《电机原理与维修》课件第18章

第18章直流电动机18.1直流电动机的基本方程式18.2直流电动机的机械特性18.3直流电动机的启动和调速18.4直流电动机的常见故障及处理方法习题

18.1直流电动机的基本方程式18.1.1电动势平衡方程式图18-1是并励直流电动机的原理图，U是电源的输入电压，I是输入电流，Ea是电枢感应电动势，Ia是电枢电流。因为Ea和Ia是反向的，所以称Ea为反电动势。根据给定的参考方向可列出以下电动势平衡方程式：U=Ea+Iara+2ΔUb=Ea+IaRa(18-1)式中：ra为电枢回路所有绕组的总电阻；2ΔUb为正、负电刷的接触总压降；Ra为电枢回路总电阻。图18-1并励直流电动机的原理18.1.2转矩平衡方程式由直流电动机的工作原理可知，电磁转矩T是由电枢电流Ia与气隙磁场相互作用产生的。电动机的电磁转矩T是驱动转矩。电动机在转速一定条件下要稳定运行，必须满足驱动转矩与轴上的制动转矩相平衡。电动机轴上的制动转矩由两部分组成：一小部分为空载制动转矩T0，它由空载损耗来决定；大部分为负载制动转矩T2，它由电动机拖动的生产机械所产生。故T=T2+T0

(18-2)可见，直流电动机中T>T2，其转向由T决定；而在发电机中，原动机的驱动转矩T1>T，其转向由T1决定。18.1.3功率平衡方程式我们知道，转矩和转子的机械角速度Ω的乘积等于机械功率。给式(18-2)两边乘以Ω得TΩ=T2Ω+T0Ω

Pm=P2+P0(18-3)式中:Pm为电磁功率,Pm=TΩ;P2为电动机轴上输出的机械功率。P0=pFe+pmec+pad(18-4)式中:pFe为铁耗，主要包括电枢轭部和齿部的磁滞损耗及涡流损耗，它们是由主磁通在旋转的电枢铁芯内部交变所引起的；pmec为机械损耗，包括轴承、电刷的摩擦损耗和空气摩擦损耗；pad为附加损耗，是由于电枢的齿槽等因素引起的，因其产生的原因复杂，难以准确计算，因此通常取额定功率的0.5%~1%。

(18-5)上式说明，电磁功率是电机功率与机械功率相互转换的部分，它既可以表示成机械功率TΩ，也可表示成电功率EaIa。将式(18-1)变形为Ea=U-Iara-2ΔUb,两边乘以电枢电流Ia，可得对并励电动机而言，Ia=I-If代入上式中，可有

(18-6)式中：P1=UI为电动机的输入电功率；为电枢绕组的铜耗；pCub=2ΔUbIa为电刷接触损耗;pCuf=UIf为励磁绕组的铜耗。Pm=P2+pmec+pFe+pad(18-7)将式(18-6)和式(18-7)合并可得并励直流电动机的功率平衡方程式为P1=pCua+pCub+pCuf+pmec+pFe+pad+P2=P2+∑p(18-8)并励直流电动机的功率流程图如图18-2所示。图18-2并励直流电动机的功率流程直流电动机的效率为

【例18-1】一台并励直流电动机，其额定电压UN=220V，额定电流IN=80A，电枢电阻ra=0.01Ω，电刷接触压降2ΔUb=2V，励磁回路总电阻rf=110Ω，附加损耗pad=0.01PN，效率ηN=85%，额定转速nN=1000r/min。求：

(1)额定输入功率P1及额定输出功率P2。

(2)总损耗∑P和(pFe+pmec)。

(3)电磁功率和电磁转矩。

解(1)额定输入功率为P1=UNIN=220×80=17600W额定输出功率为P2=P1ηN=17600×85%=14960W

(2)总损耗。∑P=P1-P2=17600-14960=2640W因为额定功率为PN=P2，所以附加损耗为pad=0.01PN=0.01P2=0.01×14960=149.6W额定励磁电流

额定电枢电流IaN=IN-If=80-2=78A

pCub=2ΔUbIaN=2×78=156W pFe+pmec=∑P－pad－pCua－pCub－pCuf

=2640－149.6－60.84－156-440 =1833.56W

(3)电磁功率。

Pm=P1-P0=P1-(pad+pFe+pmec) =17600-(149.6+1833.56)=15616.84W电磁转矩18.2直流电动机的机械特性机械特性是指直流电动机的电枢电压UN、励磁电流If和电枢回路电阻ra+rj(rj为电枢回路所串电阻)均为定值时，n=f(T)的关系曲线。因为转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。当U=UN，If=IfN，rj=0时的机械特性称为固有机械特性，此特性是电动机自然具有的。改变上面三个量中的一个所得的机械特性，叫做人为机械特性。机械特性是直流电动机的一个重要特性。18.2.1并励电动机的机械特性用Ia=T/CTΦ代入转速特性公式可得并励电动机的机械特性为

(18-10)当忽略电枢反应的影响时，If=常数，则Φ为常值，故机械特性为一直线。式(18-10)又可表示为n=n0-kT(18-11)式中：为理想空载转速；为机械特性的斜率。

1.自然机械特性当,时，自然机械特性是一条略向下倾斜的直线，如图18-3所示，又称硬特性。图18-3并励电动机的机械特性

2.人工机械特性

(1)U=UN,If=IfN,rj0，与自然机械特性相比，n0不变，k随rj增大而增大，n随T增加而明显下降，而且rj

越大，特性曲线下降越快，见图18-3(a)。即随rj

增大，特性变软。图18-4串励电动机的机械特性

(2)U=UN，rj=0,If≠IfN,即改变励磁回路调节电阻rj时，励磁电流If变为If1，且If1<IfN，即Φ1<ΦN，特性曲线的斜率和理想空载点均会发生改变。If

越小，n0越大，直线斜率k也越大，故改变励磁电流If得到一组特性较软的人工特性曲线，如图18-3(b)所示。

(3)If=IfN，rj=0,U≠UN,这时电动机改为他励，励磁电流不受端电压变化的影响。当选取不同的U值时，特性曲线斜率不变，只是n0随U减小而下降，可得到一组平行的人工机械特性，如图18-3(c)所示。18.2.2串励电动机的机械特性串励电动机中，因为随着负载变化，气隙磁通变化较大，对应的机械特性也有显著变化。串励电动机自然机械特性如图18-4所示。由于在串励电动机中，If=Ia，故磁通中不是常数，随着负载变化而变化，导致其机械特性曲线不是一条下倾的直线，它接近于一条双曲线。由图可见，当电磁转矩T增大时，串励电动机的转速急剧下降，所以其机械特性很软。这是由于电枢电流Ia增大使T增大的同时，使Iara和Φ均增大的原因。18.3直流电动机的启动和调速18.3.1直流电动机的启动直流电动机从接入电网开始，转子由静止到稳定转速的整个过程称为启动。对直流电动机启动的基本要求是：

(1)要有足够大的启动转矩，以缩短启动时间和能在负载下启动。

(2)启动电流限制在一定的范围内，以免对电源及电机产生有害影响。直流电动机的启动方法有三种，即直接启动，电枢串变阻器启动和降压启动，以并励电动机为例介绍如下：

1.直接启动直接启动是指把直流电动机直接接到额定电压的电源，接线图见图18-5。启动时，应将并励绕组先接入电源，再接通电枢回路，要求必须先合上开关S1，在电动机启动瞬间，n=0，E=CeΦn=0，这时的电枢电流称为启动电流Ist，即

(18-12)由Ist产生的电磁转矩称为启动转矩Tst，即Tst=CTΦIst

(18-13)图18-6反映了直接启动过程中，Ia和n随时间的变化情况。图18-5并励电动机直接启动接线图图18-6并励电动机直接启动时电枢电流和转速变化过程直接启动不需启动设备，操作简单，启动转矩大，但是启动电流太大，可达(10～20)IN。这样不仅对电机自身换向、温升不利，对绕组和转轴也会产生电磁力冲击，而且还使电网电压产生波动，影响电网上其他机组的正常工作。故该方法只适用于很小容量的直流电动机。

2.电枢电路串变阻器启动串变阻器启动就是启动时在电枢电路串入可变电阻(称为启动电阻)以限制启动电流。串变阻器启动所需设备不多，在中、小型直流电动机中应用广泛。缺点是启动设备笨重，且能耗大。故容量较大的电机不宜采用此种启动方式。

3.降压启动由知，降压启动可有效地降低启动电流。在启动过程中，可逐渐升高电源电压，使电动机转速按需要的加速度上升，满足启动时间的要求。降压启动的优点是启动电流小，能耗小，缺点是专用电源投资较大。18.3.2直流电动机的调速为了提高劳动生产率和保证产品质量，要求生产机械在不同的情况下有不同的工作速率，这种人为地改变机组转速的方法，称为调速。必须注意，调速和电机负载变化引起的转速变化是两个不同的概念。负载变化引起的转速变化是自动进行的，电机工作点只在一条机械特性上变动。调速是根据生产需要人为地改变电气参数，使电机的运行点由一条机械特性转变到另一条机械特性上，从而在某一负载下得到不同的转速。因此调速方法就是改变电动机机械特性的方法。以并励直流电动机拖动恒转矩负载为例，由式(18-10)可知，调速方法有以下三种：

(1)电枢回路串电阻rj调速。随rj增大，在一定转矩下，电机转速降低。这种方法设备简单，操作方便，调速电阻可兼作启动电阻。缺点是rj上电流较大，能量损耗大，效率低。

(2)改变电枢端电压调速。若电压平滑变化，可得到平滑调速，调速范围宽，能耗小，缺点是需要专用电源，设备投资大。

(3)改变励磁电流调速。励磁回路电阻rj增加，If减小，Φ减小，在一定转矩下，转速增高。由于If小，能耗小，效率高，设备简单，控制方便。但在T一定时，Φ减小，Ia增大，故不宜将Φ减小过多。但对恒功率负载而言，Φ减小，n增高，T减小，Ia变化不大，故此法适用于此类负载。

【例18-2】一台他励直流电动机，PN=29kW，UN=440V，IN=76.2A，nN=1050r/min，Ra=0.393Ω。电动机带额定负载运行，如果负载不变，且认为磁路是不饱和的。试求：

(1)电枢电路串入1.533Ω的电阻后，电机的稳定转速。

(2)电枢电路不串电阻，降低电枢电压至220V后，电机的稳定转速。

(3)电枢电路不串电阻，减小磁通至额定磁通的0.9倍，电机的稳定转速。

解当电动机带额定负载运行时

(1)电枢电路串入电阻后，因为负载不变，所以电动机的电磁转矩不变。另外，因是他励电机，故磁通不变，仍为ΦN。那么由公式T=CTΦIa可知电枢电流不变，仍为IN。通过分析可求电机的稳定转速为

(2)降低电枢电压至220V后，电机的稳定转速

(3)因为负载不变，所以电动机的电磁转矩不变，则有CTΦNIN=CTΦIa

可得那么18.4直流电动机的常见故障及处理方法直流电机发生故障后，应及时停机检修。表18-1列出了直流电机的常见故障、产生原因及处理方法。习题

18-1怎样判断直流电机的运行状态是发电机状态还是电动机状态？

18-2并励直流电动机的启动电流是由什么决定的？正常运行时的电枢电流是由什么决定的？

18-3直流电动机的电磁转矩是驱动转矩，其转速应随电磁转矩的增大而上升，可直流电动机的机械特性曲线却表明，随着电磁转矩的增大，转速是下降的，这不是自相矛盾吗？

18-4用哪些方法可改变直流电动机的转向？

18-5一台并励直流电动机，在额定电压UN=220V，额定电流IN=80A的情况下运行，电枢电阻ra=0.01Ω,电刷接触压降2ΔUb=2V，励磁回路总电阻rf=