電機與電力拖動第3章直流電機的基本理論

第3章直流電機的基本理論直流電機的用途：直流發(fā)電機把機械能轉化為直流電能；直流電動機把直流電能轉化為機械能。直流電機的優(yōu)點：（1）調(diào)速性能好；（2）起動、制動轉矩大；（3）易于控制。應用：（1）調(diào)速范圍大的大型設備：軋鋼機、電氣機車、無軌電車、龍門刨床等。（2）用蓄電池做電源的設備：如汽車、拖拉機等。（3）家庭：電動縫紉機、電動自行車、電動玩具。3.1直流電機的工作原理1直流發(fā)電機的工作原理（由右圖看基本組成）輸出電壓eeNSAB12FF+-直流發(fā)電機的工作原理是建立在電磁感應定律基礎上的。e=Blv;用右手定則判感應電動勢e的方向;電樞繞組電阻Ra;2直流電動機的工作原理（由下圖說組成）直流電動機的工作原理是建立在電磁力定律基礎上的。f=Bli;用左手定則判電磁力f的方向：由左手定則，通電線圈在磁場力的作用下，使線圈逆時針旋轉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，線圈無論怎樣轉動，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直流電機的基本結構和額定值3.2.1直流電機的基本結構：由兩部分構成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)電機的PN

：指輸出電功率的額定值(UNIN)

。電動機的PN

：指輸出機械功率的額定值(UNINηN)

。4.額定轉速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直流電機的額定值3.4直流電機的電樞繞組（了解）1直流電機的電樞繞組的5種形式：單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、復波繞組、混合繞組。2直流電機中實現(xiàn)機電能量轉換的耦合介質：氣隙磁場3直流電機利用氣隙磁場實現(xiàn)機電能量轉換的兩個要素：感應電動勢和電磁轉矩3.4直流電機的磁場他勵電機：勵磁繞組與電樞繞組的電源分開。并勵電機：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)到同一電源上。串勵電機：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)接到同一電源上。復勵電機：勵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UIfM串勵UM復勵U3.4.1、直流電機的勵磁方式（電樞與繞組的連接關系）M他勵UfIfIaU3.4.2、直流電機的空載磁場（了解）3.4.3、直流電機的負載磁場和電樞反應（了解）電樞反應：電機帶負載時，電樞磁場對主磁極磁場所產(chǎn)生的影響。電樞反應的結果：（1）氣隙磁場的分布發(fā)生畸變；（2）每極磁通量下降；3.5直流電機的感應電動勢和電磁轉矩（重點）3.5.1電樞繞組的電動勢（計算公式）

3.5.2電樞繞組的電磁轉矩（計算公式）題:一臺直流發(fā)電機，2p=4（單波繞組），電樞繞組的元件數(shù)S=162，每個元件匝數(shù)Wa=2，每極磁通?=5.1×10-3Wb，轉速n=1450r/min,試求：電樞感應電動勢Ea。

解：由于單波繞組支路，所以a=1，總導體數(shù)N=2SWa=648，方向：在發(fā)電機中，感應電動勢的方向與電樞電流的方向相同；在電動機中，感應電動勢的方向與電樞電流的方向相反；在發(fā)電機中，電磁轉矩為制動轉矩；在電動機中，電磁轉矩為拖動轉矩；3.6直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式和工作特性（重點)3.6.1直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式（電壓、轉矩、功率）1電壓平衡方程式2轉矩平衡方程式EaMIf+U

－+U

－Ia勵磁電路：U

=Rf

If電樞電路：U=Ea+Ra

IaU：端電壓；Ea

：電樞電動勢；Ra

：電樞回路電阻；Rf

：勵磁回路電阻；U>Ea時：電動機；U<Ea時：發(fā)電機；T＝T0+TLT：電磁轉矩（拖動轉矩）；T0：電動機空載損耗轉矩（制動轉矩）；TL

：電動機輸出轉矩（制動轉矩）；P1PMP2pCuP0＝pFe+pm+ps功率角速度轉矩3功率平衡方程式M他勵UfIfIaU

M串勵U

M復勵U

M并勵UIf

題1：已知一臺他勵直流電動機的數(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。求額定運行時：（1）電磁轉矩；（2）輸出轉矩；（3）輸入功率；（4）效率。解：電樞感應電動勢為：Ea＝UN－INRa＝220-383×0.0192＝212.646V電磁功率為：PM＝EaIN＝212.646×383＝81443W電磁轉矩為：T＝PM/Ω＝9.55PM/n＝9.55×(81443/1500)＝518.5N·m輸出轉矩為：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直流電動機的工作特性當電樞電壓為額定電壓U=UN,電樞回路中無外加電阻，勵磁電流為額定勵磁電流時,電動機轉速n、電磁轉矩T和效率隨電樞電流Ia而變化的關系,稱為直流電動機的工作特性。（2）轉矩特性（3）效率特性1、并勵直流電動機的工作特性（特點：I=Ia+If,U=Ea+IaRa）（1）轉速特性（電動勢公式、電壓平衡方程式）2、串勵直流電動機的工作特性串勵UIf+_IaMEaRaRf（特點：I=Ia=If;U=Ea+Uf;）(1)轉速特性（2）轉矩特性（3）效率特性（2）并勵直流電動機的勵磁繞組可否允許開路運行？為什么？（3）串勵直流電動機可否允許空載運行？為什么？不允許?？蛰d或負載很小時，電機轉速將很高，實際可能達到危險的高速（“飛速”），它將導致電樞損壞。（1）與并勵電動機相比，串勵電動機的優(yōu)點：對于相同的轉矩變化量，串勵電動機的電樞電流變化量?。粚τ谠试S最大的電樞電流，串勵電動機可以產(chǎn)生較大的電磁轉矩。不能。當勵磁繞組開路后，電樞繞組上不再產(chǎn)生反電動勢,電阻很小.整個電路就相當于電源和電樞線圈直接行成一個通路了。燒斷電樞（轉子）甚至燒毀電源。3.復勵直流電動機的工作特性積復勵、差復勵。(1)有較大的Tst。(2)可以空載運行。機械特性MIaIf+U－I3.7他勵直流電動機的機械特性方程式（重點）解：（1）（2）理想空載轉速為額定輸出轉矩為空載轉矩為空載電流為實際空載轉速為（3）題2：一臺他勵直流電動機的額定數(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。試計算：（1）電動機的額定電磁轉矩。（2）理想空載轉速和實際空載轉速。（3）電動機的輸出轉矩保持為額定值不變，在電樞回路中串入0.3Ω電阻，求電動機轉速。+Ua－GIf+Uf－EIa3.8直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式和工作特性（勵磁方式）3.8.1直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式1.電壓平衡方程式2.轉矩平衡方程式3.功率平衡方程式（公式計算法、關系推算法）P1Pm+PsPFePMPCuP2

輸入的機械轉矩T1=空載轉矩T0+電磁轉矩T題3：一臺四極復勵直流發(fā)電機的額定數(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。試求額定負載下的電磁功率、電磁轉矩及效率。解：電磁轉矩為額定負載時發(fā)電機的輸入功率為效率為3.8.2直流發(fā)電機的運行分析并勵直流發(fā)電機的自勵過程和自勵條件1自勵過程：并勵發(fā)電機建立電壓的過程。2、自勵條件：滿足建壓的條件。1234電機有剩磁，極性正確→氣隙磁場得到加強→電樞繞組電勢增加→勵磁電流增加→經(jīng)不斷反復→電機端電壓建立起來。1）電機必須有剩磁。

2）勵磁繞組與與電樞并聯(lián)的極性正確。3）勵磁回路的電阻小于（與電機運行轉速下相對應的）臨界電阻。思考題1-7（成信PPT上的題目）：1、在直流電機中，換向器起什么作用？在直流發(fā)電機中，換向器起整流的作用；在直流電動機中，換向器起逆變的作用；2、在下列情況下，直流發(fā)電機電刷兩端電壓的性質？1)、磁極固定，電刷與電樞同時旋轉。2)、電樞固定，電刷與磁極同時旋轉。1）交流。電刷與電樞間相對靜止，電刷兩端的電壓性質與電樞的相同。

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

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