电气工程学院电力学第二章直流电机课件.ppt

1、第二章第二章直流电机直流电机2.1概述概述2.2 直流电枢绕组直流电枢绕组2.3直流电机的磁场直流电机的磁场2.4直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.5直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性2.6 直流电力传动直流电力传动2.7直流电机的换向直流电机的换向2.1概述概述一、直流电机的工作原理一、直流电机的工作原理1 1、直流发电机的工作原理、直流发电机的工作原理直流电机的物理模型直流电机的物理模型 右图为直流发电机的物右图为直流发电机的物理模型，理模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱

2、体称为电机的转子或磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端电枢。线圈的首末端a、d连连接到两个相互绝缘并可随线接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。的电刷进行的。导体导体ab在在N极下时，根极下时，根据右手定则，据右手定则，a点为高电位，点为高电位，b点低电位；导体点低电位；导体cd在在S极下，极下，c点高电位，点高电位，d点低电位；电点低电位；电刷刷A极性为正，电刷极性为正，电刷B极性极性为负。为负。导体导体abab在在S S极下，极下，根据右手定

3、则，此时根据右手定则，此时a a点为低电位，点为低电位，b b点高电点高电位；导体位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点低电位，点低电位，d d点高电点高电位；电刷位；电刷A A极性仍为正，极性仍为正，电刷电刷B B极性仍为负。极性仍为负。当原动机驱动电机转当原动机驱动电机转子逆时针旋转子逆时针旋转 180180后，后，如右图。如右图。直流发电机工作原理图直流发电机工作原理图 可见，和电刷可见，和电刷A A接触的导体总是位于接触的导体总是位于N N极下，和电刷极下，和电刷B B接触的导体总是位于接触的导体总是位于S S极下，因此电刷极下，因此电刷A A的极性总是正的，电刷的极性总是正的

4、，电刷B B的极性总是负的，在电刷的极性总是负的，在电刷A A、B B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动势。如气隙磁场沿气隙的分布为平顶如气隙磁场沿气隙的分布为平顶波，如图所示，根据电动势的计波，如图所示，根据电动势的计算公式算公式Blve可知感应电动势与气隙磁密成正可知感应电动势与气隙磁密成正比。导体和电刷比。导体和电刷ABAB间的电动势间的电动势e e和和e eABAB如右图所示。如右图所示。线圈线圈abcdabcd中的电动势是交流中的电动势是交流的，通过电刷和换向器机械整流的，通过电刷和换向器机械整流作用，将线圈中的交变电动势整作用，将线圈中的交变电动势整流为电刷流为电刷A A和电

5、刷和电刷B B之间的直流电之间的直流电动势。动势。增加导体数目可以减小感应电动势脉动。当每极下导体数增加导体数目可以减小感应电动势脉动。当每极下导体数大于大于8 8时，脉动可小于时，脉动可小于1%1%。二、直流电动机工作原理二、直流电动机工作原理 直流电动机的基本结构与发电机完全相同。电动机是直流电动机的基本结构与发电机完全相同。电动机是将直流电能转化为机械功率，因此，电刷接至直流电源，如图将直流电能转化为机械功率，因此，电刷接至直流电源，如图所示。所示。当导体当导体abab在在N N极下时，根据左手定极下时，根据左手定则，则，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向

6、左，S S 极下导体极下导体cdcd受力方受力方向从左向右。该电磁向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋机转子逆时针方向旋转。转。原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极下，受力极下，受力方向从左向右，原方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下，受力方向极下，受力方向从右向左。该电磁从右向左。该电磁力形成逆时针方向力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的在该电磁力形成的电磁转矩作用下继电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。续逆时针

7、方向旋转。当转子旋转当转子旋转180180后，如下图所示后，如下图所示直流电动机工作原理示意图直流电动机工作原理示意图 直流电动机电枢绕组通过电刷与直流电源相联接，通过直流电动机电枢绕组通过电刷与直流电源相联接，通过电刷和换向器的逆变作用，将外电源的直流变为线圈中的交电刷和换向器的逆变作用，将外电源的直流变为线圈中的交流，使流，使N N极下的导体中的电流方向不变，极下的导体中的电流方向不变，S S极下的导体电流方极下的导体电流方向不变，而向不变，而N N、S S极下导体中的电流方向始终相反，以保证电极下导体中的电流方向始终相反，以保证电磁转矩的方向不变。磁转矩的方向不变。同直流发电机相同，实际

8、的直流电动机的电枢并非单一同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。线圈，磁极也并非一对。二、直流电机的主要结构部件二、直流电机的主要结构部件1 1、主磁极、主磁极主磁极铁心：主磁极铁心：1mm1mm1.5mm1.5mm厚的厚的 低碳钢板低碳钢板励磁绕组：铜导线励磁绕组：铜导线产生气隙磁场产生气隙磁场 主磁极主磁极 励磁绕组励磁绕组主磁极钢板冲片主磁极钢板冲片（1-1.5mm厚）厚）主磁极由钢板主磁极由钢板冲片叠压而成冲片叠压而成励磁绕组套在励磁绕组套在主磁极极身上主磁极极身上换向极铁心：换向极铁心：1mm1.5mm厚的低碳钢板厚的低碳钢板作用：改善换向作用：改善换

9、向换向极绕组：与电枢绕组串联换向极绕组：与电枢绕组串联2、换向极、换向极p=2 即即4极电机极电机NSNS3 3、机座、机座作用：固定主磁极和换向极；作用：固定主磁极和换向极；主磁路的一部分。主磁路的一部分。铸钢或薄钢板铸钢或薄钢板电枢铁心冲片电枢铁心冲片(0.35-0.5mm厚厚)（硅钢片（硅钢片）涂绝缘漆冲涂绝缘漆冲片叠压而成片叠压而成4 4、电枢铁心、电枢铁心作用：构成主磁路以及嵌放电作用：构成主磁路以及嵌放电枢绕组枢绕组5 5、电枢绕组、电枢绕组产生感应电动势和电磁转矩产生感应电动势和电磁转矩6 6、換換向器向器将电枢绕组内的交流电动势用机械换向的方法转换为将电枢绕组内的交流电动势用机

10、械换向的方法转换为电刷间的直流电动势。电刷间的直流电动势。7、电刷装置、电刷装置把转动的电枢与外电路把转动的电枢与外电路相连接；相连接；与换向器配合作用获得与换向器配合作用获得直流电压。直流电压。铜丝辨铜丝辨压紧弹簧压紧弹簧电刷电刷刷盒刷盒普遍刷握和刷杆如右普遍刷握和刷杆如右图所示。图所示。三、直流电机的额定值三、直流电机的额定值1、额定功率、额定功率 PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以以“W”为单位。若大于为单位。若大于 1kW 或或 1MW 时时,则用则用 kW 或或 MW 表示。表示。2、额定电压、额定电压 UN

11、指额定状态下电枢出线端的电压，以指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为单位。为单位。3、额定电流、额定电流 IN指电机在额定电压、额定功率时的负载电流值，以指电机在额定电压、额定功率时的负载电流值，以“A”为单位。为单位。4、额定转速、额定转速 nN指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位为单位5、额定励磁电流、额定励磁电流 IfN 指电机在额定状态时的励磁电流值，以指电机在额定状态时的励磁电流值，以“A”为单位。为单位。对于直流发电机，对于直流发电机，PN 是指输出的电功率。是指输出的电功率。NNNIUP对于直流电动机，对于直流电动机，PN 是指输出

12、的机械功率。是指输出的机械功率。NNNNIUP2.2直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组一、基本特点一、基本特点1 1、基本要求、基本要求（1 1）能产生尽可能大的电动势，并具有良好的波形；）能产生尽可能大的电动势，并具有良好的波形；（2 2）能通过尽可能大的电流，并承受由此产生的电磁力和）能通过尽可能大的电流，并承受由此产生的电磁力和电磁转矩；电磁转矩；（3 3）结构简单，连接可靠；）结构简单，连接可靠；（4 4）便于维护和检修；）便于维护和检修；（5 5）换向良好。）换向良好。2 2、电枢绕组的类型、电枢绕组的类型（1）单叠绕组）单叠绕组（2）单波绕组）单波绕组（3）蛙形绕组）蛙形绕组元件

13、边元件边元件边元件边后端接后端接后端接后端接前端接前端接前端接前端接换向片换向片换向片换向片3、有关直流电枢绕组的术语、有关直流电枢绕组的术语（1）元件）元件两端分别与两片换向片联接的单匝或多匝线圈。两端分别与两片换向片联接的单匝或多匝线圈。(2)实槽数实槽数Z、虚槽数、虚槽数Zi、元件数、元件数S和换向片数和换向片数K为了改善电机的性能，一个槽中一般放置不止一条上为了改善电机的性能，一个槽中一般放置不止一条上层边和一条下层边，如图所示。层边和一条下层边，如图所示。一条上层边和一条下层边即为一个虚槽，因此一条上层边和一条下层边即为一个虚槽，因此uZZi3u一个元件有两条边，而一个虚槽中放一个元

14、件有两条边，而一个虚槽中放置两条边，因此置两条边，因此iZS 每个换向换向片联接两条不同的元每个换向换向片联接两条不同的元件边，因此件边，因此KS KSuZZi（3）极距）极距 每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主磁距离，每个主磁极在电枢表面占据的距离或相邻两主磁距离，用所跨弧长或该弧长所对应的虚槽表示。用所跨弧长或该弧长所对应的虚槽表示。或pZpDia22（4）第一节距）第一节距y1每个元件的两条元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示。每个元件的两条元件边在电枢表面的跨距，用虚槽数表示。pZyi21小于小于1的分数。的分数。1y整距绕组；整距绕组；1y短距绕组；短距绕组；1y长距绕组；长距

15、绕组；（5）第二节距）第二节距y2同一片换向片上相联的两个元件中的第一个元件的下元件同一片换向片上相联的两个元件中的第一个元件的下元件边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距。边到第二个元件的上元件边在电枢表面的跨距。对于单叠绕组，对于单波绕组。对于单叠绕组，对于单波绕组。02y02y（6）合成节距）合成节距y和换向器节距和换向器节距yK合成节距：相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面的合成节距：相串联的两个元件的对应元件边在电枢表面的跨距。跨距。21yyy换向器节距：与每元件的两个端相联的两个换向片在换向器换向器节距：与每元件的两个端相联的两个换向片在换向器表面的跨距，用表面的跨距，用换向片

16、数表示。换向片数表示。kyy 0ky右行绕组右行绕组0ky左行绕组左行绕组二、单叠绕组二、单叠绕组任何两个串联元件都是后一个元件叠在前一个的上面。任何两个串联元件都是后一个元件叠在前一个的上面。1kyy单叠绕组一般为右行绕组，单叠绕组一般为右行绕组，y=yk=1=1。例：已知电机的极数例：已知电机的极数2 2p4 4，且，且Z=ZiSK1616。试绕制一单叠。试绕制一单叠右行整距绕组。右行整距绕组。解：解：（1 1）计算节距）计算节距（3 3）绕组展开图）绕组展开图1kyy（槽）34112yyy由于是右行绕组由于是右行绕组（槽）441621pZyi（2 2）绕组联接表）绕组联接表1 1 2 2

17、 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 9101011111212131314141515 16161 11 1 2 2 3 3 4 4 5 5 6 6 7 7 8 8 9 91010 11111212131314141515 16161616NNSSA1A2B1B2电刷放置的原则：电刷放置的原则：（1）空载时被电刷短）空载时被电刷短路的元件的感应电动势尽路的元件的感应电动势尽可能为零。可能为零。（2）并联支路的电动）并联支路的电动势尽可能大。势尽可能大。相邻两主极的中心线称为电枢上的几何的中性线。相邻两主极的中心线称为电枢上的几何的中性线。电刷应放置在换向器上的几何中性线上。电

18、刷应放置在换向器上的几何中性线上。换向器上的几何中性线：轴线与主极轴线重合的元件的换向器上的几何中性线：轴线与主极轴线重合的元件的两端所联接的两片换向片的中线。两端所联接的两片换向片的中线。对于端接对对于端接对称的元件来称的元件来说，元件轴说，元件轴线、主极轴线、主极轴线和换向器线和换向器上的几何中上的几何中性线重合。性线重合。不论是整距绕组还是短距或长距绕组，当元件的轴线与主不论是整距绕组还是短距或长距绕组，当元件的轴线与主极的轴线重合时，该元件的感应电动势为极的轴线重合时，该元件的感应电动势为0。N NN N单叠绕组是将每一个磁极下的元件依次串联，构成一条并单叠绕组是将每一个磁极下的元件依

19、次串联，构成一条并联支路，因此，单叠绕组的并联支路对数联支路，因此，单叠绕组的并联支路对数a等于极对数等于极对数p，即：即：a=p绕组的并联支路电路图绕组的并联支路电路图三、单波绕组三、单波绕组单波绕组是从一个元件出发，串联单波绕组是从一个元件出发，串联p个元件后，回到出发换个元件后，回到出发换向片的相邻的左边换向片上（左行绕组）或右边换向片上向片的相邻的左边换向片上（左行绕组）或右边换向片上（右行绕组）。单波绕组一般采用左行绕组。因此（右行绕组）。单波绕组一般采用左行绕组。因此单波绕组的合成绕组节距为：单波绕组的合成绕组节距为：1Kpyk整数211yypKyyk取取“”时为左行绕组，取时为左

20、行绕组，取“”时为右行绕组。时为右行绕组。例：已知电机的极数例：已知电机的极数2p4，且，且Z=ZiSK15。试绕。试绕制一单波左行绕组。制一单波左行绕组。解：解：（1）计算节距）计算节距左行单波左行单波7211511pKpKyyk第一节距第一节距34341521pZyi第二节距第二节距43712yyy（2）绕组联接表）绕组联接表极距极距4334152pZi 绕组的并联支路电路图绕组的并联支路电路图 单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来单波绕组是把所有处于相同极性下的元件都串联起来构成一条支路构成一条支路,因此单波绕组的并联支路对数恒等于因此单波绕组的并联支路对数恒等于1。直流电机电

21、枢绕组是无头无尾的闭合绕组；通过电刷将直流电机电枢绕组是无头无尾的闭合绕组；通过电刷将电枢绕组分成若干对并联支路，因此直流电机电枢绕组至少电枢绕组分成若干对并联支路，因此直流电机电枢绕组至少有有2 2条并联支路。条并联支路。在直流电机中，通常用在直流电机中，通常用 a 表示并联支路对数表示并联支路对数 单叠绕组单叠绕组a=p 即并联支路对数恒等于电机极对数即并联支路对数恒等于电机极对数 单波绕组单波绕组a=1即并联支路对数恒等于即并联支路对数恒等于1 1电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电刷放置的一般原则是确保空载时通过正、负电刷引出的电动势最大；被电刷短路的元件中的电动势为零

22、。电动势最大；被电刷短路的元件中的电动势为零。对于端接对称的元件，电刷放置在换向器上几何中性线上对于端接对称的元件，电刷放置在换向器上几何中性线上，也即在主极轴线下的换向片上。，也即在主极轴线下的换向片上。总结：总结：2.2直流电机的磁场直流电机的磁场一、直流电机的励磁方法一、直流电机的励磁方法直流发电机的励方式有：他励、并励和复励直流发电机的励方式有：他励、并励和复励二、直流电机的空载磁场二、直流电机的空载磁场空载：空载：Ia0 下下 图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。图为一台四极直流电机空载时的磁场示意图。1、主磁通和漏磁通、主磁通和漏磁通 直流电机中，主磁通直流电机中，主磁通 是主

23、要的，它能在电枢绕组中感应是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的大约是主磁通的20%。0主极漏磁系数主极漏磁系数01k2 2、主磁场分布、主磁场分布 空载时，励磁磁动势主空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料的磁阻时，主磁极下磁材料的磁阻时，主磁极下气隙磁通密度的分布就取决气隙磁通密度的分布就取决于气隙的大小和形状。于气隙的大小和形状。)(

24、)(00 xFxB气隙磁密气隙磁密气隙磁密在一个极下的分布气隙磁密在一个极下的分布如图所示，为一平顶波。如图所示，为一平顶波。xB气隙磁密分布气隙磁密分布3、磁化曲线、磁化曲线磁化曲线指电机主磁通与励磁磁动势的关系曲线磁化曲线指电机主磁通与励磁磁动势的关系曲线饱和系数饱和系数01FFFFkFe35.11.1k)(0fFf 直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生的磁动势称为生的磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势的出现使电机的磁。电枢磁动势的出现使电机的磁场发生变化。场发生变化。三、直流电机的电枢磁场三、直流电机的电枢磁场1、电刷

25、在几何中性线上、电刷在几何中性线上 右图为一台电刷放在几何中性右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。情况。假设励磁电流为零，只有电枢假设励磁电流为零，只有电枢电流。如图所示为电枢磁动势产生电流。如图所示为电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。枢磁动势为交轴磁动势。aaaDiNA2aaqAFFpD2aAxDixNxFaaaa)2(21)(aaaDiNA电机的线负荷电机的线负荷 当电刷放在几何中性线上时，电枢磁动势沿空间的分布当电刷放在几何中性线上时，电枢磁动势沿空间的分布为三角形，三角

26、形最大幅值在电枢的几何中性线上，主极轴为三角形，三角形最大幅值在电枢的几何中性线上，主极轴线处电枢磁动势为线处电枢磁动势为0 0。最大幅值为最大幅值为2aaqAFF电枢磁密电枢磁密)()()()()(000 xAxxxFxHxBaaa电枢磁密沿气隙分布为马鞍形分布电枢磁密沿气隙分布为马鞍形分布。2 2、电刷偏离几何中性线、电刷偏离几何中性线)2(aqbAFadAbF直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势四、电枢反应四、电枢反应电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应。电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应。1、交轴电枢反应、交轴电枢反应当电刷放置在几何中性线上当电刷放置在几何中性线

27、上时，电枢磁场只有交轴分量，时，电枢磁场只有交轴分量，电枢反应为交轴电枢反应。电枢反应为交轴电枢反应。此时气隙磁场如图所示。此时气隙磁场如图所示。主磁极磁密主磁极磁密分布曲线分布曲线气隙合成磁气隙合成磁密分布曲线密分布曲线电枢磁密电枢磁密分布曲线分布曲线交轴电枢反应对气隙磁场的影响：交轴电枢反应对气隙磁场的影响：1)使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变，一半极面下被加强，一半极面下被削，一半极面下被加强，一半极面下被削 弱弱 。2）使物理中性线偏离几何中性线。）使物理中性线偏离几何中性线。物理中性线：电枢表面磁密为物理中性线：电枢表面磁密为0处。处。对于发电机来说，顺电枢旋转方向偏移一定角度。

28、电动机反对于发电机来说，顺电枢旋转方向偏移一定角度。电动机反之。之。3）磁路不饱和时，一个极面下的总磁通量不变。）磁路不饱和时，一个极面下的总磁通量不变。磁路饱和时，略呈去磁作用。磁路饱和时，略呈去磁作用。2 2、直轴电枢反应、直轴电枢反应当电刷偏离几何中性线时，电枢反应除了交轴电枢反应外还当电刷偏离几何中性线时，电枢反应除了交轴电枢反应外还有直轴电枢反应。交轴电枢反应同前所述。有直轴电枢反应。交轴电枢反应同前所述。对于发电机来说，如果电刷顺电枢旋转方向偏离一定角度，对于发电机来说，如果电刷顺电枢旋转方向偏离一定角度，直轴电枢反应起去磁作用，如果逆电枢旋转方向偏离一定角度，直轴电枢反应起去磁作

29、用，如果逆电枢旋转方向偏离一定角度，则电枢反应起助磁作用，如图所示。则电枢反应起助磁作用，如图所示。五、感应电动势和电磁转矩五、感应电动势和电磁转矩1 1、感应电动势、感应电动势一根导体的感应电动势一根导体的感应电动势lvxBek)(电枢的总导体数为电枢的总导体数为Na，则每条并联支路串联导体数为，则每条并联支路串联导体数为aNa2支路的电动势为支路的电动势为aNkaNkkaaxBlveE2121)(令令aNBxBaavaNka2)(21每极磁通每极磁通lBdxBlldxBavxx22)(22)(1电枢表面的线速度电枢表面的线速度602npv感应电动势的表达式可写为感应电动势的表达式可写为ap

30、NCaE60电动势常数电动势常数nCnapNEEa602 2、电磁转矩、电磁转矩如果如果ia为支路电流，电枢电流为支路电流，电枢电流Ia，则，则aIiaa2导体所受的电磁力为导体所受的电磁力为aIlxBlixBFaak2)()(电磁转矩电磁转矩aIlpxBDFTaakk2)(2合成电磁转矩合成电磁转矩aTapNkapNkakemICIapNxBaIplpTpTaa21212)(222apNCaT2转矩常数转矩常数3 3、电动势常数和转矩常数的关系、电动势常数和转矩常数的关系55.9260602apNapNCCaaET电动势表达式又可以写成电动势表达式又可以写成TTCCE3030CT又称为电机常

31、数又称为电机常数2.4直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性一、基本方程一、基本方程并励直流发电机等效电路如右图所示并励直流发电机等效电路如右图所示1 1、电动势平衡方程、电动势平衡方程baaUrIUE2bU一组电刷接触电阻的压降，一组电刷接触电阻的压降，一般取一般取0.30.31V1V。ar电枢绕组的电阻。电枢绕组的电阻。aaRIUE2aaaURrI为电枢回路总的等效电阻，包括电刷与换向器为电枢回路总的等效电阻，包括电刷与换向器之间的接触电阻。之间的接触电阻。励磁回路励磁回路ffjffRIrrIU)(jffrrR为励磁回路总的电阻为励磁回路总的电阻faIII电枢电流电枢电流2 2、转矩平衡

32、方程式、转矩平衡方程式01TTTem3 3、功率平衡方程式、功率平衡方程式将电动势平衡方程式将电动势平衡方程式aaRIUE两边同时乘电枢电流两边同时乘电枢电流IaaafaaaaRIIIUIRIUEI2)()(cuacufemppPP2aemEIP电磁功率电磁功率)(01TTTem由转矩平衡方程式两边同乘可得：由转矩平衡方程式两边同乘可得：emaaTaTemPEIICICT01pPPem11TP00Tp为输入功率为输入功率为空载损耗为空载损耗adfemecpppp0空载损耗包括：空载损耗包括：（1 1）机械损耗）机械损耗pmec，包括轴承、电刷摩擦，定、转子空气摩擦，包括轴承、电刷摩擦，定、转子

33、空气摩擦，以及通风损耗等。以及通风损耗等。（2 2）铁心损耗）铁心损耗pfe，主极磁通在转动的电枢铁心中交变，引起，主极磁通在转动的电枢铁心中交变，引起的磁滞损耗和涡流损耗。的磁滞损耗和涡流损耗。（3 3）杂散损耗）杂散损耗pad，又称为附加损耗，产生原因很复杂，很难，又称为附加损耗，产生原因很复杂，很难计算，约为电机额定功率的计算，约为电机额定功率的0.5-1%0.5-1%。发电机的功率平衡方程式为：发电机的功率平衡方程式为：adfemeccufcuaadfemecempppppPpppPP21效率效率%100%1001112PpPPPadfemeccufcuapppppp并励发电机的总损耗

34、并励发电机的总损耗二、他励发电机的运行特性二、他励发电机的运行特性1 1、空载特性、空载特性定义：当定义：当n=常数、常数、I0 0时，时，U0f(If)的关系曲线的关系曲线空载时，。由空载时，。由于，而转速恒于，而转速恒定，因此，而定，因此，而励磁电流与励磁磁动势励磁电流与励磁磁动势成正比，因此，电机的成正比，因此，电机的空载特性实际反应了电空载特性实际反应了电机的主磁路的磁化特性。机的主磁路的磁化特性。0UEanCEeaaE2 2、外特性、外特性定义：定义：n常数，常数，If常数，常数，U=f（I)的关系曲线。的关系曲线。他励直流发电机的电枢端他励直流发电机的电枢端电压随负载电流的增加而电

35、压随负载电流的增加而降低，原因：降低，原因：（1 1）电枢电流在电枢电）电枢电流在电枢电阻上的压降增大；阻上的压降增大；（2 2）电枢反应的去磁作）电枢反应的去磁作用使得电枢的感应电动势用使得电枢的感应电动势减小。减小。电压变化率：从额定负载电压变化率：从额定负载（IIN，UUN）过渡到空）过渡到空载时（载时（I0 0，UU0）的电）的电压变化率。压变化率。%1000NNUUUU他励直流发电机的电压变化率一他励直流发电机的电压变化率一般为般为5%5%10%10%。3 3、调节特性、调节特性定义：定义：n常数，常数，U常数，常数，If=f（I)的关系曲线。的关系曲线。三、并励发电机的自励条件和外

36、特性三、并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。为自励条件。电枢回路励磁电流与电压的关系为空载特性，电枢回路励磁电流与电压的关系为空载特性，U0f(If)，励，励磁回路励磁电流与电压关系为场阻线磁回路励磁电流与电压关系为场阻线U=f（If)。1 1、自励条件和自励过程、自励条件和自

37、励过程如图所示，为直流发电机的空载曲线与场阻线。如图所示，为直流发电机的空载曲线与场阻线。自励条件：自励条件：1 1、主极有剩磁；、主极有剩磁；2 2、励磁绕组与电枢绕组并联的、励磁绕组与电枢绕组并联的极性正确；极性正确；3 3、励磁回路总电阻小于临界电、励磁回路总电阻小于临界电阻。阻。1-1-空载特性空载特性2,32,3场阻线场阻线临界电阻：场阻线与空载曲线相切临界电阻：场阻线与空载曲线相切时励磁回路总电阻。时励磁回路总电阻。空载曲线与转速成正比，因此不同的转速有不同的临界电阻。空载曲线与转速成正比，因此不同的转速有不同的临界电阻。空载特性与场阻线的交点空载特性与场阻线的交点A A即为所即为

38、所建空载电压。建空载电压。A2 2、外特性、外特性并励比他励端电压下降更快，除了与他励直流发电机相同并励比他励端电压下降更快，除了与他励直流发电机相同的两个原因外，还有的两个原因外，还有（3 3），励磁电流随着电），励磁电流随着电枢电压的降低而减小，造成合成枢电压的降低而减小，造成合成磁通的减小。磁通的减小。ffRUIConstRf n=常数常数 U=f(I)定义：定义：四、复励发电机的特点四、复励发电机的特点在并励发电机的基础上加上串励绕组即为复励发电机。在并励发电机的基础上加上串励绕组即为复励发电机。如果串励绕组的磁动势与并励绕组的磁动势相同则为如果串励绕组的磁动势与并励绕组的磁动势相同则

39、为积复励，否则为差复励。积复励，否则为差复励。复励发电机的外特性如右图所示。复励发电机的外特性如右图所示。2.52.5直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性ffafUI RIIIbU为电枢回路为电枢回路总电阻总电阻为励磁回路总电为励磁回路总电阻阻为电刷接触压降为电刷接触压降aabaaRIEUrIEU2abaa2IUrRjfjrrR一、基本方程式一、基本方程式2 2、转矩平衡方程式、转矩平衡方程式 电动机中电磁转矩为驱动转矩，而负载转矩、空载转矩为制电动机中电磁转矩为驱动转矩，而负载转矩、空载转矩为制动转矩，电机稳定运行时，驱动转矩与制动转矩平衡，因此动转矩，电机稳定运行时，驱动转矩与制动转矩

40、平衡，因此02TTTemTem为电磁转矩为电磁转矩T2为负载转矩为负载转矩T0为空载转矩为空载转矩输入电功率输入电功率 P1fafaUIUIIIUUIP)(1cufcuaemppPfaaaUIIRIE)(faaaUIRIEI2电磁功率电磁功率 Pem aemEIP电枢铜耗电枢铜耗 pCuaaacuaRIp2励磁铜耗励磁铜耗 pCuf fcufUIp输出机械功率输出机械功率 P P2 2pCua+pCuf 亦称之为可变损耗。亦称之为可变损耗。pFe+pmec+pad=p0 称之为空载损耗，亦称为不变损耗。称之为空载损耗，亦称为不变损耗。电机铁耗电机铁耗 pFe机械损耗机械损耗 pmec附加损耗附

41、加损耗 pad由转矩平衡方程式由转矩平衡方程式两边同时乘以角速度两边同时乘以角速度02pPPem02 TTTem（）adfemecpppTp0022TPadfemeccufcuacufcuaempppppPppPP214 4、效率、效率%100%1001112PpPPP 并励电动机并励电动机 试验接线图试验接线图直流电动机直流电动机 n、Tem、f（P2）的关系曲线称为工作特性。的关系曲线称为工作特性。并励直流电动机的并励直流电动机的实验线路图如图所示。实验线路图如图所示。（1 1）速率特性）速率特性 n=f(P2)CRIUnEaa略下降电枢反应去磁加强nRIUIPP)(aaa120202em

42、TPTTT%100NN0nnnn转速调整率转速调整率 (2)(2)转矩特性转矩特性Tem=f(P2)(3)(3)效率特性效率特性)(2Pf%100%1002212pPPPPadfemeccufcuapppppppCua 称之为可变损耗。称之为可变损耗。pFe+pmec+pad=p0 称之为空载损耗，亦称为不变损耗。称之为空载损耗，亦称为不变损耗。当不变损耗等于可变损耗时，电机的效率最高。当不变损耗等于可变损耗时，电机的效率最高。串励电动机串励电动机 试验接线图试验接线图 串励电动机工作特性实串励电动机工作特性实验线路图如右图所示验线路图如右图所示nIIIRIUIPPfafaaa)(12（1）速

43、率特性）速率特性n=f(P2)串励电动机的转速随串励电动机的转速随负载的增加而下降的速负载的增加而下降的速度很快。度很快。1/4NN100%nnnn 1 41 4n 为额定负载时的转速CRIUnEaa(2)(2)转矩特性转矩特性Tem=f(P2)2aaemIITaTemICT串励电动机的电磁转矩随输出功率的增加，迅速增加。串励电动机的电磁转矩随输出功率的增加，迅速增加。当磁路不饱和时当磁路不饱和时 ，afII因此因此即使磁路饱和，电磁转矩即使磁路饱和，电磁转矩亦按大于一次方的速率增亦按大于一次方的速率增加。加。注意：注意：串励电动机不允许空载或串励电动机不允许空载或轻载。轻载。1 1并励电动机

44、并励电动机 2 2并励为主的复励电动机并励为主的复励电动机 3 3串励为主的复励电动机串励为主的复励电动机 4 4串励电动机串励电动机 5 5差复励电动机差复励电动机速率特性比较速率特性比较复励电动机既有并励复励电动机既有并励绕组又有串励绕组，其速绕组又有串励绕组，其速率特性介于并励电动机速率特性介于并励电动机速率特性与串励直流电动机率特性与串励直流电动机的速率特性之间。的速率特性之间。三、机械特性三、机械特性U常数时，转速常数时，转速n与电磁转矩与电磁转矩Tem之间的关系曲线之间的关系曲线n=f(Tem)em2Tjajaa)(TCCRRCUCRRIUnEEERj为串入电枢回路的调节电阻，用于

45、改变机械特性的斜率。为串入电枢回路的调节电阻，用于改变机械特性的斜率。U=UN,If=IfN,Rj=0时为自然机械特性，三者中只要有一个改变，时为自然机械特性，三者中只要有一个改变，即为人工机械特性。即为人工机械特性。emj0TknnCUnE0称为理想空载转速称为理想空载转速 并励电动机的自然机械特性并励电动机的自然机械特性接近于一水平线，称为硬特性。接近于一水平线，称为硬特性。人为机械特性人为机械特性（1）电枢串电阻的机械特性）电枢串电阻的机械特性（2 2）降低电枢电压的人为机械特性）降低电枢电压的人为机械特性（3 3）减弱励磁电流的人为特性）减弱励磁电流的人为特性2NaeeTURnTCC

46、CTn0n2NaeeTURRnTCC C2aeNeTNRUnTCC C12341自然机械特性自然机械特性2电枢串电阻的人为特性电枢串电阻的人为特性3降低电枢电压的人为特性降低电枢电压的人为特性4减弱励磁的人为特性减弱励磁的人为特性0em2aemafTICTIIT设磁路不饱和设磁路不饱和 emTC令)(ja2em1RRCTUCn为比例系数2211,1CCCCCCCTEE串励直流电动机具有软特性串励直流电动机具有软特性2.6直流电力拖动直流电力拖动一、电力传动系统基础一、电力传动系统基础tJTTLemdd0dd tTTLem系统加速系统加速0dd tTTLem系统减速系统减速二、稳定运行条件二、稳

47、定运行条件1 1、定义、定义电机和机械组成的拖动机组已运行于某一转速下，若外电机和机械组成的拖动机组已运行于某一转速下，若外界短时扰动使转速产生变化，在扰动消失后机组能恢复到界短时扰动使转速产生变化，在扰动消失后机组能恢复到原来的速度，则称机组的运行为稳定。原来的速度，则称机组的运行为稳定。2 2、典型负载的机械特性、典型负载的机械特性0TLn12341、风机型、风机型2、直线型、直线型3、恒转矩型、恒转矩型3、恒功率型、恒功率型3 3、稳定运行条件、稳定运行条件TLnnATA)(emTfn)(LTfn 0nnnnnnnnnnnnnnTLTB)(LTfn)(emTfn 稳定运行条件稳定运行条件

48、nTnTLemdddd三、直流电动机的起动三、直流电动机的起动1、对起动性能的要求：对起动性能的要求：起动转矩起动转矩 Tst足够大足够大 起动电流起动电流Ist尽量小（小于允许值）尽量小（小于允许值）2、起动方法起动方法 （1）直接起动直接起动直接将电枢投入直接将电枢投入UN起动起动 （2）电枢回路串变阻器起动）电枢回路串变阻器起动起动时在电枢回路串入起起动时在电枢回路串入起动电阻动电阻RstNaaNstIRUREUI)2010(直流电动机一般不采用直接起动，而是限流起动。直流电动机一般不采用直接起动，而是限流起动。stastRRUI86（3 3）降压起动）降压起动起动降低电枢绕组电压起动降

49、低电枢绕组电压 U UN 二、直流电动机速度的调节二、直流电动机速度的调节1对调速性能的要求：对调速性能的要求：（1）调速范围大（调速范围大（2）调速平滑（调速平滑（3）经济性好经济性好（4）方法简便可靠方法简便可靠2调速方法调速方法 因为因为 所以所以（1）电枢回路串电阻）电枢回路串电阻R （2）改变励磁电流）改变励磁电流 If（励磁回路串电阻）（励磁回路串电阻）（3）改变电枢电压）改变电枢电压UTCCRRCUnTeae2 nRj调速方法简单，调速方法简单，经济性差。经济性差。如果负载为恒如果负载为恒转矩，则转矩，则.constICTaTem.constIa输入功率输入功率.1constUI

50、P输出功率输出功率LTP2（2 2）改变励磁电流调速）改变励磁电流调速 nIfaTemICT如果负载转矩不变，则如果负载转矩不变，则.constIaURIUnCEaaeeCUn（3 3）改变端电压调速）改变端电压调速电枢电压降低，转速电枢电压降低，转速降低降低调范围大，无级调速调范围大，无级调速四、直流电动机的制动四、直流电动机的制动1、能耗制动、能耗制动操作简便，制动时间长。操作简便，制动时间长。LaaRREIaIE2 2、反接制动、反接制动1 1）电源反接的反接制动）电源反接的反接制动LaNaRREUILRjraIE制动效果强烈，可使电动机迅速停车或反转。制动效果强烈，可使电动机迅速停车或