電機(jī)與電力拖動(dòng)第3章直流電機(jī)的基本理論

第3章直流電機(jī)的基本理論直流電機(jī)的用途：直流發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為直流電能；直流電動(dòng)機(jī)把直流電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：（1）調(diào)速性能好；（2）起動(dòng)、制動(dòng)轉(zhuǎn)矩大；（3）易于控制。應(yīng)用：（1）調(diào)速范圍大的大型設(shè)備：軋鋼機(jī)、電氣機(jī)車(chē)、無(wú)軌電車(chē)、龍門(mén)刨床等。（2）用蓄電池做電源的設(shè)備：如汽車(chē)、拖拉機(jī)等。（3）家庭：電動(dòng)縫紉機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)玩具。3.1直流電機(jī)的工作原理1直流發(fā)電機(jī)的工作原理（由右圖看基本組成）輸出電壓eeNSAB12FF+-直流發(fā)電機(jī)的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上的。e=Blv;用右手定則判感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的方向;電樞繞組電阻Ra;2直流電動(dòng)機(jī)的工作原理（由下圖說(shuō)組成）直流電動(dòng)機(jī)的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的。f=Bli;用左手定則判電磁力f的方向：由左手定則，通電線圈在磁場(chǎng)力的作用下，使線圈逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)E+–NS電刷換向片IaIaAB12電樞線圈注意：換向片和線圈固定聯(lián)接，線圈無(wú)論怎樣轉(zhuǎn)動(dòng)，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。3.2直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和額定值3.2.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)：由兩部分構(gòu)成1.額定電壓UN

指輸出電壓或輸入電壓的額定值（線電壓）。2.額定電流IN

指輸出電流或輸入電流的額定值（線電流）。3.額定功率PN

發(fā)電機(jī)的PN

：指輸出電功率的額定值(UNIN)

。電動(dòng)機(jī)的PN

：指輸出機(jī)械功率的額定值(UNINηN)

。4.額定轉(zhuǎn)速nN5.額定狀態(tài)：指U、I、P、n均為額定值的狀態(tài)。6滿載狀態(tài)：指I=IN的狀態(tài)。3.2.2直流電機(jī)的額定值3.4直流電機(jī)的電樞繞組（了解）1直流電機(jī)的電樞繞組的5種形式：?jiǎn)委B繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組。2直流電機(jī)中實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的耦合介質(zhì)：氣隙磁場(chǎng)3直流電機(jī)利用氣隙磁場(chǎng)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的兩個(gè)要素：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩3.4直流電機(jī)的磁場(chǎng)他勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組的電源分開(kāi)。并勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)到同一電源上。串勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵(lì)電機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M并勵(lì)UIfM串勵(lì)UM復(fù)勵(lì)U3.4.1、直流電機(jī)的勵(lì)磁方式（電樞與繞組的連接關(guān)系）M他勵(lì)UfIfIaU3.4.2、直流電機(jī)的空載磁場(chǎng)（了解）3.4.3、直流電機(jī)的負(fù)載磁場(chǎng)和電樞反應(yīng)（了解）電樞反應(yīng)：電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁極磁場(chǎng)所產(chǎn)生的影響。電樞反應(yīng)的結(jié)果：（1）氣隙磁場(chǎng)的分布發(fā)生畸變；（2）每極磁通量下降；3.5直流電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩（重點(diǎn)）3.5.1電樞繞組的電動(dòng)勢(shì)（計(jì)算公式）

3.5.2電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩（計(jì)算公式）題:一臺(tái)直流發(fā)電機(jī)，2p=4（單波繞組），電樞繞組的元件數(shù)S=162，每個(gè)元件匝數(shù)Wa=2，每極磁通?=5.1×10-3Wb，轉(zhuǎn)速n=1450r/min,試求：電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea。

解：由于單波繞組支路，所以a=1，總導(dǎo)體數(shù)N=2SWa=648，方向：在發(fā)電機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電樞電流的方向相同；在電動(dòng)機(jī)中，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向與電樞電流的方向相反；在發(fā)電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；在電動(dòng)機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；3.6直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式和工作特性（重點(diǎn))3.6.1直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式（電壓、轉(zhuǎn)矩、功率）1電壓平衡方程式2轉(zhuǎn)矩平衡方程式EaMIf+U

－+U

－Ia勵(lì)磁電路：U

=Rf

If電樞電路：U=Ea+Ra

IaU：端電壓；Ea

：電樞電動(dòng)勢(shì)；Ra

：電樞回路電阻；Rf

：勵(lì)磁回路電阻；U>Ea時(shí)：電動(dòng)機(jī)；U<Ea時(shí)：發(fā)電機(jī)；T＝T0+TLT：電磁轉(zhuǎn)矩（拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩）；T0：電動(dòng)機(jī)空載損耗轉(zhuǎn)矩（制動(dòng)轉(zhuǎn)矩）；TL

：電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩（制動(dòng)轉(zhuǎn)矩）；P1PMP2pCuP0＝pFe+pm+ps功率角速度轉(zhuǎn)矩3功率平衡方程式M他勵(lì)UfIfIaU

M串勵(lì)U

M復(fù)勵(lì)U

M并勵(lì)UIf

題1：已知一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的數(shù)據(jù)為PN＝75kW，UN＝220V，IN＝383A，nN＝1500r/min,電樞回路總電阻Ra＝0.0192Ω，忽略磁路飽和的影響。求額定運(yùn)行時(shí)：（1）電磁轉(zhuǎn)矩；（2）輸出轉(zhuǎn)矩；（3）輸入功率；（4）效率。解：電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為：Ea＝UN－INRa＝220-383×0.0192＝212.646V電磁功率為：PM＝EaIN＝212.646×383＝81443W電磁轉(zhuǎn)矩為：T＝PM/Ω＝9.55PM/n＝9.55×(81443/1500)＝518.5N·m輸出轉(zhuǎn)矩為：T2＝PN/Ω＝9.55PN/n＝9.55×(75000/1500)＝477.5N·m輸入功率為：P1＝UIN

＝220×383＝84260W效率為：η＝P2/P1＝75000/84260＝89%3.6.2直流電動(dòng)機(jī)的工作特性當(dāng)電樞電壓為額定電壓U=UN,電樞回路中無(wú)外加電阻，勵(lì)磁電流為額定勵(lì)磁電流時(shí),電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率隨電樞電流Ia而變化的關(guān)系,稱為直流電動(dòng)機(jī)的工作特性。（2）轉(zhuǎn)矩特性（3）效率特性1、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性（特點(diǎn)：I=Ia+If,U=Ea+IaRa）（1）轉(zhuǎn)速特性（電動(dòng)勢(shì)公式、電壓平衡方程式）2、串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性串勵(lì)UIf+_IaMEaRaRf（特點(diǎn)：I=Ia=If;U=Ea+Uf;）(1)轉(zhuǎn)速特性（2）轉(zhuǎn)矩特性（3）效率特性（2）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組可否允許開(kāi)路運(yùn)行？為什么？（3）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)可否允許空載運(yùn)行？為什么？不允許?？蛰d或負(fù)載很小時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速將很高，實(shí)際可能達(dá)到危險(xiǎn)的高速（“飛速”），它將導(dǎo)致電樞損壞。（1）與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)相比，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：對(duì)于相同的轉(zhuǎn)矩變化量，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電樞電流變化量小；對(duì)于允許最大的電樞電流，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)可以產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩。不能。當(dāng)勵(lì)磁繞組開(kāi)路后，電樞繞組上不再產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì),電阻很小.整個(gè)電路就相當(dāng)于電源和電樞線圈直接行成一個(gè)通路了。燒斷電樞（轉(zhuǎn)子）甚至燒毀電源。3.復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性積復(fù)勵(lì)、差復(fù)勵(lì)。(1)有較大的Tst。(2)可以空載運(yùn)行。機(jī)械特性MIaIf+U－I3.7他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程式（重點(diǎn)）解：（1）（2）理想空載轉(zhuǎn)速為額定輸出轉(zhuǎn)矩為空載轉(zhuǎn)矩為空載電流為實(shí)際空載轉(zhuǎn)速為（3）題2：一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的額定數(shù)據(jù)為PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min，IN＝92A，電樞繞組的電阻Ra＝0.2Ω，電刷壓降2△Ub＝2V。試計(jì)算：（1）電動(dòng)機(jī)的額定電磁轉(zhuǎn)矩。（2）理想空載轉(zhuǎn)速和實(shí)際空載轉(zhuǎn)速。（3）電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩保持為額定值不變，在電樞回路中串入0.3Ω電阻，求電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。+Ua－GIf+Uf－EIa3.8直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式和工作特性（勵(lì)磁方式）3.8.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式1.電壓平衡方程式2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式3.功率平衡方程式（公式計(jì)算法、關(guān)系推算法）P1Pm+PsPFePMPCuP2

輸入的機(jī)械轉(zhuǎn)矩T1=空載轉(zhuǎn)矩T0+電磁轉(zhuǎn)矩T題3：一臺(tái)四極復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)為PN＝6kW，UN＝220V，nN＝1450r/min，電樞繞組的電阻Ra75℃＝0.92Ω，并勵(lì)回路電阻Rf75℃＝177Ω，電刷壓降2△Ub＝2V，空載損耗P0＝pFe+pm+ps＝355W。試求額定負(fù)載下的電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩及效率。解：電磁轉(zhuǎn)矩為額定負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的輸入功率為效率為3.8.2直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行分析并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程和自勵(lì)條件1自勵(lì)過(guò)程：并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過(guò)程。2、自勵(lì)條件：滿足建壓的條件。1234電機(jī)有剩磁，極性正確→氣隙磁場(chǎng)得到加強(qiáng)→電樞繞組電勢(shì)增加→勵(lì)磁電流增加→經(jīng)不斷反復(fù)→電機(jī)端電壓建立起來(lái)。1）電機(jī)必須有剩磁。

2）勵(lì)磁繞組與與電樞并聯(lián)的極性正確。3）勵(lì)磁回路的電阻小于（與電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下相對(duì)應(yīng)的）臨界電阻。思考題1-7（成信PPT上的題目）：1、在直流電機(jī)中，換向器起什么作用？在直流發(fā)電機(jī)中，換向器起整流的作用；在直流電動(dòng)機(jī)中，換向器起逆變的作用；2、在下列情況下，直流發(fā)電機(jī)電刷兩端電壓的性質(zhì)？1)、磁極固定，電刷與電樞同時(shí)旋轉(zhuǎn)。2)、電樞固定，電刷與磁極同時(shí)旋轉(zhuǎn)。1）交流。電刷與電樞間相對(duì)靜止，電刷兩端的電壓性質(zhì)與電樞的相同。

2）直流。電刷與磁極間相對(duì)靜止，電刷總是引出某一極性下的電樞電壓，而電樞不動(dòng)，磁場(chǎng)方向不變。

3、下列哪種情況可以使連接在電網(wǎng)上的直流電機(jī)逆變?yōu)榘l(fā)電機(jī)？1)、加大勵(lì)磁電流，使磁通增加，并使Ea>U。2)、在電機(jī)軸上外加一轉(zhuǎn)矩，使其