小变化引起感应电势的较大变化，使端电压下降的幅度大于负载电阻减小的幅度，（负载电流下降）23.4并励直流发电机的自励条件和运行特性直流发电机二、并励发电机的运行特性2．外特性：原因：

3）稳定短路电流小的原因：短路时，端电压U=0，励磁绕组电压等于0。励磁电流为零，感应电势仅为剩磁电动势，并引起短路电流，而剩磁电动势不大，故稳定短路电流也不大。23.5复励直流发电机特性直流发电机并励发电机比他励发电机电压调整率大，复励可改善发电机的性能外特性：第二十四章直流电动机第六篇直流电机1.了解直流电动机的励磁方式，掌握其特点2.掌握直流电动机的基本方程式3.掌握直流电动机的工作特性4.掌握直流电动机的机械特性5.掌握直流电动机的起动和调速方法6.了解直流电动机的制动本章基本要求直流电动机直流电机的可逆原理直流电动机的基本方程式直流电动机的起动直流电动机的工作特性直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机的调速直流电动机的制动主要内容直流电动机直流电动机直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，广泛应用于对起动和调速性能要求高的场合直流电动机按励磁方式可分为：他励、并励、串励和复励四种24.1直流电机的可逆原理直流电机直流电动机直流电机的可逆原理：一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行。感应电动势——“发电作用”电磁转矩——“电动作用”发电机：主电动势反转矩电动机：反电动势主转矩原动机Ea>U电负载电源Ea<U

机械负载发电机电动机24.1直流电机的可逆原理发电机运行状态直流电动机发电机运行的特点：24.1直流电机的可逆原理电动机运行状态直流电动机电动机运行的特点：24.2直流电动机的基本方程式直流电动机一、电压平衡方程式24.2直流电动机的基本方程式直流电动机二、功率平衡方程式24.2直流电动机的基本方程式直流电动机三、转矩平衡方程式稳态运行转矩方程动态运行转矩方程24.2直流电动机的基本方程式直流电动机基本方程式24.3直流电动机的起动直流电动机起动的基本要求：①起动转矩足够大；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、安全、可靠。起动过程：直流电动机接电源后，转速从零达到稳定转速的过程大电流对电网的影响：①电网电压下降，影响其他用电设备②电机绕组发热，受大电磁力的冲击

直流电动机起动瞬间：起动的根本原则：①足够大的电磁转矩②限制起动电流起动时的磁场：磁通最大（励磁回路调节电阻为零）常用起动方法：

①全压起动；②电枢回路串变阻器起动；③降压起动。24.3直流电动机的起动直流电动机一、全压起动直接加额定电压起动优点：操作简单，无需另加设备缺点：冲击电流大；电源电压会突然降低，影响其他用电设备；产生很大的冲击电磁力和转矩应用：适用于容量很小的电动机。24.3直流电动机的起动直流电动机二、电枢回路串变阻器起动在电枢回路串可变电阻，以限制起动电流，待转速上升后，逐步切除起动电阻损耗增加，不经济24.3直流电动机的起动直流电动机三、降压起动开始时，降低端电压，随着转速的升高，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。采用他励优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。实例：发电机－电动机组；整流器－电动机组24.4直流电动机的工作特性直流电动机定义：U＝UN，If＝IfN（并励）时，转速n、电磁转矩TM、效率η与电枢电流Ia（或输出功率P2）的关系。即n＝f(Ia),TM＝f(Ia),η＝f(Ia)或n＝f(P2),TM＝f(P2),η＝f(P2)的关系曲线并励电动机试验接线图工作特性因励磁方式而异，可计算求得，但大多用实验方法确定。24.4直流电动机的工作特性直流电动机一、并励电动机的工作特性转速调整率

1、转速特性：U＝UN＝

常数，If＝IfN＝

常数时，n＝f(Ia)的关系曲线Ian24.4直流电动机的工作特性直流电动机一、并励电动机的工作特性2、转矩特性：

U＝UN＝

常数，If＝IfN＝

常数时，TM＝f(Ia)的关系曲线IaTM考虑去磁，曲线有所下降。24.4直流电动机的工作特性直流电动机一、并励电动机的工作特性3、效率特性：

U＝UN＝

常数，If＝IfN＝

常数时，η＝f(Ia)的关系曲线Ia

可变损耗=不变损耗时，效率最高。直流电动机一、并励电动机的工作特性24.4直流电动机的工作特性直流电动机二、串励电动机的工作特性1、转速特性：

U＝UN＝

常数，n＝f(Ia),的关系曲线U＝UN＝常数时，转速n、电磁转矩TM、效率η与电枢电流Ia（或输出功率P2）的关系曲线串励电动机试验接线图24.4直流电动机的工作特性直流电动机二、串励电动机的工作特性1、转速特性：串励电动机绝对不允许空载运行，以避免发生“飞速”现象。

2、转距特性：TM＝f(Ia)直流发电机与直流电动机的区别直流电动机能量关系:机械能转变成电能电能转变成机械能电枢电势:电源电势反电势电磁转矩:制动驱动电势平衡方程:直流发电机与直流电动机的区别直流电动机转矩平衡方程功率平衡方程特性：空载特性：外特性：调整特性：转速特性：转矩特性：效率特性：24.5直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机一、直流电动机的机械特性定义：U＝UN＝常数时，励磁和电枢回路电阻保持不变时，转速n与电磁转矩TM的关系n＝f(TM)Rj为串入电枢回路的调节电阻，用于改变机械特性的形状。Rj=0时为自然机械特性，Rj≠0为人工机械特性。24.5直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机一、直流电动机的机械特性并励直流电动机的机械特性机械特性接近于一水平线，称为硬特性。反之特性软24.5直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机一、直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性软特性：因为转矩增大，电枢增大，磁通增大，内阻压降均增大，故转速下降很快

24.5直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机二、电动机组稳定运行的条件典型负载的机械特性n＝f(TL)（1）恒转矩负载：

TL=

const（2）风机类负载：T

L∝n2（3）恒功率负载：P

L=

const24.5直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机二、电动机组稳定运行的条件下垂的机械特性24.5直流电动机的机械特性和电动机组稳定运行的条件直流电动机二、电动机组稳定运行的条件上翘的机械特性稳定条件24.6直流电动机的调速直流电动机调速方法：（1）改变励磁电流（主磁通）调速；（2）改变串入电枢回路中的电阻调速（3）改变电枢端电压调速24.6直流电动机的调速直流电动机一、改变励磁电流调速优点：设备简单，调节方便，能耗小，效率基本不变，经济性好，调速平滑，可实现无级调速缺点：只能向上单方向调节，转速高时，换向性能差，机械特性的斜率变大，特性变软；机械特性：理想空载转速增大；斜率增大24.6直流电动机的调速直流电动机一、改变励磁电流调速调速过程：24.6直流电动机的调速直流电动机一、改变励磁电流调速调速过程：A′

BTMTLA调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A′弱磁稳定后的工作点24.6直流电动机的调速直流电动机一、改变励磁电流调速调速过程：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=t0n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。24.6直流电动机的调速直流电动机一、改变励磁电流调速恒转矩负载：转速比（磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa变化）：24.6直流电动机的调速直流电动机优点：设备简单，操作方便。缺点：只能向下单方向调节；低速时，机械特性很软，调速范围不大,稳定性差；负载变化时，转速调整率变大；速度调节不平滑，属有级调速；电阻消耗的能量大，调速时效率低，效率与转速成正比。机械特性：理想空载转速不变；斜率增大二、改变串入电枢回路的电阻调速24.6直流电动机的调速直流电动机适用于恒功率调速对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使TM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阻消耗了。调速过程：二、改变串入电枢回路的电阻调速24.6直流电动机的调速直流电动机调速过程：二、改变串入电枢回路的电阻调速nTMTLRan0n1A0A′Bn2Ra+Rj1未串电阻时的工作点串电阻Rj1后,工作点由A→A′→B24.6直流电动机的调速直流电动机调速过程：二、改变串入电枢回路的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=t0n2n1Ia1ianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。24.6直流电动机的调速直流电动机恒转矩负载：效率：二、改变串入电枢回路的电阻调速24.6直流电动机的调速直流电动机优点：电源电压能够平滑调节，可实现无级调速；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；无论轻载还是负载，调速范围相同；电能损耗较小。缺点：只能向基速下单方向调节；需要一套电压可连续可调的直流电源，较复杂。机械特性：理想空载转速减小；斜率不变，是一组平行直线。三、改变电枢端电压调速24.6直流电动机的调速直流电动机适用于恒转矩调速对恒转矩负载，调速前、后因增通不变而使TM和Ia不变。调速过程：三、改变电枢端电压调速24.6直流电动机的调速直流电动机调速过程：三、改变电枢端电压调速TMTLAA′B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。24.6直流电动机的调速直流电动机恒转矩负载：效率：三、改变电枢端电压调速24.7直流电动机的制动直流电动机分类：机械制动和电磁制动电磁制动定义：使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动特点：产生的转矩大，易于控制，操作方便方法：能耗制动、反接制动、回馈制动24.7直流电动机的制动直流电动机一、能耗制动保持励磁电流的大小及方向不变，电动机从电网脱离接至制动电阻RL。实际上是一台向制动电阻供电的他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能，全部消耗于电枢回路的电阻上，并励电动机能耗制动接线图24.7直流电动机的制动直流电动机一、能耗制动特点：1）操作简单，停车准确2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；3）低速时制动转矩小，停转慢；4）动能大部分都消耗在制动转矩上。机械特性24.7直流电动机的制动直流电动机一、能耗制动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,稳定工作点制动过程24.7直流电动机的制动直流电动机二、反接制动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，进而产生反向制动电磁转矩。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。1、正转反接并励电动机反接制动接线图24.7直流电动机的制动直流电动机二、反接制动1、正转反接特点：1）可以很快使机组停机。2）需要加入足够的电阻，限制电枢电流；3）转速至零时，需切断电源。机械特性24.7直流电动机的制动直流电动机制动过程二、反接制动1、正转反接24.7直流电动机的制动直流电动机二、反接制动电枢回路串入很大的电阻，机械特性和负载特性的交点位于第Ⅳ象限。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。2、正接反转适用于位能性恒转矩负载。24.7直流电动机的制动直流电动机二、反接制动机械特性2、正接反转24.7直流电动机的制动直流电动机制动过程二、反接制动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2、正接反转24.7直流电动机的制动直流电动机三、回馈制动（发电机制动）回馈制动过程中，有功功率回馈电源。从电能消耗看，回馈制动是最经济的一种制动方式。转速高于理想空载转速是回馈制动运行状态的重要特点。当电动机转速高于理想空载转速，即n＞n0时，电枢电动势Ea大于电枢电压U，电机进入发电状态，电磁转矩起制动作用，限制转速上升，电动机向电源回馈电能。24.7直流电动机的制动直流电动机形式三、回馈制动（发电机制动）稳定运行：1、电压反接制动带位能性负载进入第四象限；2、电车下坡时，运行转速超过理想空载转速，进入第二象限。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§25直流电机的换向1、换向的概念

电枢旋转时，被电刷短路的元件从短路开始到短路结束，从一条支路转换到另一条支路，电流改变了方向。

换向元件中电流的这种变化过程，称为换向过程；

从换向开始到换向结束所需时间，称为换向周期。

换向不利会产生换向火花，损坏直流电机。2、换向过程元件1从电刷A右边转到左边，电流方向改变。1′·······1········NSA1′·······1·SNA2、换向过程（假设电刷宽度等于换向片宽度）12vkia2ia换向开始t=012vkiai1i22ia正在换向t=(0～Tk)2iaia12vk2ia换向结束

t=Tk3、直线换向如果换向元件中电势为零，则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。iTki+ia-iat0理想换向（直线换向）即换向元件中感应电动势为零。换向周期TK：即一元件被电刷短路开始到短路完毕所经历的时间。换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积决定。变化曲线是一条直线，称为直线换向。4、换向元件中的感应电势（1）电抗电势er

换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电势和互感电势之和，称为电抗电势。Lr：换向元件的电抗系数，包括自感和互感er的平均值：设电刷宽度bs等于换向片宽度bk，换向片数为K，则：电抗电势的特点：