陈世元电机学第5篇直流电机ppt课件.ppt
第5篇 直流电机,第17章 直流电机的工作原理和主要结构第18章 直流电机的磁场、电枢绕组和电枢反应第19章 直流电机的基本方程式和运行特性,上一页,下一页,退 出,第17章直流电机的工作原理和主要结构17.1 直流电机的工作原理17.2 直流电机的主要结构17.3 直流电机的额定值,上一页,下一页,返 回,第18章 直流电机的磁场、电枢绕组和电枢反应18.1直流电机的空载磁场18.2直流电机的电枢绕组18.3直流电机负载时的磁场及电枢反应18.4直流电机的电枢电动势和电磁转矩,上一页,下一页,返 回,第19章直流电机的基本方程式和运行特性19.1直流发电机的基本方程式19.2直流发电机的运行特性19.3直流电动机19.4直流电机的换向19.5直流电机的起动、制动与调速,第17章 直流电机的工作原理和主要结构,直流电机是电机的主要类型之一，一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用。 A：用作发电机可以获得直流电源； B：用作电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，得到广泛使用。,退 出,下一页,返 回,直流电机的用途： 1.作电源用:发电机2.作动力用:电动机3.信号的传递:测速发电机,伺服电动机 其中： 作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电 能 。一般小于10万kW的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。 作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能。 信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号 ；直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。,退 出,上一页,下一页,返 回,作电源用,退 出,上一页,下一页,返 回,做励磁机用,退 出,上一页,下一页,返 回,返 回,直流测速发电机,退 出,上一页,下一页,返 回,直流伺服电动机,退 出,上一页,下一页,返 回,直流电机的优缺点： 直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 由于存在换向器，其制造复杂，价格高。,退 出,上一页,下一页,返 回,17.1 直流电机的工作原理一、直流发电机原理（机械能-直流电能） 定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流(称为励磁电流If)时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）； 原动机带动电枢线圈旋转切割主磁场B,转速n(r/min)； 电枢线圈的导体中将产生感应电势e=Blv； 通过换向器与电刷的作用，可以引出单向（直流）的端电势eAB。（看原理图1）（动画1）,退 出,上一页,下一页,返 回,从以上分析可以看出，线圈中的电动势及电流的方向是交变的，只是经过电刷和换向片的整流作用，才使外电路得到方向不变的直流电。直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。,退 出,上一页,下一页,返 回,二、直流电动机的工作原理（动画2）: 如图所示：,退 出,上一页,下一页,返 回,从以上分析可见，在直流电动机中，加在线圈上的电流是交变的，但产生的电磁转矩方向却是恒定的，所以在这里，经过换向器作用将直流逆变成了交流电，是一个逆变过程。,退 出,上一页,下一页,返 回,三、电机的可逆原理： 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是外界条件不同而已。如果用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电；如果在电刷端外加直流电压，则电动机就可以带动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成机械能。这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。,退 出,上一页,下一页,返 回,17.2 直流电机的主要结构,旋转电机都是由定子和转子两大部分组成17.2.1 定子部分 包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。 1）主磁极：在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用11.5mm厚的低碳钢板叠压而成。整个磁极用螺钉固定在机座上。见图（17.4） 主极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,退 出,上一页,下一页,返 回,使电枢绕祖在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。注意：励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的 极性按 N，S 极交替出现。 2）换向极：换向极又称附加极或间极,其作用是用以改善换向。换向极装在相邻两主极之间，它是由铁心和绕组构成。见图（17.5） 3）机座：一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用，因此要求机座有好的,退 出,上一页,下一页,返 回,导磁性能及足够的机械强度与刚度，机座通常用铸钢或厚钢板焊成。 4）电刷装置：电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。17.2.2 转子部分： 转子称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。 1）电枢铁心：电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的，为了减少电枢旋转时电枢铁心中,退 出,上一页,下一页,返 回,的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。 2）电枢绕组：电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成，它是直流电机流过电流和产生感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。 3）换向器见图（17.8）：换向器是直流电机的重要部件。在直流电动机中，它将电刷上的直 流电流转换为绕组内的交流电流；在直流发电中，它将绕组内部的交流电动势转换为电刷端的直流电动势。,退 出,上一页,下一页,返 回,直流电机的主要结构,（产生励 磁磁场）,（产生电动势，流过电流，产生电磁转矩）,17.3 直流电机的额定值,额定值：为了可以保证各电气设备长期可靠地工作，并具有优良的性能，制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所得到的一些量值进行了测定，称之为额定值。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据，额定值及其他重要数据通常标在各电气的铭牌上，称之为铭牌值。,退 出,上一页,下一页,返 回,如下图：,退 出,上一页,下一页,返 回,直流电机常见的额定值有：1额定容量 PN ： （功率）（kW）2额定电压 UN ： （V）；3额定电流 IN ： （A）;4额定转速 nN ： （rmin）；5额定励磁电流If ： （A）注意：额定容量，对直流发电机来说，是指电刷端输出的电功率，对直流电动机来说，是指轴上输出的机械功率。,退 出,上一页,下一页,返 回,所以，直流发电机的额定容量为：而直流电动机的额定功率为：,退 出,上一页,返 回,作业：17.7,上一页,下一页,返 回,第18章 直流电机的磁场、电枢绕组和电枢反应18.1 直流电机的空载磁场,18.1.1 直流电机的励磁方式： 电机磁场是使电机能感应电动势和产生电磁转矩所不可缺少的因素。电机的运行性能在很大程度上决定于电机的磁场特性。,退 出,下一页,返 回,绝大多数的直流电机的气隙磁场都是在主磁极的励磁绕组中通以直流电流（称为励磁电流）而建立的。此励磁电流的获得方式（称之为励磁方式）不同，电机的运行性能有很大差别。直流电机的励磁方式可分为他励、并励、串励和复励 4 种。,下一页,返 回,1.他励式：励磁电流由其他直流电原单独供给，励磁绕组和电枢绕组相互独立。如图（18.1a） 2.自励式：顾名思义，励磁电流由电机自身供 给。而根据自励方式即电枢绕组和励磁绕组的连接方式的不同，自励式又分为串励式、并励式和复励式： 1）串励式：电枢绕组和励磁绕组相串联，如图（18.1b） 并励式：电枢绕组和励磁绕组相并联，如图（18.1c），满足：,退 出,下一页,上一页,3.复励式：在整个励磁回路中，有两套励磁绕组，一套和电枢绕组相并联，一套和电枢绕组相串联，根据两个励磁绕组所产生的磁动势的关系，又可分为积复励和差复励： 积复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向一致，互相叠加。,退 出,下一页,上一页,差复励：串励绕组和并励绕组所产生的磁动势方向相反。18.1.2 空载时直流电机的磁场分布： 空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴上不带机械负载，即电枢电流为零的状态。这时的气隙磁场，只由主极的励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁场，又称励磁磁场。,退 出,上一页,下一页,主磁通：经过主磁极、气隙、电枢铁心及机座构成磁回路。它同时与励磁绕组及电枢绕组交链，能在电枢绕组中感应电动势和产生电磁转矩，称为主磁通 。漏磁通：仅交链励磁绕组本身，不进入电枢铁心,不和电枢绕组相交链，不能在电枢绕组中感应电动势及产生电磁转矩，称为漏磁通 。,退 出,下一页,上一页,特点： 1）由同一个磁动势所产生； 2）所走的路径不同，这就导致了他们对应磁路上所产生的磁场的分布规律不同，在这里，气隙磁场的大小和分布直接关系到电机的运行性能，所以，这一点将是我们主要研究的方向。,退 出,下一页,上一页,极靴下气隙的远远小于极靴之外的气隙，显然，极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外，在两极之间的几何中心线处，磁场等于零。为此可得直流电机空载时，主磁场得气隙磁密沿周围的分布波形如图（18.3）所示。对于这一点，我们可以通过数学形式来看一下：,退 出,上一页,下一页,退 出,下一页,上一页,图18.2 直流电机空载时的磁场分布,设电枢圆周为 轴而磁极轴线处为纵轴，又设电枢长度为 ，则离开坐标原点为 的 范围内的气隙主磁通为：则空载时每极主磁通为：,退 出,下一页,上一页,（2）电机的磁化曲线： 表示空载主磁通 与主极磁动势 之间的关系曲线，叫做电机的磁化曲线，如图（18.4）所示。当主磁通 很小时，铁心没有饱和，此时铁心的磁阻比空气隙的磁阻小得多，主磁通的大小决定于气隙磁阻，由于气隙磁阻是常量，所以主磁通较小时磁化曲线接近于直线。随着 的增长，铁心逐渐饱和，铁心的磁阻逐渐增大，随着磁动势 增大，磁通 的增大变慢、因而磁化曲线逐渐弯曲。,退 出,下一页,上一页,在铁心饱和后，磁阻很大而且几乎不变，磁化曲线平缓上升。此时为了增加一些磁通就必须增加很大的磁动势，也就是增加很大的励磁电流。 在额定励磁时，电机一般运行在磁化曲线的弯曲部分，这样既可以获得较大的磁通密度，又不致需要太大的励磁磁动势，从而可以节省铁心和励磁绕组的材料。,退 出,下一页,上一页,18.2 直流电机的电枢绕组：,在电动机里，线圈中通过电流，产生电磁转矩使电枢在磁场里转动，因而感应出反电动势，吸收电功率，将电能转变为机械能。在发电机里，电枢绕组在磁场里转动时，会感应出电动势，通过产生制动转矩，吸收机械功率，把机械能转换为电能。,退 出,下一页,上一页,返 回,直流电机电枢绕组的型式很多，按其绕组元件（首末两端分别与两个换向片相连接的一个单匝或多匝的线圈，称为元件）和换向器的联接方式不同，可以分为叠绕组（单叠和复叠）、波绕组（单波和复波）和混合绕组。其中单叠及单波是最基本的形式。,退 出,下一页,上一页,18.2.1名词术语介绍： （1） 磁极的中心线； （2）几何中性线：磁极之间的平分线； （3）极对数p ; （4）极距（ ）：在电枢铁心表面上，一个极所占的距离，可用槽数表示： =z/2p（槽），式中Z为电枢总槽数；,（5）元件（线圈）：是绕组的一个基本单元，可为单匝，也可为多匝，槽中的线圈称为有效导体，其余部分称为端部；一个元件边放在槽的上层、另一边在另一槽的下层，称为双层绕组，见图18.5。（6）元件节距 （第一节距）：元件两条边的距离，以槽数计，总是整数:,退 出,下一页,上一页,是使凑成整数的分数。 （7）合成节距 ：相串联两个元件的对应边在电枢表面上的距离，称为合成节距，通常用槽数来表示。 （8）换向器节距 ：元件两个出端所接换向片的距离。通常用换向片数K来表示。,退 出,下一页,上一页,18.2.2 单叠绕组 元件依次相连，元件的出线端接到相邻的换向片上， （图18.6），第一个元件的下层边（虚线）连接着第二个元件的上层边，它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内。下面通过例子说明。 例:已知某直流电机的极对数 =2 ,槽数 ，元件数S及换向片数为 ,试画出单叠绕组展开图。,退 出,下一页,上一页,解：1计算绕组数据因为是单叠，所以 2画绕组展开图: 令上层边所在的槽号为元件号； 联接各线圈；,退 出,下一页,上一页,放磁极：磁极宽度约为均匀分布在圆周上，N 极磁力 线垂直向里（进入纸面），S极向外 （从 纸面穿出）； 放电刷：对准在磁极轴线下，画一个换向片宽（实际上K很多，电刷宽23片宽）。并把相同极性下的电刷并联起来。被电刷所短路的元件，永远都是处于电机的几何中性线，其感应电动势是接近零的。,退 出,下一页,上一页,2. 单叠绕组元件联接次序图： 从图18.7可以看出，从第 1号元件开始，绕电枢 一周，把全部元件边都串联起来，之后又回到 第 1号元件的起始点 1。可见，整个绕组是一个 闭合回路。,退 出,下一页,上一页,3. 单叠绕组电路图： 按图将各元件的联接顺序，可得到绕组电路图，如图18.8所示。 4.单叠绕组的特点： （1）元件的两个出线端联接于相邻两个换向片 上； （2）并联支路数等于磁极数， ； （3）整个电枢绕组的闭合回路中，感应电动 势的总和为零，绕组内部无“环流”；,退 出,下一页,上一页,（4）每条支路由不相同的电刷引出，所以电刷不能少，电刷数等于磁极数； （5）正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势，电枢电压等于支路电压； （6）由正负电刷引出的电枢电流 为各支路电流之和，即 （式中 为每一条支路的电流，即绕组元件中流过的电流）。,退 出,下一页,上一页,18.2.3 单波绕组： 绕组的特点是每个绕组元件的两端所接的换向片相隔较远，互相串联的两个元件相隔较远， 联接成整体后的绕组像波浪形，因而称为波绕组。如图18.9所示。即 。 图18.10是单波绕组的展开图。 单波绕组的联接图如图18.11所示，电路图如图18.12所示 。,退 出,下一页,上一页,单波绕组有以下特点： 同极性下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为 1，与磁极对数无关； 当元件的几何形状对称时电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大； 电刷组数应等于极数（采用全额电刷）； 电枢电流 。,退 出,下一页,上一页,从上面的分析可知，相同元件数时，叠绕组并联支路越多，每条支路里串联元件数少，适用于低电压、较大电流的电机。对于单波绕组，支路对数永远等于 1，每条支路里所包含的元件数较多，所以这种绕组适应于较高电压、较小电流的电机。至于大容量的电机，可以采用混合绕组。,退 出,下一页,上一页,18.3 直流电机负载时的磁场及电枢反应,电机负载运行，电枢绕组中就有了电流，电枢电流也产生磁动势，叫电枢磁动势。电枢磁动势的出现，必然会影响励磁电流单独作用时的磁场。电枢磁动势对励磁磁动势磁场的影响称为电枢反应。 负载运行时，当电刷在几何中性线上时，电枢电流产生的电枢反应磁场如图18.13(b)所示。,退 出,下一页,上一页,返 回,电枢是旋转的，但是电枢导体中电流分布情况不变,因此电枢磁动势的方向是不变的。其轴线与电刷的轴线重合，与励磁磁动势所产生的主磁场（图18.13(a)）互相垂直（称为交轴电枢反应磁动势）。 负载运行时，电机内的磁动势由励磁磁动势与电枢动势两部分合成。不考虑磁路的饱和，可将两者叠加起来，得到如图18.13(c)所示的合成磁场。从图18.13(c)可以看出，合成磁场对主磁极轴线已不再对称了，使得物理中性线相重合得位置移动了一个角度 。,退 出,下一页,上一页,即电枢反应使气隙磁场发生畸变，一半极面下的磁通密度增加，另一半极面下的磁通密度减少。当磁路不饱和时，整个极面下的磁通的增加量与减少量正好相等，则整个极面下总的磁通量仍保持不变,如下图实线。 但由于磁路的饱和现象是存在的，因此，磁通密度的增量要比磁通密度的 减少量略少一些，这样，每极下的磁通量将会由于电枢反应的作用有所削弱。这种现象称为电枢反应的去磁作用,如下图虚线。,退 出,下一页,上一页,负载运行时电机内的磁场,负载时，交轴电枢反应的作用如下： 使气隙磁场分布发生畸变； 使物理中性线位移（空载时，电机的物理中性线与几何中性线重合。在负载时，对电动机而言，物理中性线逆转向离开几何中性线 角度。如在发电机状态，则为顺转向移过 角度）； 在磁路饱和的情况下，呈一定的去磁作用。,退 出,下一页,上一页,18.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩,18.4.1 电枢电动势 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势。所以，我们可以先求一根导体的在一个极距范围内所产生的平均电动势，再求一条支路的。 一个磁极极距范围内，平均磁密用 表示，极距为 ，电枢的轴向有效长度为 ，每极磁通为，则,退 出,下一页,上一页,返 回,一根导体的平均电动势为：又因为：所以：,退 出,上一页,下一页,因为一条支路里的串联总导体数 （N 为电枢总导体数， ），于是，电枢电动势为：式中， ，称为电动势常数。,退 出,下一页,上一页,18.4.2 电磁转矩:1）先求一个导体的平均电磁力：2）平均电磁力乘以电枢的半径，即得到一根导体所受的平均转矩：,退 出,下一页,上一页,3）电机总的电磁转矩则为：式中： 是一个常数，称为转矩常数， 是电枢总电流，可知，电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流。,退 出,下一页,上一页,转矩常数与电动势常数之间的关系， 或三、直流电机的电磁功率：,退 出,下一页,作业：18.7,第19章 直流电机的基本方程式和运行特性19.1 直流发电机的基本方程式:,正方向的规定和交流电机一样，对发电机而言，电流流出为正方向，如图19-1所示。对电动机而言，电流流入为正方向。19.1.1 电动势平衡方程式： 根据基尔霍夫第二定律，对任一有源的闭合回路，所有电动势之和等于所有电压降和：,退 出,下一页,返 回,19.1.2 转矩平衡方程式： 从上图我们可以看出作用在电枢上的转矩共有三个:一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩 ；一个是电磁转矩T；还有一个是电机的机械摩擦、风阻以及铁损耗引起的转矩，叫空载转矩，用表示T0。稳态时：,退 出,上一页,下一页,19.1.3 功率平衡方程式： 从原动机输入的机械功率可用下式表示 ：式中电磁功率PM为由机械功率转换成的电功率其中：,退 出,上一页,下一页,空载损耗 为：由以上各式可得：,退 出,上一页,下一页,如此，则发电机的效率为： 额定负载时，直流发电机的效率与电机的容 量有关： 10kW以下的小电机：约为75%88.5%； 10100kW的：约为85%90%; 1001000kW的电机：约为88%93%。,退 出,上一页,下一页,19.2 直流发电机的运行特性,所谓运行特性，就是要找出电机在工作的过程中所展现的某些特性，并将这些特性用曲线的形式进行表示，在直流电机中，我们要重点掌握的有：（1） 负载特性 指当n=常数且I=常数时，U=f(If)的关系，其中当I=0时的特性U0=f(If)称为发电机的空载特性。,退 出,上一页,下一页,返 回,（2） 外特性 指当n=常数且If=常数或Rf=常数时，U=f(I)的关系；（3）调节特性 指当n=常数且U=常数时，If=f(I)的关系；（4）效率曲线 下面进行详细的几种主要特性的介绍：一、他励直流发电机的空载特性：,退 出,上一页,下一页,图19.2 他励直流发电机空载与负载实验线路,图19.3 直流发电机的空载特性,退 出,上一页,下一页,打开闸刀开关Q，调节电阻 从而改变励磁电流 ,由零开始单调增长直至 ，然后让 单调减小至零再反向单调增加直至 为负的 ，然后又使 单调减小至零。在调节过程中读取空载端电压 与励磁电流 数组数据，即的空载特性。,退 出,上一页,下一页,分析特性：1）由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线 是一闭合的回线。2）由于电机有剩磁，使得 时仍有一个很低的电压，称之为剩磁电压，其值约为额定电压的%。实际使用时，一般取回线的平均值（如图中的虚线所示）作为空载特性。3）空载特性 与磁化曲线 形状相似，只差一个比例常数。,退 出,上一页,下一页,4）空载特性与励磁方式无关，因此并励发电机的空载特性也可以用上述方法求取。二、他励直流发电机的外特性： 实验条件：使发电机接上负载，当原动机保持 ，调节电阻使 不变，然后改变负载使 从零增加到 ，读取 、 之值，即得到外特性曲线 ，如图所示。,退 出,上一页,下一页,图19.4 直流发电机的外特性,退 出,上一页,下一页,当电流增大时，其端电压下降，其原有两个： 负载增大时，电枢反映的去磁作用增强， 使每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小； 电枢回路电阻上的压降随电流增大而增 大，从而使端电压下降。 并励方式下，端电压下降的更快一些： 负载增大时，除电枢反应的去磁和电枢回路电阻压降，使端电压下降外，还因为端电压的下降使励磁电流减小，使得电枢电动势减小，所以并励发电机外特性下降得更快一些。,退 出,上一页,下一页,电压变化率： 他励直流发电机电压变化率为。 而并励直流发电机电压变化率为2左右。三、他励直流发电机的效率曲线： 不变损耗：电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小无关，称为不变损耗。 可变损耗：负载运行时电枢绕组的铜损耗与 成正比，称为可变损耗。他励直流发电机的效率曲线，如下图所示。,退 出,上一页,下一页,图19.6 他励直流发电机的效率曲线,退 出,上一页,下一页,分析： 在负载较小时，电机内的损耗以不变损耗为主，输出功率小，效率低。随着负载的增加， 增加，效率增大。当负载较大时，可变损耗的作用开始显著，当增加到和不变损耗相等时，出现效率最大点。随后，若继续增加负载，可变损耗增大的速度比超过输出功率增加的速度，使效率反而随着输出的增大而降低 。,退 出,上一页,下一页,四、并励直流发电机的自励建压： （1） 由于电机磁路中总有一定剩磁，当发电机由原动机推动至额定转速时，发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将流过一个不大的电流，并产生一个不大的励磁磁动势。,退 出,上一页,下一页,（2）如果励磁绕组接法正确，即这个励磁磁动势的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同，从而使电机内的磁通和由它产生的电枢端电压有所增加。在比较高的励磁电压作用下，励磁电流又进一步加大，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一步加大。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。,图19.7 并励发电机的接线图,图19.8 并励直流发电机的自励特性,退 出,上一页,下一页,在自励过程中，发电机的电压是否会无限制地增长下去呢？从图可以看出，当发电机的电压上升到P点所对应的电压时，自励过程达到了稳定状态。 以上分析可知并励发电机的自励条件： 1）电机必须有剩磁。 2）励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致。 3）励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。,退 出,上一页,下一页,必须明确，发电机的转速不同时，空载特性也不同。因此，对应于不同的转速便有不同的临界电阻。 如果励磁绕组本身的电阻即已超过所对应的临界电阻值，电机是不可能自励的，这时唯一的办法是提高电机的转速，从而提高其临界电阻值。,退 出,上一页,下一页,19.3 直流电动机,一、直流电动机的基本方程式： 正方向的规定如图19-10所示。1、电动势平衡方程式： U=Ea+Ia(Ra+Rc) 在电动机中，显然端电压必须大于反电动势，由此得到电动机的转速为：,退 出,上一页,下一页,返 回,图19-10 直流电动机掼例,励磁回路的电动势方程为：转矩平衡方程式：当T=TL时，电机稳态运行。3）功率平衡方程式： 并励直流电机从电源输入的电功率为： P1 = UI=U（Ia+If） = Ea+Ia（Ra+Rc）Ia+UIf =EaIa+Ia2（Ra+Rc）+ UIf =PM+pCua+pCuf,退 出,上一页,下一页,所以，综合以上分析可的：式中的为电机的总损耗。,退 出,上一页,下一页,4）电机功率流程图,图19.11 并励直流电动机的功率流图,退 出,上一页,下一页,二、直流电动机的 工作特性： 直流电动机的工作特性，是指在U=UN ， 时, 转速n、电磁转矩T和效率 随输出功率 而变化的关系。1、他励（并励）直流电动机的工作特性：1）转速特性：条件： ， ， 时，的关系，叫做转速特性。,退 出,上一页,下一页,如果不计电枢反应的去磁作用，则转速特性是一条下斜的直线。转速的下降并不多，在额定工作状态下，电枢电阻压降差不多只占额定电压的5左右，曲线如图19-12所示。 如考虑电枢反应的去磁作用，在不变的条件下，当电枢电流增加时，磁通减少，则转速下降减少甚至可能上升。上升的转速特性（如图19-12中的虚线所示）将使运行不稳定。,上一页,下一页,图19.12 他励(并励)直流电动机的工作特性,退 出,上一页,下一页,2）转矩特性：当不计电枢反应的去磁作用时，电磁转矩与电枢电流成正比，其转矩特性是一条通过原点的直线。如果考虑电枢反应的去磁作用，随着的增大，要略为减小，如图19-12中虚线所示。,3）效率特性：典型曲线形状如图19-12中所示。当电动机的不变损耗等于随电流平方而变化的可变损耗时，电动机的效率达到最高。一般直流电动机效率约为0.750.94，容量大的效率高些。,退 出,上一页,下一页,三、串励直流电动机的工作特性： 由于串励电动机的励磁绕组与电枢串联，所以励磁电流就是电枢电流，即它是随负载的变化而变化的，如图 19.13所示 。因此，其工作特性将与他（并）励直流电机的工作特性有所不同。,上一页,下一页,图 19.13 串励电动机的接线图,上一页,下一页,1）转速特性：,如果磁路不饱和，则主磁通与励磁电流成正比，即 则由式（19-15）可得： (19-18),上一页,下一页,可得串励电动机的转速特性，如图19-14所示。由图可知，串励电动机的转速随负载的增加而迅速降低。在理论上，如果电枢电流趋于零，气隙磁通也将趋于零，则电动机转速将趋于无限大。这种情况称为“飞车”，将使电机受到严重破坏。所以串励电动机不允许在小于1520额定负载的情况下运行，更不许空载运行。,上一页,下一页,图 19.14 串励电动机的工作特性,退 出,上一页,下一页,2）转矩特性：,如果磁路不饱和，主磁通与励磁电流成正比，即则函数图形是抛物线。当负载电流很大时，使磁路趋于饱和。这时磁通接近不变，则渐趋平坦而成为直线，与他（并）励的特性相似，如图19-14所示。,上一页,下一页,串励电动机有较大的起动转矩与过载能力，这是两个很好的优点。当生产机械过载时，电动机的转速自动下降，其输出功率变化不大，使电机不致因负载过重而损坏。当负载减轻时，转速又自动上升。因此，电力机车、电车等一类牵引机械大都采用串励电动机拖动。 串励电动机的效率特性，和他（并）励电动机相似.,退 出,上一页,下一页,四、复励直流电动机的工作特性： 复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险 ，复励电动机的转速特性如图所示。,退 出,上一页,下一页,图19.15 复励电动机的转速特性1- 并励电动机; 2-积复励电动机;3-串励电动机;,退 出,上一页,下一页,19.4 直流电机的换向,一、换向的物理过程：如图所示。,图19.16 电枢元件的换向过程,退 出,上一页,下一页,返 回,这样就完成了整个换向过程，在整个过程中，理想化电机不会发生火花，但实际上这是不可能的，因此，换向元件中不可能没有感应电动势。二、换向元件中的感应电动势:1）电抗电动势 ： 换向元件中，在电流变化时，由自感与互感作用所引起的感应电动势，这个电动势称为电抗电动势。,退 出,上一页,下一页,经过推导，可得电抗电动势为： 可见电机的负载越重、转速越高，则 越大。根据楞次定律，漏感的作用总是阻碍电流变化的，因为电流是在减少，所以其方向必与+ 方向相同。,退 出,上一页,下一页,2）电枢反应电动势： 虽然换向元件位于几何中性线处，主磁场的磁密等于零，但是电枢磁场的磁密不等于零。换向元件必然切割电枢磁场产生的电动势，称为电枢反应电动势为： 因为 , ,所以 ,即当负载越重，转速越高时， 越大。,退 出,上一页,下一页,据右手定则可以判定，无论是发电机或电动机状态， 的方向总是与换向前元件中电流方向相同，也是阻碍换向的。3）电刷下产生火花的电磁原因： 在换向元件中存在着两个方向相同的电动 势 + ，因此在换向元件中，会产生附加的换向电流：,退 出,上一页,下一页,直线换向当 时换向元件电流随时间线性变化。如图19-17所示。 延迟换向当 时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流延迟现象。超越换向当 时换向元件电流随时间不再是线性变化，出现电流超前现象。,由此所建立的电磁能量 要释放出来。当这部分能量足够大时，它将以火花的形式从后刷边放出，使维持连续，这就是电刷下产生火花的电磁原因。 此外还有机械及电化学方面的原因。 火花使电刷及换向器表面损坏，严重时将使电机不能正常运行。,退 出,上一页,下一页,图19-17 换向时电流的变化过程,三、改善换向的方法： 从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势，就可以有效地改善换向。目前最有效的办法是装换向极。（如图19-18所示）对换向极的要求是：（1）换向极应装在几何中性线处；,图19-18 用换向极改善换向,（2）换向极的极性应使所产生的方向与电枢反应磁动势的方向相反。（3）换向极绕组必须与电枢绕组串联，而且换向极磁路应不饱和。 一般，容量为1kW以上的直流电机都装有换向极。,退 出,上一页,下一页,19.5 直流电机的起动、制动与调速,一、直流电动机的起动：起动：电机接上电源从静止状态转动起来 到达稳态运行，这就是电动机的起 动过程。起动要求：1、起动转矩要足够大， 2、起动电流不要太大。注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0,退 出,上一页,下一页,返 回,所以，起动电流为： 而电枢电阻是一个很小的数值，故起动电流很大，将达到额定电流的10-20倍。这样大的起动电流将产生很大的电动力，损坏电机绕组，同时引起电机换向困难。因此，除了很小容量的电动机可采用直接加电压起动的方法外，一般零点 几千瓦的直流电动机都不能采用这种方法。,退 出,上一页,下一页,1、直流电动机的起动方法： 1）电枢回路串电阻起动： 随着转速的升高，反电动势增大，起动电流减小，同时起动转矩也在减小，所以为了在整个起动过程中保持一定的起动转矩 ，加速电动机的起动过程，采用将起动电阻逐级切除。,退 出,上一页,下一页,2）他励直流电动机降低电枢电压起动： 因无外串电枢电阻,这种方法在起动过程中不会有大量的能量消耗。 串励与复励直流电动机的起动方法基本上与并励直流电动机一样，采用串电阻的方法以减小起动电流。,退 出,上一页,下一页,2、直流电动机的制动： 在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者使位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。实现制动既可以采用机械的方法，也可以采用电气的方法。我们重点来看一下电气制动方法： 1）、能耗制动：,退 出,上一页,下一页,图 19.19 能耗制动接线图,退 出,下一页,上一页,在制动时，将闸刀合向下方，这时电机实际处于发电机运行状态，将转动部分的动能转换成电能消耗在电阻和电枢回路的电阻上，所以称为能耗制动。 机械特性分析： ，这时电动机的 机械特性方程式为,退 出,上一页,下一页,是一条过原点的直线如图: 转的制动过程中，转速并非稳定在某一数值，而是一直在变化中，因此称为能耗制动过程。,退 出,上一页,下一页,结果分析：这种方法所串入的电阻越小，耗制动开始瞬间的制动转矩和电枢电流就越大，电流过大会造成换向上的困难，因此能耗制动过程中电枢电流有个上限，即电动机允许的最大电流。由此可以计算串入制动电阻的最小值： 这种制动方法随着转速下降，制动作用也随之减小，在低速时可配合使用机械制动装置，使系统迅速停转。,退 出,上一页,下一页,2）能耗制动运行： 拖动势能性负载运行， 在转速达到零时（电磁转矩为零），由于负载转矩不为零，结果，在负载转矩的作用下，电机开始反转，如图:,退 出,上一页,下一页,随着转速的升高，均诼渐增大，最后和负载转矩相等时稳定运行，这种过程叫做能耗制动运行。,退 出,上一页,下一页,2、电压反接制动 反接制动接线如图所示。,退 出,上一页,下一页,电压反接制动是将正在正向运行的他励直流电动机电枢回路的电压突然反接，电枢电流也将反向，主磁通不变，则电磁转矩反向，产生制动转矩。 机械特性分析： 反接前,退 出,上一页,下一页,反接后 ：所以：因此反接后电流的数值将非常大，为了限制电枢电流，所以反接时必须在电枢回路串入一个足够大的限流电阻。,退 出,上一页,下一页,电压反接制动时： 电动机的机械特性方程式为： 其对应的曲线为过 点，斜率为的直线，如图19.23所示。,退 出,上一页,下一页,图19.23 电压反接制动过程的机械特性,图19.24 电压反接制动反向起动的机械特性,退 出,上一页,下一页,反接制动反向起动过程： 如果C点电动机的转矩大于负载转矩，当转速到达零时，应迅速将电源开关从电网上拉开，否则电动机将反向起动，最后稳定在D点运行，如图19.24所示。电压反接制动在整个制动过程中均具有较大的制动转矩，因此制动速度快，在可逆拖动系统，常常采用这种方法。,退 出,上一页,下一页,3、到拉反转制动运行： 他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，电枢回路串入电阻，将引起转速下降，串的电阻越大，转速下降越多。如果电阻大到一定程度，将使电动机的机械特性和负载的机械特性的交点出现在第 象限，如图19-25所示，这时电动机接线未变，转速反向。而 ，是一种制动运行状态，称为倒拉反转制动运行。,退 出,上一页,下一页,图19-25 电势反接制动的机械特性,倒拉反转制动运行常用于起重设备低速下放重物的场合。在这种运行方式中，电动机的电磁转矩起了制动作用，限制了重物下降的速度。改变的大小，即可改变机械特性的交点，使重物以不同的稳定速度下降。,退 出,上一页,下一页,4、回馈制动：1)正向回馈制动过程 采用降压调速，其机械特性向下平移，如右图所示。电机将系统具有的动能转换为电能反馈回电网，且电机仍为正向转动，称之为正向回馈制动过程。,退 出,上一页,下一页,2) 反向回馈制动运行他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载运行，采用电压反接制动，最后稳定在E点运行。电机将系统具有的动能转换为电能反馈回电网，电机为反向转动，因此称为反向回馈制动运行。,退 出,上一页,下一页,3、他励直流电动机的调速：由机械特性方程：可知，他励直流电动机有3种方法可以调速：（1）降低电枢电压；（2）减小励磁电流，即减小磁通；（3）电枢回路串入调节电阻。,退 出,上一页,下一页,1）降低电枢电压调速： 因为电机在正常工作时，电枢电压不能超过额定电压，所以，采用向下调速。很显然，在这里，只改变了 ，所以我们将得到一系列平行与固有特性的曲线。如图19.28 所示。,退 出,上一页,下一页,图19.28 改变电枢电压调速,退 出,上一页,下一页,优点：改变电枢电压调节转速的方法具有较好的调速性能。由于调电压后，机械特性的“硬度”不变，因此有较好的转速稳定性，调速范围较大，同时便于控制，可以做到无级平滑调速，损耗较小。在实际工程当中，常常采用这种方法。,退 出,上一页,下一页,采用这种方法的限制是： 转速只能由额定电压对应的速度向低调。此外，应用这种方法时，电枢回路需要一个专门的可调压电源，过去用直流发电机-直流电动机系统实现，由于电力电子技术的发展，目前一般均采用可控硅调压设备直流电动机
