直流電機(jī)工作特性

一、直流電機(jī)的基本方程式：（電系統(tǒng)的電勢平衡方程式，機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式，能量系統(tǒng)的功率平衡方程式。）1、電勢平衡方程式：

A、不計(jì)磁路飽和效應(yīng)，并勵(lì)電動機(jī)電樞回路和勵(lì)磁回路的電勢方程式：第1頁/共45頁第一頁，共46頁。B、并勵(lì)發(fā)電機(jī)電勢方程式：發(fā)電機(jī)的大于。第2頁/共45頁第二頁，共46頁。2、轉(zhuǎn)矩平衡方程式：A、電動機(jī)：

瞬態(tài)方程（電磁轉(zhuǎn)矩負(fù)載轉(zhuǎn)矩

穩(wěn)態(tài)方程B、發(fā)電機(jī)：

瞬態(tài)方程原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩

穩(wěn)態(tài)方程

空載轉(zhuǎn)矩慣性轉(zhuǎn)矩第3頁/共45頁第三頁，共46頁。3、功率方程式：A、直流電機(jī)中的損耗、效率：損耗有三類消耗于導(dǎo)體電阻中。消耗于摩擦損耗、通風(fēng)和機(jī)械損耗。消耗于鐵心中的損耗。鐵耗：由于電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)主磁通在電樞鐵心內(nèi)交變而引起的。銅耗：電樞回路銅耗勵(lì)磁回路銅耗電刷接觸銅耗為一對電刷總接觸電壓降。第4頁/共45頁第四頁，共46頁。機(jī)械損耗：包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗、定轉(zhuǎn)子和空氣的摩擦損耗。附加損耗：電樞齒、槽存在，使氣隙磁通產(chǎn)生脈動，電樞反應(yīng)使磁場畸變引起的鐵耗。換向電流引起的損耗。按額定容量的１%計(jì)算，無補(bǔ)償繞組按額定容量的0.5%計(jì)算，有補(bǔ)償繞組在以上損耗中，，隨負(fù)載變化而變化，稱為可變損耗；，，為不變損耗。電機(jī)的效率第5頁/共45頁第五頁，共46頁。當(dāng)不變損耗＝可變損耗時(shí)，取得最大，是的二次曲線。B、并勵(lì)電動機(jī)的功率方程式：電磁功率機(jī)械功率電功率第6頁/共45頁第六頁，共46頁。C、并勵(lì)發(fā)電機(jī)的功率方程式：電磁功率電功率機(jī)械功率第7頁/共45頁第七頁，共46頁。二、直流電動機(jī)的工作特性：

當(dāng)端電壓為額電壓，電樞回路無外串電阻，勵(lì)磁電流為額定勵(lì)磁電流時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速，電磁轉(zhuǎn)矩，和效率與輸出功率之間的關(guān)系。即：實(shí)際運(yùn)行中，可測，且隨增大而增大，所以，工作特性可表示為：第8頁/共45頁第八頁，共46頁。1、并勵(lì)直流電動機(jī)的工作特性：A、轉(zhuǎn)速特性：第9頁/共45頁第九頁，共46頁。其中，為理想空載轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速特性為一斜率為的直線。當(dāng)電機(jī)磁路飽和時(shí)，隨著的增大，增大，電樞反應(yīng)的去磁作用使增大，直線上翹。為保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，0采取措施使特性略為下降。B、轉(zhuǎn)矩特性：不計(jì)去磁特性為一過原點(diǎn)的直線。當(dāng)考慮電樞反應(yīng)時(shí)，實(shí)際曲線偏離直線，仍接近于一條直線。

第10頁/共45頁第十頁，共46頁。C、效率特性：是的二次曲線。當(dāng)不變損耗＝可變損耗時(shí)，取得最大。0第11頁/共45頁第十一頁，共46頁。2、串勵(lì)直流電動機(jī)的工作特性：基本方程式：不計(jì)飽和時(shí)：第12頁/共45頁第十二頁，共46頁。A、轉(zhuǎn)速特性：第13頁/共45頁第十三頁，共46頁。分析：a、轉(zhuǎn)速隨著的增大而迅速減小。（因?yàn)椋?。b、空載時(shí)，很小，及很小，電機(jī)必須產(chǎn)生反電勢與電源電壓相平衡，因此,很高。理論上，時(shí)，，。故串勵(lì)電動機(jī)不允許空載或輕負(fù)載運(yùn)行。第14頁/共45頁第十四頁，共46頁。B、轉(zhuǎn)矩特性：當(dāng)增大，很快減小，使升很快。即，隨著增大，將以高于的一次方比例增大。在同樣大小的起動電流下，串勵(lì)電動機(jī)的大于并勵(lì)電動機(jī)的。C、效率特性：與并勵(lì)電動機(jī)類似。第15頁/共45頁第十五頁，共46頁。并勵(lì)電動機(jī)與串勵(lì)電動機(jī)工作特性比較：A、串勵(lì)電機(jī)的隨增大而迅速下降。B、串勵(lì)電動機(jī)不允許空載或輕負(fù)載運(yùn)行。C、在同樣大小的起動電流下，串勵(lì)電動機(jī)的大于并勵(lì)電動機(jī)的。串勵(lì)并勵(lì)第16頁/共45頁第十六頁，共46頁。3、復(fù)勵(lì)直流電動機(jī)的工作特性：它介于并勵(lì)和串勵(lì)電動機(jī)特性之間。當(dāng)并勵(lì)繞組磁勢起主要作用，特性接近于并勵(lì)電動機(jī)特性。當(dāng)串勵(lì)繞組磁勢起主要作用，特性接近于串勵(lì)電動機(jī)特性。在空載時(shí)無飛速現(xiàn)象。第17頁/共45頁第十七頁，共46頁。三、直流發(fā)電機(jī)的工作特性：可測物理量有：發(fā)電機(jī)端電壓，電樞電流，勵(lì)磁電流，轉(zhuǎn)速等。有四種特性曲線：空載特性負(fù)載特性外特性調(diào)節(jié)特性第18頁/共45頁第十八頁，共46頁。(一)、他勵(lì)發(fā)電機(jī)特性：1、他勵(lì)發(fā)電機(jī)空載特性：當(dāng)電機(jī)時(shí)，調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)空載端電壓，然后使逐漸回到零，測取空載端電壓與關(guān)系曲線即為空載特性曲線。分析：A、空載特性表明電機(jī)磁路的性質(zhì)。即：當(dāng)一定時(shí)，電機(jī)繞組感應(yīng)電勢與其對應(yīng)磁勢的關(guān)系。B、改變勵(lì)磁電流的方向，可測出反方向的空載特性曲線。C、改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，可得不同的空載特性曲線。D、并勵(lì)、復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的空載特性都以他勵(lì)形式測取。第19頁/共45頁第十九頁，共46頁。空載特性曲線：第20頁/共45頁第二十頁，共46頁。2、負(fù)載特性：當(dāng)，時(shí)，端電壓曲線。與空載特性比較：當(dāng)上升時(shí)，兩曲線都上升。當(dāng)一定時(shí)，兩特性的電壓不同。

空載

負(fù)載第21頁/共45頁第二十一頁，共46頁。3、外特性：當(dāng)，時(shí)，端電壓曲線。當(dāng)負(fù)載電流及電樞電流增大時(shí)，曲線略為下垂。積復(fù)勵(lì)

他勵(lì)

并勵(lì)第22頁/共45頁第二十二頁，共46頁。4、調(diào)節(jié)特性：當(dāng)，時(shí)，端電壓曲線。當(dāng)電樞電流增大時(shí)，曲線往上翹。第23頁/共45頁第二十三頁，共46頁。(二)、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載電壓的建立：并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)均為自勵(lì)發(fā)電機(jī)，首先應(yīng)在空載時(shí)建立電壓，然后再帶負(fù)載。自勵(lì)電壓建立的三個(gè)條件：必須有剩磁；勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)的極性正確；勵(lì)磁回路中電阻小于臨界電阻。電機(jī)有剩磁，極性正確氣隙磁場得到加強(qiáng)電樞繞組電勢增加勵(lì)磁電流增加電樞端電壓建立起來如何穩(wěn)定呢？第24頁/共45頁第二十四頁，共46頁。臨界電阻線勵(lì)磁電阻線

空載特性空載電壓建立能否穩(wěn)定？勵(lì)磁繞組端電壓與勵(lì)磁電流：

在磁路上滿足空載特性，在電路上滿足伏安特性。當(dāng)時(shí)，達(dá)穩(wěn)定點(diǎn)A。即兩曲線的交點(diǎn)。第25頁/共45頁第二十五頁，共46頁。(三)、并勵(lì)、復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行：當(dāng)，建立自勵(lì)電壓后，保持，接入負(fù)載，逐漸減小，測取與的曲線。下垂原因：電樞反應(yīng)；積復(fù)勵(lì)電樞繞組壓降；他勵(lì)并勵(lì)直流電機(jī)隨并勵(lì)的減小，電樞感應(yīng)電勢大大減小；串勵(lì)電機(jī)隨負(fù)載變化，使不穩(wěn)定，可安自動裝置。第26頁/共45頁第二十六頁，共46頁。

第八節(jié)直流電機(jī)的換向換向的電磁現(xiàn)象改善換向的方法補(bǔ)償繞組第27頁/共45頁第二十七頁，共46頁。

直流電機(jī)電樞繞組中的電勢和電流是交變的。借助于換向器和電刷，在電刷間獲得直流電壓和電流。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)電刷底而進(jìn)入另一條支路時(shí)，該元件中的電流從一方向變換成另一方向，這種電流方向的變換稱為換向。

換向不良：電刷火花，燒壞電刷和換向器，電機(jī)不能運(yùn)行。

換向過程復(fù)雜：電磁、機(jī)械、電化學(xué)等各方面因素?，F(xiàn)僅就電磁現(xiàn)象及改善換向的方法作介紹：第28頁/共45頁第二十八頁，共46頁。一、換向的電磁現(xiàn)象：第29頁/共45頁第二十九頁，共46頁。在上述過程中，元件1中的電流改變了方向。經(jīng)過了一個(gè)換向過程。換向過程經(jīng)歷時(shí)間為換向周期，一般為千分之幾秒。若換向元件中電勢為零，則元件中電流變化為線性的變化。實(shí)際換向元件中會出現(xiàn)兩種電勢：電抗電勢，電樞反應(yīng)電勢。(一)、電抗電勢：換向元件中在電流變化時(shí)，必然出現(xiàn)由自感和互感作用引起的感應(yīng)電勢，稱為電抗電勢。由元件自感和互感漏磁通產(chǎn)生，作用是阻礙換向。

第30頁/共45頁第三十頁，共46頁。(二)、電樞反應(yīng)電勢：由于電樞反應(yīng)的作用，換向元件的有效邊所處的電樞磁場的磁密不為零，元件邊將切割電樞磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢，稱為電樞反應(yīng)電勢。其作用是阻礙換向。（三）、和均使電流換向延時(shí)。1、被電刷短路的換向元件瞬時(shí)斷開時(shí)，附加電流不為零，儲能以弧光放電轉(zhuǎn)化為熱能，產(chǎn)生火花。2、、均與電樞電流和轉(zhuǎn)速成正比。大電流，高轉(zhuǎn)速電機(jī)換向更困難。第31頁/共45頁第三十一頁，共46頁。二、改善換向的方法：從減小和消除附加電流著手：1、裝換向極。主極間幾何中性線處，繞組與電樞繞組串聯(lián)。作用：抵消電樞磁勢在幾何中性線處的作用；剩余部分產(chǎn)生附加磁場，抵消。2、移動電刷位置。電刷移開幾何中性線一角度。一般不常用。3、選用合適電刷：減小接觸電阻。石墨電刷－－－換向不困難的中小型電機(jī)，碳－－石墨電刷－－－換向困難的中小型電機(jī)，青銅－－石墨電刷－－－低壓大電流電機(jī)，紫銅－－石墨電刷－－－低壓大電流電機(jī)。第32頁/共45頁第三十二頁，共46頁。三、補(bǔ)償繞組：在主極極靴上沖出一些均勻分布的槽，放置補(bǔ)償繞組。補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)。磁勢與電樞磁勢方向相反，其作用是減小電樞反應(yīng)引起磁場畸變，防止環(huán)火。結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，一般不采用。環(huán)火產(chǎn)生原因：電樞反應(yīng)磁場畸變，元件切割極尖下增磁區(qū)的時(shí)感應(yīng)出很大的電勢，使處于該處換向片間的電位差很大，當(dāng)此電位差值超過一定限制，就發(fā)生換向片間電位差火花。該火花延伸到片間電壓較大處，在正負(fù)電刷間形成電弧連通，使換向器周圍發(fā)生環(huán)火。第33頁/共45頁第三十三頁，共46頁。作業(yè)：9月29日1、一臺P對極的直流電機(jī)，電樞繞組為單迭繞組，其電樞繞組電阻為，電樞電流為。若改接為單波繞組，并保持支路電流不變，問電樞繞組電阻和電樞電流將為多少？2、一臺并勵(lì)直流電動機(jī)在的條件下運(yùn)行，電樞繞組電阻為，勵(lì)磁繞組電阻為額定負(fù)載時(shí)效率求：額定輸入功率；額定輸出功率；總損耗；電樞回路銅耗；勵(lì)磁回路銅耗；電刷接觸損耗；附加損耗；機(jī)械損耗與鐵耗之和。第34頁/共45頁第三十四頁，共46頁。3、一臺并勵(lì)電動機(jī)，1)、電動機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩；2)、在額定電流時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩；3)、當(dāng)電樞電流時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速；4)、在總制動轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，當(dāng)電樞中串入一電阻0.1歐，電機(jī)穩(wěn)定時(shí)的轉(zhuǎn)速。第35頁/共45頁第三十五頁，共46頁。4、一臺并勵(lì)電動機(jī)，忽略電樞反應(yīng)作用，試求：1)、當(dāng)電樞電流時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速；2)、當(dāng)電樞電流安時(shí)，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；3)、若保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，當(dāng)磁通減少15％時(shí)，電機(jī)穩(wěn)定時(shí)的電樞電流和轉(zhuǎn)速。第36頁/共45頁第三十六頁，共46頁。

直流電機(jī)小結(jié)1、直流電機(jī)的工作原理－－電和磁相互作用。電機(jī)外電路中電壓、電流、電動勢為直流性質(zhì)；每個(gè)繞組元件中的為交流性質(zhì)。4、電樞繞組－－直流電機(jī)的心臟，主要電路。由許多完全相同的繞組元件以一定的規(guī)律連接起來的閉合繞組。疊繞組、波繞組。并聯(lián)支路對數(shù)。2、結(jié)構(gòu)－－靜止的磁極、旋轉(zhuǎn)的電樞、氣隙。3、額定值－－第37頁/共45頁第三十七頁，共46頁。5、磁場－－空載、負(fù)載時(shí)氣隙磁密波形。電樞反應(yīng)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)氣隙磁通變化電路磁鏈變化氣隙儲能變化電氣系統(tǒng)反應(yīng)，產(chǎn)生E。E與I作用，輸入或輸出電能機(jī)械系統(tǒng)反應(yīng)，產(chǎn)生T。T與n作用，輸入或輸出機(jī)械能標(biāo)志機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的功率。6、能量轉(zhuǎn)換－－電氣系統(tǒng)（電樞繞組）、機(jī)械系統(tǒng)（轉(zhuǎn)軸）、聯(lián)系兩系統(tǒng)的耦合介質(zhì)（磁場）。第38頁/共45頁第三十八頁，共46頁。7、基本方程式－－電勢、轉(zhuǎn)矩、功率平衡方程式。分析電機(jī)的運(yùn)行特性、工作特性。8、并勵(lì)直流電動機(jī)－－恒速電動機(jī)，T與I成正比。串勵(lì)直流電動機(jī)－－轉(zhuǎn)速變化大，T與I平方成正比。復(fù)勵(lì)直流電動機(jī)－－介于兩者之間。9、直流發(fā)電機(jī)特性－－端電壓的建立、變化及調(diào)節(jié)。勵(lì)磁方式不同－－特性不同。10、換向－－幾種電動勢阻礙換向。換向不良引起環(huán)火。補(bǔ)償繞組。第39頁/共45頁第三十九頁，共46頁。思考題：1、在直流電機(jī)中，換向器起什么作用？2、在下列情況下，直流發(fā)電機(jī)電刷兩端電壓的性質(zhì)？1)、磁極固定，電刷與電樞同時(shí)旋轉(zhuǎn)。2)、電樞固定，電刷與磁極同時(shí)旋轉(zhuǎn)。3、下列哪種情況可以使連接在電網(wǎng)上的直流電機(jī)逆變?yōu)榘l(fā)電機(jī)？1)、加大勵(lì)磁電流，使磁通增加，并使。2)、在電機(jī)軸上外加一轉(zhuǎn)矩，使其轉(zhuǎn)速上升，并使。4、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)能自勵(lì)，反轉(zhuǎn)能否自勵(lì)？為什么?應(yīng)如何處理？第40頁/共45頁第四十頁，共46頁。5、如何判斷直流電機(jī)是運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)？它們的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電樞感應(yīng)電勢、電樞電流和端電壓的方向有何不同？能量轉(zhuǎn)換關(guān)系有何不同？6、一臺他勵(lì)直流電動機(jī)拖動一臺他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，當(dāng)發(fā)電機(jī)電樞電流增加時(shí)，電動機(jī)的電樞電流如何變化？試分析其變化過程。7、直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)電樞電流增大，即電磁轉(zhuǎn)矩增大時(shí)，轉(zhuǎn)速似乎應(yīng)該上升，但從其轉(zhuǎn)速特性看，其轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的增大而減小，為什么？8、串勵(lì)直流電機(jī)不能在空載下起動和運(yùn)行，而并勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流電機(jī)就可以，為什么？第41頁/共45頁第四十一頁，共46頁。9、要改變他勵(lì)、并勵(lì)、串勵(lì)、復(fù)勵(lì)直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，應(yīng)采取什么措施？10、并勵(lì)直流電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，其電樞電流由誰決定？其在起動時(shí)，起動電流由誰決定？11、并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)建立電壓的條件是什么？12