電機及拖動基礎(chǔ) 第5版 課件全套 胡幸鳴 第0-7章緒論、直流電動機的電力拖動 -控制電機

電機及拖動基礎(chǔ)(4版)緒論一、電機的分類、作用及發(fā)展

1、電機的分類、作用

電機——利用電磁感應定律和電磁力定律。將能量或信號進行轉(zhuǎn)換或變換的電磁機械裝置。電源的產(chǎn)生、變換、傳送、分配、使用都要用到各類電機。電能的產(chǎn)生——變換——傳送│使用電機按功能用途分類如下：常規(guī)電機控制電機電動機發(fā)電機直流電動機交流電動機電機變壓器直流發(fā)電機交流發(fā)電機異步電動機同步電動機電機在國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域中起著重要作用異步發(fā)電機同步發(fā)電機2、電機工業(yè)的發(fā)展電機工業(yè)的發(fā)展，與科技發(fā)展密切相關(guān)，從1831年法拉第發(fā)現(xiàn)電磁感應現(xiàn)象起，它的歷史至今尚不到200年。我國的電機工業(yè)，從新中國成立以來的70多年間，建立了獨立自主的完整體系。近些年來，隨著對電機新材料的研究并在電機設(shè)計、制造工藝中利用計算機技術(shù)，普通電機的性能更好、運行更可靠；而控制電機的高可靠性、高精度、快速響應使控制系統(tǒng)完成各種人工無法完成的快速復雜的精巧運動。一、電機的分類、作用及發(fā)展

電力拖動——以電動機為動力拖動生產(chǎn)機械的拖動方式。電力拖動系統(tǒng)的起動、制動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速的控制簡單方便、快速性好且效率高。由于電動機的類型多，有不同的運行特性，加上計算機技術(shù)、自動控制技術(shù)的發(fā)展，滿足了各種類型的生產(chǎn)機械的拖動要求。

二、電力拖動的優(yōu)點及發(fā)展趨勢三、本課程內(nèi)容和要求本課程是《電機原理》、《電力拖動基礎(chǔ)》兩大部分內(nèi)容的有機結(jié)合。學習直流電機、變壓器、異步電動機、和控制電機的基本理論和電力拖動的基本原理，并通過實驗或?qū)嵱?，熟悉常用電機的基本結(jié)構(gòu)、基本工作原理；掌握直流電動機和三相異步電動機的起動、制動、調(diào)速的電力拖動基本原理及相關(guān)計算；了解單相異步電動機、控制電機的特點和用途。四、本課程特點及學習方法

本課程既有基礎(chǔ)性又有專業(yè)性。它是運用《電工基礎(chǔ)》等基礎(chǔ)課程的基本理論來分析研究各類電機內(nèi)部的電磁物理過程，從而得出各類電機的一般規(guī)律及其各異的特性。但它與《電工基礎(chǔ)》等基礎(chǔ)程課的性質(zhì)不同。在《電機及拖動基礎(chǔ)》課程中，不僅有理論的分析推導，磁場的抽象敘述，而且還要用基本理論去分析研究比較復雜的又往往帶有機、電、磁綜合性的工程實際問題。這是學習本課程的特點，也是難點。四、本課程特點及學習方法學習過程中，對電機結(jié)構(gòu)要結(jié)合實物弄清各主要部件的組成和作用；要從物理概念上去理解和記憶有關(guān)公式而不要死記硬背；要從物理意義上去弄懂各章節(jié)例題的解題步驟，并學會解一反三；要注意各種電機的結(jié)構(gòu)的異同點、電磁關(guān)系的異同點、能量轉(zhuǎn)換關(guān)系的異同點、拖動問題的異同點等，運用總結(jié)對比的方法，融會貫通，加深理解。課前應預習，便于有的放矢地聽課；課后應及時復習和小結(jié)、完成相應的課外作業(yè)，以提高學生的理解和運算能力。需進行必要的實驗和實習，一是對基本原理和理論進行驗證，二是培養(yǎng)學生獨立工作能力，提高實驗操作技能和動手能力。相關(guān)網(wǎng)站中國電機網(wǎng)/中國變壓器行業(yè)信息網(wǎng)/webpage/default.asp微電機網(wǎng)/index/index.asp第一章直流電機第一章直流電機直流電機是電能和機械能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)電機之一。直流發(fā)電機：機械能——直流電能直流電動機：直流電能——機械能直流電動機具有良好的調(diào)速性能、較大的起動轉(zhuǎn)矩和過載能力等很多優(yōu)點，但結(jié)構(gòu)復雜，成本高，運行維護較困難。主要應用于起動和調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械中，如金屬切削機床，軋鋼機、電力機車、起重機、造紙及紡織行業(yè)等機械中。本章主要分析直流電機的基本工作原理、結(jié)構(gòu)和運行特性（以直流電動機為重點）。第一節(jié)直流電機的基本工作原理與結(jié)構(gòu)一、直流電機的基本工作原理1、直流發(fā)電機的基本工作原理基于電磁感應原理：e=Blv,右手定則：判斷e的方向產(chǎn)生磁場：（N、S極）運動導線ab、cd切割磁場線圈感應電動勢——交變換向整流——電刷間輸出直流電動勢直流發(fā)電機的工作原理模型例1-1

如果前圖中的直流發(fā)電機順時針旋轉(zhuǎn)，電刷兩端的電動勢極性有何變化？還有什么因素會引起同樣的變化？解：直流發(fā)電機順時針旋轉(zhuǎn)時，由右手定則，圖示線圈中感應電動勢方向為a-b-c-d,通過換向片與電刷的滑動接觸，則電刷B極性為正，電刷A極性為負。所以改變電樞轉(zhuǎn)向，可改變電刷間輸出電動勢極性。由右手定則可知：決定感應電動勢極性的因素有兩個，一是改變電樞轉(zhuǎn)向，二是磁場極性，因此改變磁場的極性也可使直流發(fā)電機的輸出電動勢極性改變。+-NS注意：電樞轉(zhuǎn)向和磁場極性只能改變其一。2、直流電動機的基本工作原理基于電磁力定律：f=Bli,左手定則：判斷f的方向載流導體ab、cd在磁場中產(chǎn)生電磁力f形成電磁轉(zhuǎn)矩帶動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)換向器作用：在發(fā)電機中起整流作用，使線圈中的交變電動勢——電刷間的直流電動勢。在電動機中起逆變作用，使電刷間的直流電——線圈內(nèi)的交變電，保證電動機的轉(zhuǎn)向恒定。直流電動機工作原理模型例1-2

電動機拖動的生產(chǎn)設(shè)備常需要作正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)運動，如電力機車的前行和倒退，就要求牽引電動機能正、反轉(zhuǎn)。分析前圖中的直流電動機如何能反轉(zhuǎn)(順時針旋轉(zhuǎn))?解：圖中的電動機模型要順時針旋轉(zhuǎn)需獲得一個順時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩，由左手定則可知：電磁力的方向取決于磁場極性或?qū)w中電流的方向，所以直流電動機獲得反轉(zhuǎn)的方法有兩個：一是改變磁場極性，二是改變電源電壓極性使流過導體的電流方向改變。注意：兩者只能改變其一，否則，直流電動機的轉(zhuǎn)向不變。-+ffn改變電源極性（導體電流方向）而反轉(zhuǎn)示意圖3、電機的可逆原理任何一臺電機既可作發(fā)電機運行，也可作電動機運行，這一性質(zhì)稱為電機的可逆原理。如果電機轉(zhuǎn)子輸入機械能，而電樞繞組輸出電能，電機作為發(fā)電機運行；如果在電樞繞組中輸入電能，轉(zhuǎn)子輸出機械能，則電機作為電動機運行。電機的實際運行方式由外施條件決定：二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電動機的外形圖（自帶鼓風機的Z4系列）圖中上為鼓風機，下為直流電動機二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電動機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1-端蓋2-風扇3-機座4-電樞5-主磁極6-電刷架7-換向器8-接線板9-接線盒1-電樞鐵心2-主磁極鐵心3-勵磁繞組4-電樞齒5-換向極繞組6-換向極鐵心7-電樞槽8-底座9-電樞繞組10-極掌(極靴）11-機座（磁軛)二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機的徑向剖面圖二、直流電機的基本結(jié)構(gòu)靜止部分:定子旋轉(zhuǎn)部分:轉(zhuǎn)子中間有氣隙電磁方面：產(chǎn)生磁場和構(gòu)成磁路。機械方面：整個電機的支撐。作用主要部件：磁極、機座、換向極、電刷、軸承、端蓋等作用感應電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換主要部件：電樞鐵心、電樞繞組、換向器、軸承和風扇等主磁極1、定子部分產(chǎn)生磁場，N、S相隔，用p表示極對數(shù)主磁極由圖中的2-磁極鐵心和3-勵磁繞組構(gòu)成,磁極鐵心由極身和極靴組成.反映主極磁場的磁力線經(jīng)主磁極的N極-氣隙-電樞齒-電樞磁軛-電樞齒-氣隙-定子齒軛-（回到）N極，形成閉合的磁回路機座導磁和機械支撐作用:改善直流電機的換向，一般電機容量超過1kW時均應安裝換向極。安裝在相鄰兩主磁極之間，用螺釘固定在機座上。用整塊鋼制成，也可用厚1~1.5mm厚鋼板或硅鋼片疊成1-刷握2-銅絲辮3-壓緊彈簧

4-電刷塊（石墨材料）換向極電刷作用：將旋轉(zhuǎn)的電樞與固定不動的外電路相連，把直流電壓和直流電流引入或引出2、轉(zhuǎn)子部分材料：為減小磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心用0.35mm或0.5mm厚的硅鋼片疊成，表面有絕緣層。

作用：通過磁通和嵌放電樞繞組。電樞鐵心鐵心沖片上層有效邊端接部分端接部分下層有效邊線圈首端線圈尾端作用：用于產(chǎn)生感應電動勢和通過電流，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換。電樞線圈電樞繞組：電樞線圈按一定規(guī)律連接形成。其并聯(lián)支路對數(shù)用a表示。單疊繞組：a=p單波繞組：a=1單波、單疊繞組聯(lián)接示意圖換向器材料：采用導電性能好、硬度大、耐磨性能好的紫銅或銅合金制成。作用：實現(xiàn)電刷內(nèi)外交直流的轉(zhuǎn)換。由許多燕尾狀的銅片間隔絕緣云母片而成主極極靴和電樞間的間隙。不均勻。3、氣隙作用：保證了電機的轉(zhuǎn)子的正常旋轉(zhuǎn)，又是磁路的重要組成部分。小型電機氣隙約為0.7～5mm；大型電機氣隙可達5～10mm。三、直流電機的銘牌數(shù)據(jù)電機型號銘牌數(shù)據(jù)主要有：額定功率額定電壓額定電流額定轉(zhuǎn)速額定勵磁電流勵磁方式出廠數(shù)據(jù)如出廠編號、出廠日期等例：直流電機的銘牌直流電動機型號Z4-112/2-1標準編號GB/T6316冷卻方式IC06額定功率5.5kW勵磁方式他勵工作制S1額定電壓440V勵磁電壓180V絕緣等級F額定電流14.7A勵磁功率320W防護等級IP21S額定轉(zhuǎn)速2940r/min弱磁轉(zhuǎn)速4000r/min重量××kg出品編號××××出品日期××年×月整流器編號

××××電機廠Z4-112/2-1

直流電動機

第四次系列設(shè)計

機座中心高,mm極數(shù)1、電機型號型號表明電機所屬的系列及主要特性。知道了型號，可從相關(guān)手冊中查出電機的許多技術(shù)數(shù)據(jù)。1號為短鐵心，2號為長鐵心Z4-180-21

直流電動機

第四次系列設(shè)計

機座中心高,mm電樞鐵心長度代號1、電機型號端蓋代號(1:短端蓋,2:長端蓋)另一種Z4型號示例2、額定值(1)額定功率PN

PN(kw)是指在規(guī)定的工作條件下，長期運行允許輸出的功率。對于發(fā)電機來說，是指正負電刷之間輸出的電功率；對于電動機，則是指軸上輸出的機械功率。(2)額定電壓ＵN

UN(V)對發(fā)電機來說，是指在額定電流下輸出額定功率時的端電壓；對電動機來說，是指所規(guī)定的正常工作時，加在電動機兩端的直流電源電壓。(3)額定電流IN

IN(A)是直流電機正常工作時輸出或輸入的最大電流值。對于發(fā)電機，三個額定值之間的關(guān)系為PN=UNIN

對于電動機，三個額定值之間的關(guān)系為PN=UN·IN·

N

(4)額定轉(zhuǎn)速nNnN(r/min)是指電機額定運行時的轉(zhuǎn)速。額定效率；

N=（PN/P1）*%

Z4系列直流電動機銘牌中特有的一個數(shù)據(jù)，是指電動機采用弱磁調(diào)速時，高于額定轉(zhuǎn)速的最高轉(zhuǎn)速，否則電動機的機械強度等受損。所以很多廠家的銘牌上常把最高轉(zhuǎn)速標注為弱磁轉(zhuǎn)速，如銘牌所示的弱磁（最高）轉(zhuǎn)速為4000r/min。3、最高轉(zhuǎn)速4、冷卻方式

電動機運行時，各種損耗會有熱能產(chǎn)生，需要進行相應的冷卻。Z4系列電動機的冷卻方式有：IC06（自帶鼓風機的外通風），也可為IC17冷空氣進口為管道，出口為百葉窗排風。5、絕緣等級

電機的絕緣等級高低決定了絕緣材料的耐熱允許溫度，從而決定電機的允許溫升。Z4系列電動機的絕緣等級是F。例1-3一臺直流發(fā)電機，

PN=10KW，UN=230V，nN=2850r/min，

N=85%。求其額定電流和額定負載時的輸入功率。

解

例1-4一臺Z4-132-11直流電動機，PN=18.5KW，UN=440V，nN=2850r/min，

N=83.3%。求其額定電流和額定負載時的輸入功率。

解

電樞繞組與勵磁繞組并聯(lián)勵磁繞組單獨供電電樞繞組與勵磁繞組串聯(lián)有并勵又有串勵繞組6、勵磁方式直流電機運行性能與勵磁方式密切相關(guān)，因此直流電機的分類以勵磁方式分類（1）Z4系列電動機：中心高100～355mm，是JB／T6316-2006《Z4系列直流電機技術(shù)條件》所規(guī)定的標準系列小型直流電動機；廣泛用作各類機械的傳動源，諸如冶金工業(yè)軋機傳動，金屬切削機床、造紙、印刷、紡織、印染、水泥、塑料擠出機械等。Z4系列直流電動機比Z2、Z3系列具有更大的優(yōu)越性，它不僅可用直流機組電源供電，更適用于靜止整流電源供電。而且轉(zhuǎn)動慣量小，具有較好的動態(tài)性能，并能承受較高的負載變化率，特別適用于需要平滑調(diào)速、效率高、自動穩(wěn)速、反應靈敏的控制系統(tǒng)。Z4系列勵磁方式為他勵，勵磁電壓為180V。

四、直流電機的主要系列簡介（2）Z系列中型直流電動機中心高355mm～710mm是我國機械行業(yè)標準JB／T9577-2011《Z系列中型直流電動機技術(shù)條件》所規(guī)定的標準系列中型直流電動機。共有A、B、C三類，分別是普通工業(yè)用電動機、金屬軋機用電動機、可逆軋機用電動機。除一般的直流電動機要求外，第二類電動機要求有連續(xù)過載能力、有較強的機械結(jié)構(gòu)、有較高的短時過載能力。第三類要求有適合傳動快速逆轉(zhuǎn)和突然施加重負荷的能力、有高的短時過載能力。

四、直流電機的主要系列簡介還有:ZT、ZZJ、ZQ、Z-H系列等第二節(jié)直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電動勢

一、電磁轉(zhuǎn)矩T（Torque）

在直流電機中,電磁轉(zhuǎn)矩T是由電樞電流與磁場相互作用而產(chǎn)生的電磁力所形成的。經(jīng)推導電磁轉(zhuǎn)矩可用下式來表示：

T＝CT

Ia

式中ＣT——轉(zhuǎn)矩常數(shù)；ＣT=Np/(2

a)取決于電機的結(jié)構(gòu)，即在制成的電機中，p、N（電樞繞組總導體數(shù)）、

a均為定值；

——每極下的合成磁通(Wb)；

當Ia為(A)時,電磁轉(zhuǎn)矩單位為N.m。

可見對已制成的電機,電磁轉(zhuǎn)矩T正比于氣隙每極磁通

及電樞電流Ia。

在直流電機中,感應電動勢是由于電樞繞組和磁場之間的相對運動,即導線切割磁力線而產(chǎn)生的。根據(jù)電磁感應定律可推得：

Ea＝Ce

n式中Ce——電動勢常數(shù)，Ce

＝Np/(60a)。取決于電機的結(jié)構(gòu)

當每極磁通

、轉(zhuǎn)速n的單位分別是Wb、r/min時,電樞電動勢的單位為V。

可見：對已制成的電機,Ea正比于每極磁通

和轉(zhuǎn)速n；另：轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT與電勢常數(shù)Ce之間有固定的比值關(guān)系：

CT／Ce＝(N·p/2

a)/(N·p/60a)=9.55二、電樞電動勢Ea例1-5

一臺4極直流電動機，電樞繞組為單疊繞組，每極磁通Φ=2.0×10-2Wb，電樞總導體數(shù)N=432，額定轉(zhuǎn)速nN=2850r/min，求：

1）電動機的電樞電動勢。

2）若電樞電流為400A時，能產(chǎn)生多大電磁轉(zhuǎn)矩？1）電樞電動勢：單疊繞組：解2）電磁轉(zhuǎn)矩Pem=EaIa=(pN/60a)

nIa=(pN/2

a)

Ia(2

n/60)=T

對電動機而言電動勢Ea是反電動勢，電源電壓U必須大于電動勢Ea把電流Ia灌入。從上式的推導過程可見，電動勢Ea與電樞電流Ia的乘積是電功率屬性的電磁功率Pem，經(jīng)過電磁作用轉(zhuǎn)換為等量的機械功率屬性的電磁功率Pem

，所以Pem是機電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。橋梁電功率屬性機械功率屬性Pem三、電磁功率Pem

第三節(jié)直流電動機的運行原理一、直流電動機的基本方程式他勵直流電動機的結(jié)構(gòu)示意圖及電路圖電動機慣例：Ea與Ia反向,T與n同方向TL與n反方向電動機穩(wěn)定運行時的基本方程式：電動勢平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、功率平衡方程式一、直流電動機的基本方程式1、電動勢平衡方程式根據(jù)電路的基爾霍夫定律可以寫出電樞回路的電動勢平衡方程式：

U=Ea＋IaRa

式中Ra——電樞回路總電阻

Ia——他勵電動機Ia=I

；并勵電動機Ia=I-If

對于電動機：U>Ea，Ea與Ia反方向一、直流電動機的基本方程式2、功率平衡方程式

電機在機電能量轉(zhuǎn)換中，一部分能量不能被利用，這部分能量稱為損耗。直流電機的損耗可分為：

pm：由各類摩擦引起的機械損耗

pFe：鐵心損耗(磁滯與渦流之和)pcua：電樞回路銅耗pcua=Ia2Rapf：勵磁回路銅耗pf（=UIf=RfIf2）；

ps：附加(雜散stray)

)損耗空載損耗p0即不變損耗因此，功率平衡方程式，就是扣除損耗的過程。——可變損耗一、直流電動機的基本方程式2、功率平衡方程式

P1=UI=UIa=(Ea＋IaRa)Ia=EaIa＋Ia2Ra=Pem＋pcua

上式說明：當他勵直流電動機接上電源U時,電樞繞組中流過電流Ia,電網(wǎng)向電動機輸入的電功率P1=UI=UIa中的小部份消耗于電樞銅耗，大部份作為電磁功率轉(zhuǎn)換成了機械功率。但轉(zhuǎn)變成機械屬性的Pem還要扣除鐵耗、機械損耗、附加損耗才是輸出的機械功率P2

P2=Pem－pFe－pm－ps=Pem－p0

一、直流電動機的基本方程式2、功率平衡方程式

注意：他勵電動機的勵磁銅耗pf由其他電源提供。而并勵電動機的pf由同一電源提供，所以并勵電動機的功率平衡方程式中還應包括勵磁銅耗pf

。上述的功率平衡關(guān)系可用功率流程圖形象的表示：一、直流電動機的基本方程式3、轉(zhuǎn)矩平衡方程式由：P2/

=Pem/

-p0/

得：T2=T-T0或T=T2+T0T2—電動機軸上輸出的機械轉(zhuǎn)矩。它與軸上所帶的負載轉(zhuǎn)矩TL

相平衡,即T2=TL。

T0—電動機空載轉(zhuǎn)矩,與轉(zhuǎn)向相反；由空載損耗產(chǎn)生,數(shù)值很小。

電動機穩(wěn)定運行時，拖動性質(zhì)的T與制動性質(zhì)的TL+

T0相平衡電動機轉(zhuǎn)矩的常用計算公式：負載轉(zhuǎn)矩：T2=P2/

=P2/(2n/60)=9.55P2/n(N·m)在額定情況下,TN=9.55×PN/nN

(N·m)同理：T=9.55Pem/n(N·m)例1-6一臺他勵直流電機接在440V電網(wǎng)上運行，已知，1）問：此電機是發(fā)電運行還是電動運行？

2）求電磁轉(zhuǎn)矩、輸入功率和效率各為多少？

解

1）判斷一臺直流電機是何種運行狀態(tài)，可比較電樞電動勢和端電壓的大小，即因為故此電機是電動運行狀態(tài)。

2）求

根據(jù)

則電樞電流

電磁轉(zhuǎn)矩效率也可以上：他勵電動機，I=Ia

例1-7一臺Z4-180-11他勵直流電動機,額定數(shù)據(jù)為：PN=37kW，UN=440V，ηN=88.51%，nN=1500r/min,電樞回路總電阻Ra=0.261Ω。試求：1)額定負載時的電樞電動勢Ea和額定電磁轉(zhuǎn)矩T；2)額定輸出轉(zhuǎn)矩TN和空載轉(zhuǎn)矩T0。：

解

二、直流電動機的工作特性

直流電動機的工作特性是指U=UN=常數(shù),電樞回路不串入附加電阻,勵磁電流If=IfN時,電動機的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率

與輸出功率P2之間的關(guān)系,即：當P2P1IIa所以，工作特性也可看成n、T、與Ia的關(guān)系。二、直流電動機的工作特性1、轉(zhuǎn)速特性當電機軸上的機械負載增大時,輸出的機械功率P2隨之增大,輸入功率P1和電樞電流Ia也隨之增加,電樞電阻壓降增大,使轉(zhuǎn)速n降低。但隨著電樞電流的增加,電樞反應的去磁作用使氣隙磁通減小,又使轉(zhuǎn)速n上升。一般情況,電樞電阻壓降的影響較大,所以,轉(zhuǎn)速特性是一條略微向下傾斜的曲線,

如曲線1所示。二、直流電動機的工作特性2、轉(zhuǎn)矩特性T=T2+T0=9.55P2/n+T0如果n不變,則輸出轉(zhuǎn)矩T2與P2成正比關(guān)系。T2=f(P2)特性曲線是一條過坐標原點的直線。考慮到P2增大時,n略有下降,故T2=f(P2)曲線呈略為上翹趨勢。而T=f(P2)特性曲線與比T=f(P2)曲線高一個空載轉(zhuǎn)矩T0,如圖所示的曲線2。二、直流電動機的工作特性2、效率特性當P2從零,Ia值很小,可變損耗Ia2Ra很小,電機損耗以不變損耗p0為主，損耗小。這樣,輸出功率P2的增大比P1增大的快，效率

上升很快。隨后因可變損耗Ia2Ra隨電流按平方關(guān)系增大，使總損耗的增加很快,P2的增大比P1增大的慢，效率有所下降，如圖曲線3所示。?？梢娦是€存在最大值，電機在空載、輕載時效率低,因此在使用和選擇電機上應盡量使電機工作在高效率的區(qū)域。

第四節(jié)直流電機的換向

直流電機電樞繞組中一個元件經(jīng)過電刷從一個支路轉(zhuǎn)換到另一個支路時，電流方向改變的過程為換向。當電機帶負載后，元件中的電流經(jīng)過電刷時，電流方向會發(fā)生變化。換向不良會在電刷下產(chǎn)生電火花，嚴重時出現(xiàn)環(huán)火將燒毀電刷，導致電機不能正常運行。換向問題涉及電磁、機械、化學等方面因素。這里僅對換向過程、影響換向的電磁原因、改善換向的方法作簡要介紹。一、直流電機的換向過程結(jié)論：一個元件從一個支路換到另一個支路時要經(jīng)過電刷。元件里的電流必然改變方向以單疊繞組的線圈K為例，它從屬于電刷右側(cè)支路，經(jīng)歷了被電刷短路后，變成屬于電刷左側(cè)支路，這一過程中，線圈K中的電流從+ia改變成-ia，完成了電流換向，換向周期Tc是極短的.二、影響換向的電磁原因

前述換向線圈K換向過程中所處的主磁場為零，電動勢為零，稱直線換向如圖曲線1所示。但實際中，換向線圈中存在：（1）電抗電動勢ex

由換向電流變換產(chǎn)生的自感電勢和互感電動勢，阻礙換向，與換向前的電流同方向。（2）電樞反應電動勢ea

由電樞磁場引起的電動勢，阻礙換向，與換向前的電流同方向。由于阻礙換向的ex+ea

的存在，使換向線圈中存在一個附加換向電流ik，使換向電流的變化變慢，稱延遲換向。如圖的曲線2所示，使電刷的后刷邊易出現(xiàn)火花。換向電流變化過程三、改善換向的方法

想法產(chǎn)生一個與ex+ea

反向的電動勢，起抵消和削弱作用。一般容量在1kW以上的電機在主磁極之間裝置換向極，極性與電樞磁通勢方向相反，其磁場大小先抵消電樞磁通勢，再是產(chǎn)生的換向極電動勢ek與ex大小相等，方向相反，使ek+ex≈0，使ik≈0,達到減小火花，改善換向的目的。換向極的繞組應與電樞繞組串聯(lián)，極性與電樞磁通勢方向相反。換向線圈中電動勢方向及換向極位置和極性

例1-8

某臺直流電動機，在運行時后刷邊發(fā)生火花，如在換向極根部加裝銅墊片，運行時便無火花，為什么？解：運行時后刷邊發(fā)生火花屬于延遲換向，其原因是換向元件中電抗電動勢大于換向極電動勢。為改善換向，消除火花，應該設(shè)法增加換向極電動勢，這就要求增強換向極的磁場。若在換向極的根部加裝非磁性的銅墊片(做成第二氣隙)，整個換向極磁路的總氣隙長度雖未改變，但極面下的氣隙減小了。這樣可以減小換向極的漏磁通，增加了換向極的有效磁通，使換向極電動勢增加，從而達到消除火花的目的。第二章直流電動機的電力拖動第二章直流電動機的電力拖動

凡是由電動機拖動生產(chǎn)機械，并完成一定工藝要求的系統(tǒng)，都稱為電力拖動系統(tǒng)。生產(chǎn)機械稱為電動機的負載。電力拖動系統(tǒng)一般構(gòu)成如圖所示。

本章首先介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程式，然后介紹電動機和生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)矩特性，最后主要研究他勵電動機應用的四大問題——起動、反轉(zhuǎn)、制動、調(diào)速第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

電力拖動系統(tǒng)中所用的電機種類很多，生產(chǎn)機械的性質(zhì)也各不相同。因此，需要找出它們普遍的運動規(guī)律，予以分析。從動力學的角度看，它們都服從動力學的統(tǒng)一規(guī)律。所以，我們首先研究電力拖動系統(tǒng)的動力學，建立電力拖動系統(tǒng)的運動方程式。一、單軸電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

單軸電力拖動系統(tǒng)，就是電動機輸出軸直接拖動生產(chǎn)機械運轉(zhuǎn)的系統(tǒng)。熟悉的直線運動方程旋轉(zhuǎn)運動的電力拖動系統(tǒng)運動方程物體的飛輪力矩，它是一個整體物理量，反映轉(zhuǎn)動體的慣性

二、電力拖動系統(tǒng)運動狀態(tài)分析

一個電力拖動系統(tǒng)處于靜態(tài)（靜止不動或勻速）還是動態(tài)（加速或減速），都可以從運動方程式來判定，當電力拖動系統(tǒng)的正向運動狀態(tài)時分析如下：

1).當Ｔ＝ＴL時，dn/dt=0，則n＝0或n＝常數(shù)，即電力拖動系統(tǒng)處于靜止不動或勻速運行的穩(wěn)定狀態(tài)。

2).當Ｔ

ＴL時，dn/dt

0，電力拖動系統(tǒng)處于加速狀態(tài)，即處于過渡過程中。

3).當T

TL

時，dn/dt

0，電力拖動系統(tǒng)處于減速狀態(tài)，也是過渡過程。例2-1

分析下圖中電力拖動系統(tǒng)的運動狀態(tài)。解：設(shè)a圖為正向運動，T幫助正向運動為正，TL

反對正向運動為正，且T<TL，所以運動方程式中：T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于正向減速狀態(tài)。

設(shè)b圖為反向運動，T幫助反向運動為負，TL

幫助反向運動為正，且數(shù)值上T=TL，所以運動方程式中：

-T-TL<0，dn/dt<0，系統(tǒng)處于反向加速狀態(tài)。第二節(jié)生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性

不同生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩TL隨轉(zhuǎn)速n變化規(guī)律不同，用負載轉(zhuǎn)矩特性來表征，即n=f(TL)。各種生產(chǎn)機械的特性大致可分為以下三種類型恒轉(zhuǎn)矩負載特性

恒功率負載特性

通風機型負載特性

恒轉(zhuǎn)矩負載特性TL=常數(shù)，與轉(zhuǎn)速n無關(guān)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性負載轉(zhuǎn)矩的方向始終與生產(chǎn)機械運動的方向相反，總是阻礙電動機的運轉(zhuǎn)，如軋鋼機、機床的平移機構(gòu)、電力機車等。當下放重物時負載轉(zhuǎn)矩變?yōu)轵?qū)動轉(zhuǎn)矩，其作用方向與電動機旋轉(zhuǎn)方向相同，促使電動機旋轉(zhuǎn)。起重設(shè)備提升重物時，負載轉(zhuǎn)矩TL為阻力矩，與電動機旋轉(zhuǎn)方向相反位能性負載轉(zhuǎn)矩由重力作用產(chǎn)生，其大小和方向始終不變恒功率負載特性通風機型負載特性

PL=常數(shù),TL=9.55P/nTL=Kn2

例：車床切削粗加工時,切削量大(TL大)，用低速檔；精加工時，切削量小(TL小)，用高速檔電扇、水泵、油泵等

注意：以上三類是典型的負載特性，實際生產(chǎn)機械的負載特性常為幾種類型負載的綜合。

第三節(jié)他勵直流電動機的機械特性

直流電動機的機械特性就是指在穩(wěn)定運行情況下，電動機的轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，即n=f(T)。機械特性是電動機的主要特性，是分析電動機起動、調(diào)速、制動等問題的重要工具。下面以他勵直流電動機為例討論機械特性。他勵直流電動機的機械特性理想空載轉(zhuǎn)速機械特性的斜率轉(zhuǎn)速降斜率β越小，特性越平，稱為硬特性。反之稱為軟特性機械特性曲線實際空載轉(zhuǎn)速一般表達式他勵電動機的接線圖一、他勵直流電動機的機械特性1、他勵電動機的固有機械特性U=UN、Φ=ΦN，Rpa=0的機械特性稱固有機械特性Rpa=0,Ra很小，

=

N數(shù)值最大，機械特性斜率β最小，他勵直流電動機的固有機械特性是硬特性。一、他勵直流電動機的機械特性2、人為機械特性

如果人為地改變固有機械特性中的氣隙磁通

、電源電壓Ｕ和電樞回路電阻Rpa中的任意一個參數(shù)，這樣的機械特性稱為人為機械特性。（1）電樞回路串電阻時的人為機械特性斜率β

增加電阻增加n0

不變2、人為機械特性(2)改變電源電壓的人為機械特性(3)改變磁通的人為機械特性磁通減小電壓降低U降低，β

不變，n0減小(2)改變電源電壓的人為機械特性

減小，β

增大，n0增大二、電力拖動穩(wěn)定運行的條件

電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，是指在某種外界因素(如電網(wǎng)電壓波動或負載的微小變化)的擾動下，系統(tǒng)離開原來的平衡狀態(tài)，達到新的平衡狀態(tài)；或當外界因素消失后，仍能恢復到原來的平衡狀態(tài)。前面分析了生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性n＝f(TL)和電動機的機械特性n=f(T)，把兩種特性配合起來，就可以研究電力拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定運行問題。電動機在電力拖動系統(tǒng)中運行時，會使系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)定運行和不穩(wěn)定運行兩種情況。電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的必要條件：電動機的機械特性與負載轉(zhuǎn)矩特性有交點：即T=TL

電力系統(tǒng)要穩(wěn)定運行的充分條件：兩條特性配合恰當，即在交點處滿足：dT/dn<dTL/dn二、電力拖動穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的分析結(jié)論：下斜的機械特性與恒轉(zhuǎn)矩負載配合,系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行;上翹的機械特性與恒轉(zhuǎn)矩負載配合,系統(tǒng)不能穩(wěn)定運行。恒轉(zhuǎn)矩負載特性在A點的斜率：dn/dTL=∞,則dTL/dn=0下斜的機械特性在A點其dn/dT<0,則dT/dn<0，在A點滿足dT/dn<dTL/dn上翹的機械特性在A點其dn/dT>0,則dT/dn>0，在A點不滿足dT/dn<dTL/dn穩(wěn)定運行不穩(wěn)定運行系統(tǒng)電壓波動機特系統(tǒng)電壓波動機特1、全壓起動第四節(jié)他勵電動機的起動和反轉(zhuǎn)起動：電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。一、他勵直流電動機的起動方法

額定電壓加于電動機的電樞兩端，由于起動瞬間n=0，Ea=0，由U=Ea＋IaRa故起動電流和轉(zhuǎn)矩分別為：他勵電動機的全壓起動先合Q1再合Q2例2-2

一臺Z4-160-31他勵直流電動機，計算：1）全壓起動時的起動電流。

2）在額定磁通下起動的起動轉(zhuǎn)矩。

解

1）求起動電流：起動電流是額定電流的15倍2）求起動轉(zhuǎn)矩：略空載轉(zhuǎn)矩T0

當不考慮電樞反應去磁的影響，磁通Φ不變,則Tst

Ist，所以

后果引起電網(wǎng)電壓下降，影響電網(wǎng)上其他用戶使電動機的換向嚴重惡化，甚至會燒壞電動機過大的沖擊轉(zhuǎn)矩，機械軸過度沖擊，損壞傳動機構(gòu)

從上例可以看出，由于電樞電阻Ra阻值很小，額定電壓下直接起動的起動電流很大，通常可達額定電流的（10～30）倍。起動轉(zhuǎn)矩也相當大。

所以，直流電動機一般不允許全壓起動。起動設(shè)備簡單、操作方便的全壓起動只適用于容量很小的直流電動機。（1）要有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩(Tst>TL)。（2）起動電流要限制在一定的范圍內(nèi)。（3）起動設(shè)備簡單、可靠，操作方便，起動時間短。對直流電動機的起動的要求：電樞回路串電阻起動減壓起動注意：起動時應保證電動機的磁通為最大值，在限制起動電流的情況下使轉(zhuǎn)矩較大。

對于容量較大的電機，為限制起動電流，可用2、減壓起動

減壓起動即起動前將電源電壓降低，以減小起動電流Ist。為獲得足夠的起動轉(zhuǎn)矩（Tst>TL），起動時電流通常限制在(1.5～2)IN

內(nèi)，則起動電壓應為：

Ust=IstRa=(1.5～2)INRa

當n↑，Ea↑Ia↓,Tst↓——須U↑，保證起動電流和轉(zhuǎn)矩保持在一定的數(shù)值上。至U=UN，起動結(jié)束。

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，目前多用晶閘管整流裝置自動控制起動電壓。Z4系列電動機均為減壓起動。

例2-3

例2-2中的電動機若限制起動電流不超過2INＡ，求采用減壓起動，起動電壓是多少？解：1)起動電壓Ust＝IstRa＝2×77.8×0.376V＝58.51V

電樞串電阻起動后，n↑，Ea↑Ia↓Tst↓——加速減慢，為了縮短起動時間，保持電動機在起動過程中的加速不變，理論上應將起動電阻平滑地切除，但實際中把起動電阻分成2~4段逐級切除（稱分級起動），最后使電動機轉(zhuǎn)速達到運行值。對Z2系列直流電動機，可串入合適的起動電阻Rst,使起動電流限制在規(guī)定的范圍內(nèi)。3、電樞回路串電阻起動

電樞回路串電阻起動時，電源電壓為額定值且恒定不變，在電樞回路中串接一起動電阻Rst，達到限制起動電流的目的。二、他勵直流電動機的反轉(zhuǎn)

要使電動機反轉(zhuǎn)，必須改變電磁轉(zhuǎn)矩T的方向。只要將磁通

和Ia任意一個參數(shù)改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩即改變方向。在自動控制中，通常直流電動機的反轉(zhuǎn)實施方法有兩種：由：

1、改變勵磁電流方向：保持電樞兩端電壓極性不變，將勵磁繞組反接，使勵磁電流反向，磁通

即改變方向。

2、改變電樞電壓極性：保持勵磁繞組兩端的電壓極性不變，將電樞繞組反接，電樞電流Ｉa即改變方向。實際應用中大多采用改變電樞電壓極性的方法來實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)。

第五節(jié)他勵直流電動機的制動電動機的兩種運行狀態(tài)：電動狀態(tài)：T與n方向相同，機特Ⅰ、Ⅲ象限制動狀態(tài)：T與n方向相反，機特Ⅱ、Ⅳ象限制動方法：能耗制動反接制動再生制動制動目的：快速停車（反向）或限速。一、能耗制動制動原理：電動機靠生產(chǎn)機械慣性力的拖動切割磁場而發(fā)電，將生產(chǎn)機械儲存的動能轉(zhuǎn)換成電能，并消耗在繞組及電阻上，直到電動機停止轉(zhuǎn)動為止。能耗制動U=0機械特性過原點運行時KM1常開閉合，與電源連接；制動時連接電阻Rbk制動時，T與n方向相反制動時KM1常閉接通原運行于a點制動時，對于反抗性負載將經(jīng)b點到達O點停下來。能耗制動時的機械特性

U=0,機特過原點斜率取決于限流電阻Rbk一般限流：IbK

(2～2.5)IN

對位能性負載將達到C點。

二、反接制動1.電樞反接制動制動原理：Ibk產(chǎn)生很大的反向電磁轉(zhuǎn)矩T，從而產(chǎn)生很強的制動作用，n快速下降。U=-UN,R=Ra+Rbk機械特性過-n0機械特性：制動過程當制動的目的為停車時，在電機n≈0時，須立即斷開電源。為了限制過大的電樞電流，反接制動時必須在電樞回路中串接制動電阻Rbk

一般：Ibk≤(2～2.5)IN

故制動電阻的計算：電樞反接制動過程中，電動機一方面向電源吸取電功率P1＝UI，另一方面將系統(tǒng)的動能轉(zhuǎn)換成電磁功率Pem＝EaIa，這些電功率全部消耗在電樞電路的電阻(Ra＋Rbk)上。其能量損耗很大。電機的能耗：

二、反接制動2.倒拉反接制動只適用于位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，下放重物

U=UN，電樞串大電阻Rbk機械特性過+n0，與負載特性的交點落在第Ⅳ象限從提升重物至下放重物過程：a—b—c—d，Rbk越大，下放轉(zhuǎn)速也越大。三、再生制動

當電動機的nn0

時，Ea>U，Ia方向與電動運行狀態(tài)相反，T的方向與電動運行狀態(tài)時相反，為制動性質(zhì)，P1<0，電機向電源回饋電能，此時電機的運行狀態(tài)稱為再生制動。

當位能性負載進行電樞反接制動，當n=0時，如不切除電源，電機便在電磁轉(zhuǎn)矩和位能負載轉(zhuǎn)矩的作用下，迅速反向加速，至

n

n0

時，電機進入反向再生制動狀態(tài)，此時因n為負，T為正，機械特性位于第IV象限，最終穩(wěn)定下放重物運行于e點

反向再生制動對位能性負載下放時起限速作用。所串電阻Rbk越大，下放速度越高，安全性越差。所以常切除電阻，稱在固有機特上，下放重物。四、制動問題計算以上定性分析他勵直流電動機的各種制動原理，從機械特性的角度分析對應的制動過程。制動問題的計算則用電動勢平衡方程式，代入不同制動條件來進行求解，較為方便。一般先求出，然后分別針對快速停車和穩(wěn)定下放重物兩類問題，進行計算。（1）快速停車已知瞬時制動電流（），求電樞回路串入的電阻值：（能耗制動：U＝0；電樞反接制動U＝－UN）四、制動問題計算(2)穩(wěn)定下放重物（，與已知負載轉(zhuǎn)成正比）

1）已知電樞串入電阻Rbk，求下放轉(zhuǎn)速：2）已知下放轉(zhuǎn)速（n<0)，求電樞回路串入的電阻：1)、2）中，能耗制動：U=0；倒拉反接制動：U=UN；反向再生制動：U=-UN

例2-4一臺他勵直流電動機，PN=5.6KW，UN=220V，IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4

，負載轉(zhuǎn)矩TL=0.8TN，試計算：(略空載轉(zhuǎn)矩T0）

1).電動機拖動反抗性負載，采用能耗制動停車，電樞回路應串入的制動電阻最小值是多少？若采用電樞反接制動停車，電阻最小值是多少？（電樞電流不得超過2倍額定電流）

2).電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負載，要求以300r/min速度下放重物，采用倒拉反接運行，電樞回路應串入多大電阻？若采用能耗制動運行，電樞回路應串入多大電阻？

3).想使電機以n=－1200r/min速度，在反向再生制動運行狀態(tài)下，下放重物，電樞回路應串多大的電阻？

解

電動狀態(tài)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速能耗制動電阻反接制動電阻電樞對應負載轉(zhuǎn)矩為為0.8TN的電樞電流，1）快速停車時，能耗制動電阻和電樞反接制動電阻倒拉反接制動穩(wěn)定運行時的電阻

能耗制動穩(wěn)定運行時的電阻

3）反向再生制動運行計算反向再生制動運行時電阻2)下放重物時，倒拉反接和能耗制動電阻第六節(jié)他勵直流電動機的調(diào)速調(diào)速：機械調(diào)速:電氣調(diào)速:改變傳動機構(gòu)速比改變電動機參數(shù),人為地改變電動機的機械特性，從而使負載工作點發(fā)生變化，轉(zhuǎn)速隨之變化。由得調(diào)速方法：降壓U減弱磁通φ電樞回路串電阻一、調(diào)速指標1.調(diào)速范圍電動機在額定負載下可能運行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，通常又用D表示:受電動機的機械強度、換向條件、電壓等級等方面的限制受到低速運行時轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性的限制

不同的生產(chǎn)機械對調(diào)速范圍的要求不同，例如車床Ｄ＝20～120，龍門刨床Ｄ＝10～40，軋鋼機Ｄ＝3～120，造紙機Ｄ＝3～20等。

顯然，在相同的n0情況下，電動機的機械特性愈硬，Δn愈小，靜差率就愈小，相對穩(wěn)定性就愈好。生產(chǎn)機械調(diào)速時，要求靜差率小于一定值，以使負載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)變化，保持一定的穩(wěn)定程度，生產(chǎn)機械容許的靜差率用

r

表示。例如，普通車床要求

r

30

，一般設(shè)備要求r

50

，高精度的造紙機要求r

0.1

。靜差率與調(diào)速范圍兩個指標是相互制約,要統(tǒng)疇考慮。2.調(diào)速的相對穩(wěn)定性（靜差率）負載變化時，轉(zhuǎn)速變化的程度。轉(zhuǎn)速變化小，其相對穩(wěn)定性好3.調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級數(shù)越多，即調(diào)速越平滑，相鄰兩級轉(zhuǎn)速之比稱為平滑系數(shù)：φ→1，則平滑性好，當φ

=1時，稱為無級調(diào)速，即轉(zhuǎn)速可以連續(xù)調(diào)節(jié)。調(diào)速不連續(xù)時，級數(shù)有限，稱為有級調(diào)速。4.調(diào)速的經(jīng)濟性對調(diào)速設(shè)備的投資和電能消耗等經(jīng)濟效果的綜合比較。

二、改變電樞電路串電阻的調(diào)速電樞回路串電阻的機特，Rpa愈大，特性愈軟，轉(zhuǎn)速愈低。調(diào)速過程：電動機原穩(wěn)定運行在固有機械特性的a點上，當Ｒpa接入瞬間，因n不能突變，工作點從a點跳至人為機械特性的b點，這時，Ia↓→T↓→Ｔ<ＴL，n↓

，Ea↓→Ｉa↑→

Ｔ↑，直到Ｔ＝ＴL，電動機在低速的c點穩(wěn)定運行。

電樞串電阻調(diào)速的特點：

(1)串入電阻后轉(zhuǎn)速只能降低，由于機械特性變軟，靜差率變大，特別是低速運行時，負載稍有變動，電動機轉(zhuǎn)速波動大，因此調(diào)速范圍受到限制。Ｄ＝1～3。

(2)調(diào)速的平滑性不高；輕載時調(diào)速不明顯。

(3)由于電樞電流大，調(diào)速電阻消耗的能量較多，不夠經(jīng)濟。

(4)調(diào)速方法簡單，設(shè)備投資少。

Z2系列直流電動機基速以下調(diào)速可用電樞串電阻調(diào)速（例如起重設(shè)備和運輸牽引裝置），也可用降壓調(diào)速。

例2-5

一臺直流他勵電動機，其額定數(shù)據(jù)為：ＰN＝100KＷ，ＩN＝511A，ＵN＝220Ｖ，nN＝1500r/min，電樞電路總電阻Ｒa=0.04

，電動機拖動額定恒轉(zhuǎn)矩負載運行，現(xiàn)用電樞串電阻的方法將轉(zhuǎn)速調(diào)至600r/min，應在電樞電路內(nèi)串多大電阻？由且為額定恒轉(zhuǎn)矩負載轉(zhuǎn)矩：Ia=IN得解三、降壓調(diào)速Un0nn01n02n03調(diào)速過程：a-b-c降壓調(diào)速的特點1)無論高速還是低速，機械特性硬度不變，靜差率小，調(diào)速性能穩(wěn)定，故調(diào)速范圍廣。2)電源電壓能平滑調(diào)節(jié)，故調(diào)速平滑性好，可達到無級調(diào)速。3)降壓調(diào)速是通過減小輸入功率來降低轉(zhuǎn)速的，低速時，損耗減小，調(diào)速經(jīng)濟性好。降壓調(diào)速的性能好，目前被廣泛用于自動控制系統(tǒng)中。如軋鋼機，龍門刨床等。降壓較大時，會出現(xiàn)再生制動Z4系列直流電動機基速以下調(diào)速均采用降壓調(diào)速，恒轉(zhuǎn)矩降低電樞電壓向下調(diào)速，在電流連續(xù)的情況下最低可達20r/min。

例2-6

例題2-2的電動機，拖動額定恒轉(zhuǎn)矩負載運行，用欲進行降壓調(diào)速。1）將電樞電壓降低至額定電壓的50%，求調(diào)壓后電動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速是多少？2）要把轉(zhuǎn)速降到400r/min，求電樞電壓應降至多少?

調(diào)速后，因負載轉(zhuǎn)矩未變，磁通也未變，故電樞電流也未變，即Ia=IN；1）電動機降壓后的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速解2）電樞電壓應降至四、弱磁調(diào)速在電動機勵磁電路中，串接可調(diào)電阻Rpf，If，Φ

,n調(diào)速過程：a-b-c弱磁調(diào)速的特點：1)弱磁調(diào)速機械特性較軟，受電機換向條件和機械強度的限制，轉(zhuǎn)速調(diào)高幅度不大，因此Z2系列調(diào)速范圍Ｄ＝1～2。但Z4系列直流電動機基速以上調(diào)速，恒功率弱磁向上調(diào)速范圍對不同規(guī)格可達到額定轉(zhuǎn)速的1-3倍。2)調(diào)速平滑性較好。3)在功率較小的勵磁回路中調(diào)節(jié)，能量損耗小。4)控制方便，控制設(shè)備投資少。在突然增磁中，會出現(xiàn)再生制動*第七節(jié)串勵和復勵直流電動機直流串勵電動機的勵磁繞組與電樞電路相串聯(lián)，使得Ｉf=Ｉa，造成了串勵電動機具有與他(并)勵電動機有很大差異的特性。一、串勵直流電動機從結(jié)構(gòu)上來看，由于串勵電動機的勵磁繞組流過的是電樞電流，導線截面與他(并)勵電動機相比較大，匝數(shù)較少。串勵電動機接線圖一、串勵直流電動機

1.串勵直流電動機的機械特性

按前圖寫出串勵電動機的電動勢平衡方程式：由此推出電動機轉(zhuǎn)速方程為式中：因Ｉf=Ｉa，串勵電動機的磁通Φ隨電樞電流Ｉa變化的。1.串勵直流電動機的機械特性

當負載增大時，電樞電流增大，電機鐵心漸趨飽和，磁通

隨電樞電流Ｉa的增大而很少增加，可近似把

視為常數(shù)，這時串勵電動機的機械特性與他勵電動機相似，可認為是一直線。如圖曲線1所示。

在輕負載運行區(qū)間，串勵電動機電樞電流較小，電機鐵心未飽和，電樞電流與磁通成正比。Ia

↑

→(IaRa)↑

→

n↓，同時Ia

↑

→Φ↑

→

n↓，雙重因素使負載增加時，轉(zhuǎn)速快速下降。串勵電動機的機械特性1.串勵直流電動機的機械特性綜上所述，串勵電動機的機械特性具有如下特點：

1)由于負載增大即電樞電流增大時，磁通也同時增大，所以它的轉(zhuǎn)速隨負載轉(zhuǎn)矩增大而迅速下降，機械特性為軟特性。

2)串勵電動機的理想空載轉(zhuǎn)速n0=U/(Ce

)，當Ｉa＝０時，從理論上分析n0應為無窮大，實際上電機總有剩磁存在，空載轉(zhuǎn)速不能達到無窮大。但因剩磁很小，致使電機的實際空載轉(zhuǎn)速仍很高，一般可達(5～6)nN，即出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象，這樣高的速度將造成電動機與傳動機構(gòu)損壞，所以串勵電動機是絕對不允許空載起動和空載運行的。通常要求負載轉(zhuǎn)矩不得小于四分之一額定轉(zhuǎn)矩。為了安全起見，串勵電動機和拖動的生產(chǎn)機械之間不得用皮帶或鏈條傳動，以免皮帶、鏈條斷裂或皮帶打滑致使電動機空載運行。

3)當電樞電路串接外電阻時，機械特性曲線更加變軟，如圖曲線2所示，外加電阻越大，特性越軟。2、串勵電動機的電力拖動起動：串勵電動機的起動性能比他勵、并勵電動機好，因起動轉(zhuǎn)矩Tst=CT

Ia,如果鐵心未飽和，

Ia，起動轉(zhuǎn)矩倍數(shù)比他(并)勵電動機大。反轉(zhuǎn)：電樞繞組反接或勵磁繞組反接。調(diào)速：電樞串電阻調(diào)速與他（并）勵類似；改變磁通調(diào)速采用電樞繞組并聯(lián)調(diào)節(jié)電阻（增磁作用）或勵磁繞組并聯(lián)調(diào)節(jié)電阻（弱磁作用）；改變電源電壓調(diào)速采用兩臺較小容量電動機串聯(lián)代替一臺較大容量電動機。制動：采用反接制動或能耗制動。串勵電動機不能實現(xiàn)回饋制動，因為串勵電動機的理想空載轉(zhuǎn)速n0趨于無窮大，實際轉(zhuǎn)速不可能超過n0。二、復勵直流電動機

復勵電動機有兩個勵磁繞組，一個是并勵繞組，與電樞繞組并聯(lián)，另一個是串勵繞組，和電樞繞組相串聯(lián)，兩個繞組的磁通勢方向相同稱積復勵，方向相反稱差復勵。為了使電動機穩(wěn)定運行，復勵電動機都接成積復勵。

復勵直流電動機電路圖

復勵電動機的主極磁通是由兩個勵磁繞組的合成磁通勢所產(chǎn)生的，當電樞電流Ｉa＝０時，串勵繞組的磁通勢為零。此時，主極磁通由并勵繞組磁通勢產(chǎn)生，并為一恒定值。因此，復勵電動機Ｉa＝０時的理想空載轉(zhuǎn)速n0不會象串勵電動機那樣趨向無窮大，而是一個較適當?shù)臄?shù)值。

二、復勵直流電動機

當負載增加時(Ia增大)，由于串勵繞組磁通勢的增大，積復勵電機的主極磁通相應增大，致使電動機的轉(zhuǎn)速比并（他）勵電動機有顯著下降，它的機械特性不象并（他）勵電動機那么硬。又因為隨著負載的增大只有串勵磁通勢相應增加，并勵繞組的磁通勢基本保持不變，所以它的特性又不象串勵電動機的特性那么軟，積復勵電動機的機械特性介于并勵和串勵電動機機械特性之間。如圖所示。

其兼?zhèn)渌úⅲ﹦?、串勵的?yōu)點，當負載增加時，因串勵繞組的作用，轉(zhuǎn)速比并勵電機下降得多些，當負載減輕時，因并勵繞組的作用，電機不致出現(xiàn)危險的高速，同時，它有較大的起動轉(zhuǎn)矩，起動時加速較快，所以積復勵電動機在起重、電力牽引裝置及冶金輔助機械等方面得到廣泛的應用。復勵電動機的機械特性第三章變壓器

變壓器是一種靜止的交流電氣設(shè)備，它利用電磁感應原理，將一種等級的交流電壓和電流轉(zhuǎn)變成同頻率的另一種等級的交流電壓和電流。它對電能的經(jīng)濟傳輸、靈活分配和安全使用具有重要的意義；同時，它在電氣的測試、控制和特殊用電設(shè)備上也有廣泛的應用。第三章變壓器

本章主要敘述一般用途的電力變壓器有工作原理、分類、結(jié)構(gòu)和運行特性。電源變壓器電力變壓器控制變壓器調(diào)壓器三相干式變壓器第一節(jié)變壓器的基本工作原理和結(jié)構(gòu)

一次繞組N1二次繞組N2互相絕緣且匝數(shù)不同只有磁的耦合而沒有電的聯(lián)系

e2u1i0F0Φe1可向負載供電u2根據(jù)電磁感應原理改變N1、N2，就可達到改變電壓的目的。

一、變壓器的基本工作原理電力系統(tǒng)中應用的變壓器稱作電力變壓器，它是電力系統(tǒng)中的重要設(shè)備。如果輸電線路輸送的電功率Ｐ及功率因數(shù)cosφ一定，Ｕ越高時，則線路電流Ｉ越小，輸電線的截面積，節(jié)省材料，減小投資和降低運行費用。由于發(fā)電廠的交流發(fā)電機受絕緣和工藝技術(shù)的限制，通常輸出電壓為10.5、16kV或更高的20、27kV，而一般高壓輸電線路的電壓為110、220、330、500、800、1000kV，因此需用升壓變壓器將電壓升高后送入輸電線路。當電能輸送到用電區(qū)后，為了用電安全，又必須用降壓變壓器將輸電線路上的高電壓降低為配電系統(tǒng)的配電電壓，然后再經(jīng)過降壓變壓器降壓后供電給用戶。電力系統(tǒng)的多次升壓和降壓，使得變壓器的應用相當廣泛。1、變壓器的應用二、變壓器的應用和分類三相電力系統(tǒng)的變壓器應用電廠、電站電能升壓高壓輸電降壓用戶2、變壓器的分類（1）按用途分類（2）按繞組構(gòu)成分類（3）按相數(shù)分類前面所述的應用就是按用途分類，如電力變壓器

有單相變壓器、三相變壓器、多相變壓器。雙繞組、三繞組、多繞組、自耦變壓器。

另外，變壓器的應用還有，測量系統(tǒng)中使用的儀用互感器（可將高電壓變換成低電壓，或?qū)⒋箅娏髯儞Q成小電流，以隔離高壓和便于測量）；自耦調(diào)壓器（可任意調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，以適應負載對電壓的要求）；在電子線路中用的電源變壓器；變壓器還用來耦合電路、傳遞信號、實現(xiàn)阻抗匹配。作為焊接電源的電焊變壓器；專供大功率電爐使用的電爐變壓器；將交流電整流成直流電時使用的整流變壓器等。1、變壓器的應用

干式變壓器、油浸自冷變壓器、油浸風冷變壓器、強迫油循環(huán)變壓器、充氣式變壓器等。（4）按冷卻方式分類

盡管變壓器種類繁多，但它們皆是利用電磁感應的原理制成的。三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)儲油柜安全氣道線圈鐵心油箱放油閥門儲油柜式油浸電力變壓器分接開關(guān)信號式溫度計吸濕器油表高壓套管低壓套管變壓器的主要組成是鐵心和繞組（俗稱為器身）。為了改善散熱條件，大、中容量的電力變壓器的鐵心和繞組浸入盛滿變壓器油的封閉油箱中，各繞組對外線路的聯(lián)接由絕緣套管引出。為了使變壓器安全、可靠地運行，還設(shè)有儲油柜、安全氣道和氣體繼電器等附件。

三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)波紋片式油浸電力變壓器6-氣體繼電器7-高壓套管8-低壓套管10-油箱(鐵心和繞組在油箱內(nèi))14-吊攀15-盤形分接開關(guān)16-溫度計座17-油位計18-波紋片

三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)立體卷鐵心油浸式電力變壓器前面所示的是:鐵心采用硅鋼片疊裝的傳統(tǒng)油浸式電力變壓器。隨著設(shè)計、材料和工藝水平的提高，當今有大量立體卷鐵心的變壓器生產(chǎn)和使用，其節(jié)能效果顯著。三、變壓器的基本結(jié)構(gòu)1.鐵心構(gòu)成變壓器磁路系統(tǒng)，并作為變壓器的支撐骨架

鐵心柱

磁軛0.3mm或0.27mm或更薄的硅鋼片，減小鐵耗。目前主要采用晶粒有取向冷軋硅鋼片,其導磁性好,鐵耗小.熱軋硅鋼片已基本淘汰.

大、中型變壓器的鐵心，一般先將硅鋼片裁成條形，然后采用交錯疊片的方式疊裝而成。交錯疊片的目的是使各層磁路的接縫互相錯開，以減小接縫處的氣隙和磁路的磁阻，從而減小勵磁電流。增大運行時的功率因素。1.鐵心疊裝鐵心

立體卷鐵心三維立體卷鐵心層間沒有接縫，磁通方向與硅鋼片晶體取向完全一致，沒有接縫處磁通密度的畸變現(xiàn)象。具有空載電流低，空載損耗小，噪聲低、結(jié)構(gòu)緊湊與占地面積小等優(yōu)點。1.鐵心立體卷鐵心2.繞組變壓器中的電路部分，小型變壓器一般用具有絕緣的漆包圓銅線繞制而成，對容量稍大的變壓器則用扁銅線繞制。同心式繞組高、低壓繞組同心地套裝在鐵心柱上。為了便于與鐵心絕緣，把低壓繞組套裝在里面，高壓繞組套裝在外面。（１）油箱

油浸式變壓器的外殼就是油箱，它起機械支撐、冷卻散熱作用。變壓器的器身放在裝有變壓器油的油箱內(nèi)。變壓器油既是絕緣介質(zhì)，又是冷卻介質(zhì)，通過變壓器油的對流，將鐵心和繞組所產(chǎn)生的熱量傳遞給油箱和散熱管或波紋片，再往空氣中散發(fā)熱量。3.其他結(jié)構(gòu)附件(2）儲油柜亦稱油枕，保證器身始終浸在變壓器油中。

（4）分接開關(guān)變壓器運行時，輸出電壓可控制在允許的變化范圍內(nèi)，通過分接開關(guān)改變一次繞組匝數(shù)，使輸出電壓的調(diào)節(jié)為額定電壓的±2*2.5%，±５％

(3）波紋片圖3-2b中的波紋片是特殊的一種碳鋼材料，它即是連接油箱的散熱管片(道)又可起到熱脹冷縮作用，其熱脹冷縮作用可取代圖3-2a中的儲油柜作用。所以目前2000KV.A及下，10/0.4kV的油浸式電力變壓器均采用波紋片式的，儲油柜（油枕）式已很少生產(chǎn)。四、變壓器的銘牌和額定值

為了使變壓器安全、經(jīng)濟、合理地運行，每一臺變壓器都安裝了一塊銘牌，上面標明了變壓器型號及各種額定數(shù)據(jù)，只有理解銘牌上的各種數(shù)據(jù)的含義，才能正確、安全地使用變壓器。銘牌1油浸式電力變壓器1、變壓器的型號與冷卻方式型號：冷卻方式：S

13-MRL-200/10高壓側(cè)額電電壓等級（kV）額定容量（kV·A）密封、卷鐵心、立體性能水平代號（11，13…）三相電力變壓器（S后面J字省略，代表油浸式）銘牌2干式電力變壓器干式電力變壓器SGB是干式電力變壓器(簡稱干變)中的一類。其中S－三相；G－NOMEX絕緣紙作匝絕緣；B－低壓繞組用銅箔繞制；高低繞組都用真空壓力漆作絕緣處理。SCB是另一類干變，C－環(huán)氧樹脂澆注，高壓線圈用環(huán)氧樹脂澆注密封；低壓銅箔線圈的端部用環(huán)氧樹脂密封當今2000KV·A及以下，10/0.4kV的干式電力變壓器廣泛應用于工廠、學校的變電場所。這是由于如今的冷軋硅鋼片質(zhì)量好，損耗小，繞組的絕緣等級不斷提高，允許的溫升提高等因素。（1）額定電壓U1N和U2N

U1N：加在一次繞組上的正常工作電壓值（kV)。根據(jù)變壓器的絕緣強度和允許發(fā)熱等條件規(guī)定U2N：一次繞組加上額定電壓后，額定分接，二次繞組的空載電壓值（kV)。注意：U2N不等于額定負載時的負載電壓額定電壓在三相變壓器中是指線電壓。2.變壓器的額定值（2）額定電流I1N和I2N

根據(jù)變壓器允許發(fā)熱的條件而規(guī)定的滿載電流值（A）。在三相變壓器中額定電流是指線電流。（3）額定容量SN變壓器在額定工作條件下變壓器輸出能力即視在功率（kV·A）。單相變壓器的額定容量三相變壓器的額定容量例3－1：一臺三相油浸自冷式變壓器，已知SN＝560kV·A，U1N/U2N=10000V/400V，試求一次、二次繞組的額定電流I1N

、I2N各是多大?解：第二節(jié)單相變壓器的空載運行變壓器的一次繞組接在額定電壓的交流電源上，而二次繞組開路，這種運行方式稱為變壓器的空載運行。一般電工慣例來規(guī)定圖中各物理量的正方向１)同一條支路中，電壓ｕ的正方向與電流ｉ的正方向一致；２)由電流ｉ產(chǎn)生的磁通勢所建立的磁通φ其二者的正方向符合右手螺旋法則；３)由磁通φ產(chǎn)生的感應電動勢ｅ，其正方向與產(chǎn)生該磁通的電流ｉ的正方向一致。一、空載運行時的物理狀況一、空載運行時的物理狀況

空載時，當一次繞組加上交流電源電壓Ｕ1時，一次繞組中就有空載電流Ｉ0流過，產(chǎn)生空載磁通勢Ｆ0＝Ｉ0Ｎ1，并建立空載磁場。主磁通Φ通過鐵心閉合，同時交鏈一次、二次繞組，并產(chǎn)生感應電動勢Ｅ1和Ｅ2，如果二次繞組與負載接通，則在電動勢作用下向負載輸出電功率，所以主磁通Φ起著傳遞能量的媒介作用；另有一小部分磁通主要由非磁性材料（空氣或變壓器油等）形成閉路，只與一次繞組交鏈，不參與能量傳遞，稱之為一次繞組的漏磁通Φ1σ

，它在一次繞組中產(chǎn)生漏磁電動勢E1σ

。以上過程可表示為：二、感應電動勢和漏磁電動勢在變壓器一次繞組加上正弦交流電壓ｕ1時，設(shè)Ф＝Φmsinωt1、感應電動勢可見；由Ф產(chǎn)生的感應電動勢e1也按正弦規(guī)律變化，頻率為電源頻率，有效值；時間相位上滯后于主磁通90°。(三要素)用相量形式表示：同理:二、感應電動勢和漏磁電動勢2、漏磁電動勢變壓器一次繞組的漏磁通Φ1σ也將在一次繞組中感應產(chǎn)生一個漏磁電動勢Ｅ1σ。根據(jù)前面的分析，同樣可得出：由電工基礎(chǔ)知識，引入?yún)?shù)L1，X1（一次繞組的漏電感或漏電抗），可推得電路形式的漏磁電動勢表達式：從物理意義上講，漏電抗反映了漏磁通對電路的電磁效應。對已制成的變壓器，漏電感Ｌ1為一常數(shù)，頻率一定，漏電抗也是常數(shù)。三、空載運行時的等效電路和電動勢平衡方程式

除了前面引入的漏電抗參數(shù)X1，這里再引入?yún)?shù)Zm，把前面的單相變壓器空載運行的電磁關(guān)系用電路形式“等效”表示：空載變壓器看成兩個電抗線圈串聯(lián)，一個有鐵心其阻抗為Zm，一個沒有鐵心其阻抗為Z1（一次側(cè)漏阻抗）圖中：勵磁參數(shù)勵磁電阻勵磁電抗由圖可得一次側(cè)電動勢平衡方程式：

空載等效電路三、空載運行時的等效電路和電動勢平衡方程式

電力變壓器的I0主要是用于建立空載磁場的感性無功電流,其值很小,一般<2%IN,而電力變壓器的漏阻抗Z1也很小,漏阻抗壓降I0Z1很小略去,電動勢平衡方程式可近似為:有效值表示空載運行二次側(cè)電動勢平衡方程式為:因而有變比k:K>1,降壓變壓器K<1,升壓變壓器U1≈E1＝4.44fN1Фm

U1恒定時，變壓器鐵心中的磁通Фm

基本上保持不變

另因:四、空載運行時的相量圖根據(jù)：作相量圖。相量圖可以定性地分析問題，由圖可知，Ｕ1與Ｉ0之間的相位角φ0接近90°，因此變壓器空載時的功率因數(shù)很低，一般cosφ0＝0.1～0.2。12345678

為了直觀地表示變壓器中各物理量之間的大小和相位關(guān)系，