電力拖動 第1章 直流電機

Page1第一章直流電機Page2本章教學(xué)基本要求1.了解直流電機主要結(jié)構(gòu)，注意換向器和電刷的作用；2.熟悉直流發(fā)電機和直流電動機基本工作原理，理解感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩這兩個機電能量轉(zhuǎn)換要素的物理意義，掌握求解它們的計算方法；3.掌握直流電機的運行原理，電動勢、轉(zhuǎn)矩平衡方程式以及不同勵磁方式的直流電機的工作特性；4.了解直流電機的換向。重點：直流電機的基本平衡方程式和工作特性。Page3直流電機（dcmachines）是將機械能轉(zhuǎn)換為直流電能或?qū)⒅绷麟娔苻D(zhuǎn)換為機械能的一種裝置。把機械能轉(zhuǎn)換為電能的直流電機稱為直流發(fā)電機，把電能轉(zhuǎn)換為機械能的直流電機稱為直流電動機。它們在理論上是可逆的。在電機的發(fā)展史上，直流電機發(fā)明得較早。后來才出現(xiàn)了交流電機。當(dāng)發(fā)明了三相交流電以后，交流電機得到迅速的發(fā)展。但是，迄今為止，工業(yè)領(lǐng)域里仍使用直流電動機，這是由于直流電動機具有以下突出的優(yōu)點：(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，可靠性較高。直流電動機多用于對調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機械上，比如紡織機械等等。直流發(fā)電機可用來作為直流電動機以及交流發(fā)電機的勵磁直流電源。直流電機的主要缺點是換向問題，它限制了直流電機的極限容量，增加了維護(hù)的工作量。交流電動機的調(diào)速也取得了一定的效果，在某些調(diào)速場合可以代替直流電動機。由于目前使用可控硅整流電源，直流電動機的應(yīng)用場合還是很多的。Page4直流發(fā)電機的基本工作原理電樞逆時針旋轉(zhuǎn)時，導(dǎo)體切割磁力線，根據(jù)電磁感應(yīng)定律導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，大小為e=Bxlv感應(yīng)電動勢方向由右手定則判定，伸開右手使大拇指與四指呈90°，當(dāng)磁力線指向手心，大拇指指向?qū)w運動方向，則四指的指向為導(dǎo)體中感應(yīng)電動勢方向。在圖中ωt=0°時，A端為☉，與之相接觸的電刷B1為“+”，X端為⊕，與之相接觸的電刷B2為“-”

當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)了180°后，在圖(b)中ωt=180°時，X端旋轉(zhuǎn)到N極下，X端為☉，A端旋轉(zhuǎn)到S極下，A端為⊕其波形如下圖所示。N極下導(dǎo)體電動勢指向紙外，電刷B1總為“+”；S極下導(dǎo)體電動勢指向紙內(nèi)，電刷B2總為“-”，不難看出，線圈中的電動勢是交流電動勢，而通過換向器的作用，使電刷間的電動勢為直流電動勢。

Page5氣隙磁蜜分布波形在直流發(fā)電機中，換向器和電刷的共同作用：①將線圈中的交流電動勢整流成刷間的直流電動勢；②把轉(zhuǎn)動的電路與外面不轉(zhuǎn)的電路聯(lián)接。從刷間電動勢波形看，電動勢脈動很大，為了減小電動勢的脈動程度，實際電機采用很多元件（線圈）組成電樞線圈，均勻分布在電樞鐵芯上，并按一定規(guī)律聯(lián)接，構(gòu)成電樞繞組，刷間串聯(lián)元件數(shù)增多，脈動減小，可在電刷A、B兩端獲得恒定的直流電動勢。實質(zhì)上是一臺裝有換向裝置的交流發(fā)電機；Page6直流電動機的基本工作原理將直流電加到電刷上（B1為+、B2為-），線圈AX上就有電流通過（A端為⊕、X端為☉），根據(jù)電磁力定律，載流導(dǎo)體在磁場中要受力，大小為：f=Bxli（N），方向由左手定則確定。載流導(dǎo)體受力方向的確定：伸開左手使大拇指與四指呈90°，當(dāng)磁力線指向手心四指的指向為導(dǎo)體中電流方向，則大拇指指向?qū)w受力方向在圖1-5中A受向左的切向力，X受向右的切向力，這一對力形成了力矩T(稱電磁轉(zhuǎn)矩)，使電樞按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。在直流電動機中，換向器和電刷的共同作用：①將刷間的直流電逆變成線圈中的交流電；②把外面不轉(zhuǎn)的電路與轉(zhuǎn)動的電路聯(lián)接。

實質(zhì)上是一臺裝有換向裝置的交流電動機；

帶電導(dǎo)體在磁場中受到電磁力的作用并形成電磁轉(zhuǎn)矩，推動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動起來Page7外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷和換向器再加到線圈電樞導(dǎo)體中的電流隨其所處磁極極性的改變方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。電樞電動勢——反電勢（與I反向）；電磁轉(zhuǎn)矩——驅(qū)動轉(zhuǎn)矩（與n同向）說明：直流電機是可逆的，它們實質(zhì)上是具有換向裝置的交流電機。直流電動機的基本工作原理Page8直流電機的主要結(jié)構(gòu)要實現(xiàn)機電能量變換，電路和磁路之間必須有相對運動，所以旋轉(zhuǎn)電機具備靜止和轉(zhuǎn)動的兩大部分，即直流電機由兩大部分組成：定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分或稱電樞）

定子由主磁極、換向極、電刷裝置、機座等組成。主磁極：由主極鐵心和勵磁繞組組成，鐵心用1~1.5mm的鋼板沖片疊成，外套勵磁繞組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是成對出現(xiàn)，N、S極交替排列。換向極：由鐵心和繞組組成，鐵心一般是由整塊鋼組成換向極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改善電機的換向。電刷裝置：由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用是聯(lián)接轉(zhuǎn)動和靜止之間的電路。機座：作用是固定主磁極等部件，同時也是磁路的一部分。轉(zhuǎn)子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸等組成。電樞鐵心：一般用0.5mm涂過絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞組，同時它又是電機主磁路的一部分。電樞繞組：由絕緣導(dǎo)線繞制成的線圈（又稱繞組元件）按一定規(guī)律聯(lián)接組成，每個元件兩個有效邊分別嵌放電樞鐵心表面的槽內(nèi)，元件的兩個出線端分別與兩個換向片相連。電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。

換向器：由許多相互絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的直流電或?qū)⑺㈤g的直流電逆變成電樞繞組中的交流電。Page9直流電樞繞組匝數(shù)為1的是單匝元件，匝數(shù)大于1的是多匝元件。直流電機電樞繞組的基本形式是單疊和單波（以兩匝元件為例）。

由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實際的槽中，上、下層嵌放多個(設(shè)為u個)元件邊，將一個上層邊和一個下層邊在槽內(nèi)所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則總元件數(shù)S等于實槽數(shù)Q；若每槽的上、下層各有u個元件邊時，則有：S=u.Q=QuQu為虛槽數(shù)。對于一般的小型電機，每一槽中僅有一個上層邊和一個下層邊；在大型電機中，需要產(chǎn)生更大的電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動勢，必須增加元件數(shù)，Page10直流電樞繞組極距：在直流電機中，把相鄰兩個主磁極軸線之間的距離稱作極距，記作t，一般用槽數(shù)表示，即有：式中p為主磁極的極對數(shù)。

元件：電樞繞組是由許多個形狀完全一樣的元件以一定的規(guī)律聯(lián)接起來的。一個繞組元件也就是一個線圈。也就是說組成電樞繞組的基本單元稱為元件。元件的個數(shù)用S表示。一個元件的尾端按照一定規(guī)律和另一元件的首端相連，接到同一換向片上，所有元件依次串聯(lián)，最后使整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路，這是直流電樞繞組的一個特點，也是直流電樞繞組構(gòu)成的原則。Page11直流電樞繞組直流電機中，各元件在電樞表面的幾何關(guān)系一般用元件的節(jié)距表示。是指被聯(lián)接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離，以所跨過的元件邊數(shù)或虛槽數(shù)或換向片數(shù)來表示，第一節(jié)距y1一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。第二節(jié)距y2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。合成節(jié)距y連接同一換向片上的兩個元件對應(yīng)邊之間的距離。換相器節(jié)距yk同一元件首末端連接的換向片之間的距離。Page12直流電樞繞組1、第一節(jié)距y1指同一元件的二個有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數(shù)表示。其表達(dá)式為：式中ε為把y1湊整的小于1的分?jǐn)?shù)。當(dāng)ε=0，y1=t稱為整距元件；當(dāng)ε>0稱為長距元件；當(dāng)ε<0稱為短距元件，實際電機中采用短距元件，可節(jié)省銅。

2、第二節(jié)距y2指兩個相串聯(lián)的元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊所跨的距離，用槽數(shù)表示。Page13直流電樞繞組3、合成節(jié)距y：指直接串聯(lián)的兩個元件的對應(yīng)邊所跨的距離。4、換相器節(jié)距yk：指同一元件的兩個出線端所接的兩換相片之間所跨的距離，用換相片數(shù)表示。單疊繞組：是以相鄰元件依次串聯(lián)的聯(lián)接規(guī)律連成的，每個元件的兩個出線端分別接到相鄰的兩個換相片上，最后形成一閉合回路。舉例：以總元件數(shù)為6的電機為例，說明單疊繞組的聯(lián)接。Page14舉例設(shè)S（元件數(shù)）=K（換相片數(shù)）=Q（槽數(shù)）=6，u=1，2p=2，則合成節(jié)距y=1，極距τ，第一節(jié)距y1，換相器節(jié)距yk=1（右行繞組），第二節(jié)距y2=y1-y=3-1=2，上述數(shù)據(jù)所表示的實際電機繞組安放如圖Page15單疊繞組特點單疊繞組具有以下特點：①支路對數(shù)a等于極對數(shù)p，同時還等于電刷對數(shù)b，即a=p=b；②電樞電流Ia等于各支路電流ia之和，即Ia=2.a.ia。單波繞組是將同一極性下的所有元件串聯(lián)成一條支路，相鄰兩個串聯(lián)聯(lián)接元件形式似波浪向前延伸。特點：①支路對數(shù)a等于1，與極對數(shù)p無關(guān)，即a=1；②電樞電流Ia等于2倍支路電流ia，即Ia=2ia；③為了減小電刷的電流密度，實際電刷對數(shù)b等于極對數(shù)p。Page16電機模型

無論電機有多少對磁極都只用N、S一對磁極表示，不畫換相器，電刷放在幾何中性線處，并與位于幾何中性線處的元件接觸，一個圓圈代表一個元件。

展開圖雖然能反應(yīng)電樞繞組聯(lián)接規(guī)律，也能說明電機內(nèi)部電磁關(guān)系，但畫展開圖太麻煩，在分析電機內(nèi)部電磁關(guān)系時，采用電機模型。Page17銘牌數(shù)據(jù)1）額定功率PN指電機按規(guī)定的工作方式運行時所能提供的輸出功率（kW），對發(fā)電機是指出線端輸出的電功率它等于額定電壓和額定電流的乘積，即PN=UNIN；對電動機是指軸上輸出的機械功率，它等于額定電壓、額定電流及額定效率的乘積，即PN=UNINhN。2）額定電壓UN指電機長期安全運行時所能承受的電壓（V）。3）額定電流IN指電機按規(guī)定的工作方式運行時，電樞繞組允許通過的電流（A）。4）額定轉(zhuǎn)速nN指電機在額定電壓、額定電流和額定功率情況下運行的電機轉(zhuǎn)速（r/min）。額定值是選擇電機的依據(jù)，應(yīng)根據(jù)實際使用情況，合理選擇電機容量，使電機工作在額定運行狀態(tài)。Page18國產(chǎn)電機主要系列

國產(chǎn)直流電機的系列產(chǎn)品代號采用大寫漢語拼音字母表示，型號采用漢語拼音字母和阿拉伯?dāng)?shù)字組合表示，例如：“Z2-72”表示直流電動機、第二次改進(jìn)設(shè)計型，“7”表示機座號，7后面的2表示長鐵心（2號表示長鐵心，1號表示短鐵心）。（1）Z2系列是普通中小型直流電機。（2）ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機適用于軋鋼機、起重機、升降機、電鏟等。其他系列的直流電機型號、技術(shù)數(shù)據(jù)可從產(chǎn)品目錄或相關(guān)的手冊中查到。Page19【例1-1】解：（1）額定電流電動機的額定電流為（2）輸入功率電動機的輸入功率為

某直流電動機額定數(shù)據(jù)為：PN=100kW，額定電壓UN=220V，額定轉(zhuǎn)速nN=1500r/min，額定效率hN=90%，求該電動機的額定電流和輸入功率。Page20直流電機的勵磁方式

直流電機的勵磁方式是指勵磁繞組獲得勵磁電流的方式。除永磁式微直流電機外，直流電機的磁場都是通過勵磁繞組通入電流激勵而建立的。按勵磁方式不同可分為四種：他勵、并勵、串勵和復(fù)勵。主磁極上有兩套勵磁繞組，Page21直流電機的勵磁方式主磁極上有兩套勵磁繞組，產(chǎn)生的磁動勢相加叫積復(fù)勵。實際應(yīng)用常用積復(fù)勵主磁極上有兩套勵磁繞組，產(chǎn)生的磁動勢相減叫差復(fù)勵。Page22直流電機空載時的磁場

直流電機空載是指電機對外無功率輸出、不帶負(fù)載空轉(zhuǎn)的一種狀態(tài)。

直流電機空載時，勵磁繞組內(nèi)有勵磁電流，電動機電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機電樞電流為零，這時電機的磁場由勵磁電流單獨建立。絕大部分磁通經(jīng)主磁極、氣隙、電樞鐵心及定子磁軛閉合，這部分磁通同時鏈繞勵磁繞組和電樞繞組，稱主磁通，記作：￠0，主磁通參與機電能量轉(zhuǎn)換，能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，是工作磁通。主磁通通過的磁路稱主磁路，主磁路中氣隙較小，故磁阻較小。有一小部分磁通不穿過電樞，僅與勵磁繞組自身鏈繞，稱漏磁通，記作：￠s，漏磁通不穿過電樞表面，不參加機電能量轉(zhuǎn)換，不是工作磁通。漏磁通通過的磁路稱漏磁路，漏磁路中空氣隙較大，磁阻大。漏磁通比主磁通小得多，約占主磁通的20%左右。Page23電機的磁密分布、電機磁化曲線

指電機主磁通F0與勵磁磁動勢Ff的關(guān)系曲線，即有F0=?（Ff）。當(dāng)勵磁繞組的匝數(shù)Nf一定時，改變勵磁電流If就可改變磁動勢，磁化曲線也可用F0=?（If）表示。電機的磁化曲線可通過試驗或電機磁路計算得到。磁密分布波形是一個梯形波，對稱于磁極軸線。氣隙磁密分布磁極中心附近的磁密大，兩極尖處磁密小，磁通小時，空載特性呈直線關(guān)系。當(dāng)氣隙每極磁通增大時，鐵磁材料出現(xiàn)飽和，磁位降劇增，消耗的磁通勢劇增，使空載特性逐漸彎曲。當(dāng)磁通很大時，空載特性呈飽和特點。此時要增加一點磁通，消耗的磁通勢急劇增加?？梢?，由于鐵磁物質(zhì)的存在，空載特性呈飽和性和非線性，和鐵磁材料的磁化曲線相似。斜直線2是氣隙消耗的磁通勢，稱氣隙線?？蛰d特性的橫坐標(biāo)可以用勵磁磁動勢Ff表示，也可以用勵磁電流If表示，二者相差勵磁繞組的匝數(shù)。為了充分地利用材料，直流電機額定運行的磁通額定值的大小取在空載磁化特性開始拐彎的地方，如圖的C點。Page24直流電機負(fù)載時的磁場直流電機負(fù)載運行時，電樞電流Ia不為零，氣隙中的磁動勢由勵磁電流If產(chǎn)生的勵磁磁動勢Ff和電樞電流Ia產(chǎn)生的電樞磁動勢Fa共同建立。Page25線負(fù)荷

為了分析電樞磁動勢沿電樞表面分布情況，現(xiàn)引入電樞線負(fù)荷的概念，線負(fù)荷是指在電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)，用A表示。設(shè)N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，ia為導(dǎo)體電流，Da為電樞直徑，則根據(jù)線負(fù)荷定義有：直流電機的電樞反應(yīng)

當(dāng)電機帶負(fù)載后，電樞繞組流過電流，出現(xiàn)電樞磁動勢。電樞磁動勢對主磁極產(chǎn)生的磁場有影響，故對電機的運行性能也會產(chǎn)生一定的影響。把電樞磁動勢對勵磁磁動勢產(chǎn)生的影響稱為電樞反應(yīng)。Page26負(fù)載時氣隙磁密波形電刷位于幾何中性線電樞反應(yīng)表現(xiàn)：使氣隙磁場發(fā)生畸變并使物理中性線偏移,當(dāng)磁路飽和時有去磁作用。電刷正常時的電樞反應(yīng)Page27電刷偏離幾何中性線時交軸電樞磁動勢Faq對主磁場的影響與上面分析的電刷位于幾何中性線的電樞反應(yīng)情況一樣，而直軸電樞磁動勢Fad與主磁極軸線重合方向相反，故有去磁作用；同理，當(dāng)電刷順電動機旋轉(zhuǎn)方向偏離b角時，產(chǎn)生的直軸電樞磁動勢Fad有助磁作用。

Page28感應(yīng)電動勢如果設(shè)N為電樞繞組的總導(dǎo)體數(shù)，a為并聯(lián)支路對數(shù)，Bav為一個磁極內(nèi)的平均磁密，l為導(dǎo)體的有效長度，v為導(dǎo)體切割磁場的速度，則電樞電動勢為即有式中稱為電動勢常數(shù)，它是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。感應(yīng)電動勢是指從一對正負(fù)電刷之間引出的電動勢，也稱為電樞電動勢，記作Ea。Page29分析①電樞電動勢Ea∝Fn，改變F或n的大小，可使Ea大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通F單位為Wb，轉(zhuǎn)速n單位為r/min，則電樞電動勢Ea單位為V；②Ea方向取決于F和n的方向，改變F的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩是指電樞上所有載流導(dǎo)體在磁場中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。Page30電磁轉(zhuǎn)矩

設(shè)D為電樞直徑，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，fav每根導(dǎo)體平均所受的力，則電磁轉(zhuǎn)矩為即有式中稱為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，它與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。①T∝F

Ia，改變F或Ia的大小，可使T大小發(fā)生變化，當(dāng)磁通F單位為Wb，電樞電流Ia單位為A，則電磁轉(zhuǎn)矩T單位為N·m；②T方向取決于F和Ia的方向，改變F的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向。Page31兩常數(shù)間的關(guān)系

電勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式:所以有

CT=9.55Ce

【例1-2】

已知某四極他勵直流電動機的額定功率PN=100kW，額定電壓UN=330V，額定轉(zhuǎn)速nN=730r/min，額定效率hN=91.5%額定運行時每極氣隙磁通FN=6.98×10-2Wb，電機電樞繞組采用單波繞組，電樞總導(dǎo)體數(shù)N=186。求額定感應(yīng)電動勢和額定電磁轉(zhuǎn)矩。Page32【例1-2】解：（1）計算額定感應(yīng)電動勢極對數(shù)為p=2，支路對數(shù)a=1

電動勢常數(shù)為感應(yīng)電動勢為

（2）計算額定電磁轉(zhuǎn)矩電樞電流為電磁轉(zhuǎn)矩為

Page33直流發(fā)電機

直流發(fā)電機是將原動機輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姎庠O(shè)備，即：機械能→直流電能。(以他勵發(fā)動機為例)Page34電壓方程

電樞回路方程為Ea=U+Ia·Ra

式中Ra為電樞回路總電阻，它包括電刷接觸電阻和電樞繞組內(nèi)阻。勵磁回路方程

勵磁回路方程為Uf=If·Rf

式中Rf為勵磁回路總電阻，它包括勵磁回路外串電阻和勵磁繞組內(nèi)阻。轉(zhuǎn)矩方程

當(dāng)發(fā)電機處于恒定轉(zhuǎn)速運行時，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為式中，T1為原動機的拖動轉(zhuǎn)矩；T為發(fā)電機中產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，其性質(zhì)為制動轉(zhuǎn)矩；T0為空載轉(zhuǎn)矩，它由電機的機械摩擦和鐵損引起的轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機的轉(zhuǎn)向由原動機決定，T1>T，故電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩，是阻礙原動機的阻力矩。Page35功率平衡關(guān)系

從原動機輸入的機械功率為P1=Pem+p0

式中，P1為輸入的機械功率；Pem為電磁功率；p0為空載損耗。

空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗pm、附加損耗pad，即有

p0=pFe+pm+pad

其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計算。靠經(jīng)驗估算約為額定功率PＮ的0.5%～1%。功率平衡關(guān)系

電磁功率為

從中可見電磁功率可表示為Pem=TΩ說明電磁功率具有機械功率性質(zhì)。電磁功率又可表示為Pem=EaIa

此表達(dá)式說明電磁功率又具有電功率性質(zhì)，所以電磁功率是機電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。

角速度Page36功率平衡關(guān)系

發(fā)電機輸出的電功率為P2=Pem-pCua

式中pCua為電樞回路銅耗；P2為輸出的電功率，同時輸出功率又可表示為P2=UIa

電磁功率電磁功率輸入的機械功率空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗pm、附加損耗pad（風(fēng)阻）他勵直流發(fā)電機的總損耗為Σp=pFe+pm+pad+pCua

即Σp=p0+pCuaPage37效率他勵直流發(fā)電機的總損耗為Σp=pFe+pm+pad+pCua

即Σp=p0+pCua效率為即有運行特性

發(fā)電機的運行特性是指發(fā)電機運行時，端電壓U、負(fù)載電流I、勵磁電流If這三個基本物理量之間的函數(shù)關(guān)系。一般保持其中一個物理量不變，討論剩余兩個量之間的關(guān)系，這種函數(shù)關(guān)系就是運行特性。Page38運行特性1．空載特性

空載特性是指原動機的轉(zhuǎn)速n=nN，輸出端開路，負(fù)載電流I=0時，電樞端電壓與勵磁電流之間的關(guān)系，即：U0=E0=?（If）?？蛰d特性由實驗測出（保持額定轉(zhuǎn)速）：可測出上下兩個分支曲線，一般取平均值作為空載特性Page39運行特性2．外特性是指原動機的轉(zhuǎn)速n=nN，勵磁電流If=IfN時，電樞端電壓與負(fù)載電流之間的關(guān)系，即：U=?（I），從空載到負(fù)載電壓下降是一條略微下斜的曲線。從空載到負(fù)載電壓下降的原因是：①負(fù)載增大，電樞電流增大，使電樞回路電阻壓降增大，則端電壓下降；②電樞電流增大，使電樞反應(yīng)的去磁作用增強，端電壓進(jìn)一步下降。Page40電壓變化率

發(fā)電機的端電壓隨負(fù)載的變化程度可用電壓變化率（或稱電壓調(diào)整率）表示。電壓變化率是指發(fā)電機從額定負(fù)載（U=UN，I=IN）過渡到空載（U=U0I=0）時，電壓升高數(shù)值與額定電壓的百分比，即：

通常他勵直流發(fā)電機的電壓變化率ΔU%約為（5~10）%。并勵直流發(fā)電機1．自勵過程當(dāng)發(fā)電機以額定轉(zhuǎn)速nN運轉(zhuǎn)時，在有剩磁條件下，電樞繞組切割剩磁，則電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Er（約為2~5%UN），從而在電樞兩端建立剩磁電壓Ur，Ur作用下，產(chǎn)生不大的勵磁電流If，此勵磁電流通過勵磁勵磁繞組導(dǎo)線細(xì)匝數(shù)多，Page41并勵直流發(fā)電機1．自勵過程繞組會產(chǎn)生磁場，磁場的方向若與剩磁方向一致，則主磁通得以加強，使電樞端電壓進(jìn)一步提高，端電壓的升高，又使勵磁電流增大，主磁通更加強，如此反復(fù)，最終使電樞端電壓建立。（自勵是一個過程）

自勵條件：①電機必須有剩磁，否則應(yīng)利用其它直流電源對其充磁；②勵磁繞組與電樞繞組的接法要正確，即使勵磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁方向一致，否則應(yīng)改變并勵繞組極性；曲線4③勵磁回路總電阻應(yīng)小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。場阻線與空載特性相切，發(fā)動機也不能自勵Page42并勵直流發(fā)電機2．外特性并勵直流發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，當(dāng)發(fā)電機端電壓下降，勵磁電流減少，使磁通變?nèi)酰瑒t電樞電動勢降低，從而使端電壓進(jìn)一步下降它的外特性要比他勵直流發(fā)電機下垂。它的電壓變化率ΔU%約為（20~30）%。Page43【例1-3】

一臺并勵直流發(fā)電機數(shù)據(jù)為PN=82kWUN=230VnN=970r/min，電樞繞組總電阻Ra=0.0259Ω，并勵繞組內(nèi)阻rf=22.8Ω，額定負(fù)載時，并勵回路串入的調(diào)節(jié)電阻RfΩ=3.5Ω，一對電刷壓降2ΔU=2V，pFe+pm=2.5kW，附加損耗pad=0.005PN，試求額定負(fù)載時，發(fā)電機的輸入功率P1、電磁功率Pem、電磁轉(zhuǎn)矩和效率。Page44【例1-3】解：（1）求電磁功率勵磁電流為

額定負(fù)載電流為電樞電流為電樞電動勢為電磁功率為（2）求輸入功率（3）求電磁轉(zhuǎn)矩（4）求效率Page45直流電動機

直流電動機是將輸入的直流電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的電氣設(shè)備，即有：直流電能→機械能。他勵時有：I=Ia；并勵時有：I=Ia+If。電樞回路電壓方程式為U=Ea+Ia·Ra其中反電動勢Ea=CeΦ·n，若為并勵時，還存在U=If（rf+Rfad）=If·Rf

由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反電動勢Ea上。電動機空載時，軸上輸出轉(zhuǎn)矩T2=0，則有T=T0當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為TL，軸上輸出有T2=TL，電動機勻速穩(wěn)定運行時有T=T2+T0其中電磁轉(zhuǎn)矩為拖動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩，可用公式T=CTΦIa計算，（T2+T0）為總的阻轉(zhuǎn)矩，方向與T相反。轉(zhuǎn)矩方程式Page46功率平衡關(guān)系

他勵直流電動機輸入功率為P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra∴P1=Pem+pCua

式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為電功率，pCua=Ia2Ra為電樞回路上的銅耗。

Page47功率平衡關(guān)系

在轉(zhuǎn)矩平衡方程式T=T2+T0兩邊同乘以角速度Ω可得TΩ=T2Ω+T0Ω，則有Pem=P2+p0也可表示為P2=Pem-p0式中電磁功率Pem的功率性質(zhì)為機械功率，空載損耗為：p0=pFe+pm+pad空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗pm、附加損耗padPage48【例1-4】

已知一臺永磁直流電動機的電樞電阻Ra=1.03Ω當(dāng)在50V直流電源供電下空載運行時，電機轉(zhuǎn)速為2100r/min，吸收電流是1.25A。試計算：（1）轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT’（CT’=CTF）（2）電動機的空載損耗p0；（3）當(dāng)轉(zhuǎn)速為1700r/min以及電源電壓為48V時，電動機的輸出功率P2。解：（1）求轉(zhuǎn)矩常數(shù)CT’感應(yīng)反電動勢為轉(zhuǎn)矩常數(shù)為Page49【例1-4】（3）求輸出功率在轉(zhuǎn)速為1700r/min時，感應(yīng)電動勢為電樞電流為電磁功率為輸出功率為（2）求空載損耗空載損耗為Page50直流電動機的工作特性其表達(dá)式為若忽略電樞反應(yīng)，電樞電阻又較小，轉(zhuǎn)速特性是一條略微向下傾斜的直線（實線所示）；考慮電樞反應(yīng)的祛磁作用如虛線所示。

轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，n=?(Ia)的關(guān)系。

直流電動機工作特性是指在U=UN，If=IfN，電樞回路不外串電阻的條件下，轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率h與輸出功率P2之間的關(guān)系曲線。實際運行中，電樞電流Ia是隨P2增大而增大，又便于測量，故也可把轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率h與電樞電流Ia之間的關(guān)系曲線稱為工作特性。Page51直流電動機的工作特性

轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，T=?(Ia)的關(guān)系。根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式T=CTΦIa，忽略電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩特性是一條過原點的直線（實線所示）?？紤]電樞反應(yīng)的祛磁作用，轉(zhuǎn)矩特性如圖虛線所示。Page52直流電動機的工作特性式中總損耗為其中空載損耗p0與負(fù)載電流變化無關(guān)，稱為不變損耗,電樞銅耗pCua隨負(fù)載電流平方倍變化，又稱可變損耗當(dāng)負(fù)載電流從零逐漸增大時，效率也隨之增大，當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度，效率達(dá)最大之后隨負(fù)載電流的繼續(xù)增大，效率反而減，如圖所示。效率特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，h=?(Ia)的關(guān)系。根據(jù)效率的定義可得

Page53直流電動機的工作特性

如果令dh/dIa=0，可得：說明不變損耗等于可變損耗時，效率最高，效率特性的這個特點，對其他電機、變壓器也適用，具有普遍意義?！纠?-5】有一他勵直流電動機接在額定電壓為220V的電網(wǎng)上額定運行時，電動機的額定電樞電流Ia=15A，電樞回路總電阻Ra=0.7Ω，（1）求電動機額定運行時的反電動勢；（2）若因某種原因，使電網(wǎng)電壓下降至195V，但勵磁電流和負(fù)載轉(zhuǎn)矩均未發(fā)生變化，求在達(dá)到新平衡點后電動機的反電動勢。解：1）額定運行時的反電動勢2）新平衡點時的反電動勢

Page54他勵直流電動機的機械特性

（1）固有機械特性:他勵直流電動機的固有機械特性是指：在電源電壓U=UN，氣隙磁通Ф=ФN，電樞外串電阻RΩ=0時，n=?(T)的機械特性，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為

式中b稱為斜率，ΔnN為額定負(fù)載時的轉(zhuǎn)速降。

他勵直流電動機固有機械特性是一條過理想空載點（n=n0，T=0）斜率很小的硬特性曲線。當(dāng)空載轉(zhuǎn)矩為T0時，實際空載轉(zhuǎn)速為n0’。Page55他勵直流電動機的機械特性①求理想空載點（n0，0）計算理想空載轉(zhuǎn)速公式為式中（2）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算機械特性直流電動機的固有機械特性可通過實驗測得，也可根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)估算求得。由于固有機械特性是一條直線，一般通過求取兩個特殊點（理想空載點和額定工作點），再將這兩點連成直線便可得到固有機械特性。Page56他勵直流電動機的機械特性

電樞回路電阻Ra，可實測或根據(jù)經(jīng)驗公式估算。一般直流電動機額定運行時的銅損約占總損耗的一半至三分之二，則Ra的估算式為

②求額定工作點（nN，TN）根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)可得額定轉(zhuǎn)速nN，而計算電磁轉(zhuǎn)矩公式為

Page57【例1-6】

一臺他勵直流電動機額定數(shù)據(jù)為PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，電樞回路電阻Ra=0.044Ω，試求：1）固有機械特性方程式；2）額定負(fù)載時的電樞電動勢和額定電磁轉(zhuǎn)矩；3）額定輸出轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩；4）理想空載轉(zhuǎn)速和實際空載轉(zhuǎn)速；5）電機額定運行，分別求電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時的轉(zhuǎn)速、電壓U=50V時的轉(zhuǎn)速和磁通F=75%FN時的轉(zhuǎn)速。解：（1）求固有機械特性方程式∵∴Page58【例1-6】（3）額定輸出轉(zhuǎn)矩和空載轉(zhuǎn)矩輸出轉(zhuǎn)矩為空載轉(zhuǎn)矩為（4）求理想空載轉(zhuǎn)矩和實際空載轉(zhuǎn)矩理想空載轉(zhuǎn)速為實際空載轉(zhuǎn)速為（2）求電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩電樞電動勢為電磁轉(zhuǎn)矩為Page59【例1-6】（5）電樞回路外串電阻RaΩ=0.206Ω時的轉(zhuǎn)速（6）電壓U=50V時的轉(zhuǎn)速

（7）磁通F=75%FN時的轉(zhuǎn)速

Page60Page60他勵直流電動機的機械特性

式中為T=0

時的轉(zhuǎn)速，

稱為理想空載轉(zhuǎn)速；

2F+=TeaCCRRb

是機械特性的斜率。

表達(dá)式

他勵直流電動機的轉(zhuǎn)速n隨轉(zhuǎn)矩T的增大而降低。即負(fù)載時轉(zhuǎn)速低于理想空載轉(zhuǎn)速n0，負(fù)載時轉(zhuǎn)速下降的數(shù)值稱為轉(zhuǎn)速降，用△n表示為定義：在電動機的運行中轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系稱為機械特性

Page61Page61他勵直流電動機固有機械特性

當(dāng)電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時，即,,這種情況下的機械特性，稱為固有機械特性。其表達(dá)式為，

，

，

顯然，△n與β成正比，當(dāng)β越大，n就越大。通常稱β值大的機械特性為軟特性，即在電力拖動系統(tǒng)中，如系統(tǒng)受外界干擾導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大或減小，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響大，那么系統(tǒng)抗干擾能力弱；β值小的機械特性為硬特性，即在電力拖動系統(tǒng)中，如系統(tǒng)受外界干擾導(dǎo)致負(fù)載轉(zhuǎn)矩增大或減小，對系統(tǒng)轉(zhuǎn)速產(chǎn)生影響小，那么系統(tǒng)抗干擾能力強。對于一個恒速運行的系統(tǒng)，我們總希望值β越小越好。是一條下斜直線，特性較硬。機械特性只表征電動機電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系，是電動機本身的能力體現(xiàn)，Page62Page62人為機械特性圖3-2電樞串電阻人為機械特性

他勵直流電動機的參數(shù)如電壓、勵磁電流、電樞回路電阻大小等改變后，其機械特性稱為人為機械特性。主要人為機械特性有三種。

1.電樞回路串電阻的人為機械特性

電樞加額定電壓UN，每極磁通為額定值φN，電樞回路串入電阻R后，機械特性表達(dá)式為Page63Page63人為機械特性圖3-3改變電樞電壓人為機械特性2．改變電樞電壓的人為機械特性保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻，只改變電樞電壓時，機械特性表達(dá)式為Page64Page64人為機械特性圖3-4減少每極磁通人為機械特性3.減少氣隙磁通量的人為機械特性

電樞電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻時，僅改變每極磁通的人為機械特性表達(dá)式為

一般他勵直流電動機在額定磁通下運行時，電機已接近于飽和，增大每極磁通是難以做到的。因此，改變磁通實際上只能減少磁通。我們通過改變勵磁回路串接電阻或降低勵磁電壓來改變勵磁電流，從來調(diào)節(jié)磁通的大小。Page65Page65人為機械特性圖3-5電樞反應(yīng)有去磁效應(yīng)時的機械特性以上分析直流電機的固有機械特性或人為機械特性時，都忽略了電樞反應(yīng)的影響。實際上，由于電樞反應(yīng)表現(xiàn)為去磁效應(yīng)，使機械特性出現(xiàn)上翹現(xiàn)象，將對電動機的穩(wěn)定運行產(chǎn)生不良影響。為了避免機械特性的上翹，對容量較大的直流電機，為了補償電摳反應(yīng)去磁效應(yīng)，在主極上加上一個繞組，稱穩(wěn)定繞組，繞組里流的是電樞電流，產(chǎn)生的磁通補償了電樞反應(yīng)的去磁部分，使電機的機械特性不出現(xiàn)上翹現(xiàn)象。Page66Page66根據(jù)電機的銘牌數(shù)據(jù)繪制機械特性

1.固有機械特性的繪制(1)估算EaN或?qū)崪yRa；(2)計算CeφN；(3)求n0；(4)計算TN

。在坐標(biāo)紙上標(biāo)出(0,n0)，(TN,nN)兩點，過此兩點聯(lián)成直線，即為該直流電動機的固有機械特性。2.人為機械特性的繪制

各種人為機械特性的計算較為簡單，只要把相應(yīng)的參數(shù)代入相應(yīng)的人為機械特性方程式即可。

Page67串勵直流電動機的機械特性串勵直流電動機的特點是：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵磁電流If與電樞電流Ia相等，即If=Ia，氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，因而串勵電動機不同于他勵電動機的運行特性。

串勵直流電動機的固有機械特性是指：在電源電壓U=UN，電樞回路外串電阻RΩ=0時，n=?(T)的關(guān)系曲線，其表達(dá)式為Page68串勵直流電動機的機械特性(1)當(dāng)負(fù)載較小時負(fù)載較小，則T較小，這時磁路未飽和，氣隙主磁Φ∝Ia，即Φ=k1Ia，故有式中為一常數(shù)，所以特性方程為式中C1、C2均為常數(shù)，特性方程表明：轉(zhuǎn)速n是隨著電磁轉(zhuǎn)矩T的增大而減小，是雙曲線關(guān)系。(2)當(dāng)負(fù)載較大時：則T較大，這時磁路飽和，主磁通基本上為一常數(shù)，即Φ=k，特性方程為Page69串勵直流電動機的機械特性串勵直流電動機的特點是：電磁轉(zhuǎn)矩T與電樞電流Ia平方成正比，所以起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強，適合于拖動閘門、電車等負(fù)載。串勵直流電動機輕載時轉(zhuǎn)速很高，特性曲線與縱軸無交點，理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大，故不允許空載運行，也不允許用于皮帶傳動的拖動系統(tǒng)中，因為皮帶的老化脫落，將會造成“飛車”。Page70【例1-7】解：串勵電動機的額定電樞電流為額定負(fù)載時反電動勢為

電樞電流Ia=15A時的磁通為

某串勵直流電動機額定數(shù)據(jù)為：額定電壓UN=220V，額定電流IN=30A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，電樞回路總電阻Ra=0.57Ω，在磁路不飽和的情況下，求電機運行在半載，即電樞電流Iaˊ=15A時，電動機的轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩。Page71【例1-7】

此時的反電動勢為

電動機轉(zhuǎn)速為

電磁轉(zhuǎn)矩為

Page72復(fù)勵直流電動機的機械特性

積復(fù)勵在理想空載時，電樞電流為零，主磁通Φ0由并勵繞組產(chǎn)生，故存在理想空載轉(zhuǎn)速，為不會出現(xiàn)“飛車”危險；當(dāng)負(fù)載增大時，電樞電流增大，總磁通隨之增大，使轉(zhuǎn)速比并勵下降更多，

復(fù)勵直流電動機既有并勵繞組，又有串勵繞組，當(dāng)并勵與串勵繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相同時，稱為積復(fù)勵；當(dāng)并勵與串勵繞組產(chǎn)生的磁動勢方向相反時，稱為差復(fù)勵，差復(fù)勵在實際應(yīng)用中很少。積復(fù)勵直流電動機的機械特性介于他勵與串勵直流電動機特性之間。它具有串勵電動機的起動轉(zhuǎn)矩大，過載能力強的優(yōu)點，而沒有空載轉(zhuǎn)速很高的缺點。這種電機的用途也很廣泛，例如無軌電車就是用積復(fù)勵直流電動機拖動的。Page73直流電機的換向

電機運行時，元件會隨電樞的運轉(zhuǎn)從一條支路經(jīng)過電刷換到另一條支路，元件電流改變方向，這一過程稱為換向，換向也是直流電機特有的問題，換向的好壞，直接影響直流電機的運行性能。開始時，電刷與換向片1接觸，元件1屬于右邊一條支路，電流為；+ia

隨著電機的旋轉(zhuǎn)，電刷與換向片1、2同時接觸，元件1被短路，電流為零電刷與換向片2接觸，元件1屬于左邊一條支路，電流反向-ia

這樣元件1在被短路的過程中，電流方向發(fā)生了變化，即進(jìn)行了換向,換向周期極短，只有千分之幾秒

Page74直流電機的換向直線換向:如果當(dāng)換向元件中各種電動勢為零，被電刷短接的閉合回路就不會出現(xiàn)環(huán)流，元件中的電流大小由電刷與相鄰兩換向片的接觸面積決定，電流隨時間均勻變化，即有：i=?(t)。把這種換向稱為直線換向，直線換向是理想換向，電機不會出現(xiàn)火花。Page75直流電機的換向（2）互感電動勢eM同時換向的幾個元件中相互產(chǎn)生的互感電動勢，通常把自感電動勢eL與互感電動勢eM之和稱為電抗電動勢er，即：電抗電動勢總是阻礙換向元件中的電流變化的，er方向應(yīng)與換向前元件的電流方向一致。換向元件的感應(yīng)電動勢實際電機換向時，換向元件中Σe≠0。換向元件中存在以下電動勢：（1）自感電動勢eL

換向元件中電流變化時產(chǎn)生的自感電動勢，

Page76直流電機的換向

由于換向元件中的Σe=ea+er≠0，則在被電刷短接的閉合回路中就有環(huán)流ik產(chǎn)生，設(shè)閉合回路的總電阻為ΣR，環(huán)流為：（3）電樞反應(yīng)電動勢ea換向元件處在幾何中性線上，主磁場在此區(qū)域磁通密度Φ0=0，但電樞磁密Φa≠0，在刷位正常時最大換向元件切割電樞磁場產(chǎn)生電樞反應(yīng)電動勢ea，其方向與er相同，也是阻礙換向元件中的電流變化的。Page77直流電機的換向環(huán)流的存在使換向元件在換向過程中電流不隨時間