電氣工程師公共基礎科目第58講第二十九章：直流電機

1、29.4.4.3調整特性調整特性是指保持發(fā)電機的端電壓為長治，負載變化時勵磁電流的調節(jié)規(guī)律，它表明當負載變化時，如何調節(jié)勵磁電流，才能維持發(fā)電機的端電圧不變，故乂稱為勵磁電流調整特性29.4.5并勵直流發(fā)電機的口勵條件和特性29.4. 5. 1并勵直流發(fā)電機的口勵過程及條件自勵：勵磁繞阻并接丁-電樞繞組兩端，由發(fā)電機本身的端電圧提供勵磁，而發(fā)電機的端電圧有必 須在有了勵磁電流后才能產(chǎn)生，所以并勵發(fā)電機由初始的U二0到正常運行時U為一定值，有一個口己 建立電壓的過程（口勵過程）.電機的主磁極通?？傆惺４糯嬖?。原動機拖動轉子旋轉，電樞繞組切割剩磁場，產(chǎn)生一個不大 的剩磁感應電勢。這一電勢加到勵磁繞

2、組將產(chǎn)生一個不大的勵磁電流。該勵磁電流產(chǎn)生的磁勢如果和剩磁同方向，將相互加強，會建立起穩(wěn)定電壓。該勵磁電流產(chǎn)生的磁勢如果和剩磁反方向，將相互減弱，無法建立穩(wěn)定電壓?？梢妱畲爬@組的接線對建立電壓很重要穩(wěn)定點：由動態(tài)方程可知，當（uO（if）-Rfif）=O時，勵磁電流和電圧將達到穩(wěn)定值。建圧臨界電阻：場阻線與空載特性相切時對應的勵磁回路電阻。建壓條件：1電機中要有剩磁2勵磁繞組與電樞繞組并接正確3勵磁回路電阻小建壓臨界電阻29.4.5.2并勵發(fā)電機的特性并勵直發(fā)的外特性曲線隨I增大而下降的原因：（1）電樞電阻圧降的存在：（2）電樞反應的去磁作用；（3）勵磁電流的進一步減少。由經(jīng)曲線圖可知外特性曲

3、線形狀仍然是端電圧隨負載電流的增大而下降，其原因（1）、（2）同他勵直流發(fā)電機。這里比他勵式多了第（3）個理由， 因為勵磁繞組和電樞繞組并聯(lián)勵磁繞組上的電圧是由電樞繞組產(chǎn)生的，由于前兩個原因，使得電樞電壓下降，因而勵磁電流乂進一步減少。故并勵式直流發(fā)電機的電壓調整率比他勵式大。2. 平復勵串勵磁勢的助磁作用恰好補償電樞反應地去磁作用和電樞電阻的斥降，在額定負載時 的；3. 復勵串勵磁勢的助磁作用較弱，外特性曲線微有下降；4減復勵串勵磁勢為減磁作用，外特性曲線隨負出電流的増加急劇下降。29.5直流電動機的基本方程式和工作特性29. 5. 1電動勢平衡方程式穩(wěn)態(tài)運行時，電樞回路有3a式中Rj仍與前

4、面的方程定義相同電流方程改寫為：1 =十兀在動態(tài)情況下，需?？紤]回路中電感的作用。電樞回路d?厶亍+ R丄+ gQ = u dr勵磁回路L( + Rif=Uf dr f fSfQ = c仰 i = e 或 5. = cT029. 5. 2功率平衡方程式2.功率平衡方程此時.電機輸入功率拆為電功率即灼=5尅功率平衡方程就是片（厶 +4） = " f + "f =心 *3 + Pcnf =隘 + %電磁功率p®產(chǎn)生電磁轉矩7,使電機轉動并拖動機械負我，實現(xiàn)電能到機械能的轉 換.在此過程中，勢必要克服因轉動而引起的各種損耗，苴成分和物理含義與發(fā)電機中的空 載損耗完全相同

5、，最終在電機轉軸上輸出的機械功率為乃，即凡n =馬七P*十P艮十=星十P0:有九=馬 + Pg 十 Pg + Pg+ Pn = E 4衛(wèi)5 + 4 =馬 + 勿29. 5. 3轉矩平衡方程式穩(wěn)態(tài)恒速運行時，由忒（2.63）有Em 二 B | P0Q 0 盤 即平衡方程為變速運行時，考慮機組軸系轉動慣呈的作川，則更為普通的轉矩平衡方程（適常改稱為轉子 運動方程）九式中.AT = Tm-T-7； = J 稱為加速轉矩。A7>0時.轉予加速.反之轉干減速. dt當且僅當A 70時轉速才保持恒定.29. 5. 4直流電動機的工作特性29. 5. 4. 1并勵電動機的工作特性1.速率特性刀吹隨負載

6、/>2壇加，轉速"略有下降.這是因為在實驗過程中廠和保持不變得U 厶Kn =J知.增加即厶増加時，隨電樞回路電阻壓降/風的增加，轉速乜訛時定必然 要下降的，但厶増加的冋時亦使電樞反應的去磁作用會冇所増強.這樣.0也冇下降趨勢。 因此，兩者相消.轉速究竟是上升還是下降，最終還要看各Ij變化的速系。不過.對于一臺 設il良好的在流電動機來說.以穩(wěn)定運行為前提，速率待性總是略微下降的.定義轉速調整率” =巴_x 100%式中，"和沖分別為空裁轉速和額定轉速。并勵電動機的轉速淵整率在3%4%ZNJ,轉速基本怛疋。必須拆岀，并勵電動機運行時.勵磁繞組絕對不能開路。這是因為車我時

7、，這將使電機 停轉，反電動勢為芯 電樞電漩急劇增加而導致過黒；輕裁亦俗導致“飛速而損壞轉動部 件。2. 轉矩特性Tx=f(Ia)3. 效率特性 = /(/fl)29. 5. 4. 2串勵電動機的工作特性1.速率特性“寸(P2)結果表明，串勵電動機的速度隨負載增加而下降的速度很快。這是閔為由式(2.69)可知，串 勵電動機在端電壓U_Ia(E亠鳥)下降幅度稍大于并勵電動機的同時，非但不隨厶 的增大而減小，反而增加，結果必然使”快速下降。串勵電動機絕對不允許空載運孑以避免發(fā)生“飛速”現(xiàn)象。因此，串勵電動機的轉速調整率定義為乜一 "NAm= X100%nN式中，為丄額定負載時的轉速。? 4

8、2.轉矩特性為并2)由于轉速n隨A增加而迅速下降，因此陰會隨戶2增加而快速上升，這是串勵電動機 區(qū)別于并勵電動機的突出特點，血閤2 55所示.之所以如此，乃是由于卩2增加，即厶增加 時，。將增加，不飽和時應有0*厶，從血7二*。厶*上，即便考慮飽和影響，轉矩亦按大 于電流一次方的速率增加，因此，串勵電動機有校大的起動轉矩和很強的過載能力，尤其適 令于電力機車類牽引負載。29. 5. 4. 3復勵電動機的工作特性積復勵介于兩者之間，差復勵不穩(wěn)定29.6直流電動機的機械特性和電動機組穩(wěn)定運行的條件29.6. 1直流電動機的機械特性直流電動機U=U=常值時，轉速"與電磁轉矩7迪之間的關系曲

9、線”司72稱為機械待性，其基本性質與t作特性巾的速率特性m.對應于電樞回路電阻凡+鳥偈為串入電樞T回路的調節(jié)電阻，爲=0時為自然機械特性，妁工0為人T機械特性），用厶=亠-代入式CT0可得厶隱坪）U :區(qū)+即n = =Cf0Ce CECT-稱之為機械特性方程式。對于并勵電動機，K常值隱含4常值，忽略電樞反應影響，即心常值，因此式可改寫為即此時的機械伶性為直線。宜線與縱軸的交點«0= 為空載轉速，與端電壓有關；直線I斜率k =一一J<o,表明"是人的減函數(shù)，其下降速率與調節(jié)電阻r的人小有關。 CrCr0-J尺產(chǎn)0時，因通常有« CECTr ,故并勵電動機的自然

10、機械特性接近于一水平線，并 稱為硬特性。串勵電動機的機械特性為雙曲線，轉速隨轉矩増加而下降的速度很快，稱為軟特性29. 6. 2電動機組穩(wěn)定運行的條件處r某一轉速下運行的電力拖動系統(tǒng)，由于受到某種擾動，導致系統(tǒng)的轉速發(fā)生變化而離開原來 的平衡狀態(tài)，如果系統(tǒng)能在新的條件下達到新的平衡狀態(tài)，或者當擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉速下 繼續(xù)運行，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的，否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的。1. 必要條件：電動機的機械特性與負載轉矩特性有交點，即存在Tem=TL o2 充分條件:在交點Tem=TL處滿足込 v理?；蛘哒f，在交點的轉速以上存在Tem<Tl9在交點的轉速以 dn dn下存在Tem>TL29.

11、 7直流電動機的起動、調速和制動29. 7. 1直流電動機的起動1. 定義：電動機接到規(guī)定電源后，轉速從零上升到穩(wěn)態(tài)轉速的過程稱為起動過程。這里分析穩(wěn) 態(tài)起動即n二0,£二0之瞬間，起動電流將很大。起動問題是評價電動機性能的重要方面之一。這是一 個動態(tài)過程。但這里只介紹穩(wěn)態(tài)情況，即在電動機接入電源瞬間，轉子待轉而未轉動這一瞬間的狀態(tài)。 系統(tǒng)耍求起動電流要小，起動轉矩要大的原因是要保證電源供電質量和起動時間要短。2. 對電動機起動的要求（1）起動電流要?。海?）起動轉矩要大；（3）起動設備要簡單便可靠29. 7.1. 1全壓啟動1.直接起動（即全圧起動）操作方法簡便，不需任何起動設備，

12、只需兩個開關（勵磁開關Q和電樞開關Q）即可但起動時沖擊電流很大，可達（1020） L,從而沖擊電源電壓，影響同一電源的其他設備 正常運行。還對電機本身造成換向困難引起較大火花。故全壓起動僅用于微小型電動機的起動。29. 7.1. 2電樞電路串變阻器啟動當電動機已有磁場時，給電樞電路加電源電壓U。觸點KM1、KM2均斷開，電樞串入了全部附加電 阻心|+冬2電樞回路總電阻為Rp+RW樹這時起動電流為/ =匕=E心行 + R" +29. 7.1. 3降壓啟動優(yōu)點：沒有起動電阻，起動過程平滑，起動過程中能量損耗少。缺點：專用降壓設備，成本較高。注：（1）并勵（或他勵）電動機起動時電樞回路的外

13、串電阻陽應置于最大阻值位置；（是為了限制起動電流；）勵磁回路的外串電阻R：應置于最小阻值位置。（是為了限制起動電流；）（2）對串勵直流電動機，不允許空載（或輕載）起動，否則起動后將造成"飛車"事故。29. 7. 2直流電動機的調速29. 7. 2. 1改變勵磁電流調速結論：磁場越弱，轉速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。優(yōu)點：由于在電流較小的勵磁回路中進行調節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設備簡單，調速平 滑性好。弱磁升速后電樞電流增大，電動機的輸入功率增大，但由于轉速升高，輸出功率也增大，電 動機的效率基本不變，因此經(jīng)濟性是比較好。缺點：1）機械特性的斜率變大，特性變軟：2）轉速的升高受到電動機換向能力和機械強度的限制，升速范圍不可能很大，一般DW2： 為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速, 在額定轉速以下釆用降壓調速。29. 7. 2. 2改變串入點數(shù)回路中的電阻調速結論：帶恒轉矩負載時，串電阻越大，轉速越低。優(yōu)點：電樞串電阻調速設備簡單，操作方便。缺點：1）由于電阻只能分段調節(jié)，所以調速的平滑性差；2）低速時特性曲線斜率大，靜差率大,所以轉速的相對穩(wěn)定性差；3）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍一般為DW2：4）損耗大，效率低，不經(jīng)汛 對恒轉矩負載，調速前、后因增通不變而使Tem和la不變，輸