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电机学第3章 直流电机_图文

电机学第3章 直流电机_图文

第3章 直流电机
本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理,讨论 直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应 及影响、换向及改善换向方法,从应用角度分析直流发电 机和直流电动机的工作特性运行特性。
3.1 直流电机的工作原理与基本结构 3.2 直流电枢绕组 3.3 空载和负载时直流电机的磁场 3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩 3.5 直流电机的基本方程

3.6 直流发电机的运行特性
3.7 直流电动机的运行特性 3.8 直流电动机的起动、调速和制动

3.9 换向

直流电机 —— 实现机械能和直流电能相互转换的 电磁机械装置。 把机械能转换成直流电能的电机是直流发电机;反 之,则为直流电动机。

直流电机的用途
?

直流电动机 ? 特点 调速范围宽,易于平滑调节 过载、起动、制动转矩大 易于控制,可靠性高 调速时能量损失较小

? 应用于对调速要求高的场所:轧钢机、舰船推进、造 纸、挖掘机等。
?

直流发电机

? 给直流电动机、电解、电镀、冶炼、充电、交流发电 机励磁等的直流电源。

? 主要缺点
换向困难,使容量受到限制。 有换向器,费工费料、造价昂贵,需 要经常维护,寿命较短。 可靠性差。 对环境要求高。

3.1 直流电机的工作原理和结构
1、直流电机的工作原理
㈠ 直流电机的构成 右图为直流电机的物理模型, N、S为定子磁极,abcd是固 定在可旋转导磁圆柱体上的线 圈,线圈连同导磁圆柱体称为 电机的转子或电枢。线圈的首 末端a、d连接到两个相互绝缘 并可随线圈一同旋转的换向片 上。转子线圈与外电路的连接 是通过放置在换向片上固定不 动的电刷进行的。

㈡ 直流发电机的工作原理
逆时针旋转

此时,导体ab在N极下,a点高电位,b点低电位(右 手定则) ;导体cd在S极下,c点高电位,d点低电位;电 刷A极性为正,电刷B极性为负。

当原动机驱动电机转子 逆时针旋转 1800 后 ,如右 图。 导体ab在S极下,a点低电 位,b点高电位;导体cd在N 极下,c点低电位,d点高电 位;电刷A极性仍为正, 电刷B极性仍为负。 因此电刷A的极性总是正的,电刷B的极性总是负的, 在电刷A、B两端可获得直流电动势。 实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。 线圈分布在电枢铁心表面的不同位置,按照一定的规律连 接起来,构成电机的电枢绕组。磁极也是需要N、S极交 替且成对。

导体感应电势

e ? Bδlv ? Bδ

但此电势在零和最大值之间脉动,波动太大,不能做直 流电源。

两线圈串联后的合成电势

与原有线圈相距90?电角度再设置一个线圈,其两端 各接有换向片,并与原有换向片A、B相距90?电角度, 换向器包含4片换向片,相邻换向片间各相距90?电角 度。

当电枢旋转时,两个线圈的感应电势在时间相位上相 距90?电角度

增加导体减小感应电势脉动。 当每极下导体数大于 8时, 脉动可小于1%。

直流发电机实质是带换向器 的交流发电机

㈢ 直流电动机工作原理 把电刷A、B接到直流 电源上,电刷A接正极,电 刷B接负极。此时电枢线圈 中将电流流过。如右图。 在磁场作用下,N极性 下导体ab受力方向从右向左 ,S 极下导体cd受力方向从 左向右。该电磁力形成逆时 针方向的电磁转矩,电机转 子逆时针方向旋转。

当电枢旋转到右图所示位 置时,原N极性下导体 ab 转到 S 极下,受力方向从左向右, 原S 极下导体cd转到N极下, 受力方向从右向左。该电磁力 形成逆时针方向的电磁转矩。 线圈在该电磁力形成的电磁转 矩作用下继续逆时针方向旋转。

直流发电机工作原理: 励磁绕组通入直流电流产生磁动势,继而产生主 磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势,由于换 向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直 流电动势,经电刷将直流电输出。

直流电动机工作原理: 励磁绕组通入直流电流产生磁动势,继而产生主磁场 由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始 终一致,电流与磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流 电动机旋转。

2. 直流电机的主要结构

端盖 轴

电枢铁心

电枢绕组 和槽碶 电枢绕组 端部 换向器

轴承

直流电机的转子

励磁绕组和串换向极 后的电枢绕组出线

定子机座 换向极铁心 换向极绕组

主磁极铁 心
主磁极绕组 (励磁绕组) 换向极绕组与励 磁的串联接线

直流电机定子

电枢铁心 电枢绕组

轴向通风孔

涂绝缘漆冲 片叠压而成 电枢铁心冲片 (0.5mm厚) (硅钢片)

直流电枢的铁心模型

直流电机的主要结构
1-换向极铁 心 2-换向极绕 组 3-主极铁心 4-励磁绕组 5-电枢齿 6-电枢铁心 7-换向器 8-电刷

直流电机的主要结构

换向器结构
1-换向片;2-垫圈 3-绝缘层;4-套筒

安装在机座上的主极
1-极身;2-极靴;3-励磁绕组; 4-绝缘板;5-机座

主磁极
作用:建立主磁场。

构成:主极铁心和套装在铁心上的励磁 绕组。
机座 作用:1、主磁路的一部分;

2、电机的结构框架。 构成:用厚钢板弯成筒形焊成或铸钢件制成。

电枢铁心
作用:1、主磁路的一部分;

2、电枢绕组的支撑部件。 构成:一般用厚0.5㎜且冲有齿、槽硅钢片叠压 而成
电枢绕组 作用:直流电机的电路部分。 构成:用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成,上下 层以及线圈与电枢铁心间要妥善地绝缘,并用 槽楔压紧。

换向器
作用:整流(发电机)或逆变(电动机)。

构成:由许多鸽形尾的换向片排列成一个圆筒,片间
用V形云母绝缘,两端再用两个形环夹紧而

构成。
电刷装置

作用:电枢电路的引出(或引入)装置。
构成:电刷、刷盒、刷杆和连线等。

3、 直流电机的励磁方式
指励磁绕组获得励磁电流的方式。(他励、自励)
除永磁式微型直流电机外,直流电机的磁场都是通过励磁 绕组通入电流激励而建立的。
Ia ? I ? I f

I a ? I ? I f串

I a ? I ? I f并

I ? I f串

I a ? I f串

他励

并励

串励

复励

4、 直流电机的额定值
⒈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,以 “kW” 为量纲单位。 对于直流发电机,PN是指线端输出的电功率。PN= UNIN 对于直流电动机,PN是指转轴上输出的机械功率。 PN= UN INηN ⒉额定电压 UN 指额定状态下电枢出线端的电压,以 “V” 为单位。 ⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的线电流(电机出线 端的线路电流),以 “A” 为单位。

⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时转子的转速,以r/min为单位。
⒌额定励磁电压 UfN 指电机在额定状态时的励磁电压值(他励)。 ⒍额定励磁电流IfN 指电机在额定工作状态时的励磁电流值。 此外,电机铭牌上还标有其它数据,如型号、额定效 率、出厂日期、出厂编号等。

国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母 表示,型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示,例 如:“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型,“7”表 示机座号,7后面的2表示长铁心(2号表示长铁心,1号表 示短铁心)。 其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或 相关的手册中查到。

3.2 直流电枢绕组
电枢绕组的特点 电枢绕组的型式
单叠绕组
单波绕组

直流电机的电枢绕组
电枢绕组产生感应电动势,通过电流,从而产生 电磁转矩和电磁功率,是实现机电能量转换的重 要部件。
? 按联结方法,可分为:
单叠绕组、单波绕组、复叠绕组、复波绕组、混合绕组。

? 区别在于电枢绕组的并联支路数不同。

? 电枢绕组由结构相同的线圈组成, 可以是单匝或多匝的。 ? 线圈由线圈边和线圈端部组成, 有首端和末端,首、末端分别与 不同的换向片联结。 ? 每个槽内放置两层线圈边。 ? 线圈的一个线圈边放在槽的上 层,称为上层边;另一线圈边 放在另一槽的下层,称为下层 边。

? 每个槽内放置两个线圈边, 电枢槽数 Q 等于线圈数 S 。 ? 实际电机中,常在槽的上、下 层放置多个线圈边。
? 用虚槽来描述,如果每个实槽 中有 u 个虚槽,则虚槽数与实 槽数的关系为Qu=uQ 。

? 通过换向器联结而成的闭合绕组
为使旋转的各线圈能不断的依次改变电流方 向(换向),必须使用闭合式绕组; 从某一线圈边出发,按一定的规律依次串联 所有线圈边后,再回到出发点,构成一个闭 合回路; 各线圈间的联结通过换向器完成。

? 线圈间通过换向片相互联结, 同一换向片既联一个线圈的 首端,又联另一线圈的末端, 换向片数 K 等于线圈数 S 。 ? 虚槽数、线圈数和换向片数 的关系为 Qu = S = K 。

? 节距:表示相关的两个线圈边之间的距离,用虚槽 数或换向片数表示。

极距:相邻两个磁极轴线沿电枢表面之间的距离,用τp 表示 (以虚槽数计)。 τ=Qu/2p 注:p为极对数。

? 第一节距 y1 :一个线圈的 两个线圈边在电枢圆周表 面上跨过的距离。
? 为使线圈的感应电动势最 大,y1应接近极距?p 。
? 整距线圈:y1=?p ? 短距线圈:y1<?p ? 长距线圈:y1>?p

Qu y1 ? ? ? ? 整数 2p

单叠绕组
? 第二节距 y2 :一个线 圈的下层边和与其串 联的另一线圈的上层 边间的距离。

单波绕组
? 合成节距 y :两个串联的 线圈的对应边的距离。
单叠绕组: y = y1 - y2 单波绕组: y = y1+ y2

单叠绕组

单波绕组

? 换向片节距 yK :一个线圈的首、末端在换向器表 面跨过的距离,用换向片数表示。 yK =y 。 单叠绕组:yK=1 ;单波绕组:yK≈2?p 。

单叠绕组
? 联结规律 将同一个主极下的线圈 联成一条支路,所有的 相邻线圈依次串联,后 一个的首端与前一个的 末端相连; 每个线圈的两端联到两 个相邻的换向片上 (yk=1); 由同一个换向片联结的 两个线圈在电枢表面圆 周上相距一个虚槽 (y=1)。

单叠绕组
? 单叠绕组的联结规律
以 2p=4,Qu=S=K=16 的直流电机为例。

Qu 16 y1 ? ?? ? ? 4 ? 整数 2p 4

y ? yK ? 1

单叠绕组
? 绕组展开图
实线表示上层 边,虚线表示 下层边。 电枢在旋转, 取某一时刻, 磁极在上面。 电动势方向。 电刷的位置 (磁极中心线 下)。

几何中性线:相邻两个主极间的中心线。

单叠绕组
? 单叠绕组的并联支路图
? 单叠绕组自成一 个闭合回路。 ? 绕组并联支路数 2 a= 等 于 电 机 的 极数2p,即

a? ? p
? 电刷数与极数相同,称为全额电刷。 ? 电刷数与并联支路数相等。

? 单叠绕组的每一条 并联支路都是由同 一主极下的全部线 圈串联构成。

单波绕组

? 联结规律
每一条支路都是由同一极性下的全部线圈串联构成。 同一个换向片连接的两个线圈相隔约一对极的距离; 从第一个线圈开始,沿电枢圆周方向行进一周,联结 p个 线圈后,回到与起始线圈相隔一个槽的线圈,继续串联下 去,直到所有线圈都串联起来。

单波绕组
? 单波绕组的联结规律
y1 接近极距?p 。
Qu y1 ? ? ? ? 整数 2p

经过 p 对极后,应与换 向片1相邻,即 pyK ? K ? 1

y ? yK

K ?1 yK ? ? 整数 p

单波绕组
? 单波绕组的联结规律
以2p=4,Qu=S=K=15 的直流电机为例。

Qu 15 1 y1 ? ?? ? ? ? 4 ? 整数 2p 4 4
K ? 1 15 ? 1 yK ? ? ? 7 ? 整数 p 2 y ? yK ? 7

单波绕组
? 绕组展开图

单波绕组
? 并联支路图

? 单波绕组自成一个闭合回路。 ? 绕组并联支路数2a==2,即

a? ? 1 。

? 实际中,电刷数通常与极数相同(全额电刷)。

? 单 波 绕组 的 每 一 条并 联 支 路 都是 由 同 一 极性 下 的 全 部线 圈 串联构成。

? 并联支路对数
闭合式绕组无固定的出线端,电枢旋转时, 各线圈依次通过电刷作为出线端; 为使闭合绕组内不产生循环电流,需使整个 闭合回路的总电动势为0; 从正、负极性电刷看进去,电枢绕组至少有2 条并联支路,而且两者的电动势应该大小相 等、方向相反。 因电刷是正、负成对出现,并联支路数一定 为偶数,一般用并联支路对数a=表示。

直流电机电刷放置的原则
? 使正、负电刷间的电动势最大;

? 使被电刷短路的线圈的电动势最小(电 刷位于主极中心线上)。

单叠绕组与单波绕组的异同点
? 单叠绕组是将一个主极下的线圈联成一 条支路,相邻两条支路的电动势方向相 反,形成2p条并联支路,有2p组电刷。 ? 单波绕组是将同一极性的主极下的所有 线圈联成一条支路,只能形成两条支路, 理论上只需两组电刷,但为了减小每组 电刷的接触面积从而缩短换向器轴向长 度,实际上一般放置2p组电刷。

应用: 叠绕组并联支路数多,通常用于电流 较大、电压正常(较低)和转速正常的 大中型直流电机。

波绕组并联支路数少,通常用于电流 较小、电压较高和转速较低的中小型直 流电机。

3.3 空载和负载时直流电机的磁场 ? 直流电机的磁场和电枢反应(理解)
空载时的磁场

负载时的磁场

1. 直流电机空载时的磁场
直流电机空载时(Ia= 0)的气隙磁场仅由励磁电流 If 产生的励磁磁动势Ff 建立。

磁动势Ff 产生的磁场

2. 直流电机负载时的气隙磁场
主要分析电枢绕组流过负载电流时产生的 电枢磁动势及其作用。 电枢磁动势对励磁电流建立的气隙磁场产 生影响,称为电枢反应。 电枢反应对气隙磁通密度的大小、分布、 电机的换向、运行性能都有影响。

(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应

(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应

(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应

(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应

Fa 使 几 何 中 性 线处的气隙磁 通密度不为零。

电枢磁动势及其产生的磁通密度波形

(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应

(1)电刷位于几何中性线时的电枢反应
? 使磁场畸变,几何 中心线处的气隙磁 通密度不为零。
? 不饱和时,去磁、 增磁作用相抵消 , 每极磁通量不变。 ? 饱和时,每极磁通 量略有减小,有去 磁作用。

(2)电刷不位于几何中性线时的电枢反应

(2)电刷不位于几何中性线时的电枢反应

直轴电枢反应:

发电机:电刷顺电枢旋转方向移动,直轴电枢反应为去磁; 电刷逆电枢旋转方向移动,直轴电枢反应为增磁。 电动机:与发电机的情况相反。

3.4 电枢的感应电动势和电磁转矩
一、电枢绕组的感应电动势 设气隙磁场的分布如图所示,则每
根导体的感应电动势为 式中, — 导体所在处的气隙磁密;

v

l

— 导体的有效长度; — 导体相对气隙磁场的速度。

电枢绕组的电动势应为一条支路各串联导体的 电动势的代数和,则



为平均气隙磁密,则上式改写为



代入上式得出

电动势公式 :

式中, — 每极的总磁通量; — 电动势常数; — 电动势公式。

二 、直流电机的电磁转矩
电枢表面任一点处的载流导体上的电磁转距 为

式中, — 该点处的气隙磁密。 一个极下的载流导体上的电磁转矩

应为

式中,

— 气隙平均磁密。

整个电枢上的电磁转矩为

再考虑到



可得直流电机的转矩公式为

3.5直流电机的基本方程
一、电压方程 ;

基本方程
二、转矩方程 。

一、电压方程
1、他励直流电机
他励时,励磁电流由其他电源单独供电,故 。

直流发电机的稳态电路图

直流电动机的稳态电路图

2、并励直流电机

其电枢回路的电压方程与他励时相同,但 激磁 电压为电枢端电压,即
发电机: 电动机: 3、串励直流电机

其电枢回路的电压方程与他励时亦相同,但因励
磁绕组与电枢绕组相串联,有 。 另外,电压方程应加入串励绕组的电阻压降。

二、转矩方程 1、发电机情况下 电磁转矩为制动转矩,有

—原动机的驱动转矩;

— 电机本身的机械阻力转矩;
— 为电磁转矩。

2、电动机情况下

电磁转矩为驱动转矩,有

式中,

— 电动机轴上的负载转矩。

三、电磁功率 电磁功率用 将 表示,则 代入上式,得

发电机: 机械能 电动机: 电能

转化为电能



转化为机械能 Te ? 。

他励时,功 率平衡方程 式中不计励 磁铜耗 pCuf =0。

直流发电机的功率流程图

并励时 轴上输入的机械功率P1扣除空载损耗 p0 ,等于电磁功率Pem。
电枢得到的电磁功率 Pem 扣除电枢铜耗 pCu 和励磁铜耗 pCuf ,等于 输出功率P2 。 空载损耗p0包括机械损耗 pm 、铁耗 pFe 和附加损耗 pad (或杂散损耗)。

空载损耗p0
? 机械损耗 pm :轴承摩擦、电刷与换向器 表面摩擦、电机旋转部分与空气的摩擦、 风扇消耗功率等。与电机转速有关。 ? 铁耗 pFe :电枢铁心中的涡流与磁滞损耗, 与铁心中磁通密度的大小和交变频率有 关。 ? 附加损耗 pad:产生原因复杂,且较小, 一般按(0.5%~1%)PN估算。

直流电动机的功率流程图

并励时,输入功率P1扣除电枢铜耗 pCu 和励磁铜 耗 pCuf ,等于电磁功率 Pem 。
他励时,功率平衡方程式中不计励磁铜耗 pCuf 。

四、直流电机的可逆性 电机的可逆性:从原理上讲,任何电机既可作为 发电机、亦可作为电动机运行。

发电机运行;

电动机运行。

基本关系式

Te ? CT ? I a

Ea ? Ce? n

? ? —— 每极磁通量;

3.6 直流发电机的运行特性
他励发电机
负载运行

运行特性
外特性 调整特性 效率特性

并励发电机
自励
外特性

复励发电机的外特性

1.他励发电机的负载运行
? 原动机将发电机拖动到额定转速,励磁 绕组接到励磁电源,使端电压达到UN ? 机械方面:负载后转速下降,需增加 T1 恢复至额定转速

? 电磁方面,电枢反应使得端电压下降, 需调节励磁电流,恢复至UN
? P2=UI,正常运行时保持UN, P2与I成正 比,满载( I=IN)、半载( I=0.5IN) 、 空载(I=0)

2. 他励发电机的运行特性

I 、U、 If 这3个主要变量之间的关系
保持转速 n 为常数,一般为额定转速。
? 负载特性:负载电流 I =Const时,U=f ( If )。 ? 空载特性:I=0时,U=f ( If )。

? 外特性: If =Const,U=f ( I)
? 调整特性: U =Const, If =f ( I)

发电机励磁方式不同,特性也不一样。

?

空载特性 E0=f ( If )
原动机拖动转子以恒 速 旋 转 ( n N) , 电 枢 绕 组开路( Ia = 0 ),改 变励磁电流 If ,端电 压 U0 ( E0 )与 If 的关 系。

Ea ? Ia Ra ? U

U=Ea=E0=f ( If )

Ia= I

?

空载特性 E0=f ( If )
有磁滞、剩磁、饱和 现象。

Ea ? Ce? n

If=0时 Er :剩磁电动势 Er=2%~4%UN

各种直流电机的空载特性都在他励方式下测定。

?

外特性 U=f ( I )
通常指转速 n = nN , If 为额 定值时,U 与 I 的关系。

? U随I 的增大而降低,是一条下 垂的曲线。原因: IaRa ,电枢 反应的去磁作用。

U ? Ea ? Ia Ra ? Cen? ? I a Ra
? 电压调整率?uN。
他励发电机的?U约为5%~10%, 变化不大,特性比较硬。

U0 ? U N ?uN ? ?100% UN
U0 为 If = IfN 时 的 空载端电压。

? 额定励磁下不允许持续短路, 原因:Ra很小,Ik很大。

?

调整特性 If=f ( I )

n=nN,保持U =UN恒定时, If 与I 的关系。
? If一定时,U 会随 I 变。 原因: IaRa,电枢反应的 去磁作用。

U ? Ea ? Ia Ra ? Cen? ? I a Ra
? 为保持U不变,需调节If 。 负载增加时, U下降,若
维持U不变,必须增加 If 。 ? I= IN,U =UN时, If = IfN

3. 并励发电机的自励和外特性
?

并励发电机的自励建压

? 并励发电机要有一个自行建 立励磁和端电压的过程,称 为建压。 ? 空载时,I=0,Ia=If ≠0。但 If 较小,故可近似认为 Ia= 0, 利用空载特性来分析电压建 立过程。

?

建压
1 — 空载特性曲线; 2— 励磁回路的

伏安特性曲线;
励磁电阻线 3 — 临界电阻线 (空载特性直线段); 建压临界电阻Rcr =Rf+Rfs。

? 自励建压条件
(1)电机主磁路必须有剩磁; ( 2 )励磁绕组并联到电枢绕组 两端的极性正确,即励磁磁动 势与剩磁磁场方向必须相同; ( 3 )励磁回路总电阻必须小于 建压临界电阻

?

外特性

转速 n = nN ,励磁回路总 电阻不变时,U 与 I 的关 系U=f ( I ) 。

? 电压调整率?U比他励的大,约为 20%~30% (因If 还随U下降而减小)。 ? 负载电流有“拐弯”现象。
? 稳态短路电流Ik0=Er/Ra并不很大,常小于 IN(因Er数值很小)。

4. 复励发电机的外特性
? 积复励:串、并励绕组的励磁 磁动势方向相同。 ? 差复励:串、并励绕组的励磁 磁动势方向相反。 ? 复励发电机通常采用积复励
并励磁动势为主,空载时能达 到额定电压。 串励磁动势主要补偿负载时电 枢反应的去磁作用和电枢电路 的电阻压降。

按照串励绕组磁动势 补偿作用的强弱,可 分为三类:
平复励 过复励 欠复励

3.7 直流电动机的运行特性
? 并励电动机的负载运行 ? 并励电动机的运行特性
工作特性(重点掌握转速特性) 机械特性

? 串励电动机的运行特性
工作特性 机械特性

? 复励电动机的特点 ? 电力拖动系统运行的稳定性

1. 并励电动机的负载运行

有关方程式: U ? Ea ? I a Ra Ea ? CeΦ n

Te ? CT Φ I a
电动机带负载后,n ? ,Ea ? ,I a ? ,Te ? , Te克服TL和T0。 负载越大,Te也越大。

2. 并励电动机的运行特性
? 工作特性
U=UN,If=IfN时,n、Te、? 与 Ia (或 P2)关系。

? 转速特性 n=f ( Ia )
I a Ra U 转速公式 n ? ? Ce? Ce?

Ia ?

IaRa ? ??

n ? n变化 n ? 很小

n=f(Ia)为硬特性。

转速调整率Δ n:

并励电动机的转速调整率很小,约为3%∽8%。
注意:并励电动机在运行中,励磁绕组绝对不能断开。 否则,If=0,主磁通迅速下降为剩磁,电枢电流迅速增大,
轻载时,n迅速上升,造成“飞车”; 重载时,Te小于TL,可能停转,电枢电流增至启动电流,烧毁电机

? 转矩特性 T=f ( Ia )
Te ? CT Φ I a
Te 近似与 Ia 成正比。
(电枢反应的去磁作用)

? 效率特性 ? =f ( Ia )
p0基本不随Ia变化—不变损耗; pCu随Ia变化—可变损耗。 可变损耗等于不变损耗时,? 最高。

机械特性
I a Ra U n? ? Ce? Ce?

U=UN ,Rf=Const,n=f(Te)

? ? ?T n ? n0
U ? ? n0 ,理想空载转速 Ce?

??

Ra Ce CT ?
2

,机械特性的斜率

固有机械特性: U = UN ,电枢回路不串任何 电阻时的机械特性。

并励直流电动机的固有机械 特性是一条略有下降的直线, 是硬特性(? 很小)。

5. 电力拖动系统运行的稳定性
处于某一转速下运行的电力拖动系统,由于 受到某种扰动(如电源电压波动,或负载转矩波 动),导致系统的转速发生变化而离开原来的平 衡状态,如果系统能在新的条件下达到新的平衡 状态,或者当扰动消失后系统回到原来的转速下 继续运行,则系统是稳定的,否则系统是不稳定 的。

机械特性下降
A点:拖动系统的平衡点。

若扰动使n↑,Te↓,TL↑,
则, Te < TL→ n↓ 扰动消失后,系统转速可恢 复至原来转速, A 点为稳定 点

机械特性上升
A点:拖动系统的平衡点。

若扰动使n↑,Te ↑,TL↑,
则,Te 增量 > TL增量→ n ↑ 造成“飞车”。 扰动消失后,系统转速无法 恢复至原来转速 , A 点不稳



?一台并励直流电动机原运行于某一 Ea、I a、n和Te 值下,设负载转矩增大,试分析电机将发生怎样 的过渡过程,并将最后稳定的 Ea、Ia、n和Te 数值 和原值进行比较。

3.8 直流电动机的起动、调速和制动
? 直流电动机的启动
直接启动 电枢回来串电阻启动 降压启动

? 直流电动机转速的调节
他励和并励电动机的转速调节

? 直流电动机的制动
能耗制动 反接制动 回馈制动

1. 直流电动机的起动
? 起动要求
起动转矩大

? 起动方法
直接启动(全压起动)

起动冲击电流小
能量损耗小 简单,便于控制

电枢串接电阻起动
降压起动

电动机的起动是指电动机接通电源后,由静止状态加 速到稳定运行状态的过程。

直接起动:
起动转矩和起动电流分别为:

Tst ? CT ΦI st UN I st ? Ra
起动时由于转速 n=0,电枢电动势Ea=0 ,而且电枢 电阻Ra很小,所以起动电流将达很大值(10~20)IN。 一 般直流电动机不允许直接起动。

电枢回路接入变阻器起动:
以三级启动为例。 启动变阻器笨重,且耗能。

UN I st ? Ra ? R?
?
K

?
K
M

U

K1

K2

3

Ra

R?1 R?2 R? 3

降压起动: 当直流电源电压可调时,可采用降压方法起动。 起动时,以较低的电源电压起动电动机,起动电流 随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升, 反电动势逐渐增大,再逐渐提高电源电压,使起动电流 和起动转矩保持在一定的数值上,保证按需要的加速度 升速。 降压起动需专用电源,设备投资较大,但它起动平 稳,起动过程能量损耗小,因此得到广泛应用。

2. 直流电动机转速的调节
? 调速的要求
? 调速范围(调速比) ? 调速平滑性 ? 经济性 ? 调速方法简单,可靠

? 直流电动机的调速方法

U ? I a Ra n? Ce?

? 电枢串接电阻调速
? 改变端电压调速 ? 改变磁通调速

他励直流电动机的调速方法
? 电枢串接电阻调速
Ra ? Rs U n? ? T 2 Ce? Ce CT ?

机械特性变软。

调速范围与负载大小有关。
铜耗增加,效率低。 电阻的体积 大,不能平 滑调速。

? 改变端电压调速
Ra U n? ? T 2 Ce? Ce CT ?

降低U 的人为机械特性是与固 有机械特性平行的直线。
调速范围宽,平滑性好。 效率高。 需要可调的 直流电源。

?

改变励磁电流(磁通)调速
Ra U n? ? T 2 Ce? Ce CT ?

减少? 的人为机械特性:理想 空载转速升高,斜率减小。 减少? 通常使 n 从基速升高。 效率高。 弱磁调速。

设备简单,耗能 少,平滑性好。

改变电动机的参数就是人为地改变了 电动机的机械特性,使工作点发生变化, 转速即发生变化。调速前后,电动机工 作在不同的机械特性上,如果机械特性 不变,因负载变化而引起转速的变化, 则不能称为调速。

3. 直流电动机的制动
制动就是产生与转速方向相反的电磁转矩,使转速 降低。

? 能耗制动
励磁不变,电枢回路从电网断开, 并立即接到制动电阻RB上。
电枢电动势 Ea 产生的电枢电流 Ia 与电动机状态时的方向相反,产 生制动电磁转矩。 将电机的动能消耗在电阻上。

? 反接制动
将电枢回路反接到电源,并接 入限流电阻RL 。 端电压 U与电枢电动势 Ea同向, 使电枢电流 Ia 反向,产生较大 的制动性电磁转矩。 功率消耗在电阻中。

? 回馈制动
在电动状态下运行的电动机,在某种条件下(当电 车下坡时,运行转速可能超过理想空载转速)会出 现n﹥n0的情况。 此时Ea﹥U ,Ia反向,T反向,由驱动转矩变为制动 转矩。 从能量方向看,电机处于发电状态—回馈制动。


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