《直流電機原》PPT課件.ppt

* 掌握直流發(fā)電機和直流電動機的工作原理。 * 了解直流電機的結(jié)構(gòu)、電樞繞組。 * 熟練掌握并能正確使用直流電機的額定值。 * 熟練掌握直流電機的勵磁方式。 * 搞清直流電機空載磁場，正確理解磁化曲 線。 * 正確理解電樞反應概念及其影響。 * 正確理解電勢及轉(zhuǎn)矩公式，并能正確使用。,第三章 直流電機原理 DC Motor fundamentals, 3.1 直流電機的用途及其基本工 作原理,3.1.1直流電機的用途,直流電機,DC Machine,直流電機的用途 直流電機是一種通過磁場耦合作用實現(xiàn)機械能與直流電能相互轉(zhuǎn)換的旋轉(zhuǎn)式機械裝置。,把直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的電機是直流電動機； 反之，把機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姍C是直流發(fā)電機。,直流電機具有可逆性: 一臺直流電機既可以工作在電動機狀態(tài)，也可以工作在發(fā)電機狀態(tài)，取決于電機的運行條件。 直流電動機與交流電動機相比，其主要特點是： (1)調(diào)速范圍廣，易于平滑調(diào)速； (2)起動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大； (3)易于控制，控制裝置可靠性較高。 直流電動機常應用于調(diào)速要求較高的工業(yè)應用場合： (1)大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、大型車床、 大型起重機； (2)電動車輛牽引、電力機車牽引； (3)挖掘機械、紡織機械。,直流發(fā)電機供電質(zhì)量較好，常作為大型直流電動機以及大型交流發(fā)電機的勵磁直流電源。 直流電機與交流電機相比的主要缺點是: (1)電機結(jié)構(gòu)較復雜，成本較高，維護困難，可靠性稍差； (2)主要是換向問題，直流電機在運行時由于電刷與換向器之間易產(chǎn)生火花，它限制了直流電機的極限容量和轉(zhuǎn)速，又增加了維護的工作量；使得直流電機的發(fā)展和應用受到限制。 近年出，由于電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展，與電力電子裝置結(jié)合而具有直流電機性能的電機不斷涌現(xiàn)，直流電機有被取代的趨勢。盡管如此，直流電機仍有相當重要的理論意義和實用價值。,3.1.2直流電機的基本工作原理 （一）直流發(fā)電機的基本工作原理,產(chǎn)生電能要兩個必要條件：有一個磁場存在；導體在磁場中有運動,基本原理：電磁感應定律,從以上分析可以看出： 線圈中的電動勢及電流的方向是交變的，只是經(jīng)過電刷和換向片的整流作用，才使外電路得到方向不變的直流電。直流發(fā)電機實質(zhì)上是帶有換向器的交流發(fā)電機。,磁極,電刷,(二) 直流電動機的基本工作原理,基本原理：電磁力定律,產(chǎn)生力矩要兩個必要條件：有一個磁場存在；導體中有電流,從以上分析可見，在直流電動機中，線圈中的電流是交變的， 但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向是恒定的。,3.2 直流電機的主要結(jié)構(gòu)與型號3.2.1 主要結(jié)構(gòu) 定子部分(Stator) 、轉(zhuǎn)子部分 (rotator) (電樞，Armature) 、 氣隙（Air-gap）,一、 定子部分: 主磁極； 換向磁極； 機座；電刷 main Magnetic pole ;commutation Magnetic pole ; machine bearing; Brush,主磁極,換向磁極,25/new/dianji/dianjijiegou.htm,爆炸圖,裝配圖,1 、主磁極 主磁極的作用: 使用材料及結(jié)構(gòu)形狀：,2、換向極： 3、機座： 4 、電刷裝置：,二 轉(zhuǎn)子部分：轉(zhuǎn)子又稱為電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風扇、軸和軸承等。 1 電樞鐵心： 2 電樞繞組：,換向器,電刷,刷架,電刷,電樞鐵心,電樞鐵心硅鋼片(0.5mm),電樞鐵心,轉(zhuǎn)子下線,換向器,3.2.2 直流電機的額定值（銘牌數(shù)據(jù)）,1、額定功率PN 發(fā)電機是出線端輸出的電功率。 PN= UN*IN 電動機是軸上輸出的機械功率PN= UN*INN 2、額定電壓UN （V） 3、額定電流IN （A） 4、額定轉(zhuǎn)速nN （rpm） 5 、勵磁方式和額定勵磁電流 (A）,額定運行狀態(tài),欠載運行,過載運行,例:一臺直流發(fā)電機,其額定功率PN=145kw,額定電壓UN=230V, 額定轉(zhuǎn)速nN=1450r/min,額定效率N=90%,求該發(fā)電機的輸入功率p1及額定電流IN各為多少? 例:一臺直流電動機,其額定功率PN=160KW,額定電壓UN=220V,額定效率N=90%,額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min,求該電動機的輸入功率,額定電流及額定輸出轉(zhuǎn)矩各是多少?,解: 額定電流,額定輸入功率,電機型號表明電機的主要特點，第一部分為產(chǎn)品代號；第二部分為規(guī)格代號；,Z231,一般用途的防護式 中小型直流電機,表示第二次設計,表示機座號,表示鐵芯長度順序號,3.2.3 直流電機的主要系列,3.3.4國產(chǎn)直流電機的主要系列產(chǎn)品 國產(chǎn)的直流電機種類很多，常見的產(chǎn)品系列: Z2系列是一般用途的中、小型直流電機，包括發(fā)電機和電 動機。 Z和ZF系列是一般用途的大、中型直流電機系列。Z是直流電動機系列；ZF是直流發(fā)電機系列。 ZT系列是用于恒功率且調(diào)速范圍比較大的拖動系統(tǒng)里的廣調(diào)速直流電動機。 ZJ系列是冶金輔助拖動機械用的冶金起重直流電動機。 ZJ系列是冶金輔助拖動機械用的冶金起重直流電動機。,ZQ系列是電力機車、工礦電機車和蓄電池供電電車用的直流牽引電動機。 ZH系列是船舶上各種輔助機械用的船用直流電動機。 ZA系列是用于礦井和有易爆氣體場所的防爆安全型直流電動機。 ZU系列是用于龍門刨床的直流電動機。 ZKJ系列是冶金、礦山挖掘機用的直流電動機。,3.3 直流電機的磁場 (magnetic field),在介紹直流電機的空載磁場之前，我們先來了解一下直流電機是如何建立磁場的。 3.3.1電機的勵磁方式： 即：我們要看一下直流電機是如何給他的 勵磁繞組通電的。,根據(jù)勵磁線圈和轉(zhuǎn)子繞組的聯(lián)接關(guān)系，勵磁式的 直流電機又可細分為：,他勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的電源分開。,并勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞并聯(lián)到同一電源上。,串勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞串聯(lián)接到同一電源上。,復勵電動機：勵磁線圈與轉(zhuǎn)子電樞的聯(lián)接有串有并，接在 同一電源上。,3.3.2 直流電機的空載氣隙磁密分布 Main-field flux-density distribution with no-load,一 空載時直流電機的磁路： (magnetic route of DC machine with no load) 空載(no load condition),直流電機空載時的磁路,主磁通：,漏磁通：,經(jīng)過主磁極、氣隙、電樞鐵心及機座構(gòu)成磁回路。它同時與勵磁繞組及電樞繞 組交鏈，能在電樞繞組中感應電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為主磁通,僅交鏈勵磁繞組本身，不進入電樞鐵心， 不和電樞繞組相交鏈，不能在電樞繞組中 感應電動勢及產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，稱為漏磁通,特點：,1）由同一個磁動勢所產(chǎn)生 2）所走的路徑不同，這就導致了它們對應磁路上所產(chǎn)生的磁場的分布規(guī)律不同，在這里，氣隙磁場的大小和分布直接關(guān)系到電機的運行性能，所以，這一點將是我們主要研究的方向。,二、空載氣隙磁密分布波形,分別是氣隙.電樞齒.電樞磁軛.主磁極和定子磁軛等段磁路的磁阻,(b) The air-gap Flux-density distribution curve with no-load,極靴下的氣隙遠遠小于極靴之外的氣隙， 顯然，極靴下沿電樞圓周各點的主磁場將明顯大于極靴范圍以外，在兩極之間的幾何中心線處，磁場等于零。對于這一點，我們可以通過數(shù)學形式來看一下： 設電樞圓周為 軸而磁極軸線處為縱軸，又設電樞長度為 ，則離開坐標原點為 的 范圍內(nèi)的氣隙主磁通為：,則空載時每極主磁通為：,空載每極主磁通與空載平均氣隙磁密成正比，而對于尺寸已定的電機，空載氣隙磁密的大小由勵磁磁勢Ff所決定。當勵磁繞組匝數(shù)一定時，F(xiàn)f和If成正比。 換言之，空載時的每極磁通是隨磁動勢或勵磁電流的變化而變化。,Air-gap line,Magnetization curve of a dc machine,3.3.3電機的磁化曲線,為了感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，直流電機氣隙中需要有一定量的每極磁通 ，空載時，氣隙磁通 與空載磁動勢 或空載勵磁電流 的關(guān)系，稱為直流電機的空載磁化特性。如右圖所示。,曲線特點,電機的磁化曲線具有飽和特點，當主磁通0較小時，鐵磁材料的磁位降較小，勵磁磁通主要消耗在氣隙中；當主磁通0較大時，鐵磁材料出現(xiàn)飽和，磁位降迅速增大，使0=（If）曲線離開氣隙線彎曲呈非線性。,分析,磁化曲線表征的磁路的飽和程度對電機運行性能有很大的影響。設計電機時，要考慮節(jié)省材料，磁通密度B值盡量取得大些，但又不能使磁路太飽和，所以，為了更有效經(jīng)濟地利用材料，一般額定磁通取在直流電機磁化曲線開始彎曲的地方。,3.3.4 直流電機負載磁場及電樞反應,(一) 電樞磁勢和磁場 Armature MMF (Magnetic Motive Force) and Magnetic field,1、負載時的氣隙磁場：,(1)電刷在幾何中性線上的電樞磁動勢和磁場：(Armature MMF and flux-density distribution) 如圖可見：,(2)電刷不在幾何中性線上的電樞磁動勢： 看圖：引出了直軸電樞磁動勢， 直軸電樞磁動勢：電樞磁動勢的軸線與主磁極軸線重合，稱為直軸電樞磁動勢。以電動機為例,直流電機的電樞磁勢是幅值固定的空間分布波，只是空間的函數(shù) 交流電機的電樞磁勢是幅值隨時間按正弦規(guī)律脈動的空間分布波 如沿電樞分布的線圈無限增多，則級形波將趨近于三角形波,如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中 所示。,由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型，如圖中 所示。,負載時的 氣隙磁勢和磁場,交軸,直軸,電樞磁勢位置取決于電刷位置，電刷位于交軸，電樞磁勢軸線也在交軸，為交軸電樞反應。,極尖處磁密最大 且由于其飽和程度的提高，飽和影響使高峰略有下降，即極面下的總磁通略減小， 呈先去磁作用,負載時的 氣隙磁勢和磁場,交軸,直軸,交軸電樞反應對氣隙磁場的影響： 使氣隙磁場發(fā)生畸變 使物理中心線偏移幾何中心線一個角度（對發(fā)電機：順著旋轉(zhuǎn)方向） 磁路未飽和時，每極磁通不變 如考慮磁路飽和的影響，則交軸電樞反應有去磁作用,主磁場的磁通密度分布曲線,電樞磁場磁通密度分布曲線,兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線,(二) 交軸(quadrature axis)、直軸(direction axis)電樞反應： 1）交軸電樞反應：交軸電樞磁動勢對主極磁場的影響。,在這里，我們?yōu)榱朔治鰡栴}的簡單， 假定（1）磁場是不飽和的，（2）發(fā)電機電樞轉(zhuǎn)向是逆時針，電動機為順時針。這樣，我們就可以對上圖進行疊加，可知 A:交軸電樞磁場在半個極內(nèi)對主極磁場起去磁作用，在另半個極內(nèi)則起增磁作用，引起氣隙磁場畸變，使電樞表面磁通密度等于零的位置偏移幾何中性線，新的等于零的我們稱之為物理中性線。 B:不計飽和，交軸電樞反應即無增磁，亦無去磁作用?？紤]飽和時，起到去磁作用。,2）直軸電樞反應：當電刷不在幾何中性線上，出現(xiàn)了直軸電樞反應，從圖上可以看出： A:若為發(fā)電機，電刷順著旋轉(zhuǎn)的方向移動一個夾角，對主極磁場而言，直軸起去磁反應，若電刷逆著旋轉(zhuǎn)方向移動一個夾角，則直軸電樞反應將是增磁的， B:若為電動機，剛好相反，這里不再具體分析。,交軸電樞反應： 1）將主磁場扭曲，磁場為零的位 置發(fā)生偏轉(zhuǎn)至物理中性線。 2）主磁通量減少，稱為電樞反應 的附加去磁. 3)呈去磁作用,（直動）,電樞繞組是直流電機的核心部分，在電機的機電能量轉(zhuǎn)換過程中起著重要的作用。 因此，電樞繞組須滿足以下要求： 在能通過規(guī)定的電流和產(chǎn)生足夠的電動勢前提下，盡可能節(jié)省有色金屬和絕緣材料，并且要結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等。,3.4 直流電機的電樞繞組 Armature winding of DC machine,一、名詞術(shù)語介紹,(1）極軸線：磁極的中心線； （2）幾何中性線：磁極之間的平分線， （3） ：極對數(shù)； （4） 極距：在電樞鐵心表面上，一個極所占的距離。 可用槽數(shù)表示， （槽），式 中Z為電樞總槽數(shù)； （5）元件（線圈）：是繞組的一個基本單元，可為單匝，也可為多匝，,元件（線圈）：兩端分別連接兩個換向片的一匝或多匝線圈,元件的首末端：每一個元件均引出兩根線與換向片相連，其中一根稱為首端，另一根稱為末端。,(6) 元件節(jié)距（第一節(jié)距） ：元件兩條邊的距離，以槽數(shù)計，總是整數(shù)。 整數(shù) 其中： ：湊整分數(shù)。 ，繞組稱為整距繞組 取負值， 稱為短距繞組 取正號時 ， 稱長距繞組。短距繞組端接短、省銅，且有利于換向，故常用；,合成節(jié)距 ：連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。,第一節(jié)距 ：一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。,第二節(jié)距 ：連至同一換向片上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間的距離。,單疊繞組,單波繞組,換向節(jié)距 ：同一元件首末端連接的換向片之間的距離。,疊繞組,波繞組,疊繞組：指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分，整個繞組成折疊式前進。,波繞組：指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來，象波浪式的前進。,疊繞組示意圖,波繞組示意圖,大的分類為環(huán)形和鼓形；環(huán)形繞組只曾在原始電機用過，由于容易理解故講原理時也用此類繞組；現(xiàn)代直流電機均用鼓形繞組，它又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導線，運行較可靠，經(jīng)濟性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。,環(huán)形繞組示意圖,鼓形繞組示意圖,波繞組示意圖,疊繞組示意圖,單波繞組，單疊繞組，復波繞組，復疊繞組，復合繞組,各種形式的直流電機繞組的區(qū)別，主要表現(xiàn)在合成節(jié)矩上，其公式為： 疊繞組：y = y1 - y2 若為雙疊右行時，則合成節(jié)距 y + 2。因單疊左行繞組端接部分交叉，故很少采用。 波繞組：y = y1 + y2按單波繞組的接線規(guī)律得知 式中： K - 電機的換向片數(shù)； P - 極對數(shù)； 單波左行：y 取負號 單波右行：y 取正號 因為右行單波繞組端接部分交叉，故很少采用。,單疊右行：y = + 1,單疊左行：,y = - 1,例：已知某直流電機的極對數(shù)P=2，槽數(shù)Z、元件數(shù)S及換向片數(shù)K為Z=S=K=16。試繞成單疊繞組,二、單疊繞組,1、計算節(jié)距 第一節(jié)距: 換向器節(jié)距和合成節(jié)距: 第二節(jié)距:,2 、繪制繞組展開圖 1）畫16根等長、等距的平行實線代表16個槽的上層，在實線旁再畫16根虛線代表16個槽的下層。一根實線和一根虛線代表一個槽，編好槽號 2）按節(jié)距 連接一個元件,第一個元件的上下層邊（15槽），令上層邊所在的槽號為元件號；,3）接上換向片,4）畫出第二個元件,5）放磁極：,6）放電刷,3 單疊繞組元件聯(lián)接次序圖,4.單疊繞組電路圖:,單疊繞組的電路圖和和并聯(lián)支路數(shù)(a=p),/article/article_229_1.html,單疊繞組有以下特點:,(1)元件的兩端連接于相鄰的兩片換向片上 (2)位于同一個極下的各元件串聯(lián)起來組成了 一個支路,即支路對數(shù)等于極對數(shù).a=p (3)當元件的幾何形狀對稱,電刷放在換向器表面上的位置對準主磁極中心線時,正負電刷間感應電動勢為最大,被電刷所短路的元件里感應電動勢最小 (4)電刷桿數(shù)等于極數(shù) (5)正負電刷之間引出的電動勢即為每一支路的電動勢,電樞電壓等于支路電壓 (6)電樞電流Ia=2aia,三、單波繞組,1.節(jié)距 (1) 第一節(jié)距 (2)合成節(jié)距和換向器節(jié)距 (3)第二節(jié)距,單波繞組展開圖： 我們以一個具體的例子來看這個問題： 已知某直流電機極對數(shù)p2，槽數(shù)、元件 數(shù)及換向片數(shù)為z=s=k15。要求繞成單 波繞組。 解：1）計算相關(guān)節(jié)距： 2）連圖：,3）繞組元件連接次序： 從繞組展開圖可以后出，全部15個元件是按下列次序串聯(lián)而構(gòu)成一個閉合回路的，即： 1815714613512411310291,這樣，我們就可以作出他的次序圖：,4)、繞組并聯(lián)支路圖（瞬間） 根據(jù)單波繞組15個元件的串聯(lián)次序及 電刷位置，可以畫出本例單波繞組的電路圖如圖所示。；,可以看出，元件15、7、14、6、13串聯(lián)在一起，即處在S極下的所有元件串聯(lián)在一起構(gòu)成一條支路，各元件的電動勢方向是相同的。元件4、11、3、10、2串聯(lián)在一起，構(gòu)成另一條支路，它們的電動勢方向也是相同的。由此可見，單波繞組是把所有N極下的全部元件串聯(lián)起來組成了一條支路，把所有S極下的全部元件串聯(lián)起來組成了另一支路。由于磁極只有N、S之分，所以單波繞組的支路圖對數(shù)與極對數(shù)多少無關(guān)，永遠為1，即：a1 .,單波繞組的特點: （1)位于相同極性下的各元件串聯(lián)起來組 成了一個支路, a=1 即支路對數(shù)與極對數(shù)無關(guān). (2)當元件的幾何形狀對稱,電刷放在換向器表面上的位置對準 主磁極中心線時,正負電刷間感應電動勢為最大,被電刷所短路的元件里感應電動勢最小 (3)電刷桿數(shù)等于極數(shù),從上面的分析可知，相同元件數(shù)時，疊繞組并聯(lián)支路數(shù)多，每條支路里串聯(lián)元件數(shù)少，適用于較低電壓、較大電流的電機。對于單波繞組，支路對數(shù)永遠等于1，每條支路里所包含的元件數(shù)較多，所以這種繞組適應于較高電壓、較小電流的電機。至于大容量的電機，可以采用混合繞組。,3-5 直流電機的感應電勢與電磁轉(zhuǎn)矩,一、電樞電動勢： 電樞電動勢是指直流電機正負電刷之間的感應電動勢，也就是電樞繞組里每條并聯(lián)支路的感應電動勢。所以，我們可以先求一根導體的在一個極距范圍內(nèi)所產(chǎn)生的平均電動勢，再求一條支路的。 一個磁極極距范圍內(nèi)，平均磁密用 表示，極距為 ，電樞的軸向有效長度為 ，每極磁通為，則,又因為： 所以：,一根導體的平均電動勢為：,因為一條支路里的串聯(lián)總導體數(shù) （N 為電樞總導體數(shù)， ）， 于是，電樞電動勢為： 式中， 是一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)。,叫電勢常數(shù),:每極磁通量,n:電機轉(zhuǎn)速 N:繞組總導體數(shù) P:極對數(shù) a:繞組并聯(lián)支路對數(shù),1、電樞繞組電勢與磁 通、轉(zhuǎn)速成正比。 2、Ea表達式雖然在整距繞組情況下推導出，但對短距、長距也適用。 3、若電刷不在幾何中性線時， Ea將減小。,結(jié)論：,二.電磁轉(zhuǎn)矩 先求一根導體所受的平均電磁力為: 式中: 是導體里流過的電流; 是電樞電流; a是支路對數(shù) 一根導體受的轉(zhuǎn)矩為:,式中 是電樞的直徑. 總電磁轉(zhuǎn)矩用T表示,為 把 代入上式,得 為轉(zhuǎn)矩常數(shù),CT=9.55Ce,三、直流電機的電磁功率,一、直流發(fā)電機穩(wěn)定運行的基本方程式,他勵直流發(fā)電機,發(fā)電機慣例：,1.電動勢平衡方程式,3-6直流發(fā)電機,2. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式,空載損耗轉(zhuǎn)矩 由機械損耗、鐵耗引起,拖動轉(zhuǎn)矩,電磁轉(zhuǎn)矩,方向同n,方向-n,方向-n,3. 功率平衡方程式,發(fā)電機的輸入功率P1，除小部分損耗外，大部分轉(zhuǎn)換為電磁功率，由機械功率電功率,電磁功率，除去電樞回路的銅損耗外，其余部分輸出電功率,發(fā)電機的輸出功率,電樞回路的銅損耗,并勵直流發(fā)電機的基本方程式 (一)電動勢平衡方程式,(二) 轉(zhuǎn)矩平衡方程式：,直流發(fā)電機在穩(wěn)態(tài)運行時，電機的轉(zhuǎn)速為n,作用在電樞上的轉(zhuǎn)矩共有三個：一個是原動機輸入給發(fā)電機轉(zhuǎn)軸上的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 T1 ；一個是電磁轉(zhuǎn)矩T；還有一個是電機的機械摩擦、風阻以及鐵損耗引起的轉(zhuǎn)矩，叫空載轉(zhuǎn)矩，用T0表示,空載轉(zhuǎn)矩是一個制動性轉(zhuǎn)矩,永遠與轉(zhuǎn) 速n的方向相反 由上圖可得：,(三) 功率平衡方程式： 從原動機輸入的機械功率可用下式表示 ： 式中電磁功率PM為轉(zhuǎn)換成電樞回路的電功率：,其中， 空載損耗 為： 由以上各式可得：,如此，則發(fā)電機的效率為： 額定負載時，直流發(fā)電機的效率與電機的容量有關(guān)。10kW以下的小電機，效率約為75%88.5%；10100kW的，效率約為85%9;1001000kW的電機，效率約為88%93%。,二、他勵直流電發(fā)電機的運行特性,4個主要物理量： 電樞端電壓U 勵磁電流If 負載電流I=Ia 轉(zhuǎn)速n一般保持為額定值不變 運行特性即：3個量，其中1個不變，其余2個物理量之間的關(guān)系。,所謂運行特性，就是要找出電機在工作的過程中所展現(xiàn)的某些特性，并將這些特性用曲線的形式進行表示，在直流電機中，,（1） 負載特性 指當n=常數(shù)且I=常數(shù)時， U=f(If)的關(guān)系， 其中當I=0時的特性U0=f(If )稱 為發(fā)電機的空載特性。,（2） 外特性 指當n=常數(shù)且If=常數(shù)或Rf=常數(shù)時，U=f(I)的關(guān)系 （3）調(diào)節(jié)特性 指當n=常數(shù)且U=常數(shù)時，If=f(I)的關(guān)系。 （4）效率曲線 下面進行詳細的幾種主要特性的介紹 (一)他勵直流發(fā)電機 (1)空載特性： 實驗條件：如圖所示，,他勵直流發(fā)電機的空載與負載實驗線路,打開閘刀開關(guān)Q，調(diào)節(jié)電阻 從而改變勵磁電流 ， 由零開始單調(diào)增長直至 ，然后讓 單調(diào)減小至 零 。 再反向單調(diào)增加直至 為負的 后又使 單調(diào)減小至零 。 在調(diào)節(jié)過程中， 讀取空載端電壓 與勵磁電流 數(shù)組數(shù)據(jù)，即空載特性，如圖 所示。,直流發(fā)電機的空載特性,分析特性： 1）由于鐵磁材料的磁滯現(xiàn)象，使測得的曲線 是一閉合的回線。 2）由于電機有剩磁，使得 時仍有一個很低的電壓，稱之為剩磁電壓，其值約為的%。實際使用時，一般取回線的平均值（如圖中的虛線所示）作為空載特性。,3）空載特性 與電機的磁化 曲線 形狀相似，只差一個比例常數(shù)。 （為什么？） 4）空載特性與勵磁方式無關(guān)，因此并勵發(fā)電機的空載特性也可以用上述方法求取，他勵直流發(fā)電機的空載特性是直流電機最基本的特性曲線,(2) 他勵直流發(fā)電機的外特性：,實驗條件：使發(fā)電機接上負載，當原動機保持 調(diào)節(jié) 使之不變，然后改變負載使 從零增加到 ， 讀取 、 之值， 即 得到外特性曲線 ， 如圖所示。 電流增大時，端電壓下降， 其原因有兩個：,試驗方法： 1.IfIfN保持 2.nnN保持 3.I從0調(diào)節(jié)1.2IN,由于電樞反應使磁通減小，使端電壓與電流的關(guān)系不是一條直線。,發(fā)電機端電壓隨負載電流的增大而減小的程度,電壓調(diào)整率,重要性能指標,負載增大時，電樞反映的去磁作用增強，使每極磁通量減小，從而使電樞電動勢減小 電樞回路電阻上的壓降隨電流增大而增大，從而使端電壓下降。 而我們發(fā)現(xiàn)并勵方式下，端電壓下降的更快一些：負載增大時，電樞反應的去磁作用增強，使每極磁通量減小，這樣不僅影響了電樞電動勢，使端電壓下降，同時端電壓的下降進一步也影響了勵磁電流使之減小，這樣一來，又使得的電樞電動勢雙重減小，所以，并勵下降的更快一些。,(3) 調(diào)節(jié)特性,負載電流的增大端電壓下降，原因？ 調(diào)節(jié)勵磁電流達到保持端電壓不變,(4) 他勵直流發(fā)電機的效率曲線： 不變損耗：電機的鐵損耗和機械損耗等與負載的大小小無關(guān)，稱為不變損耗。 可變損耗：負載運行時電樞繞組的銅損耗與 成正比，稱為可變損耗。同樣，我們可用實驗的方法得到效率曲線。如圖：,我們發(fā)現(xiàn)效率特性在經(jīng)過一個峰值后開始下降，那么，這是為什么呢？,分析：我們知道在負載較小時，電機內(nèi)的損耗主要以不變損耗為主，隨著負載的增加，電樞電流也在隨之增加，這樣，銅損耗的作用開始顯著，當增加到和不變損耗相等時，出現(xiàn)效率最大點，隨后，若繼續(xù)增加負載，可變損耗將急劇增大，盡管p2也增大，但增大的速度比不上銅損耗增加速度，使效率反而隨著輸出的增大而降低 。,四、并勵直流發(fā)電機的運行特性,空載特性 該接成他勵方式后，測量得到空載特性，方法和特性曲線與他勵直流發(fā)電機相同。,并勵直流發(fā)電機的外特性,2. 外特性 同一臺直流發(fā)電機，分別接成并勵方式、他勵方式，得到外特性分別如圖1、2曲線。,3. 并勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性,(5).幷勵直流發(fā)電機的自勵過程,(1)自勵過程,在前面我們講過直流電機的勵磁方式有兩種：他勵式和自勵式，現(xiàn)在，我們就來看看這種自勵過程是如何實現(xiàn)的：如圖所示 由于電機磁路中總有一定剩磁，當發(fā)電機由原動機推動至額定轉(zhuǎn)速時，發(fā)電機兩端將發(fā)出一個數(shù)值不大的剩磁電壓。而勵磁繞組又是接到電樞兩端的，于是在剩磁電壓的作用下，勵磁繞組將流過一個不大的電流，并產(chǎn)生一個不大的勵磁磁動勢。如果勵磁繞組接法正確，即這個勵磁磁動勢的方向和電機的剩磁磁動勢的方向相同，從而使電機內(nèi)的磁通和由它產(chǎn)生的電樞端電壓有所增加。在比較高的勵磁電壓作用下，勵磁電流又進一步加大，導致磁通的進一步增加，繼而電樞端電壓又進一步加大。如此反復作用下去，發(fā)電機的端電壓便自動建立起來。這就是發(fā)電機自勵過程。,機座,磁極,勵磁 繞組,轉(zhuǎn)子,勵磁式直流電動機結(jié)構(gòu),(2)建立穩(wěn)定工作點 在自勵過程中，發(fā)電機 的電壓是否會無限制地 增長下去呢？從圖可以 清楚地看出，當發(fā)電機 的電壓上升到P點所對應 的電壓時，恰好等于勵磁 電流通過勵磁回路所需的 電阻壓降，因此電樞電壓 和勵磁電流都不會再增加， 自勵過程達到了穩(wěn)定狀態(tài).,(3)自勵條件 (a)電機必須有剩磁 (b)極性正確 (c)勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻,必須明確，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不同時，空載特性也不同。 因此，對應于不同的轉(zhuǎn)速便有不同的臨界電阻。,如果勵磁繞組本身的電阻 即已超過所對應的臨界電阻值， 電機是不可能自勵的，這時唯一的 辦法是提高電機的轉(zhuǎn)速，從而提高其臨界電阻值。,額定值,1. 額定功率PN :電機軸上輸出的機械功率。,2. 額定電壓UN ：額定工作情況下的電樞上加的直流電壓。（例：110V，220V，440V）,3. 額定電流IN ： 額定電壓下，軸上輸出額定功率時的電流（并勵應包括勵磁電流和電樞電流）三者關(guān)系：PN=UNIN （ ：效率）,3-7直流電動機,注意：調(diào)速時對于沒有調(diào)速要求的電機，最大轉(zhuǎn)速 不能超過 1.2nN 。,4.額定轉(zhuǎn)速nN ：在PN，UN，IN 時的轉(zhuǎn)速。直流電 機的轉(zhuǎn)速等級一般在 500r/min 以上。特殊的直流電機轉(zhuǎn)速可以做到很低（如：每分鐘幾轉(zhuǎn)）或很高（每分鐘3000轉(zhuǎn)以上）。,他勵電動機,一 . 直流電動機的基本方程式,正方向為電動機慣例 1)電動勢平衡方程式： U=Ea+Ia(Ra+Rc) 在電動機中，顯然端電壓必須大于反電動勢，由此得到電動機的轉(zhuǎn)速為：,勵磁回路的電動勢方程為：,2)轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系,電磁轉(zhuǎn)矩T為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，在電機運行時，必須和外 加負載和空載損耗的阻轉(zhuǎn)矩相平衡，即,轉(zhuǎn)矩平衡過程：當負載轉(zhuǎn)矩（TL）發(fā)生變化時， 通過電機轉(zhuǎn)速、電動勢、電樞電流的變化，電磁 轉(zhuǎn)矩自動調(diào)整，以實現(xiàn)新的平衡。,例：,設外加電樞電壓 U 一定，T=TL+ T0(平衡)，這時， 若TL突然增加，則調(diào)整過程為：,與原平衡點相比，新的平衡點：Ia 、 P入,勵磁回路的電動勢方程為：,3）功率平衡方程式：并勵直流電機從電源輸入的電功率為： P1 = UI=U（Ia+If）=Ea+Ia（Ra+Rc）Ia+UIf= EaIa+ （Ra+Rc） + UIf=PM+pCUa+pCUf,所以，綜合以上分析可的： 式中的 為電機的總損耗。,二、直流電動機的 工作特性： 直流電動機的工作特性，是指在U=UN， 時, 轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率 隨輸出功率 而變化的關(guān)系。 (一)他勵直流電動機的工作特性： 1 轉(zhuǎn)速特性： 條件： ， ， 時， 的關(guān)系，叫做轉(zhuǎn)速特性。,2 轉(zhuǎn)矩特性,當U=UN, If=IfN時，T=f(Ia)的關(guān)系叫轉(zhuǎn)矩特性。當不計電樞反應的去磁作用時，,3 效率特性,(二)并勵直流電動機的工作特性,1.轉(zhuǎn)速特性,2.轉(zhuǎn)矩特性,3.效率特性,當可變損耗pcu等于不變損耗時，效率達到最大值。,直流發(fā)電機與直流電動機的區(qū)別,能量關(guān)系:,機械能轉(zhuǎn)變成電能,電能轉(zhuǎn)變成機械能,電樞電勢:,電源電勢,反電勢,電磁轉(zhuǎn)矩:,制動,驅(qū)動,電勢平衡方程:,直流發(fā)電機與直流電動機的區(qū)別,轉(zhuǎn)矩平衡方程：,功率平衡方程：,特性：,(1)若電動機原本靜止，由于勵磁轉(zhuǎn)矩 T = KT Ia， 而 0 ，電機將不能啟動，因此，反電動勢 為零，電樞電流會很大，電樞繞組有被燒毀 的危險。,（2）如果電動機在有載運行時磁路突然斷開， 則 E ，Ia ，T 和 ，可能不滿 足TL的要求，電動機必將減速或停轉(zhuǎn)，使 Ia更大，也很危險。,措施： 他勵直流電動機一定要有失磁保護。一般在勵磁繞組加失壓繼電器或欠流繼電器。當失壓或欠流時，自動切斷電樞電源U。,3.8 他勵直流電動機的機械特性,一. 機械特性的一般表達式,其中：,稱為理想空載轉(zhuǎn)速； 機械特性斜率,電動機的固有機械特性指：電壓、磁通為額定值，電樞回路外串電阻為時，T與n的關(guān)系，即n=f(T).,二、他勵直流電動機的固有機械特性,特性分析：,（）機械特性是一條下斜直線 （）當時， 為理想空載轉(zhuǎn)速 （） 為電動機的實際空載轉(zhuǎn)速,（） 為機械特性斜率 增大時， 也增大 通常稱 小的機械特性為硬特性，通常稱 大的機械特性為軟特性一般他勵直流電機的 小，特性硬，轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)速 變化小,（）額定轉(zhuǎn)速變化率,是表示電機額定負載時的轉(zhuǎn)速比 降落的程度令 稱為機械特性硬度， 越小， 越大 ，特性越平，特性越硬,例:一臺他勵直流電動機額定功率 , 額定電壓 , 額定電流 , 額定轉(zhuǎn)速 電樞回路總電阻 忽略電樞反應的影響,求 (1)理想空載轉(zhuǎn) ; (2)固有機械特性斜率 ; (3)電動機的固有機械特性,1.理想空載轉(zhuǎn)速計算,=,=,=0.841 :,2. 斜率,計算,斜率,:,電動機的固有特性:,理想空載轉(zhuǎn)速,三、他勵直流電動機的人為機械特性,（一）電樞回路串電阻時的人為特性,（二）改變端電壓時的人為特性,（三）減弱電動機主磁通時的人為特性,例:某他勵直流電動機額定數(shù)據(jù)如下: , , 試求 1)固有機械特性表達式 2） 電樞回路串 時的人為特 性表達式 3）端電壓 時的人為特 性表達式 4）磁通為 時的人為特 性表達式,1.固有特性:,2.串電阻的人為特性:,3.降低電源的人為特性 此時 不變,所以對應 的轉(zhuǎn)速為,4.弱磁時的人為特性,四、根據(jù)電機的銘牌數(shù)據(jù) 估算機械特性,（一）固有特性的繪制 ( ,0 )和額定工作點( , ),1.估算額定電樞電動勢 2. 根據(jù)所選電機直流電動機,實測它的電樞回路電阻 或估算:因為,額定轉(zhuǎn)矩: (二)人為特性的繪制,他勵直流電動機的機械特性,步驟：,1）估算,2）計算,3）計算理想空載點：,4）計算額定工作點：,他勵直流電動機的機械特性,2、人為機械特性的求取,在固有機械特性方程 的基礎上，根據(jù)人為特性所對應的參數(shù) 或 或 變化，重新計算 和 ，然后得（ ）、（ ）。,例:一臺他勵直流電動機的數(shù)據(jù)為: , , , , .求: (1)電勢 (2) (3) (4) (5) (6) (7),(1)根據(jù)額定容量知道,本臺電機屬于中等容量電機,取 (2) (3) (4),(5) 先求空載損耗功率 (7),例:某他勵直流電動機額定數(shù)據(jù)如下: , , 試求 1)固有機械特性表達式 2)50%額定負載時的轉(zhuǎn)速 3)轉(zhuǎn)速為1050r/min時的轉(zhuǎn)速 ） 電樞回路串 時的人為特 性表達式 ）端電壓 時的人為特 性表達式 ）磁通為 時的人為特 性表達式,一、串勵直流電動機的工作特性： 由于串勵電動機的勵磁繞組與電樞串聯(lián)，所以勵磁電流就是電樞電流，即它是隨負載的變化而變化的。因此，其工作特性將與他（并）勵直流電機的工作特性有所不同。,3.9 串勵串勵和復勵直流電動機,1) 轉(zhuǎn)速特性：n=f(Ia）,研究條件：,U=UN,RC=0,且If=Ia時的n=f(Ia)關(guān)系曲線， 當磁路不飽和時，主磁通與勵磁電流成正比,2)轉(zhuǎn)矩特性 U=UN,RC=0,且If=Ia時的T=f(Ia)關(guān)系曲線 . 串勵電動機有較大的起動轉(zhuǎn)矩與過載能力，這是兩個很好的優(yōu)點。 當生產(chǎn)機械過載時，電動機的轉(zhuǎn)速自動下降，其輸出功率變化不大，使電機不致因負載 過重而損壞。當負載減輕時，轉(zhuǎn)速又自動上升。因此，電力機車、電車等一類牽引機械大都采用串勵電動機拖動。,串勵電動機,適合于作牽引機.當負載輕（TL小）時,轉(zhuǎn)速高,可以提高生產(chǎn)效率;負載重（TL大）時, 轉(zhuǎn)速小,而P=TL近似不變與輕載相同, 可以保護電機。,3）機械特性：,(1) T=0時，在理想情況下，n。但實際上負 載轉(zhuǎn)矩不會為 0，不會工作在 T=0 的狀態(tài)， 但空載時 T 很小，n 很高。串勵不允許空載 運行，以防轉(zhuǎn)速過高。,串勵特性：,(2) 隨轉(zhuǎn)矩的增大，n 下降得很快，這種特性屬 軟機械特性。,串勵電動機的效率特性，和他（并）勵電動機 相似,四、復勵直流電動機的工作特性： 復勵電動機通常接成積復勵，它的工作特性介乎并勵與串勵電動機的特性之間。如果并勵磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近并勵電動機；如果串勵 磁動勢起主要作用，它的工作特性就接近串勵電動機。因為有并勵磁動勢的存在，空載時沒有飛車的危險 ，復勵電動機的轉(zhuǎn)速特性如圖所示。,3.10 直流電機的換向,一、換向的物理過程：如圖所示，,一、直流電機的