直流電機工作特課件

1、直流電機工作特1 第七節(jié) 直流電機的運行原理 直流電機的基本方程式 直流電動機的工作特性 直流發(fā)電機的特性 直流電機工作特2 一、直流電機的基本方程式： （電系統(tǒng)的電勢平衡方程式，機械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平 衡方程式，能量系統(tǒng)的功率平衡方程式。） 1、電勢平衡方程式： A、不計磁路飽和效應，并勵電動機電樞回路和 勵磁回路的電勢方程式： a E a I f I fff aaaaafafa IRUU IREIRIGUU 直流電機工作特3 B、并勵發(fā)電機電勢方程式： 發(fā)電機的 大于 。 a E a I f I fff aaaa IRU IRUE a E a U 直流電機工作特4 2、轉(zhuǎn)矩平衡方程式： A、電動

2、機： 瞬態(tài)方程 （電磁轉(zhuǎn)矩 負載轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)態(tài)方程 B、發(fā)電機： 瞬態(tài)方程 原動機拖動轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)態(tài)方程 dt d JtMtMtM )()()( 02 dt d JtMtMtM )()()( 01 02 MMM 01 MMM 空載轉(zhuǎn)矩 慣性轉(zhuǎn)矩 直流電機工作特5 3、功率方程式： A、直流電機中的損耗、效率： 損耗有三類 消耗于導體電阻中。 消耗于摩擦損耗、通風和機械損耗。 消耗于鐵心中的損耗。 鐵耗： 由于電樞旋轉(zhuǎn)時主磁通在電樞鐵心內(nèi) 交變而引起的。 銅耗： 電樞回路銅耗 勵磁回路銅耗 電刷接觸銅耗 為一對電刷總接觸電壓降。 Fe p 1cu p aacua rIp 2 s U2 ffcuf rIp

3、 2 sas UIp 2 直流電機工作特6 機械損耗： 包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦 損耗、定轉(zhuǎn)子和空氣的摩擦損耗。 附加損耗： 電樞齒、槽存在，使氣隙磁通產(chǎn) 生脈動，電樞反應使磁場畸變引起的鐵耗。換向 電流引起的損耗。 按額定容量的% 計算 ， 無補償繞組 按額定容量的 0.5% 計算 ， 有補償繞組 在以上損耗中， ， 隨負載變化而變化，稱 為可變損耗； ， ， 為不變損耗。 電機的效率 p p p p cua p s p cuf p %100 )( 2 1 %100)1 (%100 2 11 2 fa ssaacufFe IIU IUrIppp P p P P 直流電機工作特7 當不變損耗

4、可變損耗時， 取得最大， 是 的二次曲線。 B、并勵電動機的功率方程式： 電磁功率 機械功率 電功率 max a I ppPMMIEMP PpppIIUUIP FeaaM Mscuacufaf 202 1 )( )( 1 P M P2 P Fe p p s p cuf p cua p 直流電機工作特8 C、并勵發(fā)電機的功率方程式： 電磁功率 電功率 機械功率 FeMM scuacufasaaaaM ppPpPMMMP PpppIUrIUIEP 0011 2 )( )2( 1 P M P 2 P Fe p p cuf p cua p s p 直流電機工作特9 二、直流電動機的工作特性： 當端電壓

5、為額電壓，電樞回路無外串電阻，勵磁 電流為額定勵磁電流時，電機轉(zhuǎn)速 ，電磁轉(zhuǎn)矩 ， 和效率 與輸出功率 之間的關系。 即： 實際運行中， 可測，且 隨 增大而增大，所以， 工作特性可表示為： n M 2 P )(, 2 PfMn a I a I 2 P )(, a IfMn 直流電機工作特10 1、并勵直流電動機的工作特性： A、轉(zhuǎn)速特性： aaa ea IREU nCE aa e a e InI C R C U n 0 直流電機工作特11 其中， 為理想空載轉(zhuǎn)速。 轉(zhuǎn)速特性為一斜率為 的直線。 當電機磁路飽和時，隨著 的增大， 增大， 電樞反應的去磁作用使 增大，直線上翹。 為保證電機穩(wěn)定運

6、行， 0 采取措施使特性略為下降。 B、轉(zhuǎn)矩特性： 不計去磁 特性為一過原點的直線。當考慮電樞反應時，實 際曲線偏離直線 ，仍接近于一條直線。 e C U n0 e a C R a I 0 n n 2 P a I n aMaM ICMICM aM IC M M n 直流電機工作特12 C、效率特性： 是 的二次曲線。 當不變損耗可變損耗時， 取得最大。 0 %100 )( 2 1 %100)1 (%100 2 11 2 fa ssaacufFe IIU IUrIppp P p P P a I max a I max 直流電機工作特13 2、串勵直流電動機的工作特性： 基本方程式： 不計飽和時：

7、 af afaaaaffa IIMMM IRREIRIREU )( 02 fMMaMfaMaM feeaefeea KCCICIICICM KCCnICnICnCE 2 直流電機工作特14 nICnCE RIRIEU aeea ffaaa faaa eae e aa RRRR CIC U C RIU n 1 A、轉(zhuǎn)速特性： 直流電機工作特15 分析：a、轉(zhuǎn)速 隨著 的增大而迅速減小。 （因為 ）。 b、空載時， 很小， 及 很小，電機必須 產(chǎn)生反電勢 與電源電壓相平衡， 因此, 很高。 理論上， 時， ， 。 故串勵電動機不允許空載或輕負載運行。 n a I fa II a I aaR I n

8、CE ea n 0 a I 0n n n a I M M 0 直流電機工作特16 B、轉(zhuǎn)矩特性： 當 增大， 很快減小，使 升很快。即，隨 著 增大， 將以高于 的一次方比例增大。 在同樣大小的起動電流 下， 串勵電動機的 大于并勵電動機的 。 C、效率特性： 與并勵電動機類似。 2 aMaM ICICM a I nM a IM a I %100 )( 2 1 %100)1 (%100 2 11 2 fa ssaacufFe IIU IUrIppp P p P P st I st M st M 直流電機工作特17 并勵電動機與串勵電動機工作特性比較： A、串勵電機的 隨 增大而迅速下降。 B、

9、串勵電動機不允許空載或輕負載運行。 C、在同樣大小的起動電流 下， 串勵電動機的 大于并勵電動機的 。 n a I st I st M st M 串勵 并勵 st I M a I 0 串st M 并st M 直流電機工作特18 3、復勵直流電動機的工作特性： 它介于并勵和串勵電動機特性之間。 當并勵繞組磁勢起主要作用，特性接近于 并勵電動機特性。 當串勵繞組磁勢起主要作用，特性接近于 串勵電動機特性。 在空載時無飛速現(xiàn)象。 直流電機工作特19 三、直流發(fā)電機的工作特性： 可測物理量有：發(fā)電機端電壓 ，電樞電流 ， 勵磁電流 ，轉(zhuǎn)速 等。 有四種特性曲線： U a I f I n CnIIfU

10、af , 0 , )( 0 CnCIIfU af , , )( CnCIIfU fa , , )( CnCUIfI af , , )( 空載特性 負載特性 外特性 調(diào)節(jié)特性 直流電機工作特20 (一)、他勵發(fā)電機特性： 1、他勵發(fā)電機空載特性：當電機 時，調(diào)節(jié) 使發(fā)電機空載端電壓 ， 然后使 逐漸回到零，測取空載端電壓 與 關系曲線 即為空載特性曲線 。 分析：A、空載特性表明電機磁路的性質(zhì)。即：當 一定時，電機繞組感應電勢與其對應磁勢的關系。 B、改變勵磁電流 的方向，可測出反方向的 空載特性曲線。 C、改變電機轉(zhuǎn)速 ，可得不同的空載特性曲線。 D、并勵、復勵直流發(fā)電機的空載特性都以 他勵形

11、式測取。 e nn e UU3 . 11 . 1 0 f I 0 U 0f I )( 0f IfU n 0f I n f I 直流電機工作特21 空載特性曲線： 0 U f I f I 0 U 1 n 2 n 21 nn o f I o 直流電機工作特22 2、負載特性： 當 ， 時，端電壓 曲線。 與空載特性比較： 當 上升時，兩曲線都上升。 當 一定時，兩特性的電壓不同。 空載 負載 CnCIa f I f I )( f IfU f I U o 直流電機工作特23 3、外特性： 當 ， 時，端電壓 曲線。 當負載電流及電樞電流增大時，曲線略為下垂。 積復勵 他勵 并勵 Cn CI f )(

12、 a IfU U I o e I e U 直流電機工作特24 4、調(diào)節(jié)特性： 當 ， 時，端電壓 曲線。 當電樞電流增大時，曲線往上翹。 Cn CU )( af IfI a I f I 0f I e I fe I 直流電機工作特25 (二)、并勵直流發(fā)電機空載電壓的建立： 并勵和復勵直流發(fā)電機均為自勵發(fā)電機，首先應 在空載時建立電壓，然后再帶負載。 自勵電壓建立的三個條件： 必須有剩磁；勵磁繞組與電樞并聯(lián)的極性正確； 勵磁回路中電阻小于臨界電阻。 電機有剩磁，極性正確氣隙磁場得到加強 電樞繞組電勢增加 勵磁電流增加 電樞端電壓建立起來 如何穩(wěn)定呢？ 直流電機工作特26 0f I 0 U r E

13、0 A 臨界電阻線 勵磁電阻線 空載特性 空載電壓建立能否穩(wěn)定？ 勵磁繞組端電壓 與勵磁電流 ： 在磁路上滿足空載特性 ， 在電路上滿足伏安特性 。 當 時 ，達穩(wěn)定點A。即兩曲線的交點。 0 U f I )( 0f IfU 0fff IrU 0 UU f 直流電機工作特27 (三)、并勵、復勵直流發(fā)電機負載運行： 當 ，建立自勵電壓后，保持 ，接入 負載 ，逐漸減小 ，測取 與 的曲線。 下垂原因： 電樞反應； 積復勵 電樞繞組壓降； 他勵 并勵直流電機隨 并勵 的減小，電樞感 應電勢 大大 減??； 串勵電機 隨 負載變化，使 不穩(wěn)定，可安自動裝置。 Cn CR f L R L RUI U

14、U a E af II U I e I 0 U e U 0 直流電機工作特28 第八節(jié) 直流電機的換向 換向的電磁現(xiàn)象 改善換向的方法 補償繞組 直流電機工作特29 直流電機電樞繞組中的電勢和電流是交變的。 借助于換向器和電刷，在電刷間獲得直流電壓和電 流。當旋轉(zhuǎn)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)電刷底而 進入另一條支路時，該元件中的電流從一方向變換 成另一方向，這種電流方向的變換稱為換向。 換向不良：電刷火花，燒壞電刷和換向器，電 機不能運行。 換向過程復雜：電磁、機械、電化學等各方面 因素。 現(xiàn)僅就電磁現(xiàn)象及改善換向的方法作介紹： 直流電機工作特30 一、換向的電磁現(xiàn)象： 2 1 a i 2 k

15、v )(a 2 12 1 k v k v a i 2 a i 2 )(c)(b 直流電機工作特31 在上述過程中，元件1 中的電流改變了方向。 經(jīng)過了一個換向過程。換向過程經(jīng)歷時間為換向 周期 ，一般為千分之幾秒。 若換向元件中電勢為零，則元件中電流變化 為線性的變化。實際換向元件中會出現(xiàn)兩種電勢： 電抗電勢 ，電樞反應電勢 。 (一)、電抗電勢 ： 換向元件中在電流變化時，必然出現(xiàn)由自感和互感 作用引起的感應電勢，稱為電抗電勢 。 由元件自感和互感漏磁通產(chǎn)生，作用是阻礙換向。 K T r e a e r e r e K a r a rr T i L dt tdi Le 2)( 直流電機工作特

16、32 (二)、電樞反應電勢 ： 由于電樞反應的作用，換向元件的有效邊所處的 電樞磁場的磁密不為零，元件邊將切割電樞磁場產(chǎn)生 旋轉(zhuǎn)電勢，稱為電樞反應電勢 。 其作用是阻礙換向。 （三）、 和 均使電流換向延時。 1、被電刷短路的換向元件 瞬時斷開時，附加電流 不為零，儲能以弧光放電 轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生火花。 2、 、 均與電樞電流和 轉(zhuǎn)速成正比。大電流，高轉(zhuǎn) 速電機換向更困難。 a e a e aaa lvBe a e r e r e a e i t a i a i K i K i 0 直流電機工作特33 二、改善換向的方法： 從減小和消除附加電流 著手： 1、裝換向極。主極間幾何中性線處，繞組與

17、電樞繞組 串聯(lián)。作用：抵消電樞磁勢在幾何中性線處的作用； 剩余部分產(chǎn)生附加磁場 ，抵消 。 2、移動電刷位置。電刷移開幾何中性線一角度。 一般不常用。 3、選用合適電刷：減小接觸電阻。 石墨電刷換向不困難的中小型電機， 碳石墨電刷換向困難的中小型電機， 青銅石墨電刷低壓大電流電機， 紫銅石墨電刷低壓大電流電機。 K i r e K B 直流電機工作特34 三、補償繞組： 在主極極靴上沖出一些均勻分布的槽，放置補償 繞組。 補償繞組與電樞繞組串聯(lián)。磁勢與電樞磁勢 方向相反，其作用是減小電樞反應引起磁場畸變， 防止環(huán)火。 結(jié)構(gòu)復雜，成本較高，一般不采用。 環(huán)火產(chǎn)生原因： 電樞反應磁場畸變，元件切割

18、極尖下增磁區(qū)的 時感應出很大的電勢，使處于該處換向片間的電 位差很大，當此電位差值超過一定限制，就發(fā)生換 向片間電位差火花。該火花延伸到片間電壓較大處， 在正負電刷間形成電弧連通，使換向器周圍發(fā)生環(huán) 火。 B 直流電機工作特35 作業(yè)：9月29日 1、一臺P對極的直流電機，電樞繞組為單迭繞組， 其電樞繞組電阻為 ，電樞電流為 。若改接為 單波繞組，并保持支路電流不變，問電樞繞組電阻和 電樞電流將為多少？ 2、一臺并勵直流電動機在 的條件下運行，電樞繞組電阻為 ， 勵磁繞組電阻為 額定負載時效率 求： 額定輸入功率；額定輸出功率；總損耗； 電樞回路銅耗；勵磁回路銅耗；電刷接觸損耗； 附加損耗；機

19、械損耗與鐵耗之和。 安伏，80220 NN IU a ra I 歐 08. 0 a r 伏， 22 s U歐 8 .88 f r 85 N 直流電機工作特36 3、一臺并勵電動機， 1)、電動機的額定輸出轉(zhuǎn)矩； 2)、在額定電流時的電磁轉(zhuǎn)矩； 3)、當電樞電流 時，電機的轉(zhuǎn)速； 4)、在總制動轉(zhuǎn)矩不變時，當電樞中串入一電阻0.1歐， 電機穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)速。 安伏，255440 NN IU 分，轉(zhuǎn)安千瓦，/500 ,596 NfNN nIP 歐，試求： 078. 0 a r 0 a I 直流電機工作特37 4、一臺并勵電動機， 忽略電樞反應作用，試求： 1)、當電樞電流 時，電機的轉(zhuǎn)速； 2)、當電

20、樞電流 安 時，電動機的轉(zhuǎn)速； 3)、若保持負載轉(zhuǎn)矩不變，當磁通減少15時， 電機穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速。 安伏，2 .82110 NN IU 分，轉(zhuǎn)千瓦，/1500 5 . 7 NN nP 歐，歐， 7 .46 1014. 0 fa rr 安60 a I 0 a I 直流電機工作特38 直流電機小結(jié) 1、直流電機的工作原理電和磁相互作用。 電機外電路中電壓、電流、電動勢為直流性質(zhì)； 每個繞組元件中的為交流性質(zhì)。 fNNNNN InIUP、 4、電樞繞組直流電機的心臟，主要電路。 由許多完全相同的繞組元件以一定的規(guī)律連接起來 的閉合繞組。 疊繞組、波繞組。 并聯(lián)支路對數(shù)。 2、結(jié)構(gòu)靜止的磁極、

21、旋轉(zhuǎn)的電樞、氣隙。 3、額定值 直流電機工作特39 5、磁場空載、負載時氣隙磁密波形。 電樞反應。 電機旋轉(zhuǎn)氣隙磁通變化 電路磁鏈變化 氣隙儲能變化 電氣系統(tǒng)反應，產(chǎn)生E。 E與I作用，輸入或輸出電能 機械系統(tǒng)反應，產(chǎn)生T。 T與n作用，輸入或輸出機械能 標志機電能量轉(zhuǎn)換的功率。 emaa TIE 6、能量轉(zhuǎn)換電氣系統(tǒng)（電樞繞組）、 機械系統(tǒng)（轉(zhuǎn)軸）、聯(lián)系兩系統(tǒng)的耦合介質(zhì) （磁場）。 直流電機工作特40 7、基本方程式電勢、轉(zhuǎn)矩、功率平衡方程式。 分析電機的運行特性、工作特性。 8、并勵直流電動機恒速電動機，T與I成正比。 串勵直流電動機轉(zhuǎn)速變化大，T與I平方成正比。 復勵直流電動機介于兩者之

22、間。 9、直流發(fā)電機特性端電壓的建立、變化及調(diào) 節(jié)。勵磁方式不同特性不同。 10、換向幾種電動勢阻礙換向。 換向不良引起環(huán)火。補償繞組。 直流電機工作特41 思考題： 1、在直流電機中，換向器起什么作用？ 2、在下列情況下，直流發(fā)電機電刷兩端電壓 的性質(zhì)？ 1)、磁極固定，電刷與電樞同時旋轉(zhuǎn)。 2)、電樞固定，電刷與磁極同時旋轉(zhuǎn)。 3、下列哪種情況可以使連接在電網(wǎng)上的直流電機 逆變?yōu)榘l(fā)電機？ 1)、加大勵磁電流，使磁通增加，并使 。 2)、在電機軸上外加一轉(zhuǎn)矩，使其轉(zhuǎn)速上升， 并使 。 4、并勵直流發(fā)電機正轉(zhuǎn)時能自勵，反轉(zhuǎn)能否自勵？ 為什么?應如何處理？ UEa UEa 直流電機工作特42 5、如何判斷直流電機是運行于發(fā)電狀態(tài) 還是電動狀態(tài)？它們的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、 電樞感應電勢、電樞電流和端電壓的方向 有何不同？能量轉(zhuǎn)換關系有何不同？ 6、一臺他勵直流電動機拖動一臺他勵直流發(fā)電機， 當發(fā)電機電樞電流增加時，電動機的電樞電流 如何變化？試分析其變化過程。 7、直流電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，當電樞 電流增大，即電磁轉(zhuǎn)矩增大時，轉(zhuǎn)速似乎應該上升， 但從其轉(zhuǎn)速特性看，其轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的增大 而減小，為什么？ 8、串勵直流電機不能在空載下起動和運行， 而并勵和復勵直流電機就可以，