第三章：直流電機的穩(wěn)態(tài)分析

1、第三章直流電機的穩(wěn)態(tài)分析 主要內(nèi)容：研究直流電機的穩(wěn)態(tài)運行，對直流電機的工作原理、結(jié)構(gòu)、電路、磁路及運行原理和換向問題加以分析，并對直流電機的啟動、調(diào)速和制動進行了分析。3-1直流電機的工作原理和基本結(jié)構(gòu)電機是由兩大部分組成1、靜止部分定子2、 旋轉(zhuǎn)部分轉(zhuǎn)子一、直流電機的靜止部分（定子）1、主磁極主磁通的作用是建立主磁場。主磁極由主極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組組成它的，鐵心是由11.5mm厚的鋼板沖片疊壓緊固而成。極靴的作用是使主磁通在過氣隙時分布的更合理并且固定勵磁繞組。2、 機座其作用一是作為磁路的一部分，二是固定主極，換向極和端蓋。通常是用鑄鋼或厚鋼板焊成，機座中有磁通通過的部分稱為磁

2、軛。3、換向極換向極裝在兩極之間。其作用是用來改善換向，也是由鐵心和繞組組成，換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。4、電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引入（或引出）裝置，通過它可以把電機旋轉(zhuǎn)部分的電流引出到靜止的電路里，它與換向器配合才能使電機獲得直流電機的效果。二、直流電機的轉(zhuǎn)動部分1、電樞鐵心電樞鐵心即是主磁路的組成部分,又是電樞部分繞組的支撐部件.為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗,鐵心一般采用0.5mm厚的DR530或DR510的硅鋼片疊壓而成.2、 電樞繞組.電樞繞組疊放在電樞鐵心的槽內(nèi),是由按一定規(guī)律聯(lián)接的線圈組成.它是直流電機的電路部分.上、下層之間及線圈與鐵心之間都要有絕緣,槽口處用槽楔壓緊.3、

3、換向器換向器也是直流電機的重要部件，在發(fā)電機中可將電樞繞組中交變的電流轉(zhuǎn)換成電刷上的直流，起整流作用，而在直流電動機中將電刷上的直流變?yōu)殡姌欣@組內(nèi)的交流，即起逆變作用。換向器由許多換向片組成，片間用云母絕緣，電樞繞組的每個線圈的兩端分別接到兩個換向片上.三、電流電機的工作原理1、直流電動機的工作原理 我們首先分析一個簡單的物理模型，圖中N.S是一對磁鐵,它可以是永久磁鐵,也可以為電磁鐵，所謂電磁鐵就是在磁極鐵心上繞上勵磁線圈且通入直流，便產(chǎn)生固定的極性。兩極間裝一轉(zhuǎn)動的線圈，當線圈abcd中通入直流電流，此時載流導(dǎo)體在磁場受到力的作用，根據(jù)電磁力定律，力的大小為f=bli 方向由左手定則判斷在

4、力的作用下使線圈按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，當線圈轉(zhuǎn)過180度后,所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)距變成順時針方向了，所以這種物理模型不能作連續(xù)運轉(zhuǎn).要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)距.關(guān)鍵在于旋轉(zhuǎn)過程中應(yīng)保持每極下導(dǎo)體中甸柳的方向不變，即流過線圈中的電流方向及時的加以變換，即進行所謂”換向”，為此必須增加換向器裝置.換向器由互相絕緣的換向片構(gòu)成,裝在軸上與電樞一同旋轉(zhuǎn),換向器又與兩個固定不動的電刷B1、B2 相接觸，這樣當直流電壓加于電刷時，換向器的作用使外電路的直流電流改為線圈內(nèi)的交變電流，這種換向作用稱為逆變，以保證每極下導(dǎo)體中所流過的電流方向不變,從而使電機連續(xù)的旋轉(zhuǎn)，這就是直流電動機的工作原理。2、 直流發(fā)電機

5、的工作原理直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電勢靠換向器的作用，從電刷端引出時為直流電勢的原理，如上圖所示模型中,電刷上不加直流電壓，用原動機拖動電樞按逆時針方向旋轉(zhuǎn),根據(jù)電磁感應(yīng)定律導(dǎo)體ab和cd分別切割不同極下的磁力線而感應(yīng)電勢e=BLV 方向由右手定則判定整個線圈的電勢. Ead=2BLV當電樞逆時針轉(zhuǎn)過180度時,線圈邊中和整個線圈電勢反向,隨著電樞的旋轉(zhuǎn)線圈中感應(yīng)出交變電勢，而在電刷兩端的電勢卻為直流電勢。由于換向器的作用,電刷B1通過換向片所引出的電勢始終是切割N極磁力線的線圈中的電勢，因此B1始終是正極性，同理B2始終是負極性.所以電刷端引出方向不變,但大小變換的脈振

6、電勢,這就是直流發(fā)電機的工作原理.3、 直流電機運行的可逆性從以上對直流發(fā)電機和直流電動機的分析可看出一臺直流電機即可作為發(fā)電機運行,也可以作為電動機運行,只是外界條件不同而已.一個是輸入機械能,一個是輸入電能,這種既能作發(fā)電機運行,又能作電動機運行的原理,在電機理論中稱為可逆原理.4、 脈動的減小為了減小電樞感應(yīng)電動機和電磁轉(zhuǎn)距的脈動,實際的電樞繞組由許多線圈串聯(lián)而成.脈動可減小下圖為3個線圈產(chǎn)生的電動勢之和.可見其脈動程度較1個線圈大大減小,電磁轉(zhuǎn)距的情況與電勢類似,實際的一臺直流電機,每極下線圈很多,則作為發(fā)電機運行可獲得直流電勢. 四、勵磁方式我們知道直流電機的磁場,可以由永久磁場產(chǎn)生

7、.也可以由勵磁繞組產(chǎn)生.前者為永久磁場后者為電磁場,一般來講永久磁鐵的磁場較弱,所以現(xiàn)在絕大多數(shù)直流電機的主磁場都是由勵磁繞組通以直流勵磁電流產(chǎn)生的.我們稱這種磁場為直流電機的主磁場,有時也稱為勵磁磁場.勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式.直流電機的運行性能因勵磁方式的不同而不同,按照勵磁方式的不同,直流電機分他勵和自勵兩大類.1、 他勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，而由其他直流電源供電的直流電機電樞電流等于負載電流Ia=I2、 并勵直流電機勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)后加同一電壓.對發(fā)電機:Ia=I+If 對于電動機:I=Ia+If3、串聯(lián)直流電機勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)I=Ia=If4、復(fù)勵直

8、流電機 具有兩個勵磁繞組,一個與電樞并聯(lián).一個與電樞繞組串聯(lián).電樞與并聯(lián)繞組并聯(lián)后再與串勵磁繞組串聯(lián)稱短復(fù)勵.電樞與串聯(lián)繞組串聯(lián)后再與并勵磁繞組并聯(lián)稱長復(fù)勵.若串勵繞組與并勵繞組產(chǎn)生的磁勢方向相同為積復(fù)勵,相反為差復(fù)勵.五、直流電機的額定值每臺直流電機繞組的機座都有一個銘牌,上面標注一些額定數(shù)據(jù),若電機運行時,各數(shù)據(jù)符合額定值,這樣的運行情況稱為額定工況,在額定下運行,可保證電機可靠的運行,并具有優(yōu)良的性能.根據(jù)國標，直流電機的額定數(shù)據(jù)有：1、額定功率 PN （千瓦KW）2、額定電壓 UN （伏V）3、額定電流 IN （安A）4、額定轉(zhuǎn)速 nN (轉(zhuǎn)/分 r/min)5、額定勵磁電壓 UFn

9、（伏V）6、額定勵磁電流 IfN （安A）注、對發(fā)電機額定功率為 PN= UN IN 對電動機額定功率為 PN= UN IN N P1= UN IN3-2直流電機的電樞繞組 電樞繞組是直流電機的電路部分,也是直流電機的核心部分,是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐,無論是電動機還是發(fā)電機,它們的電樞繞組在磁場中旋轉(zhuǎn),都會感應(yīng)出電勢，當電樞中有電流時，又產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)了機電能量的轉(zhuǎn)換。電樞繞組的構(gòu)成應(yīng)能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電勢，并允許通過一定的電樞電流，此外還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。本節(jié)主要介紹單疊和單波繞組的組成及連接規(guī)律。一. 直流電樞繞組的構(gòu)成電樞繞組分 1.疊繞組2.波繞組3

10、.混和繞組組成繞組的基本單元稱為元件.元件有單匝,也有多匝,一個元件由兩條導(dǎo)體邊和端接線組成。元件邊置于槽內(nèi)稱為有效邊,端接線置于鐵心外,不切割磁場，僅起連接線作用一條有效邊放在上層，另一條有效邊放在下層構(gòu)成雙層繞組，元件首尾按一定規(guī)律接到不同的換向器片上，最后使整個繞組通過換向片連接城一個閉合回路。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則整個繞組元件數(shù)s應(yīng)等于槽數(shù)QS=Q在大型電機中每槽上、下層包含U個元件，此時S=UQ U為槽內(nèi)一層嵌放的元件邊數(shù).通常把一個上層邊和一個下層邊在槽內(nèi)所占的空間作為一個虛槽Qu 則:Qu=S=UQ由于一個換向片與不同元件的兩個出線端相連接,所以換向片數(shù)K=S則K=

11、S=Qu二、 直流電樞繞組的節(jié)距電樞繞組的連接規(guī)律是通過繞組的節(jié)距來表征的,下面分別敘述各個節(jié)距的定義和計算方法.1. 第一節(jié)距y1一個元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離稱為第一節(jié)距用y1表示:為使y1湊成整數(shù)的一個小數(shù)或整數(shù).每一極距內(nèi)的虛槽數(shù)為:極距也可用電樞表面圓弧長度表示即 常采用短距繞組,可節(jié)省端用銅,有利于換向.2、第二節(jié)距y2相串連的兩個元件中,第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊在電樞表面上所跨的距離,稱為第二節(jié)距。用y2表示,也用虛槽數(shù)計算.3、合成節(jié)距y相串連的兩個元件對應(yīng)邊在電樞表面所跨的距離。不同類型繞組的差別,主要表現(xiàn)的合成節(jié)距上。 所謂疊繞組指各極下元件依次連

12、接，后一個元件總是疊在前一個元件上，波繞組指把相隔約為一對極下的同極性磁場下的相應(yīng)元件串連起來,像波浪一樣向前延伸。疊繞組 波繞組 4、換向器節(jié)距yc一個元件的兩個出線端所連接的兩個換向片之間所跨的距離,其大小用換向片數(shù)計算.三、單疊繞組 單疊繞組的連接規(guī)律是，所有的相鄰元件依次串連，連接方法是后一個元件的首端與前一個元件尾端聯(lián)在一起并接到一個換向片上，最后一個元件的尾與第一個元件的首端連在一起.構(gòu)成一個閉合回路。+1為右行，-1為左行，因左行元件接到換向片的連接線需交叉用銅較多，很少采用。例：2P=4 S=K=Qu=16 u=1繪制單疊繞組展開圖 由已確定的各節(jié)距，可繪出繞組展開圖按照繞組展

13、開圖，可畫出該瞬間的電樞電路圖由繞組電路圖可清楚地看出，從電刷外面看繞組時是由四條支路并聯(lián)組成。1，5，9，13號元件被電刷短路，同極下元件電流方向一致。綜上所述，單疊繞組有以下特點：1） 單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)2a=應(yīng)等于電機的極數(shù)； 2） 當元件幾何形狀對稱時，電刷應(yīng)放在主機中心線上，此時正、負電刷間感應(yīng)電勢最大，被電刷所短路元件感應(yīng)電勢為零；3） 電刷數(shù)等于極數(shù)；4） 電刷間引出的電勢為每一支路電勢，正、負電刷間引出的電流為各支路電流之和。四、 單波繞組 單波繞組的連接規(guī)律是:從某一換向片出發(fā)把相隔約為兩個極距的同極性磁場中對應(yīng)位置的所有元件串連起來。這種繞組連接的特點是元件兩出線端所連換

14、向片相隔較遠,相串連的兩元件也相隔較遠.形狀如波浪一樣向前延伸,所以稱為波繞組.“-”表示左行，“+”表示右行。上式的含義是，繞組繞電樞一周后，經(jīng)過P對極，就由P個元件串聯(lián)起來，每個元件在換向器上跨過yc換向片，繞一周后需接到起始換向片的左邊（k-1），或右邊（k+1）一個換向片上。例：2P=4 S=K=Qu=15 u=1繪制單疊繞組展開圖 由已確定的各節(jié)距，可繪出繞組展開圖按照繞組展開圖，可畫出該瞬間的電樞電路圖單波繞組有以下特點1. 同極性下各元件串連起來組成一條之路. 2. 幾何形狀對稱時電刷應(yīng)放在主磁極中心線上3. 電刷數(shù)也應(yīng)等于極數(shù).可減小每組電刷上的電流.改善換向五、 各種繞組的應(yīng)

15、用范圍除單疊和單波外.還有復(fù)疊.復(fù)波和混和繞組.各種繞組的差別主要在于它們的并聯(lián)支路數(shù)上，支路數(shù)越多，相應(yīng)的每條支路所串聯(lián)的元件數(shù)越少，原則上電流大、電壓低的直流電機采用疊繞組。若電流小，電壓高采用波繞組。3-3空載和負載時直流電機的磁動勢和磁場為了弄清穩(wěn)態(tài)運行時直流電機內(nèi)部的電磁過程，必須了解空載和負載時電機內(nèi)部的磁場，本節(jié)介紹直流電機的磁場。一、 空載時直流電機的氣隙磁場空載磁場是在無載情況下（即電樞電流為零），勵磁繞組中通入電流后由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。空載時主磁場分布情況及計算方法已在1-3節(jié)中介紹?？蛰d時主磁場的磁通分兩部分，即主磁通和漏磁通。由于磁極極靴寬度總是小于極距，在極靴

16、下氣隙較小，所以極靴下沿電樞表面主磁場較強，極靴以外，氣隙加大，主磁場明顯削弱，在兩極間的幾何中性線處磁密為零。氣隙磁場磁密分布波形為一禮帽形，如下圖：二、 負載時的電樞磁動勢空載時的氣隙磁場僅由主磁極上的勵磁磁勢所建立。當電機帶上負載后，電樞繞組中流過電流，從而產(chǎn)生了電樞磁動勢。因此負載是電機中的氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同建立。電樞磁動勢的出現(xiàn)是氣隙磁場發(fā)生畸變，并產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)了機電能量的轉(zhuǎn)換。下面對電樞磁動勢進行研究：首先看一下電樞磁場的分布情況，為簡單計，繞組為整距，電刷放在幾何中性線上。在一極下元件中電樞電流的方向相同，根據(jù)右手螺旋法則確定了電樞磁場磁力線的方向如左圖

17、所示1、交軸電樞磁動勢當電刷放在幾何中性線上時，點數(shù)磁動勢的軸線與主極軸線正交，固稱為交軸電樞磁動勢。與主極軸線正交的軸稱為交軸，重合的軸稱為直軸。下面分析電樞磁勢波形，首先從一個元件入手，將右圖從幾何中性線處切開拉直一個元件時，磁勢波形為一個矩形波，三個元件時其磁勢波形為三個矩形波的疊加成為一個三個階梯的階梯波，若元件再增多，則其波形為多個階梯組成的階梯波，其波形近似為一三角波，如上圖fa(x)所示。設(shè)主極中心取為原點O，取一經(jīng)過距原點+x及-x的閉合回路，設(shè)Za為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，D為電樞直徑，根據(jù)安培環(huán)路定律，此回路所含的安培導(dǎo)體數(shù)為： 在X處氣隙的磁勢為 電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)

18、稱為電負荷。在幾何中性線處，即處，交軸電樞磁勢達到最大值 2、直軸電樞磁勢若電刷從幾何中性線移過角（相應(yīng)的電樞表面弧長b）將電樞磁動勢分為兩部分，即交軸分量和直軸分量 為交軸分量的最大值 為直軸分量的最大值當電樞旋轉(zhuǎn)時，組成各支路的元件在變化，由于換向器的作用，每極下元件中電流方向不變，所以電樞磁勢在空間固定不動，即它與主磁場的分布波形是相對靜止的。三、 電樞反應(yīng)負載時電樞磁動勢對主極磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。如果電樞磁動勢有交軸和直軸分量，則電樞反應(yīng)就相應(yīng)的稱為交軸電樞反應(yīng)或直軸電樞反應(yīng)。1、 交軸電樞反應(yīng)當電刷放在幾何中性線上時，由電樞磁勢波（三角波）可的電樞磁密的分布波形 為氣隙長度， 為

19、空氣導(dǎo)磁系數(shù)=4×10-7有上確定波形為馬鞍形（如上圖中ba(x)所示）下面以直流發(fā)電機為例進行具體分析，將主極磁場與電樞磁場和稱，便可看出電樞反應(yīng)的作用。得出兩點結(jié)論：1）氣隙磁場發(fā)生畸變2）去磁作用2、直軸電樞反應(yīng)若電刷不在幾何中性線上，除交軸電樞磁動勢外，還有直軸電樞磁動勢，若為發(fā)電機電刷順電樞旋轉(zhuǎn)方向移角，直軸電樞反應(yīng)是去磁的；若發(fā)電機電刷逆電樞旋轉(zhuǎn)方向移角，直軸電樞反應(yīng)是增磁的。電動機情況與發(fā)電機正好相反。3-4直流電動機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩本節(jié)將推導(dǎo)電樞的感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩的計算公式。一、 電樞繞組的感應(yīng)電動勢直流電機無論作為發(fā)電機還是作為電動機運行，電樞繞組中都感應(yīng)電

20、動勢，該感應(yīng)電勢指一條支路的電勢（即電刷間的電勢），簡稱電樞電勢。計算方法是首先推出每根導(dǎo)體的電勢，則一條支路中各串聯(lián)導(dǎo)體的電動勢的代數(shù)和即為電樞電勢。右圖為氣隙磁密分布與元件中電勢方向設(shè)電樞導(dǎo)體有效長度為L，導(dǎo)體切割氣隙磁場的速度為V，則每根導(dǎo)體的感應(yīng)電勢為：為導(dǎo)體所在處的氣隙磁密，設(shè)電樞總導(dǎo)體數(shù)為Za，支路數(shù)為2a,則每條支路串聯(lián)導(dǎo)體數(shù)為則支路電勢為： 各導(dǎo)體所處位置的互不相同。為簡單計引入氣隙平均磁密Bav，它等于電樞表面各點氣隙磁密的平均值（一極下各導(dǎo)體磁密之和，再除導(dǎo)體數(shù)得平均磁密）將上式帶入Ea整理得又不計飽和時，與勵磁電流If成正比，即當磁路飽和時，Ea與、n成正比；當磁路不飽和

21、時，Ea與If、n成正比二、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 當電樞內(nèi)同有電流時，載流導(dǎo)體與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。電磁轉(zhuǎn)矩的計算方法為：首先算出一個導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)矩，再計算一個極下所有導(dǎo)體的電磁轉(zhuǎn)矩，最后乘以2P就得到整個電樞產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩。設(shè)電樞表面任一點的氣隙磁密為bx,該處導(dǎo)體中流過的電流為ia有效長度為L，電樞直徑為D，則作用與該處載流導(dǎo)體上的電磁轉(zhuǎn)矩為：由于一極下導(dǎo)體數(shù)為，則作用于一極下導(dǎo)體的轉(zhuǎn)矩為：作用于整個電樞上的轉(zhuǎn)矩為：因為 轉(zhuǎn)矩常數(shù)如Ia單位為安（A）， 單位為韋（Wb），則Te為牛米（Nm）不計飽和時，與勵磁電流If成正比，即當磁路飽和時，Te與、Ia成正比；當磁路不飽和時，Te與

22、If、Ia成正比將Ea兩端同乘Ia得： 電磁功率 上式表明無論是電動機還是發(fā)電機，在能量轉(zhuǎn)換過程中電功率變?yōu)闄C械功率或機械功率變?yōu)殡姽β实倪@部分功率為或，由于能量不滅，所以兩者是相等的。3-5直流電機的基本方程式直流電機是一種雙邊勵磁的三端口機電系統(tǒng)，定子邊為勵磁繞組激勵的勵磁端口。轉(zhuǎn)子邊為電樞繞組激勵的電樞端口，另外還有輸出（或輸入）轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的機械端口。直流電機的運行情況可由基本方程式進行研究。基本方程式：1、電端口的電壓平衡方程式 2、機械端口的轉(zhuǎn)距平衡方程式一、電壓方程1、 他勵磁電機 對勵磁回路： 對電樞回路： 發(fā)電機 電動機 式中 ra：電樞繞組電阻， ：正、負一對電刷上的接觸電壓

23、降， Ra：電樞回路總電阻，包括電樞繞組電阻和電刷接觸電阻， Rf：勵磁繞組電阻。注：發(fā)電機 且輸出電流作為電樞電流的正方向電動機 且輸入電流作為電樞電流的正方向2、 并勵磁直流電機 對發(fā)電機 對電動機勵磁回路和電樞回路的電壓方程仍與他勵磁相同3、 串勵直流電機 IS：串勵繞組中勵磁電流二、轉(zhuǎn)距方程1、直流發(fā)電機原動機以T1的轉(zhuǎn)矩拖動轉(zhuǎn)子沿逆時針方向旋轉(zhuǎn)，則Ea、Ia 、Te的方向如圖所示，Te的方向與T1相反，為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)距，Te為拖動轉(zhuǎn)距。則：其物理意義為：當電機作為發(fā)電機運行時，拖動轉(zhuǎn)距T1與發(fā)電機內(nèi)部產(chǎn)生的制動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩Te和電機本身的機械阻力轉(zhuǎn)矩T0相平衡。2、直流電動機電動機中電樞

24、電流與運動電勢方向相反。Te為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，所以 ：軸上輸出轉(zhuǎn)矩拖動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩Te與制動性質(zhì)的負載轉(zhuǎn)矩及電機本身的機械阻力轉(zhuǎn)距相平衡。三、電磁功率及功率方程1、電磁功率采用電動機慣例勵磁繞組輸入的功率為：這部分功率全部邊為勵磁繞組內(nèi)的電阻損耗。電樞繞組輸入的功率為：由兩部分組成：1） 電樞回路銅損耗 2）電磁功率前已證明：對于電動機，為電樞繞組中運動電勢所吸收的電功率，為電磁轉(zhuǎn)矩對機械負載所作的機械功率，由于能量守恒，兩者相等。是機械功率轉(zhuǎn)換為電功率。所以無論是電動機還是發(fā)電機，是能量轉(zhuǎn)換過程中的轉(zhuǎn)換功率，能量轉(zhuǎn)換發(fā)生在電樞電路和機械系統(tǒng)之間，而的大小與的大?。瘩詈洗艌龅膹娙酰┯嘘P(guān)。P80圖3-

25、30位直流電機內(nèi)能量轉(zhuǎn)換表象圖2、功率方程以并勵磁直流電機為例研究功率方程并勵電動機：式中：輸入功率 ：電樞回路總銅耗 ：勵磁回路銅耗式中：為電動機輸出的機械功率由上式可直觀的畫出功率流程圖：雜散損耗，由于電樞有齒槽的存在產(chǎn)生的損耗，難于精確計算，國標規(guī)定由補償繞組的按1%，無補償繞組的0.5%估算并勵發(fā)電機式中：為發(fā)電機輸出的電功率3-6直流發(fā)電機的運行特征直流發(fā)電機在拖動系統(tǒng)中大都作為電源使用，目前直流發(fā)電機有被大功率可控硅整流電源取代的趨勢，但有些系統(tǒng)中還要使用。發(fā)電機的特征一般指發(fā)電機運行時，端電壓u、負載電流I、勵磁電流If這三個物理量之間的關(guān)系，保持其中的一個量不變，其余兩個量就構(gòu)

26、成一種特性。因此有（1）空載特性 （2）外特性（3）調(diào)整特性 （4）效率特性 有的特性與勵磁方式有關(guān)，下面按他勵、并勵、復(fù)勵三種不同勵磁方式分別進行研究。一、 他勵磁發(fā)電機的運行特性1、 空載特性用實驗方法測取空載特性時，接線如下圖 發(fā)電機由原動機拖動，且保持 ，調(diào)節(jié) ，使發(fā)電機空載端電壓，然后使逐漸降至零，測取和即得。再將反向，測取反方向空載特性，因存在磁滯現(xiàn)象，所以正、反空載特性是整個磁滯回線的一半，根據(jù)對稱關(guān)系可畫出另一半，取整個回線的平均線，虛線所示為空載特性曲線。實際上，空載特性曲線與磁化曲線相同。 而均為常數(shù)，將改一下尺標，即為。說明：經(jīng)勵磁后，再將勵磁切斷時，磁路中會留有剩磁，即

27、使，電樞仍會出現(xiàn)由剩磁磁通所感應(yīng)的剩磁電壓， 2、外特性用實驗方法測取外特性時，發(fā)電機電樞加入負載電阻RL，當時，調(diào)RL 和使，然后保持不變，變 RL 使I逐漸減小測取U，I，即得由電壓方程可知U下降的原因為1）去磁作用 2）發(fā)電機端電壓隨負載而變化的程度用電壓調(diào)整律來衡量，發(fā)電機從額定負載過渡到空載時，端電壓變化的數(shù)值與額定電壓的比值，稱為額定電壓調(diào)整率。他勵發(fā)電機的大約在510%這一范圍內(nèi)。隨負載變化基本上可看成是一個恒壓的直流電源。他勵發(fā)電機在額定勵磁下短路時，短路電流，由于很小，所以很大，可達（2030）IN ，故不允許在額定勵磁下短路。3、調(diào)節(jié)特性曲線是一條上升的曲線。由外特性可知，

28、當附載電流I增加時，發(fā)電機端電壓下降。如需維持U為常值，I增加時，要相應(yīng)的增加以補償去磁的電樞反應(yīng)和電樞回路電阻壓降，通過調(diào)節(jié)特性實驗可求出空載時和額定負載時所需的勵磁電流和。當（時所需的勵磁電流即為）4、效率特性：總損耗式中：為電樞繞組銅損耗； ：一對電刷的接觸電壓降，對石墨 對金屬石墨將以上損耗分別分為兩大類1、不變損耗，不隨P2的變化而變化2、可變損耗，隨P2變化而變化，因負載變化時要作相應(yīng)調(diào)整以保證U=UN ，所以也屬可變損耗，效率曲線如左圖所示，可見發(fā)電機在某負載時效率最大。令 解出最大效率，即當不變損耗=可變損耗時發(fā)生最大效率一般在3/4PN左右發(fā)生最大效率小型直流發(fā)電機中大型直流

29、發(fā)電機二、并勵發(fā)電機的自勵和運行特性1、并勵發(fā)電機的自勵并勵和復(fù)勵都是一種自勵發(fā)電機，即不需要外部電源供給勵磁電流，這種自勵發(fā)電機首先是在空載時建立電壓即所謂“自勵”，然后再加負載，下面以并勵為例研究其自勵過程。（1）自勵過程勵磁繞組是并聯(lián)在電樞繞組兩端，勵磁電流是由發(fā)電機本身提供。發(fā)電機由原動機拖動之額定轉(zhuǎn)速，由于發(fā)電機磁路里總有一定的剩磁，當電樞旋轉(zhuǎn)時，發(fā)電機電樞端點將有一個不大的剩磁電壓E0r，E0r同時加在勵磁繞組兩端，便有一個不大的勵磁電流通過，從而產(chǎn)生一個不大的勵磁磁場。如勵磁繞組接法適當，可使勵磁磁場的方向與電機剩磁方向相同，從而使電機的磁通和由它產(chǎn)生的端電壓增加。在此大一點的電

30、壓作用下，勵磁電流又進一步加大，最終穩(wěn)定在空載特性和勵磁電阻線的交點A，A點所對應(yīng)的電壓即為空載穩(wěn)定電壓。若調(diào)節(jié)勵磁回路電阻，可調(diào)節(jié)空載電壓穩(wěn)定點。加大，則勵磁電阻線斜率加大，交點A向原定移動。端點電壓降低，當勵磁電阻線與空載特性相切時，沒有固定交點，空載電壓不穩(wěn)定，當勵磁電阻線的斜率大于空載特性斜率，交點為剩磁電壓，則發(fā)電機不能自勵。（2）自勵條件從上述發(fā)電機的自勵過程可以看出，要使發(fā)電機能夠自勵，必須滿足三個條件：1）電機必須有剩磁。如電機失磁，可用其他直流電源激勵一次，以獲剩磁。2）勵磁繞組并到電樞繞組的極性必須正確。否則電樞電勢不但不會增大反而會下降，如有這種現(xiàn)象，可將勵磁繞組對調(diào)。3

31、）勵磁回路的電阻應(yīng)小于臨界電阻，即。否則與空載特性無交點，不能建立電壓2、并勵發(fā)電機的運行特性與他勵相同，也有外特性，調(diào)整特性和效率特性。調(diào)整特性和效率特性與他勵十分相近，僅說明其外特性。外特性：與他勵外特性比較，并勵的外特性有三個特點：1）同一附載電流下，端電壓較低。2）外特性有“拐彎”現(xiàn)象。3）穩(wěn)定短路電流小所以并勵外特性比他勵低。電壓調(diào)整率一般在20%左右。外特性“拐彎”現(xiàn)象的出現(xiàn)是因為： ，在磁路比較飽和的區(qū)域中（右圖AP段），隨 ，由于磁路比較飽和，所以由于的減少而引起Ea 和U的減少不大。即負載電阻減小，負載電流增大，一直到外特性“拐彎”點，該點電流稱為臨界電流約為（23）IN 。

32、若 進一步減小，U和進一步減小，此時磁路飽和度降低（途中A/A段）， 的稍微減小，將引起Ea的很大下降，致使端電壓U下降的幅度大于 減小的幅度。于是外特性出現(xiàn)“拐彎”現(xiàn)象，即 減小時，U減小，負載電流反而下降。當穩(wěn)態(tài)短路時（），U=0，此時電樞繞組中的電流由剩磁電動勢產(chǎn)生， ，因 不大，所以不大。三、復(fù)勵發(fā)電機的運行特性復(fù)勵發(fā)電機有并勵繞組和串勵繞組兩個勵磁繞組，而串勵繞組的作用是隨著負載電流的增加增磁，從而補償了并勵繞組的去磁作用。所以復(fù)勵發(fā)電機的外特性較平直。 積復(fù)勵發(fā)電機應(yīng)用很廣，因可靈活的調(diào)整并勵和串勵磁場，從而設(shè)計出所需要的外特性。一般希望隨負載變化發(fā)電機端電壓穩(wěn)定。這一點只有復(fù)勵發(fā)

33、電機能達到。對串勵，因勵磁磁勢直接隨負載變化，端電壓極不穩(wěn)定，故不采用3-7直流電動機的運行特性直流電動機是直流發(fā)電機的一種逆運行狀態(tài)，將電能變?yōu)闄C械能，由于表征機械能的參數(shù)為轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速。所以直流電動機穩(wěn)定運行特性最主要的就是轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)速特性即機械特性。再是工作特性。因直流電動機運行性能因勵磁方式不同而有很大差異，下面分別加以研究一、 并勵電動機的運行特性1、機械特性電動機帶動負載運行，歸根結(jié)底就是向負載發(fā)出一定的轉(zhuǎn)距，并使之得到一定的轉(zhuǎn)速。 Te和n是生產(chǎn)機械對電動機提出的兩項要求。在電機內(nèi)部Te和n 不是相互獨立的，它們之間存在著確定的關(guān)系，這種關(guān)系稱為機械特性。由于如不計磁飽和效應(yīng)（忽略電樞

34、反應(yīng)影響）則 ， 并勵電動機機械特性為一稍微下降的直線機械特性具有以下特點：（1）稱為理想空載轉(zhuǎn)速（2）（3）特性為一斜率為 的向下傾斜的直線 所以為稍微下降的直線，這種特性稱為硬特性。（4）電樞反應(yīng)的影響 如考慮磁飽和，交軸電樞反應(yīng)呈去磁作用，由公式可見 機械特性的下降減小，或水平，或上翹。 為避免上翹，采取一些措施，可加串勵繞組，其磁勢抵消電樞反應(yīng)的去磁作用。2、工作特性 直流電動機的工作特性指： 因在實際運行時電樞電流可直接測量，且電樞電流隨增加而增大，兩者增大趨勢相差不多，所以可將工作特性表示為：（1） 轉(zhuǎn)速特性如不計電樞反應(yīng)的去磁作用，則 為與 無關(guān)的常數(shù)。則所以轉(zhuǎn)速特性為一斜率為的

35、直線。如考慮電樞反應(yīng)的去磁作用會使n 趨于上升，為保證電機穩(wěn)定運行，在電機結(jié)構(gòu)上采取一些措施，使并勵電動機具有略微下降的轉(zhuǎn)速特性。轉(zhuǎn)速調(diào)整率為：并勵電動機負載變化時，轉(zhuǎn)速變化很小，注：并勵電動機在運行時，勵磁繞組絕對不允許斷開。 當 失磁（2）轉(zhuǎn)矩特性 不計飽和時 成正比 計飽和時， 較大時，電樞反應(yīng)的去磁作用，使曲線偏離直線，如圖實線所示。（3）效率特性 和發(fā)電機效率特性相似二、串勵電動機的運行特性串勵電動機的特點是 隨變1、機械特性（轉(zhuǎn)距轉(zhuǎn)速特性）n反比于Te，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加迅速下降，這種特性稱為軟特性2、工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性串勵的轉(zhuǎn)速特性與并勵截然不同，它隨負載增加迅速降低，變化很大

36、。 當空載時 ，所以，轉(zhuǎn)速達到危險的高速，稱“飛車”現(xiàn)象，因此串勵電動機不允許在空載或負載很小的情況下運行。轉(zhuǎn)速特性與縱軸無交點。其轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為：為輸出功率等于1/4PN 時的轉(zhuǎn)速。(2)轉(zhuǎn)距特性當磁路不飽和時，當磁路飽和時，一般可看成 ，按大于一次方的比例增加。它對啟動和過載能力有重要意義，在同樣大小的啟動電流下能得到比并勵電動機更大的啟動轉(zhuǎn)距。（用于電氣牽引）（3）效率特性其效率特性與并勵電動機相似三、復(fù)勵電動機的運行特性復(fù)勵電動機通常接成積復(fù)勵，即有并勵繞組，又有串勵繞組，故其特性介于并勵與串勵之間。若勵磁繞組以并勵為主，則其特性接近于并勵電動機但由于有串勵磁勢的存在，補償電樞反應(yīng)的

37、去磁作用，不致使轉(zhuǎn)速特性上翹。若勵磁繞組中串勵磁動勢起主要作用，則特性接近于串勵電動機，由于有并勵磁勢存在，不會使電動機空載時出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象。3-8直流電動機的啟動、調(diào)速和制動 本節(jié)介紹直流電動機的啟動、制動和調(diào)速原理及方法。一、直流電動機的啟動直流電機接到電源后，轉(zhuǎn)速從零達到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程稱為啟動過程，是一動態(tài)過程，情況較為復(fù)雜，僅介紹啟動要求和啟動方法。直流電動機啟動的基本要求是：（1）啟動轉(zhuǎn)距要大 （2）啟動電流要小，限制在安全范圍之內(nèi) （3）啟動設(shè)備簡單、經(jīng)濟、可靠 直流電機在啟動時， ，可突增至額定電流的十多倍，故此必須加以限制，在保證產(chǎn)生足夠的啟動轉(zhuǎn)矩下（），盡量減小啟動電流，一

38、般直流電動機瞬時過載電流不得超過（1.52）IN 。常用的啟動方法有三種，分別介紹如下1、直接啟動加全壓啟動，啟動電流達十倍以上額定電流，僅用于小型電機。優(yōu)點：操作簡單，不需啟動設(shè)備。缺點：沖擊電流太大1、對電網(wǎng)電壓影響 2、對電機本身影響只適用于小型電動機啟動2、電樞回路串變阻器啟動為限制啟動電流，在啟動時將啟動電阻串入電樞回路，待轉(zhuǎn)速上升后，再逐級將啟動電阻切除。串入變阻器時的啟動電流為只要選擇適當，能將啟動電流限制在允許范圍內(nèi)，隨n的上升可切除一段電阻。采用分段切除電阻，可使電機在啟動過程中獲較大加速，且加速均勻，緩和有害沖擊。如下圖為分二級啟動的機械特性曲線。由 產(chǎn)生 ，電機加速（）由

39、，加速逐漸減小。為獲較大加速，到b點時切除 ，特性由b到c，由c到d后再切除 ，運行到固有特性e點，最終穩(wěn)定在g點。（）切除可手動完成，也可自動完成。優(yōu)點：啟動設(shè)備簡單，操作方便。缺點：電能損耗大，設(shè)備笨重 常用三點啟動器接線圖、降壓啟動開始啟動時將低電壓，則，并使限制在一定范圍內(nèi)。采用降壓啟動時，需專用調(diào)壓電源，直流發(fā)電機，或可控硅整流電源。用發(fā)電機，調(diào)節(jié)勵磁達到調(diào)壓；用可控硅整流電源，用觸發(fā)號控制輸出電壓。優(yōu)點：啟動電流小，能量損耗小，缺點：設(shè)備投資大。二、直流電動機的調(diào)速許多生產(chǎn)機械需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，直流電動機具有在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟的調(diào)速的性能。因此在調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上得到廣泛應(yīng)

40、用。調(diào)速是人為的改變電氣參數(shù)，從而改變機械特性，使得在某一負載下得到不同的轉(zhuǎn)速，如左圖中n1與n2，而負載變化時，在同一特性上轉(zhuǎn)速由n1至n1/（）下面討論調(diào)速原理及優(yōu)缺點從直流電動機的轉(zhuǎn)速公式可知在某一負載下（不變），其中、中均可調(diào)節(jié)，所以可有三種調(diào)速方法。、電樞串電阻調(diào)速由串阻的機械特性可知，所串電阻越大，斜率越大，轉(zhuǎn)速越低。未串阻時，工作在點，突串時，來不及突變，由點到點因為此時，使n下降，直至點（），調(diào)速過程完了。系統(tǒng)穩(wěn)定運行在點。優(yōu)點：設(shè)備簡單，操作方便。缺點：屬有級調(diào)速，輕載幾乎沒有調(diào)節(jié)作用，低速時電能損耗大，接入電阻后特性變軟，負載變化時轉(zhuǎn)速變化大（即動態(tài)精度差）只能下調(diào)。此種調(diào)

41、速方法一般用于調(diào)速性能要求不高的設(shè)備上，如電車，吊車，起重機等。有時為提高機械特性硬度在串的同時，在電樞兩端并一電阻。用等效電源法求等效電路等效電源電壓為電樞兩端開路電壓 等效串聯(lián)電阻為電源短路時從電樞兩端看進去的電阻 由等效電路得 所以特性硬度提高、調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速應(yīng)用此方法，電樞回路應(yīng)用直流電源單獨供電，勵磁繞組用另一電源他勵。目前用得最多的可調(diào)直流電源是可控硅整流裝置（SCR），對容量數(shù)千千瓦以上的采用交流電動機直流發(fā)電機機組。缺點：調(diào)壓電源設(shè)備復(fù)雜，一般下調(diào)轉(zhuǎn)速。優(yōu)點：硬度一樣，可平滑調(diào)速，且電能損耗不大。從以上兩種方法屬電樞控制。、弱磁調(diào)速改變的調(diào)速，增大可能性不大，因電機磁路設(shè)計在

42、飽和段。所以只有減弱磁通?？稍趧畲呕芈分写鑼崿F(xiàn)。 但比增加快，一般情況下設(shè)負載轉(zhuǎn)距不變，則又因U不變，所以 則 減少磁通可使轉(zhuǎn)速上升 基本不變?nèi)秉c：調(diào)速范圍小，只能上調(diào)，磁通越弱，越大，使換向變壞。優(yōu)點：設(shè)備簡單，控制方便。調(diào)速平滑，效率幾乎不變，調(diào)節(jié)電阻上功率損耗不大。注：以上適用于他勵和并勵電動機，也適用于復(fù)勵電動機、串勵電動機的調(diào)速由串勵電動機機械特性式中：（）可用在電樞回路中串接電阻的方法來調(diào)速電樞回路總電阻為，越大，斜率越大，電機效率較低。（）改變用改變U調(diào)速時，效率較高。特性與固有特性平行，紅線所示（）可在勵磁繞組兩端并電阻加入后，減弱磁通，使上升，不接時，接后 曲線如右圖（）可

43、在電樞兩端并電阻并后，不并時，可下調(diào)轉(zhuǎn)速，曲線為，（）、（）均為磁場控制，其線路圖見93,3-57三、直流電動機的制動一臺生產(chǎn)機械工作完畢就需要停車，因此需要對電機進行制動。最簡單的停車方法是斷開電源，靠摩擦損耗轉(zhuǎn)矩消耗掉電能，使之逐漸停下來，這叫做自由停車法。自由停車一般較慢，特別是空載自由停車，更需較長的時間，如希望快速停車，可使用電磁制動器，俗稱“抱閘”。也可使用電氣制動方法，分三種，能耗制動、反接制動和回饋制動1、能耗制動 停車時，不只是斷電，而且將電樞立即接到上（為限制電流過大）因為磁場保持不變（書中為并勵）由于慣性，n存在且與電動時相同，所以Ea與電動時方向相同電流方向相反，所以T

44、e反向。由于轉(zhuǎn)矩與電動狀態(tài)相反，產(chǎn)生一制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)距，使其快速停車。制動過程是電機靠慣性發(fā)電，將動能變成電能，消耗在電樞總電阻上，因此稱之為能耗制動。能耗制動操作簡單，但低速時制動轉(zhuǎn)矩很小。2、反接法采用以上能耗制動方法，在低速時效果差，如采用反接制動，可得到更強烈的制動效果。利用反向開關(guān)將電樞反接，反接同時串入電阻（為限制電流過大） 為負，所以Te為負反接制動時最大電流不得超過，則應(yīng)使 對于能耗制動 缺點：能量損耗大，轉(zhuǎn)速下降到零時，必須及時斷開電源，否則將有可能反轉(zhuǎn)。3、回饋制動當 為負， Te為負 例如電車下坡時的運行狀態(tài)電車在平路上行駛時，摩擦轉(zhuǎn)矩TL是制動性質(zhì)的，系統(tǒng)運行于a點。這時

45、 當電車下坡時，TL 仍存在（暫不考慮數(shù)值變化），車重產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩是幫助運動的，如，合成轉(zhuǎn)矩與n方向相同，因而n上升，當，使變負， 使Ia變負，Te為負此時電機進入發(fā)電狀態(tài)，發(fā)出電能，回饋到電網(wǎng)，稱為回饋制動，穩(wěn)定運行在b點?？傊?，電氣制動是電機本身產(chǎn)生一制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)距，使電機快速停轉(zhuǎn)。3-9換向當電樞旋轉(zhuǎn)時，元件從一條支路通過電刷進入另一條支路時，該元件中的電流就要改變一次方向，這種電流方向的改變稱為換向。換向問題是一切帶有換向器電機的一個專門問題，它對電機的正常運行有重大影響，換向不良，將在電刷下發(fā)生有害火花，當火花超過一定程度，就會燒壞電刷和換向器，使電機不能繼續(xù)運行。然而換向過程十分復(fù)雜，有電磁、機械和電化學(xué)等方面因素相互交織在一起，我們僅就換向的電磁現(xiàn)象及改善換向的方法作簡單介紹。一、 換向元件中的電勢設(shè)電刷寬度等于換向片寬度，電刷不動，換向器從右向左運動，當電刷與換向片1接觸時，元件1屬于右邊一條支路，電流為Ia ，當電刷與1、2換向片接觸時，元件1被短路，當電刷與換向片2接觸時，元件1進入左邊一條支路，電流為