第2章直流電機(jī)的基本理論及運(yùn)行特性

1、第2章直流電機(jī)的基本理論及運(yùn)行特性2.1直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞反應(yīng)2.2直流電機(jī)的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.3直流電機(jī)的換向直流電機(jī)的換向2.4直流電機(jī)的基本方程式直流電機(jī)的基本方程式2.5直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性2.6直流電動機(jī)的工作特性直流電動機(jī)的工作特性2.1直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的磁場是由電機(jī)中的各個繞組，包括勵直流電機(jī)的磁場是由電機(jī)中的各個繞組，包括勵磁繞組、電樞繞組、換向繞組、補(bǔ)償繞組等共同磁繞組、電樞繞組、換向繞組、補(bǔ)償繞組等共同產(chǎn)生的，其中勵磁繞組起著主要作用。產(chǎn)生的，其中勵磁繞組起著主要作用。 2.1

2、.1直流電機(jī)的空載磁場直流電機(jī)的空載磁場2.1.2直流電機(jī)的負(fù)載磁場直流電機(jī)的負(fù)載磁場 直流電機(jī)空載（發(fā)電機(jī)與外電路斷開，沒有電流輸出；電動機(jī)軸上不帶機(jī)械負(fù)載）運(yùn)行時，其電樞電流等于零或近似等于零。因而空載磁場可以認(rèn)為僅僅是勵磁電流通過勵磁繞組產(chǎn)生的勵磁磁通勢所建立的主磁場。 直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時，電樞繞組中便有電流流過，產(chǎn)生電樞磁通勢。該磁通勢所建立的磁場，稱為電樞磁場。電樞磁場與主極磁場共同作用，在氣隙內(nèi)建立一個合成磁場。 （a）主磁場 （b）電樞磁場 （c）合成磁場2.1.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)在工作過程中，定子主磁極產(chǎn)生主磁場，電樞電流產(chǎn)生電樞磁場，電樞磁場對主磁

3、場的影響叫做電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的結(jié)果：電樞反應(yīng)的結(jié)果：一是使氣隙磁場畸變，一極尖磁場加強(qiáng)，另一極尖磁場減弱；二是去磁效應(yīng)，由于磁會飽和，每一磁極的兩個極尖磁通的增加量與減少量不相等，減少量大于增加量，從而使總磁通量有所減小。明顯表現(xiàn)在：原來的幾何中性線n-n處的磁感應(yīng)強(qiáng)度不等于零，磁感應(yīng)強(qiáng)度為零的位置，即電磁物理中性線m-m逆旋轉(zhuǎn)方向移動一角度（電動機(jī)），物理中性線與幾何中性線不再重合。如果電樞電流越大，電樞磁場越強(qiáng)，電樞反應(yīng)的影響就越大，物理中性線偏移的角度也就越大，這樣會給電機(jī)的換向帶來困難。 返回返回2.2直流電機(jī)電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩2.2.1直流電機(jī)的電樞電動勢產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞旋轉(zhuǎn)時,主

4、磁場在電樞繞組中感應(yīng)的電動勢，簡稱為電樞電動勢.大小:nCnapNEea60)(60電動勢常數(shù)為電機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)其中apNCe性質(zhì)性質(zhì): :發(fā)電機(jī):電源電勢(與電樞電流同方向); 電動機(jī):反電勢(與電樞電流反方向).P為極對數(shù)；N為電樞導(dǎo)體總數(shù)；a為并聯(lián)支路對數(shù)產(chǎn)生產(chǎn)生:電樞繞組中有電樞電流流過時,在磁場內(nèi)受電磁力的作用,該力與電樞鐵芯半徑之積稱為電磁轉(zhuǎn)矩.大小:aTaemICIapNT2)(55.92轉(zhuǎn)矩常數(shù)為電機(jī)的其中eTCapNC性質(zhì)性質(zhì): :發(fā)電機(jī):制動(與轉(zhuǎn)速方向相反); 電動機(jī):驅(qū)動(與轉(zhuǎn)速方向相同).2.2.2直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩P為極對數(shù)；N為電樞導(dǎo)體總數(shù)；a為并聯(lián)支路對數(shù)；返回返

5、回2.3直流電機(jī)的換向直流電機(jī)運(yùn)行時，隨著電樞和換向器的旋轉(zhuǎn)，電樞繞組的元件將依次地由一個支路轉(zhuǎn)入另一個支路，元件中的電流將改變方向，這個過程稱為換向。換向的外觀表現(xiàn)是在電刷和換向器間常出現(xiàn)火花，如果火花過大，就會燒壞電刷和換向器，使電機(jī)不能繼續(xù)運(yùn)行。 直流電機(jī)的換向過程直流電機(jī)的換向過程 換向前元件1屬于右邊支路，流過其中的電流i=ia（圖a）；換向后元件1轉(zhuǎn)入左邊支路，元件中的電流i由ia變?yōu)?ia（圖c）。流經(jīng)換向片1的電流i1由2ia減小至零，流經(jīng)換向片2的電流i2由零增至2ia，在換向過程中，i1+i2=2ia不變。 如果i1、i2的變化和換向片與電刷接觸面積的變化成正比，即i1均勻

6、地減小，i2均勻地增大，這種理想的換向稱為直線換向。直線換向時，當(dāng)片1將與電刷脫離前，流經(jīng)片1的電流已趨近于零，所以當(dāng)片1與電刷斷開時，在電刷與換向器之間不會出現(xiàn)火花。實際上，將產(chǎn)生火花，當(dāng)火花超過一定限度時，將影響電機(jī)的正常運(yùn)行，甚至可能燒壞電刷和換向器。改善換向的方法改善換向的方法1、安裝換向極、安裝換向極 2、選擇合適的電刷、選擇合適的電刷 1、安裝換向極、安裝換向極 （1）換向極的安裝位置）換向極的安裝位置：換向極必須安裝在主磁極之間的幾何中性線處。（2）換向極的極性：）換向極的極性：對于發(fā)電機(jī)，換向元件邊即將進(jìn)入的換向極極性應(yīng)與它即將離開的主極極性相反；對于電動機(jī)，換向元件邊即將進(jìn)入

7、的換向極極性應(yīng)與它即將離開的主極極性相同。（3）換向繞組的連接方式：）換向繞組的連接方式：換向繞組與電樞繞組串聯(lián)。 2、選擇合適的電刷、選擇合適的電刷 電機(jī)用電刷的型號規(guī)格很多，其中炭石墨電刷的接觸電阻最大，石墨電刷和電化石墨電刷次之，銅石墨電刷的接觸電阻最小。直流電機(jī)如果選用接觸電阻大的電刷，有利于換向。在使用維修中，欲更換電刷時，必須選用與原來同一牌號的電刷，如果實在配不到相同牌號的電刷，應(yīng)盡量選擇特性與原來接近的電刷，并全部更換。 返回返回2.4.1直流電機(jī)的勵磁方式直流電機(jī)的勵磁方式勵磁繞組獲得電流的方式稱作勵磁方式。直流電機(jī)按勵磁方式的不同，可分為他勵和自勵兩大類。他勵繞他勵繞組由其

8、它直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)組由其它直流電源供電，與電樞繞組之間沒有電的聯(lián)系；系；自勵電機(jī)的勵磁由電機(jī)本身供給。自勵電機(jī)，按勵磁繞組與電樞繞組連接方式的不同，又可分為并勵、串勵和復(fù)勵三種。 2.4直流電機(jī)的基本方程式直流電機(jī)的基本方程式 直流電機(jī)的勵磁方式I-+If他勵I(lǐng)aIIf并勵I(lǐng)=Ia=IfRf串勵I(lǐng)aIIf1復(fù)勵I(lǐng)f2RfRfRf并勵電機(jī)，勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)。他勵和并勵的勵磁電流通常僅為電機(jī)額定電流的1%3%。串勵電機(jī)，勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵磁電流即是電樞電流。復(fù)勵電機(jī)，既有并勵繞組又有串勵繞組，并勵繞組流過的電流小，導(dǎo)線細(xì)，匝數(shù)多；串勵繞組流過的電流大，導(dǎo)線粗，匝

9、數(shù)少。2.4.2直流電機(jī)的損耗直流電機(jī)的損耗直流電機(jī)的損耗按其性質(zhì)可分為機(jī)械損耗、鐵耗、銅耗和附加損耗四種。 1 1.機(jī)械損耗pm 不論是發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，必須先克服摩擦阻力，因此產(chǎn)生機(jī)械損耗。它包括軸與軸承摩擦損耗，電刷與換向器摩擦損耗，以及電樞旋轉(zhuǎn)部分與空氣的摩擦損耗等。這些損耗與轉(zhuǎn)速高低有關(guān)。 2.鐵芯損耗pFe 當(dāng)直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，電樞鐵芯中因磁場反復(fù)變化而產(chǎn)生的磁滯損耗和渦流損耗叫鐵芯損耗。 以上分析的機(jī)械損耗和鐵芯損耗合起來又稱為空載損耗p0。因為這兩種損耗在直流電動機(jī)轉(zhuǎn)起來，但還沒有帶負(fù)載時，已經(jīng)存在了。 Femppp0 3銅耗 當(dāng)直流電機(jī)運(yùn)行時，在電樞回路和勵磁回路

10、中都有電流流過 ，因此在繞組電阻上產(chǎn)生的損耗叫銅耗。 （1）電樞回路銅耗pcua 它包括以下幾項，電樞繞組銅耗；與電樞繞組串聯(lián)的串勵繞組、換向極繞組及補(bǔ)償繞組的銅耗；電刷與換向器的接觸電阻上的銅耗。 （2）勵磁回路的銅耗pcuf 由于勵磁回路的銅耗很小，而且是一個不變的值，一般把它歸入不變損耗范疇。不論發(fā)電機(jī)還是電動機(jī)，電樞電流都隨負(fù)載的變化而變化，因而電機(jī)中的電樞銅耗又叫可變損耗。電機(jī)的機(jī)械損耗和勵磁一定時的鐵耗只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化不大時，由機(jī)械損耗和鐵芯損耗合成的空載損耗是基本不變的，故空載損耗又叫不變損耗。4附加損耗pad 附加損耗又稱雜散損耗，對于直流電機(jī)，這種損耗是由于電樞

11、鐵芯表面有齒槽存在，使氣隙磁通大小脈振和左右搖擺，在鐵芯中引起的鐵損耗和換向電流產(chǎn)生的銅耗等。這些損耗是難以精確計算的，一般約占額定功率的0.0050.01。 1、電動勢平衡方程式 根據(jù)發(fā)電機(jī)的工作原理，在圖中將有關(guān)各物理量按慣例標(biāo)出正方向。 根據(jù)電路基爾霍夫定律可得電樞回路的電動勢平衡方程式：式中 ；I是發(fā)電機(jī)的輸出電流。aaaRIUEfaIII2.4.3直流發(fā)電機(jī)的基本方程式直流發(fā)電機(jī)的基本方程式并勵發(fā)電機(jī)電路圖IaIIfURfad+RfEa)/(pfffRRUI2、功率平衡方程式 P1PcuaPFePemPmPadP2并勵直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖PcufadFemempppPP1ememT

12、PaaaaIEnIapNnIapN606022CuaCufemppPP23、轉(zhuǎn)矩平衡方程式01TTTem2.4.4直流電動機(jī)的基本方程式直流電動機(jī)的基本方程式1電壓平衡方程式電壓平衡方程式fffaaaRIURIEU功率平衡方程式CuaemaaaaaaaaapPPRIIEIRIEPUIUIP1211)(pPppPPpPppPPpppPPCuaemmFeemadmFeem1012022%100%1002212pPPPP3、轉(zhuǎn)矩平衡方程式0TTTLem電磁轉(zhuǎn)矩Tem應(yīng)與電動機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL和電動機(jī)本身的空載轉(zhuǎn)矩T0之和相平衡，才能保持勻速旋轉(zhuǎn) 返回返回2.5.1他勵發(fā)電機(jī)的空載特性1Cn0I)(

13、fIfU 定義：當(dāng) 、 時， 直流發(fā)電機(jī)的空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。 空載時， 。由于 ，因此空載特性實質(zhì)上就是 。由于 正比于 ，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。aEUnCEea)(faIfE aE空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線UfI2.5直流直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性2.5.2直流發(fā)電機(jī)的外特性NnnfNfII )(IfU 定義：當(dāng) 、 時， 外特性曲線如圖所示 由曲線可見，負(fù)載電流增大時，端電壓有所下降。他勵并勵U0U0IaaeRInCU 根據(jù) 可知，端電壓下降有兩個原因：一是在勵磁電流一

14、定情況下，負(fù)載電流增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使每極磁通量減少，使電動勢減少；另一個原因是電樞回路上的電阻壓降隨負(fù)載電流增大而增加，使端電壓下降。2.5.3直流發(fā)電機(jī)的調(diào)節(jié)特性1Cn2CU )(IfIf定義：當(dāng) 、 時， 外特性曲線如圖所示 由曲線可見，在負(fù)載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補(bǔ)償電樞反應(yīng)及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響。fI0I2.5.4 并勵發(fā)電機(jī)的自勵條件和外特性 并勵的勵磁是由發(fā)電機(jī)本身的端電壓提供的，而端電壓是在勵磁電流作用下建立的，這一點與他勵發(fā)電機(jī)不同。并勵發(fā)電機(jī)建立電壓的過程稱為自勵過程，滿足建壓的條件稱為自勵條件。1、自勵條件fI0U10fIA

15、20U3 曲線1為空載特性曲線，曲線2為勵磁回路總電阻 特性曲線，也稱場阻線 。 fffRIUfR 原動機(jī)帶動發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應(yīng)電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生 。如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確， 產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，電動勢增大， 增加。如此不斷增長，直到勵磁繞組兩端電壓與 相等時，達(dá)到穩(wěn)定的平衡工作點A。fIfIfIffRI增大 ，場阻線變?yōu)榍€3時， 稱為臨界電阻 。如圖所示。fRfRcrR若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機(jī)將不能自勵?？梢姡钪绷靼l(fā)電機(jī)的自勵條件有：2、空載特性 并勵發(fā)電機(jī)的空載特性與一般電機(jī)的空載特性一樣，也是

16、磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限。（1）電機(jī)的主磁路有剩磁（3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻（2）并聯(lián)在電樞繞組兩端的勵磁繞組極性要正確3、外特性4、調(diào)節(jié)特性 并勵發(fā)電機(jī)的電樞電流，比起他勵發(fā)電機(jī)僅僅多了一個勵磁電流，所以調(diào)節(jié)特性與他勵發(fā)電機(jī)的相差不大。 對并勵發(fā)電機(jī)，除了像他勵發(fā)電機(jī)存在的電樞反應(yīng)去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三個原因：由于上述兩個原因使端電壓下降，引起勵磁電流減小，端電壓進(jìn)一步下降。并勵發(fā)電機(jī)的外特性與他勵發(fā)電機(jī)相似，也是一條下降曲線。返回返回（1）、轉(zhuǎn)速特性2.6.1他勵（并勵）直流電動機(jī)的工作特性NUU 定義：當(dāng) 、 時，fNII )(aIfn 由方程式可得aeaeNICRCUn 忽略電樞反應(yīng)的去磁作用，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化。如圖所示。（2）、轉(zhuǎn)矩特性NUU 定義：當(dāng) 、 時，fNII )(aemIfT轉(zhuǎn)矩表達(dá)式aNTemICT 考慮電樞反應(yīng)的作用，轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流上升的慢。如圖所示。aIn0n2T0TemTT2.6直流電動機(jī)的工作特性（3）、效率特性NUU 定義：當(dāng) 、 時，fNII )(aIf由方程式可得aNaaIUIRPPPPn20111 空載損耗為不變損耗，不隨負(fù)載電流變化，當(dāng)負(fù)載電流較小時效率較低，輸入功率大部分消耗在空載損耗上；負(fù)載電