電機(jī)學(xué)_2.6直流電動(dòng)機(jī)

1、2.6 2.6 直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁方式可以是他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)。以并勵(lì)為例推導(dǎo)直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式。各物理量正方向的規(guī)定： 電樞電動(dòng)勢(shì)EaEa與電流IaIa方向相反； 電磁轉(zhuǎn)矩TemTem與轉(zhuǎn)速n n方向一致。RarfIaIfIEaTem,nUr 一、基本方程式一、基本方程式（1）電勢(shì)平衡式）電勢(shì)平衡式電樞回路：電樞回路：)(RRIEUaaaffffRIrrIU)(U Ea重要的轉(zhuǎn)速公式重要的轉(zhuǎn)速公式CeRRIUnaa)(基本方程式基本方程式（2）轉(zhuǎn)矩平衡式）轉(zhuǎn)矩平衡式TemT0 T2TZT2：輸出轉(zhuǎn)矩; T0:空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩;TZ:總負(fù)載轉(zhuǎn)矩推論：推論：（1）TZaCT

2、I 若制動(dòng)TZ不變， 不變， 穩(wěn)定后的Ia不變。（2） 實(shí)際空載時(shí)， Ia 0。電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率為：cufcuaemfaaaafaaaappPUIRRIIEIUIRRIEIUP)()(21admecfepppp00202)(pPTTTIEPemaaemn602（3 3）功率平衡式）功率平衡式功率平衡式功率平衡式 直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡式：pPpppppPPadmecfecufcua221 %100)1 (%100212pPpPP效率：二、二、 直流電動(dòng)機(jī)的工作特性直流電動(dòng)機(jī)的工作特性工作特性，工作特性， 是指在UUN，IfIfN時(shí)， 轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率隨輸出功率P2而變化的關(guān)系。即

3、 )(,2PfTnem或)(,aemIfTn還研究n與Tem之間的關(guān)系， 即機(jī)械特性機(jī)械特性。nf（Tem）Ian并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性fNfNIIRUU, 0,時(shí))(aIfn 的關(guān)系為轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性。aaaaNICeRnICeRCeUn0根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，可得n0： 理想空載轉(zhuǎn)速;0CeUnN轉(zhuǎn)速下降不多， 考慮電樞反應(yīng)， 有可能升高。 IaTem并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：aTaTemICICT 或者60/ 22nPTem考慮去磁， 曲線有所下降。并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)效率特性并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)效率特性當(dāng)UUN， IfIfN時(shí)，

4、)(Iaf的關(guān)系叫效率特性效率特性。%100)(1 (%100)1 (21faNaaadmecfecufIIURIppppPp其中，admecfecufpppp為不變損耗aacuaRIp2為可變損耗并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)效率特性并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)效率特性0adId令 可得NfNII忽略勵(lì)磁電流aaadmecFecufRIpppp2Ia與Ia之間存在二次關(guān)系， 效率曲線存在一個(gè)最大值。 %100)(1 (%100)1 (21faNaaadmecfecufIIURIppppPp電動(dòng)機(jī)效率特性電動(dòng)機(jī)效率特性結(jié)論：當(dāng)電動(dòng)機(jī)在某負(fù)載下不變損耗等于可變損耗時(shí)， 此時(shí)效率最高。推論： （1）額定運(yùn)行時(shí)總損耗 ；

5、 （2）可從額定數(shù)據(jù)來(lái)估算電樞回路總電阻。aNRIp22221NNNNaIPIUR上述結(jié)論和推論具有普遍性上述結(jié)論和推論具有普遍性Temn并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性機(jī)械特性反映得是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的變化規(guī)律。 從 可得emTeaeTCCRCUn2aTemeaaeaaaRCTnCRInCRIEU 2TeaCCR 機(jī)械特性是稍下降的直線， 計(jì)及飽和， 成為水平或上翹。并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性并勵(lì)（他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性從并勵(lì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速隨所需電磁轉(zhuǎn)矩的增加而稍有變化， 該特性稱為硬特性硬特性。 用轉(zhuǎn)速變化率來(lái)表征：%100%0NNnnnnn0Tem他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械

6、特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性當(dāng)UUN， N，電樞回路無(wú)外接電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系,稱為固有機(jī)械特性。emNTeaNeNTCCRCUn2n0Tem0n0TemNnN分析：1. 電磁轉(zhuǎn)矩越大， 轉(zhuǎn)速越低， 機(jī)械特性是一條下斜直線；固有機(jī)械特性分析固有機(jī)械特性分析2. 當(dāng)轉(zhuǎn)矩等于零點(diǎn)， 為理想空載轉(zhuǎn)速。此時(shí)Ia0， EaUN， 是一種理想工作狀態(tài)。NeNCUnn03. n0為電動(dòng)機(jī)的實(shí)際空載轉(zhuǎn)速， 比n0略低。對(duì)應(yīng)于空載轉(zhuǎn)矩。emNTeaTCCRnn2004 為機(jī)械特性斜率。增大， 也增大。 通常稱小的機(jī)械特性為硬特性，大的機(jī)械特性為軟特性。2NTeaCCRnn0Temn0Tem0n0Te

7、mNnN固有機(jī)械特性分析固有機(jī)械特性分析5. 額定轉(zhuǎn)速變化率 ，表示電機(jī)額定負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速比n0降落的程度。%n%100%100%0NNNNnnnnnn6. nn0時(shí)為發(fā)電機(jī)狀態(tài)，此時(shí) EaU, Ia反向， Ea與Ia同向， 向電網(wǎng)送出電功率。7.堵住點(diǎn)。 此時(shí) 電樞電流： 為短路電流； 電磁轉(zhuǎn)矩： 為電機(jī)堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。0, 0nCEanNekaNaIRUIemkkNTemTICTn0Temn0Tem0n0TemNnN人為機(jī)械特性分析人為機(jī)械特性分析根據(jù)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩公式emTeeTCCRCUn2人為地改變電動(dòng)機(jī)參數(shù)U、R或得到的機(jī)械特性，稱為人為機(jī)械特性。有三種人為機(jī)械特性：（1）電樞回路串電阻的人為

8、機(jī)械特性；（2）改變端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性；（3）減弱電動(dòng)機(jī)主磁通時(shí)的人為機(jī)械特性；Tem0n電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性保持UUN 及 N 不變而在電樞回路中串入電阻Rc，所得的nf（Tem）關(guān)系。ememNTecaNeNTnTCCRRCUn02對(duì)于給定的Rc，為常數(shù)。Ra+Rc1Ra+Rc2人為Rc2Rc1固有Ran0電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性電樞串電阻人為特性的特點(diǎn)： （1）理想空載轉(zhuǎn)速n0與固有機(jī)械特性的n0相同；（2）斜率 ，特性變軟，在同一個(gè)轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速下降更多。NNTecaCCRR2Tem0n改變端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變

9、端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性。表達(dá)式：emNemNTeaNeTnTCCRCUn02一般都為降低的電壓。人為UNU1U2固有UNn0U1U2改變端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變端電壓時(shí)的人為機(jī)械特性改變端電壓人為特性的特點(diǎn)： （1）理想空載轉(zhuǎn)速比固有特性的理想空載轉(zhuǎn)速低。端電壓下降越多，其理想空載轉(zhuǎn)速越低。（2）端電壓不同，但人為特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各條特性彼此平行。Tem0n減弱電機(jī)主磁通的人為機(jī)械特性減弱電機(jī)主磁通的人為機(jī)械特性保持端電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變勵(lì)磁電流的機(jī)械特性。

10、表達(dá)式：emNemTeaeNTnTCCRCUn 02額定時(shí)，接近飽和，一般都為減弱的磁通。N N固有Nn0人為N減弱電機(jī)主磁通的人為機(jī)械特性減弱電機(jī)主磁通的人為機(jī)械特性減弱電機(jī)主磁通人為特性的特點(diǎn)： （1）由于If2從兩個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)P、Q對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速說(shuō)明減小勵(lì)磁可以使轉(zhuǎn)速升高。弱磁調(diào)速的過(guò)程弱磁調(diào)速的過(guò)程If減小瞬間速度不變減小If1If2PQIf1If2TemnnCEea aaREUIaTemICT ZemTT機(jī)組加速nEaIaTemTemTZ新的平衡，新的Ia和n弱磁調(diào)速弱磁調(diào)速調(diào)速前后的量：（1）假定負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變， 2211aTaTemICICT1221aaII (2)假定磁路不飽和，不計(jì)電樞反

11、應(yīng)和IaRa的變化1212212211 ,ffIInnnCenCeE（3） 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載， ， 基本不變nPIUPa21弱磁調(diào)速特點(diǎn)弱磁調(diào)速特點(diǎn)v優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，能耗小。v缺點(diǎn)缺點(diǎn)： 單方向調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)得過(guò)高，勵(lì)磁過(guò)弱， 電樞電流變大， 換向變壞， 出現(xiàn)不穩(wěn)定。改變端電壓調(diào)速改變端電壓調(diào)速 保持電動(dòng)機(jī)的 N不變且無(wú)外接電樞電阻， 僅降低施加于電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓U達(dá)到調(diào)速的目的， 稱為降壓調(diào)速。TemnU1U1U2U3U2U3PQ電壓越低， 轉(zhuǎn)速越低， 調(diào)速方向從基值往下調(diào)。（1）降壓的人為特性是一簇與固有特性平行的直線， 無(wú)論是滿載、輕載還是空載都有明顯的調(diào)速效果。（2）由于人為特

12、性硬度不變，低速時(shí)由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大。靜態(tài)穩(wěn)定性好， 調(diào)速范圍大。（3）可平滑調(diào)節(jié)端電壓， 使轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。（4）調(diào)節(jié)過(guò)程能量損耗小。調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：改變電樞回路電阻調(diào)速改變電樞回路電阻調(diào)速 保持UUN且 N不變，電樞回路中串入調(diào)速電阻Rc，使同一個(gè)負(fù)載得到不同轉(zhuǎn)速的方法， 稱為電樞串電阻調(diào)速。R2R1PQR1R2R3TemnR3串入電樞回路的電阻越大， 轉(zhuǎn)速越低。電機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速稱為基速。 電樞回路串電阻調(diào)速的方法， 只能從基速往下調(diào)。串電樞電阻調(diào)速串電樞電阻調(diào)速該調(diào)速的特點(diǎn)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。（2）低速時(shí)， 機(jī)械特性很軟， 當(dāng)

13、負(fù)載變化時(shí)， 轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大。靜態(tài)穩(wěn)定性差 調(diào)速范圍不大。（3）由于電阻的不連續(xù)調(diào)節(jié)， 因此速度調(diào)節(jié)不平滑， 屬有級(jí)調(diào)速。 （4）電樞電流在Rc上消耗的能量大， 調(diào)速時(shí)效率低。 效率與轉(zhuǎn)速成正比。 調(diào)速性能指標(biāo)調(diào)速性能指標(biāo)（1）調(diào)速范圍：電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下調(diào)速時(shí)， 最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。用D表示。（2）靜差率（相對(duì)穩(wěn)定性：也稱轉(zhuǎn)速變化率。指電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化率。 靜差率越小， 轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性越好。（3）調(diào)速的平滑性：無(wú)級(jí)調(diào)速平滑性最好， 有級(jí)調(diào)速由相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速中， 高一級(jí)轉(zhuǎn)速與低一級(jí)轉(zhuǎn)速之比。 （4）調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的容許輸出：電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)軸上輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。不同

14、的調(diào)速方法允許的輸出不同。（5） 經(jīng)濟(jì)性電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)的容許輸出電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)的容許輸出在某轉(zhuǎn)速下， 電機(jī)即能充分利用， 又能安全運(yùn)行時(shí)輸出的功率和轉(zhuǎn)矩稱為， 調(diào)速時(shí)的允許輸出功率和轉(zhuǎn)矩。 (1)調(diào)壓調(diào)速的允許輸出降壓調(diào)速、電樞回路串電阻都是降低電樞兩端的電壓。在整個(gè)調(diào)速范圍允許輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。允許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。 95501000emNemTemNTTPIaCTnKnTnTPKTICTiNiiNNNTi95509550保持I不變?nèi)醮耪{(diào)速時(shí)的允許輸出弱磁調(diào)速時(shí)的允許輸出弱磁調(diào)速時(shí)，保持電流IINnKnCRIUeaNN2433295509550KnnKnTPnKInKCICTi

15、iNTNTi弱磁調(diào)速時(shí)， 在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的允許輸出功率為常數(shù)， 是恒功率調(diào)速方式。 其允許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。 負(fù)載與調(diào)速方式的配合負(fù)載與調(diào)速方式的配合TnUNUnmaxnminTNTLnTnmaxnminNTL恒轉(zhuǎn)矩控制恒功率控制兩種調(diào)速方式，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，除nnmax外所有的轉(zhuǎn)速點(diǎn)，輸出轉(zhuǎn)矩多小于允許輸出，速度越低， 電機(jī)越不能充分利用。 相比通風(fēng)機(jī)負(fù)載采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式比弱磁調(diào)速造成浪費(fèi)小一些。直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的兩種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：（1）電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相同 ，此時(shí)電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入電能， 并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載。（2）制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：

16、電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)電動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?電動(dòng)機(jī)很快停車，或者由高速運(yùn)行很快進(jìn)入低速， 要求制動(dòng)運(yùn)行。直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)斷開(kāi)電源抱閘能耗制動(dòng)反接制動(dòng)回饋制動(dòng)機(jī)械制動(dòng)電氣制動(dòng)自由停車能耗制動(dòng)的方法和原理能耗制動(dòng)的方法和原理保持勵(lì)磁電流If的大小及方向不變， 將開(kāi)關(guān)接至RT， 電樞從電網(wǎng)脫離經(jīng)制動(dòng)電阻RT閉合。參數(shù)特點(diǎn)： N， U0， 電樞回路總電阻RRaRT實(shí)際上是一臺(tái)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)。軸上的機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能， 全部消耗于電樞回路的電阻上， 所以稱為能耗制動(dòng)。IfUNRTEaIanTn固有能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性emNTeTaTCCRRn2

17、能耗制動(dòng)的參數(shù)代入機(jī)械特性的一般表達(dá)式，得到能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性：制動(dòng)過(guò)程：串電阻反抗性負(fù)載停車位能性負(fù)載穩(wěn)速下放能耗制動(dòng)的特點(diǎn)能耗制動(dòng)的特點(diǎn)能耗制動(dòng)的特點(diǎn)：（1）操作簡(jiǎn)單，停車準(zhǔn)確（2）能耗制動(dòng)產(chǎn)生的沖擊電流不會(huì)影響電網(wǎng)；（3）低速時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，停轉(zhuǎn)慢；（4）動(dòng)能大部分都消耗在制動(dòng)電阻上。制動(dòng)初瞬的最大電流：TaANBRRnCeI制動(dòng)電阻：aNNTRIUR2反接制動(dòng)反接制動(dòng)反接制動(dòng)轉(zhuǎn)速反向（用于位能負(fù)載）電樞反接（用于反抗性負(fù)載）（電動(dòng)勢(shì)反向）（電壓反向）轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)I If f及端電壓及端電壓U UN N不變，不變， 僅在電樞回路串入足夠大的制動(dòng)電阻僅在電樞回路串入

18、足夠大的制動(dòng)電阻R RT T，使該人為特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)處于第四象限。不同的RT，可得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。nTem0nABCDAnD電壓平衡式：電壓平衡式：EUEURRITaa)()(機(jī)械特性：機(jī)械特性：LNeTaLNTeTaICRRnMCCRRnn020轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)能量關(guān)系：aaaTaaIEIURRI)(2v U及Ia的方向與電動(dòng)狀態(tài)相同，UIa表示由電網(wǎng)輸入的功率；v Ea 的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反， EaIa表示輸入的機(jī)械功率在電樞內(nèi)變成電磁功率；v UIa與EaIa兩者之和消耗在電樞電路的電阻RaRT上。電樞反接的反接制動(dòng)電樞反接的反接制動(dòng)保持If不變， 將開(kāi)關(guān)向下合閘， 使電樞經(jīng)制動(dòng)電阻RT而反接于電網(wǎng)上。參數(shù)特點(diǎn)： N， UUN。 R=Ra+RT.IfUNRTEaIanTemnAABCDE電動(dòng)下固有不串RT串RTnE電樞反接的反接制動(dòng)電樞反接的反接制動(dòng)機(jī)械特性：LNeTaemNTeTaNeNICRRnTCCRRCUn02能量關(guān)系：)(2TaaaaaNRRIIEIU從電網(wǎng)吸收的電能和軸上輸入的機(jī)械能都消耗在電樞回路的電阻上。 電壓平衡式：TaNeNTaaNaTaaaNRRnCURREUIRRIEU)(