《電機(jī)原理與維修》課件第18章

第18章直流電動(dòng)機(jī)18.1直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式18.2直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性18.3直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速18.4直流電動(dòng)機(jī)的常見故障及處理方法習(xí)題

18.1直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式18.1.1電動(dòng)勢平衡方程式圖18-1是并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理圖，U是電源的輸入電壓，I是輸入電流，Ea是電樞感應(yīng)電動(dòng)勢，Ia是電樞電流。因?yàn)镋a和Ia是反向的，所以稱Ea為反電動(dòng)勢。根據(jù)給定的參考方向可列出以下電動(dòng)勢平衡方程式：U=Ea+Iara+2ΔUb=Ea+IaRa(18-1)式中：ra為電樞回路所有繞組的總電阻；2ΔUb為正、負(fù)電刷的接觸總壓降；Ra為電樞回路總電阻。圖18-1并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的原理18.1.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式由直流電動(dòng)機(jī)的工作原理可知，電磁轉(zhuǎn)矩T是由電樞電流Ia與氣隙磁場相互作用產(chǎn)生的。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)速一定條件下要穩(wěn)定運(yùn)行，必須滿足驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩與軸上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩相平衡。電動(dòng)機(jī)軸上的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩由兩部分組成：一小部分為空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T0，它由空載損耗來決定；大部分為負(fù)載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T2，它由電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)的生產(chǎn)機(jī)械所產(chǎn)生。故T=T2+T0

(18-2)可見，直流電動(dòng)機(jī)中T>T2，其轉(zhuǎn)向由T決定；而在發(fā)電機(jī)中，原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1>T，其轉(zhuǎn)向由T1決定。18.1.3功率平衡方程式我們知道，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度Ω的乘積等于機(jī)械功率。給式(18-2)兩邊乘以Ω得TΩ=T2Ω+T0Ω

Pm=P2+P0(18-3)式中:Pm為電磁功率,Pm=TΩ;P2為電動(dòng)機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率。P0=pFe+pmec+pad(18-4)式中:pFe為鐵耗，主要包括電樞軛部和齒部的磁滯損耗及渦流損耗，它們是由主磁通在旋轉(zhuǎn)的電樞鐵芯內(nèi)部交變所引起的；pmec為機(jī)械損耗，包括軸承、電刷的摩擦損耗和空氣摩擦損耗；pad為附加損耗，是由于電樞的齒槽等因素引起的，因其產(chǎn)生的原因復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計(jì)算，因此通常取額定功率的0.5%~1%。

(18-5)上式說明，電磁功率是電機(jī)功率與機(jī)械功率相互轉(zhuǎn)換的部分，它既可以表示成機(jī)械功率TΩ，也可表示成電功率EaIa。將式(18-1)變形為Ea=U-Iara-2ΔUb,兩邊乘以電樞電流Ia，可得對并勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，Ia=I-If代入上式中，可有

(18-6)式中：P1=UI為電動(dòng)機(jī)的輸入電功率；為電樞繞組的銅耗；pCub=2ΔUbIa為電刷接觸損耗;pCuf=UIf為勵(lì)磁繞組的銅耗。Pm=P2+pmec+pFe+pad(18-7)將式(18-6)和式(18-7)合并可得并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率平衡方程式為P1=pCua+pCub+pCuf+pmec+pFe+pad+P2=P2+∑p(18-8)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程圖如圖18-2所示。圖18-2并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率流程直流電動(dòng)機(jī)的效率為

【例18-1】一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓UN=220V，額定電流IN=80A，電樞電阻ra=0.01Ω，電刷接觸壓降2ΔUb=2V，勵(lì)磁回路總電阻rf=110Ω，附加損耗pad=0.01PN，效率ηN=85%，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min。求：

(1)額定輸入功率P1及額定輸出功率P2。

(2)總損耗∑P和(pFe+pmec)。

(3)電磁功率和電磁轉(zhuǎn)矩。

解(1)額定輸入功率為P1=UNIN=220×80=17600W額定輸出功率為P2=P1ηN=17600×85%=14960W

(2)總損耗。∑P=P1-P2=17600-14960=2640W因?yàn)轭~定功率為PN=P2，所以附加損耗為pad=0.01PN=0.01P2=0.01×14960=149.6W額定勵(lì)磁電流

額定電樞電流IaN=IN-If=80-2=78A

pCub=2ΔUbIaN=2×78=156W pFe+pmec=∑P－pad－pCua－pCub－pCuf

=2640－149.6－60.84－156-440 =1833.56W

(3)電磁功率。

Pm=P1-P0=P1-(pad+pFe+pmec) =17600-(149.6+1833.56)=15616.84W電磁轉(zhuǎn)矩18.2直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性是指直流電動(dòng)機(jī)的電樞電壓UN、勵(lì)磁電流If和電樞回路電阻ra+rj(rj為電樞回路所串電阻)均為定值時(shí)，n=f(T)的關(guān)系曲線。因?yàn)檗D(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機(jī)械量，所以把它稱為機(jī)械特性。當(dāng)U=UN，If=IfN，rj=0時(shí)的機(jī)械特性稱為固有機(jī)械特性，此特性是電動(dòng)機(jī)自然具有的。改變上面三個(gè)量中的一個(gè)所得的機(jī)械特性，叫做人為機(jī)械特性。機(jī)械特性是直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)重要特性。18.2.1并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性用Ia=T/CTΦ代入轉(zhuǎn)速特性公式可得并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為

(18-10)當(dāng)忽略電樞反應(yīng)的影響時(shí)，If=常數(shù)，則Φ為常值，故機(jī)械特性為一直線。式(18-10)又可表示為n=n0-kT(18-11)式中：為理想空載轉(zhuǎn)速；為機(jī)械特性的斜率。

1.自然機(jī)械特性當(dāng),時(shí)，自然機(jī)械特性是一條略向下傾斜的直線，如圖18-3所示，又稱硬特性。圖18-3并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

2.人工機(jī)械特性

(1)U=UN,If=IfN,rj0，與自然機(jī)械特性相比，n0不變，k隨rj增大而增大，n隨T增加而明顯下降，而且rj

越大，特性曲線下降越快，見圖18-3(a)。即隨rj

增大，特性變軟。圖18-4串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

(2)U=UN，rj=0,If≠IfN,即改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻rj時(shí)，勵(lì)磁電流If變?yōu)镮f1，且If1<IfN，即Φ1<ΦN，特性曲線的斜率和理想空載點(diǎn)均會(huì)發(fā)生改變。If

越小，n0越大，直線斜率k也越大，故改變勵(lì)磁電流If得到一組特性較軟的人工特性曲線，如圖18-3(b)所示。

(3)If=IfN，rj=0,U≠UN,這時(shí)電動(dòng)機(jī)改為他勵(lì)，勵(lì)磁電流不受端電壓變化的影響。當(dāng)選取不同的U值時(shí)，特性曲線斜率不變，只是n0隨U減小而下降，可得到一組平行的人工機(jī)械特性，如圖18-3(c)所示。18.2.2串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)中，因?yàn)殡S著負(fù)載變化，氣隙磁通變化較大，對應(yīng)的機(jī)械特性也有顯著變化。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)自然機(jī)械特性如圖18-4所示。由于在串勵(lì)電動(dòng)機(jī)中，If=Ia，故磁通中不是常數(shù)，隨著負(fù)載變化而變化，導(dǎo)致其機(jī)械特性曲線不是一條下傾的直線，它接近于一條雙曲線。由圖可見，當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩T增大時(shí)，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速急劇下降，所以其機(jī)械特性很軟。這是由于電樞電流Ia增大使T增大的同時(shí)，使Iara和Φ均增大的原因。18.3直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和調(diào)速18.3.1直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)從接入電網(wǎng)開始，轉(zhuǎn)子由靜止到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的整個(gè)過程稱為啟動(dòng)。對直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)的基本要求是：

(1)要有足夠大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，以縮短啟動(dòng)時(shí)間和能在負(fù)載下啟動(dòng)。

(2)啟動(dòng)電流限制在一定的范圍內(nèi)，以免對電源及電機(jī)產(chǎn)生有害影響。直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法有三種，即直接啟動(dòng)，電樞串變阻器啟動(dòng)和降壓啟動(dòng)，以并勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例介紹如下：

1.直接啟動(dòng)直接啟動(dòng)是指把直流電動(dòng)機(jī)直接接到額定電壓的電源，接線圖見圖18-5。啟動(dòng)時(shí)，應(yīng)將并勵(lì)繞組先接入電源，再接通電樞回路，要求必須先合上開關(guān)S1，在電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間，n=0，E=CeΦn=0，這時(shí)的電樞電流稱為啟動(dòng)電流Ist，即

(18-12)由Ist產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩稱為啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩Tst，即Tst=CTΦIst

(18-13)圖18-6反映了直接啟動(dòng)過程中，Ia和n隨時(shí)間的變化情況。圖18-5并勵(lì)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)接線圖圖18-6并勵(lì)電動(dòng)機(jī)直接啟動(dòng)時(shí)電樞電流和轉(zhuǎn)速變化過程直接啟動(dòng)不需啟動(dòng)設(shè)備，操作簡單，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，但是啟動(dòng)電流太大，可達(dá)(10～20)IN。這樣不僅對電機(jī)自身換向、溫升不利，對繞組和轉(zhuǎn)軸也會(huì)產(chǎn)生電磁力沖擊，而且還使電網(wǎng)電壓產(chǎn)生波動(dòng)，影響電網(wǎng)上其他機(jī)組的正常工作。故該方法只適用于很小容量的直流電動(dòng)機(jī)。

2.電樞電路串變阻器啟動(dòng)串變阻器啟動(dòng)就是啟動(dòng)時(shí)在電樞電路串入可變電阻(稱為啟動(dòng)電阻)以限制啟動(dòng)電流。串變阻器啟動(dòng)所需設(shè)備不多，在中、小型直流電動(dòng)機(jī)中應(yīng)用廣泛。缺點(diǎn)是啟動(dòng)設(shè)備笨重，且能耗大。故容量較大的電機(jī)不宜采用此種啟動(dòng)方式。

3.降壓啟動(dòng)由知，降壓啟動(dòng)可有效地降低啟動(dòng)電流。在啟動(dòng)過程中，可逐漸升高電源電壓，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速按需要的加速度上升，滿足啟動(dòng)時(shí)間的要求。降壓啟動(dòng)的優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)電流小，能耗小，缺點(diǎn)是專用電源投資較大。18.3.2直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速為了提高勞動(dòng)生產(chǎn)率和保證產(chǎn)品質(zhì)量，要求生產(chǎn)機(jī)械在不同的情況下有不同的工作速率，這種人為地改變機(jī)組轉(zhuǎn)速的方法，稱為調(diào)速。必須注意，調(diào)速和電機(jī)負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化是兩個(gè)不同的概念。負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速變化是自動(dòng)進(jìn)行的，電機(jī)工作點(diǎn)只在一條機(jī)械特性上變動(dòng)。調(diào)速是根據(jù)生產(chǎn)需要人為地改變電氣參數(shù)，使電機(jī)的運(yùn)行點(diǎn)由一條機(jī)械特性轉(zhuǎn)變到另一條機(jī)械特性上，從而在某一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速。因此調(diào)速方法就是改變電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性的方法。以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載為例，由式(18-10)可知，調(diào)速方法有以下三種：

(1)電樞回路串電阻rj調(diào)速。隨rj增大，在一定轉(zhuǎn)矩下，電機(jī)轉(zhuǎn)速降低。這種方法設(shè)備簡單，操作方便，調(diào)速電阻可兼作啟動(dòng)電阻。缺點(diǎn)是rj上電流較大，能量損耗大，效率低。

(2)改變電樞端電壓調(diào)速。若電壓平滑變化，可得到平滑調(diào)速，調(diào)速范圍寬，能耗小，缺點(diǎn)是需要專用電源，設(shè)備投資大。

(3)改變勵(lì)磁電流調(diào)速。勵(lì)磁回路電阻rj增加，If減小，Φ減小，在一定轉(zhuǎn)矩下，轉(zhuǎn)速增高。由于If小，能耗小，效率高，設(shè)備簡單，控制方便。但在T一定時(shí)，Φ減小，Ia增大，故不宜將Φ減小過多。但對恒功率負(fù)載而言，Φ減小，n增高，T減小，Ia變化不大，故此法適用于此類負(fù)載。

【例18-2】一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=29kW，UN=440V，IN=76.2A，nN=1050r/min，Ra=0.393Ω。電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行，如果負(fù)載不變，且認(rèn)為磁路是不飽和的。試求：

(1)電樞電路串入1.533Ω的電阻后，電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

(2)電樞電路不串電阻，降低電樞電壓至220V后，電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

(3)電樞電路不串電阻，減小磁通至額定磁通的0.9倍，電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。

解當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)

(1)電樞電路串入電阻后，因?yàn)樨?fù)載不變，所以電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不變。另外，因是他勵(lì)電機(jī)，故磁通不變，仍為ΦN。那么由公式T=CTΦIa可知電樞電流不變，仍為IN。通過分析可求電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為

(2)降低電樞電壓至220V后，電機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速

(3)因?yàn)樨?fù)載不變，所以電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩不變，則有CTΦNIN=CTΦIa

可得那么18.4直流電動(dòng)機(jī)的常見故障及處理方法直流電機(jī)發(fā)生故障后，應(yīng)及時(shí)停機(jī)檢修。表18-1列出了直流電機(jī)的常見故障、產(chǎn)生原因及處理方法。習(xí)題

18-1怎樣判斷直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)是發(fā)電機(jī)狀態(tài)還是電動(dòng)機(jī)狀態(tài)？

18-2并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流是由什么決定的？正常運(yùn)行時(shí)的電樞電流是由什么決定的？

18-3直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)速應(yīng)隨電磁轉(zhuǎn)矩的增大而上升，可直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線卻表明，隨著電磁轉(zhuǎn)矩的增大，轉(zhuǎn)速是下降的，這不是自相矛盾嗎？

18-4用哪些方法可改變直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向？

18-5一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，在額定電壓UN=220V，額定電流IN=80A的情況下運(yùn)行，電樞電阻ra=0.01Ω,電刷接觸壓降2ΔUb=2V，勵(lì)磁回路總電阻rf=