電機與拖動 第2章 直流電機的建模與特性(第2部分)

第2章直流電機的建模與特性分析（第2部分）2.7

直流發(fā)電機的運行特性及自勵建壓過程A、直流發(fā)電機的運行特性1、空載特性定義：在、條件下，正負電刷之間的空載端電壓與勵磁電流之間的關系曲線，即為空載特性。圖2.17他勵直流發(fā)電機的空載特性2、外特性定義：在、條件下，端部輸出電壓與輸出電流之間的關系曲線，即為外特性。對于他勵直流發(fā)電機，外特性可通過電壓方程式（2-27）獲得：（3-37）空載時空載特性實質(zhì)上就是。所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。圖2.33各種勵磁方式下直流發(fā)電機的外特性1--—積復勵2—他勵3—并勵結論:

對他勵直流電動機，影響端部電壓隨負載增加而下降的因素：負載電流增加，電阻壓降增加；電樞反應的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應電勢下降。

定義:電壓變化率

：在，的條件下，（2-38）式中，為直流發(fā)電機的空載端電壓。圖2.33中，顯然，并勵直流發(fā)電機的電壓變化率大于他勵直流發(fā)電機。主要原因為：負載電流增加，電阻壓降增加；電樞反應的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應電勢下降；隨著電樞電壓下降，勵磁電流減少，引起每極磁通和相應感應電勢的進一步下降；3、調(diào)節(jié)特性定義：在、條件下，負載輸出電流與勵磁電流之間的關系曲線,即為調(diào)節(jié)特性。圖2.34他勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性

由曲線可見，在負載電流變化時，若保持端電壓不變，必須改變勵磁電流，補償電樞反應及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響.4、效率特性定義：

電機的效率定義為輸出功率與輸入功率之比，即：（2-39）式中，總損耗為：（2-40）其中，不變損耗即空載損耗為：

?？勺儞p耗為：典型直流發(fā)電機的效率曲線如圖2.35所示。圖2.35典型直流發(fā)電機的效率曲線B、并勵與復勵直流發(fā)電機空載電壓的建立定義：并勵或復勵直流發(fā)電機空載電壓的建立過程又稱為發(fā)電機的自勵過程。

圖2.36a為并勵直流發(fā)電機的接線圖。圖2.36b給出了并勵直流發(fā)電機建壓過程的曲線解釋。當負載較小時，Ia也較小，此時發(fā)電機的損耗是以不變損耗為主，但因輸出功率小而效率低；隨著負載增加，P2增大而效率上升，當可變損耗與不變損耗相等時效率達到最大值；此后，若繼續(xù)增加負載，可變損耗將隨著Ia增大而成為損耗的主要部分，效率又逐漸下降。圖2.36并勵直流發(fā)電機的自勵建壓過程圖2.36b中，曲線1代表直流發(fā)電機的空載曲線：；曲線2為勵磁回路的伏-安特性，又稱為磁場電阻線，其表達式為：；曲線3為臨界磁場電阻線，其對應的臨界電阻為：。

原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢。在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生。

原動機帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)時，如果主磁極有剩磁，則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢。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，勵磁電流產(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，直到勵磁繞組兩端的電壓與相等，達到穩(wěn)定的平衡工作點A。并勵（或復勵）直流發(fā)電機自勵建壓需滿足下列三個條件：電機主磁路須有剩磁。勵磁回路與電樞回路的接線須正確配合。勵磁回路的總電阻不能超過臨界電阻值。增大,場阻線變?yōu)榍€3時，稱為臨界電阻。若再增加勵磁回路電阻，發(fā)電機將不能自勵。2.8他勵直流電動機的運行特性2.8.1他勵直流電動機的工作特性定義：直流電動機的工作特性定義為：，，且電樞回路無外接電阻條件下，或的關系曲線。

A、轉(zhuǎn)速特性

定義：在，條件下，轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關系曲線：定義為轉(zhuǎn)速特性。將電勢平衡方程式（2-23）代入電勢表達式（2-13）即可獲得轉(zhuǎn)速特性為：（2-41）其中，為理想空載轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)速特性的斜率。根據(jù)上式繪出轉(zhuǎn)速特性曲線如圖2.37所示。圖2.37并勵直流電動機的工作特性結論：隨著負載的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的因素有兩個：（1）電樞的電阻壓降；（2）電樞反應的去磁作用。

通常，直流電動機的轉(zhuǎn)速變化用轉(zhuǎn)速變化率來描述。轉(zhuǎn)速變化率定義為：空載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值占額定轉(zhuǎn)速的百分比，即：（2-42）結論：在運行過程中，他勵直流電動機不能失磁亦即勵磁繞組不能開路，否則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成所謂的“飛車”現(xiàn)象。B、轉(zhuǎn)矩特性定義：在，條件下，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關系曲線：即為轉(zhuǎn)矩特性。由轉(zhuǎn)矩表達式（2-16）得轉(zhuǎn)矩特性為：（2-43）式中，根據(jù)上式繪出轉(zhuǎn)矩特性如圖2.37所示（見前面）。C、效率特性其定義和計算過程與直流發(fā)電機基本相同，見圖2.37。例2-1一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為：PN=10kW，UN=220V，IN=53.2A，nn=1000r/min，包括電刷接觸電阻在內(nèi)的電樞回路的總電阻Ra=0.393Ω

，保持額定負載轉(zhuǎn)矩不變，且不計電感的影響與電樞反應。（1）若電樞回路中突然串入RΩ=1.5Ω的電阻，試計算：電阻接入瞬間的電樞電流（假定定子與負載的慣量很大）以及進入新穩(wěn)態(tài)后的電樞電流與轉(zhuǎn)速。（2）若僅在勵磁回路中串電阻，使磁通減少15%，試計算磁通突然減少時瞬間的電樞電流以及進入新穩(wěn)態(tài)后的電樞電流與轉(zhuǎn)速。(1)電樞電勢與額定運行時數(shù)值相同EaN=UN-IaNRa=220-53.2*0.393=199.1v電樞電流的瞬時值：Ia=（UN-EaN)/(Ra+RΩ)進入穩(wěn)態(tài)后，Ia保持不變，電樞電勢為：Ea（1）=UN-IaN（Ra+RΩ)=119.3V(2)轉(zhuǎn)速不變，電樞電勢隨磁通正比減少Ea（2）=EaN*Φ(2）/ΦN=169.24VIa（2）=(UN-Ea（2）)/Ra=129.16A進入穩(wěn)態(tài)后，負載轉(zhuǎn)矩保持不變Ia（3）=(IaN*ΦN）/Φ(3）

=62.6A新的穩(wěn)態(tài)電勢Ea（3）=UN-Ia（3）Ra=195.4Vn(3)=Ea（3）*Φ*nN/(EaN*Φ(3））=1155r/min【例2-1】

一臺額定功率的并勵直流發(fā)電機，它的額定電壓,額定轉(zhuǎn)速，電樞回路總電阻，勵磁回路總電阻。已知機械損耗和鐵損耗，求額定負載情況下各繞組的銅損耗、電磁功率、總損耗、輸入功率及效率（計算過程中，令，附加損耗）。解：先計算額定電流勵磁電流電樞繞組電流電樞回路銅損耗總損耗輸入功率效率勵磁回路銅損耗電磁功率2.8.2他勵直流電動機的機械特性定義：在，，且電樞回路未串任何電阻條件下，的關系曲線定義為機械特性。

根據(jù)直流電動機的基本關系式：，，以及得他勵直流電動機的機械特性為：（2-44）圖2.38他勵直流電動機的機械特性圖2.38他勵直流電動機的機械特性圖2.38他勵直流電動機的機械特性由圖2.38可見，隨著轉(zhuǎn)矩的增大，電機轉(zhuǎn)速有所下降。故此，機械特性可進一步表示為：（2-45）其中，轉(zhuǎn)速降。越小，轉(zhuǎn)速變化越小，稱電動機具有較硬的機械特性；反之，稱電動機具有較軟的機械特性。圖2.38中，需注意：電機的理想空載轉(zhuǎn)速與實際空載轉(zhuǎn)速的區(qū)別；重載時由于電樞反應的去磁作用造成機械特性的上翹。

2.8.3他勵直流電動機的人工機械特性定義:

在額定電壓、額定勵磁且電樞回路未串任何電阻條件下的機械特性又稱為固有（或自然）機械特性。而把通過人工改變控制量或參數(shù)所獲得的機械特性稱為人工機械特性。A、電樞回路外串電阻的人工機械特性當，時，電樞回路的總電阻為（即電樞回路的外串電阻為）時，利用類似于式（2-44）的推導，得他勵直流電動機的人工機械特性為：（2-46）圖2.39他勵直流電動機電樞回路串電阻時的人工機械特性B、改變外加電樞電壓的人工機械特性當，時，僅改變電樞電壓時的人工機械特性由下式給出：（2-47）圖2.40他勵直流電動機改變電樞電壓的人工機械特性C、弱磁時的人工機械特性當，時，僅改變勵磁時的人工機械特性為：（2-48）為了方便于起見，先繪出弱磁時的轉(zhuǎn)速特性，然后在再繪出相應的人工機械特性。于是有：（2-49）根據(jù)上式，繪出弱磁條件下的轉(zhuǎn)速特性如圖2.41a所示。圖中，為起動電流（對應于）。又根據(jù)，得弱磁條件下的人工機械特性如圖2.41b所示。(a)轉(zhuǎn)速特性(b)機械特性圖2.41他勵直流電動機弱磁時的人工機械特性D、機械特性的人工繪制根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)，便可以繪制他勵直流電動機的固有機械特性。具體方法是：（1）求出理想空載點；（2）求出額定運行點。通過上述兩點繪制直線即可獲得固有機械特性。對于理想空載轉(zhuǎn)速：，其中，（2-50）式中，電樞回路的總電阻可根據(jù)下式估算：（2-51）對于額定運行點處的額定轉(zhuǎn)矩，可由下式給出：同樣的方法可求出控制參數(shù)改變后的人工機械特性。2.9串勵直流電動機的機械特性2.9.1串勵直流電動機的固有機械特性圖2.43串勵直流電動機的接線圖串勵直流電動機的電路接線如圖2.43所示，其特點是：。機械特性的表達式如他勵直流電動機基本相同，即：當負載較輕、磁路未飽和時，由式（2-18）得：。于是：（2-54）則機械特性變?yōu)椋海?-56）根據(jù)式（2-56）并結合上述結論，得串勵直流電動機的固有機械特性曲線如圖2.44所示。圖2.44串勵直流電動機的機械特性值得一提的是：當負載較輕時，由式（2-56）可見，隨著，轉(zhuǎn)速。結論：串勵直流電動機不允許輕載或空載運行。

當負載較重、磁路飽和時，Φ近似不變。此時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加線性下降。2.9.1串勵直流電動機的人工機械特性通過改變下列控制參數(shù)和控制量便可獲得各種情況下的人工機械特性：

電樞回路串電阻；降低電源