第2章 直流電機的運行原理

1、河南科技學院機電學院第第 2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理2.1 電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動系統(tǒng)的基本概念2.2 直流電動機的基本平衡方程式直流電動機的基本平衡方程式2.3 直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性2.4 直流電直流電動動機的機械特性機的機械特性2.5 直流串勵電動機直流串勵電動機2.1 電力拖動系統(tǒng)的基本概念電力拖動系統(tǒng)的基本概念2.2 直流電動機的基本平衡方程式直流電動機的基本平衡方程式2.3 直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性2.4 直流電直流電動動機的機械特性機的機械特性2.5 直流串勵電動機直流串勵電動機電機拖動電機拖動2.6 直流發(fā)電機直流發(fā)

2、電機2.6 直流發(fā)電機直流發(fā)電機2.7 電機放大機電機放大機2.7 電機放大機電機放大機 2.1 2.1 直流電機的基本概念直流電機的基本概念 電力拖動系統(tǒng):電動機作為原動機，拖動生產(chǎn)機械完成一定生產(chǎn)任務的系統(tǒng)。電力拖動系統(tǒng)由電動機、生產(chǎn)機械、傳動機構、控制設備及電源組成。 2.1.12.1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式電力拖動系統(tǒng)的運動方程式 1.1.運動方程式運動方程式 (1)直線運動方程式 式中F為電動機產(chǎn)生的拖動力；FL為系統(tǒng)阻力； 為慣性力。第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理河南科技學院機電學院dtdvmFFLdtdvm (2)旋轉運動方程式T為電動機電磁轉矩；TL為負

3、載阻轉矩，或稱負載轉矩；J為運動系統(tǒng)的轉動慣量 ，單位 , 為慣性轉矩。運動方程式: dtdJTTLdtdJgGDmJ422dtdnGDTTL37522mkg第第 2 2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理 2.1.1 2.1.1 電力拖動系統(tǒng)的運動方程電力拖動系統(tǒng)的運動方程式式 河南科技學院機電學院 2. 2. 電動機工作狀態(tài)的判斷電動機工作狀態(tài)的判斷 (1) (1)當 時，則n=0或n=常值，電力拖動系統(tǒng)處于靜止或穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，即拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)； (2)當 時，電力拖動系統(tǒng)處于起動或調(diào)速時的升速運行狀態(tài)，即過渡過程的升速過程； (3)當 時，電力拖動系統(tǒng)處于停車或調(diào)速時的減速

4、運行狀態(tài)，即過渡過程的減速過程。03752dtdnGDTTL03752dtdnGDTTL03752dtdnGDTTL 2.1.2 2.1.2 生產(chǎn)機械的負載轉矩特性生產(chǎn)機械的負載轉矩特性 含義：生產(chǎn)機械的轉速與負載轉矩之間的關系。包括恒轉矩負載、恒功率負載 、通風機類負載（泵類負載）三種。 1.1.恒轉矩負載恒轉矩負載 指生產(chǎn)機械的負載轉矩的大小不隨轉速變化而改變的負載。 （1）反抗性恒轉矩負載； （2）位能性恒轉矩負載。 2.2.恒功率負載恒功率負載 當轉速變化時，負載從電動機吸收的功率為恒定值。 3.3.通風機類負載（泵類負載）通風機類負載（泵類負載） 是負載轉矩的大小與轉速n的平方成正比

5、 。河南科技學院機電學院圖2.1反抗性恒轉矩負載特性 圖2.2位能性恒轉矩負載特性LLLL226060nPTTTn常數(shù) 圖2.3恒功率負載特性曲線 圖2.4通風機負載特性曲線2LTKn第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理河南科技學院機電學院 2.22.2直流電動機的基本平衡方程式直流電動機的基本平衡方程式 電壓平衡方程式、功率平衡方程式、轉矩平衡方程式。2.2.12.2.1電壓平衡方程式電壓平衡方程式1.1.瞬態(tài)運行平衡方程式瞬態(tài)運行平衡方程式 Ra為電樞回路繞組的電阻和電刷與換向器接觸電阻之和。2.2.穩(wěn)態(tài)運行平衡方程式穩(wěn)態(tài)運行平衡方程式2.2.22.2.2功率平衡方程式功率平

6、衡方程式1.1.機械損耗機械損耗P Pm m (1)軸承損耗；(2)電刷摩擦損耗；(3)通風損耗；(4)周邊風阻損耗。2.2.鐵耗鐵耗P PFeFe (3)磁滯損耗、 (3)渦流損耗。3.3.電阻損耗電阻損耗P Pcucu (1)勵磁損耗 可忽略；(2)銅損耗 ；(3)電刷接觸損耗 。則4.4.雜散損耗雜散損耗P P (1)齒槽損耗;(2)電樞反應損耗。5.5.電磁功率（轉換功率）電磁功率（轉換功率）P PMaaMEIP第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理dtdiLERIUaaaaaaaERIU2fffffpU II RaacuarIp2bs a2pu I aabcuaacuRI

7、pppp2圖2.5 直流他勵電動機河南科技學院機電學院6.6.直流電動機的軸上的凈輸出功率（有效負載）直流電動機的軸上的凈輸出功率（有效負載）P P2 2 7.7.直流電動機的功率平衡關系直流電動機的功率平衡關系 (1)電源輸入的電功率P P1 1 電樞回路： 忽略勵磁損耗 (2)功率平衡平衡方程式 (3)功率流程如圖2.6所示。2.2.3 2.2.3 轉矩平衡方程式轉矩平衡方程式 根據(jù)理論力學轉矩的定義 。則 , , ,T2軸上凈輸出轉矩，T0由機械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的空載轉矩。 圖圖2.6 2.6 功率流程圖功率流程圖第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理)(2mFe

8、MpppPPaaaaaaaaaEIRIERIIUIp21)(11pP pPPppppPPpPmbaMcu2211TP 20TTTaaMa2E IPpNTIa22PTmFe0pppT河南科技學院機電學院2,()n Tf P)(,aIfTnnnICRCUnaeaeN0圖圖2.72.7他勵電動機的工作特性他勵電動機的工作特性aTICTUIPRIPPpPPPaaaoa0211121 2.3 2.3 直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性 以他勵直流電動機為例，工作特性是在端電壓額定，勵磁電流額定，電樞回路不串加電阻的條件下轉速、電磁轉矩、效率隨輸出功率變化的關系。 實際上工作特性常常討論的是 。 2

9、.3.1 2.3.1 轉速特性轉速特性2.3.2 2.3.2 轉矩特性轉矩特性2.3.3 2.3.3 效率特性效率特性1.1.不變損耗（空載損耗）不變損耗（空載損耗）p02.2.可變損耗（銅耗可變損耗（銅耗）pa3.3.效率效率 令： ，則當不變損耗與可變損耗相等時效率最大當不變損耗與可變損耗相等時效率最大。這一結論適合于直流發(fā)電機、變壓器、交流電機。第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理n0:理想空載轉速。0adId河南科技學院機電學院 2.4 2.4 直流電動機的機械特性直流電動機的機械特性 機械特性是指電動機的轉速與其轉矩(電磁轉矩)之間的關系。即n=f(T)曲線。2.4.1

10、2.4.1機械特性方程式機械特性方程式 根據(jù)工作特性方程式 及電磁轉矩公式 ，可得 ，也可寫成 。式中為機械特性硬度; 大，硬度小，運行穩(wěn)定性差，反之則穩(wěn)定性好。2.4.22.4.2固有機械特性固有機械特性 當直流他勵電動機端電壓額定，磁通額定，電樞回路附加電阻為零時的機械特性稱為固有機械特性。1.1.固有機械特性曲線固有機械特性曲線2.2.固有機械特性特點固有機械特性特點 (1)對任何一直流電動機，固有機械特性只有一條； (2)特性曲線斜率小較小，特性較平坦，屬硬特性。當磁通隨負載及電樞電流增加而減少時，會使轉速趨向上升，稱為上翹特性。 圖圖2.82.8直流他勵電動機的機械特性直流他勵電動機

11、的機械特性第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理nnICRCUnaeaeN0aTICTa2eeTRUnTCC C00nnTnn 河南科技學院機電學院圖2.9 電樞串接電阻時的人為機械特性 2.4.3 2.4.3 直流電動機的人為機械特性直流電動機的人為機械特性 將固有機械特性方程式 的U、Ra、 三個參數(shù)中的兩個參數(shù)保持不變，人為地改變另一個參數(shù)，可得三種不同的人為機械特性。 1.1.電樞串接電阻時的人為機械特性電樞串接電阻時的人為機械特性 電樞串接電阻時的人為機械特性與固有機械特性相比，具有如下一些特點： (1)理想空載轉速與固有特性時相同，且不隨串接電阻的變化而變化； (2)變

12、化電樞串接電阻，可獲得不同斜率的射線族； (3)隨著的加大，特性的斜率增加，轉速降落加大，特性變軟，穩(wěn)定性變差。 第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理a2eeTRUnTCC CTCCRRCUnTeKaNeN2河南科技學院機電學院2.2.電源電壓改變時的人為機械特性電源電壓改變時的人為機械特性 電源電壓改變，一般是將額定電壓向下改變，而不能向上調(diào)，這是由電機的耐壓決定的。 a2eeTRUnTCC C圖圖2.10 2.10 電源電壓改變時的人為機械特性電源電壓改變時的人為機械特性1 1 ;2-;2- ;3;3 NUU1UU 電源電壓改變時的人為機械特性的特點： (1)理想空載轉速n0

13、發(fā)生變化，隨電源電壓的而降低； (2)由于RK=0，特性斜率不變，機械特性由一組平行線所組成； (3)特性斜率不變，轉速降落n不變，因此其特性較串聯(lián)電阻時硬。2UU第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理河南科技學院機電學院圖圖2.11 減弱磁通的人為機械特性曲線減弱磁通的人為機械特性曲線 3.3.改變主磁通時的人為機械特性改變主磁通時的人為機械特性 正常運行時，在額定磁通下工作，即磁路已接近飽和，所以改變主磁通只能是減弱磁通。 減弱磁通時的人為機械特性的特點: (1)理想空載轉速n0與磁通成反比，即當下降時，n0上升； (2)不同的磁通，所得的機械特性曲線斜率不同； (3)磁通下降

14、，特性斜率上升，且與的平方成反比，特性情況下變軟； (4)一般情況下下降，n上升，但負載過大速度n反而會下降。2.4.4 2.4.4 機械特性的計算與繪制機械特性的計算與繪制請同學們自行分析1第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理a2eeTRUnTCC C河南科技學院機電學院2.4.5 2.4.5 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 所謂電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行,是指系統(tǒng)在擾動作用下離開原來得平衡狀態(tài)，仍能在新的運行條件下達到新的平衡，或者在擾動消失后，能夠回到原來的平衡狀態(tài)。1.1.穩(wěn)定運行的要求穩(wěn)定運行的要求 系統(tǒng)在擾動作用下能達到新的平衡，擾動消失后能夠回到原平

15、衡狀態(tài)。2.2.穩(wěn)定運行的分析穩(wěn)定運行的分析3.3.穩(wěn)定運行的條件穩(wěn)定運行的條件 (1)必要條件：電機機械特性與負特性須有交點,即存在載轉矩T=TL； (3)充分條件：在交點處，滿 足 或者說在交點以上的轉速部分滿足TTL。（a）穩(wěn)定運行工作點（b）不穩(wěn)定運行工作點 。 圖2.12 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的工作點第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理dndTdndTL 2.5 2.5 直流串勵電動機直流串勵電動機2.5.12.5.1直流串勵電動機的接線與特點直流串勵電動機的接線與特點 接線如圖2.13，特點：勵磁繞組串入電樞回路。 河南科技學院機電學院圖2.13直流串勵電動機的接線圖

16、 KCRRRKICUnefKaaeN圖2.14串勵電動機的轉矩和轉速特性圖2.15 串勵電動機的機械特性第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理2.5.32.5.3串勵電動機機械特性串勵電動機機械特性1.1.空載或輕載運行空載或輕載運行 (1)特性軟;(2)易“飛車”。2.2.負載運行負載運行 負載較大時，由于磁路已飽和，每極磁通變化不大。其特性與他（并）勵電動機的機械特性基本相似。2.5.2 2.5.2 串勵電動機的工作特性串勵電動機的工作特性1.1.轉速特性轉速特性 (1)空載或輕載運行特性方程 (2)負載特性如圖2.14A點右邊。2.2.轉矩特性轉矩特性 圖2.14A點左邊。

17、3.3.效率特性效率特性2TaTaTCIC KI河南科技學院機電學院圖2.16 直流他勵發(fā)電機的接線圖 2.6 2.6 直流發(fā)電機直流發(fā)電機2.6.12.6.1直流他勵發(fā)電機直流他勵發(fā)電機1.1.直流他勵發(fā)電機的接線圖直流他勵發(fā)電機的接線圖 (1)在電壓與反電動勢的形式上，直流他勵發(fā)電機與直流他勵電動機相同； (2)電樞回路的電流，直流他勵發(fā)電機與直流他勵電動機方向相反； (3)在直流他勵發(fā)電機中，電磁轉矩為阻轉矩，原動機的機械轉矩為拖動轉矩；直流他勵電動機，電磁轉矩為拖動轉矩，機械轉矩（主要是負載轉矩）為阻轉矩，方向上二者相反。 2.2.電壓平衡方程式電壓平衡方程式2.6.2 2.6.2 直

18、流他勵發(fā)電機的特性直流他勵發(fā)電機的特性1.1.空載特性空載特性 符合磁化特性 aaaRIEU)(feaIKKnCEU圖2.17 直流他勵發(fā)電機空載特性第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理 2.6.2 2.6.2 直流直流他他勵發(fā)電機的特性勵發(fā)電機的特性河南科技學院機電學院2.2.外特性外特性 他勵發(fā)電機電樞電流變化引起端電壓變化的關系。 (1)電樞電阻（內(nèi)阻）的影響； (2)電樞反應的影響。3.3.調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性 保持端電壓基本不變，根據(jù)負載變化,適當調(diào)節(jié)勵磁電流即 (1)減小電樞電阻（內(nèi)阻）； (2)減小電樞反應的影響采用自動

19、控制，隨著負載電流的增大，勵磁電流也應略微增大，以確保端電壓基本不變或降壓較小。4.4.應用應用 他勵發(fā)電機的電壓變化率很小，且其勵磁電流能在相當大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因此，他勵方式適用于需要大幅度調(diào)壓的大型發(fā)電機。工業(yè)上應用的624V的低壓直流發(fā)電機和超過600V的高壓直流發(fā)電機也采用他勵。2.18直流他勵發(fā)電機外特性 )(afIfI圖2.19直流他勵發(fā)電機調(diào)節(jié)特性 aaaRIEU河南科技學院機電學院圖2.20 直流并勵發(fā)電機的接線圖 圖2.21并勵發(fā)電機的自勵發(fā)電特性1空載特性 2勵磁電阻線 3臨界電阻線2.6.3 2.6.3 直流并勵發(fā)電機直流并勵發(fā)電機1.1.直流并勵發(fā)電機的接線圖直流并勵發(fā)

20、電機的接線圖2.2.空載特性空載特性3.3.并勵直流發(fā)電機發(fā)電的條件并勵直流發(fā)電機發(fā)電的條件 (1)并勵發(fā)電機內(nèi)部必須有一定的剩磁,若剩磁較弱，可采用激磁； (2)勵磁繞組接線極性要正確； (3)勵磁電阻RL小于或等于臨界電阻RfLj。2.6.4 2.6.4 直流并勵發(fā)電機的負載運行直流并勵發(fā)電機的負載運行1.1.并勵發(fā)電機外特性并勵發(fā)電機外特性 特性如圖2.22曲線3（2號為他勵曲線）。2.2.影響端電壓下降的因素影響端電壓下降的因素 (1)電樞電阻（內(nèi)阻）的影響； (2)電樞反應的影響； (3)勵磁繞組并接方式的影響。 復勵發(fā)電機的串勵磁通勢與并勵磁通勢方向一致為積復勵，曲線1較好。 圖2

21、.22 直流發(fā)電機空載特性第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理河南科技學院機電學院 2.7 2.7 電機放大機電機放大機 電機放大機又稱為交磁擴大機。它實際上是一臺二級直流發(fā)電機。 2.7.1 2.7.1 電機放大機的工作原理電機放大機的工作原理 控制繞組加控制電壓UK產(chǎn)生磁通K，電樞繞組切割K產(chǎn)生感應電動勢Eq，約幾伏，如圖2.23中電樞外表面所標的和。電刷1、2稱交軸電刷，短接后電樞繞組中會產(chǎn)生較大的電流Iq，電樞產(chǎn)生磁通q，方向如圖2.23。電樞另一繞組又切割磁通q，產(chǎn)生電動勢Ed，方向如圖2.23中電樞內(nèi)表面所標的和表示。電刷3、4稱為直軸電刷，直軸電刷對外輸出，可得輸出

22、電壓Ud。 控制電壓Uk，勵磁電流Ik一般都不大，而輸出電壓Ud較高，電流較大。較小的輸入功率變化引起了較大輸出功率的變化，這就是功率放大。輸出功率與輸入功率之比稱為功率放大系數(shù)，一般電機放大機放大系數(shù)為20100。因為電機放大機是利用交軸磁通q來放大的，所以，又稱為交磁擴大機，擴大就是放大功率的意思。 電機放大機相當于兩級直流發(fā)電機并且轉速高，氣息小、氣隙小、材料好，因此其功率放大系數(shù)很大，可達100010000，可作為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)元件。若作為直流發(fā)電機的勵磁電壓，則可獲可控的勵磁電流。第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理圖2.23 電機放大機的原理圖 河南科技學院機電學

23、院2.7 2.7 電機放大機電機放大機圖2.24電機放大機定子上各繞組分布2.7.2 2.7.2 電機放大機的結構電機放大機的結構1.1.定子定子 (1)控制繞組：加控制電壓稱控制信號。 (2)補償繞組：Id產(chǎn)生的磁通d對控制繞組中的磁通K有強烈的去磁作用，使電機放大機無法工作。為了抵消磁通d，在大槽和小槽中嵌放補償繞組Nb與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的磁通b和K同方向，抵消d的去磁作用，補償了K的變化。 (3)換向繞組：在直軸方向裝有換向繞組,是因為電機放大機的輸出電流較大，為了改善直軸換向，在中槽內(nèi)嵌放了換向繞組NH，也與電樞繞組串聯(lián)。 (4)交軸助磁繞組:嵌放在中槽內(nèi)串接到交軸兩電刷間，產(chǎn)生的磁

24、通與q同方向，改善了交軸的換向。 (5)去磁繞組：為了減小電機放大機的剩磁和磁滯回線，磁軛上還繞有交流去磁繞組，所加工頻交流電壓為13V。2.2.轉子轉子 電機放大機的轉子（電樞）上有交軸繞組與直軸繞組。第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理河南科技學院機電學院2.7 2.7 電機放大機電機放大機圖2.25 電機放大機的空載特性 2.7.3 2.7.3 電機放大機的特性電機放大機的特性 電機放大機的特性分為空載特性和外特性。1.1.電機放大機的空載特性電機放大機的空載特性 電機放大機不接負載時，由交流電動機拖動到額定轉速，電動勢Ed隨控制繞組的磁勢IkNk變化而變化的特性稱為電機放大機的空載特性。第第2 章章 直流電機的運行原理直流電機的運行原理