第7章直流电机的基本理论.ppt

大连理工大学电气工程系,7.1直流电机的工作原理,一、直流电动机的工作原理,第7章直流电机的基本理论,U,大连理工大学电气工程系,7.1直流电机的工作原理,一、直流电动机的工作原理,第7章直流电机的基本理论,电刷,线圈边切割磁感线会产生什么？,换向片,大连理工大学电气工程系,直流电流,交流电流,电磁转矩(拖动转矩),机械负载,反电动势,做功,7.1直流电机的工作原理,电磁关系,大连理工大学电气工程系,二、直流发电机的工作原理,E,7.1直流电机的工作原理,E,输出直流电,原动机,感应电动势、电流,电磁转矩（阻转矩）,做功,电磁关系,大连理工大学电气工程系,7.2直流电机的基本结构,一、主要部件1.定子(1)主磁极(2)换向磁极(3)机座(4)端盖等,第7章直流电机的基本理论,直流电机的定子,(a)主磁极,(b)机座,大连理工大学电气工程系,直流电机的定子,7.2直流电机的基本结构,更多的图片,大连理工大学电气工程系,2.转子（电枢）,(1)电枢铁心(2)电枢绕组,7.2直流电机的基本结构,(3)换向器(4)转轴与风扇,直流电机的转子,(a)转子主体,(b)电枢钢片,大连理工大学电气工程系,直流电枢绕组,结论：整个电枢绕组通过换向片连成一个闭合回路。,7.2直流电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,直流电枢绕组,电动机,发电机,两匝元件,7.2直流电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,12356891112,单叠绕组的展开图,并联支路对数：a=2。电刷的中心线对着磁极的中心线。,n,7.2直流电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,单叠绕组的展开图,电刷的中心线对着磁极的中心线：电刷之间的电动势最大。被电刷短接的元件电动势为零。习惯称“电刷放在几何中心线位置”。,磁极中心线,几何中心线,7.2直流电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,7.2直流电机的基本结构,直流电机的结构,电枢,大连理工大学电气工程系,7.2直流电机的基本结构,电机装配图,更多的图片,大连理工大学电气工程系,7.2直流电机的基本结构,直流电机,更多的图片,大连理工大学电气工程系,二、励磁方式,+Ua,+Uf,他励,并励,串励,复励,1.直流电动机按励磁方式分类,7.2直流电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,2.直流发电机按励磁方式分类,7.2直流电机的基本结构,他励,串励,复励,并励,大连理工大学电气工程系,1.额定电压UN发电机的UN：指输出电压的额定值。电动机的UN：指输入电压的额定值。2.额定电流IN发电机的IN：指输出电流的额定值。电动机的IN：指输入电流的额定值。3.额定功率PN发电机的PN：指输出电功率的额定值(UNIN)。电动机的PN：指输出机械功率的额定值(UNINN)。,三、额定值,7.2直流电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,4.额定转速nN5.额定励磁电压UfN6.额定励磁电流IfN额定状态：指U、I、P、n均为额定值的状态。满载状态：指I=IN的状态。,7.2直流电机的基本结构,大连理工大学电气工程系,7.3直流电机的电枢反应,几何中心线,励磁磁场（空载磁场）,物理中心线,电枢磁场,合成磁场（负载时的磁场）,物理中心线,电枢反应：,电枢磁通势对主极磁场的影响。,第7章直流电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,电枢反应的影响,总磁场被扭歪了几何中心线与物理中心线分开了,电刷位置处的元件的e0，增加换向困难。一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，磁路不饱和时，每极磁通不变；磁路饱和时，,每极磁通减少，e和T相应减少。,7.3直流电机的电枢反应,大连理工大学电气工程系,7.4直流电机的电磁转矩和电动势,一、电磁转矩1.产生电枢电流i磁场,F,T,2.大小电磁力：F=Bli平均磁密：,第7章直流电机的基本理论,极距,大连理工大学电气工程系,7.4直流电机的电磁转矩和电动势,一、电磁转矩1.产生电枢电流i磁场,FT,2.大小电磁力：F=Bli平均磁密：每根导线上电磁力所形成的电磁转矩：FR,第7章直流电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,电枢绕组串联总匝数：N电枢绕组并联支路数：2a总导体数：2N2a=4aN电枢的周长：2R=2p电磁转矩：T=4aNFR,7.4直流电机的电磁转矩和电动势,大连理工大学电气工程系,2.大小T=CTIaCT转矩常数：3.方向由和Ia共同决定。4.性质发电机：电动机：,T与n方向相反，为制动转矩。T与n方向相同，为拖动转矩。,7.4直流电机的电磁转矩和电动势,(Nm),大连理工大学电气工程系,1.产生电枢旋转n磁场2.大小每个导体：e=Blv导体切割磁场线的线速度：电动势：E=2Ne,二、电动势,e,e,E,7.4直流电机的电磁转矩和电动势,=2NBlv,大连理工大学电气工程系,CT=9.55CE,7.4直流电机的电磁转矩和电动势,E=CEnCE电动势常数：,(V),3.方向：由和n共同决定。4.性质发电机为电源电动势；电动机为反电动势。,大连理工大学电气工程系,7.5直流电动机的运行分析,一、他励电动机,励磁电压UfIf,电枢电压UaIa,T,n,1.电压平衡方程式励磁电路：Uf=RfIf电枢电路：Ua=E+RaIa,第7章直流电机的基本理论,E,大连理工大学电气工程系,稳态电枢电流Ia由谁确定？,T=CTIa，Ua=E+RaIa例如：负载不变(T不变)，Ua(Ra)变化时，Ia变化否（设不变）？,Ua(或Ra),瞬间n不变E不变,Ia,T,TTL,E,Ia,T,T=TL,Ia不变,结论：Ia的大小取决于负载的大小。当Ia=IaN时为满载，当IaIaN时为过载。规定短时过载的最大电枢电流：Iamax=(1.52)IaN=MCIaN,7.5直流电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,机械特性,2.转速,当T时，n下降不多硬特性。励磁电路断电的后果当If=0，=r很小，n不能突变，E很小T=CTrIa仍有一定数值。,Ia,(1)若TTL,n,飞车！,(2)TTL,n,n=0,闷车！,7.5直流电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,7.5直流电动机的运行分析,3.转向,取决于电磁转矩T的方向。T的方向取决于和Ia的方向。,磁场反向,电枢反向,大连理工大学电气工程系,二、并励电动机,并励与他励的区别:1.输入电压U=Ua=Uf2.输入电流I=Ia+If3.输入功率P1=UI=UIa+UIf,7.5直流电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例7.5.1】某并励直流电动机，UN=220V，IN=12.5A，nN=3000r/min，Rf=628，Ra=0.41。求该电机在额定状态下运行时的：(1)If；(2)Ia；(3)E；(4)T。解：(1)励磁电流If,7.5直流电动机的运行分析,(2)电枢电流IaIa=INIf=(12.50.35)A=12.15A(2)电动势EE=UNRaIa=(2200.4112.15)V=215V,大连理工大学电气工程系,CT=9.55CE=0.685T=CTIa=0.68512.15Nm=8.32Nm,(4)电磁转矩,7.5直流电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,三、串励电动机,7.5直流电动机的运行分析,1.电压U=Ua+Uf=E+(Ra+Rf)I2.电流I=Ia=If,3.转矩T=CTIa(1)当Ia较小、磁路未饱和时，,Ia，,TIa2。,(2)当Ia较大、磁路已饱和时，,常数，,TIa。,大连理工大学电气工程系,即TIam(1m2)与并励电动机比较，有如下特点：(1)对应于相同的T，Ia小。(2)对应于允许的Iamax，能够产生的T大，Tst和Tmax较大。4.转速,7.5直流电动机的运行分析,(1)当T=0时，Ia=If=0，,=r，,n0=(56)nN。,大连理工大学电气工程系,(2)当T很小时，Ia很小，,磁路未饱和，,TIa,n迅速下降。,(3)当T很大时，Ia很大，,磁路已饱和，,TIa,基本不变,n下降较少。,7.5直流电动机的运行分析,5.应用(1)特别适用于起重机和电气机车等运输机械。(2)不能在轻载或空载下运行。(3)不能用皮带轮传动。,串励电动机的机械特性,软特性,大连理工大学电气工程系,四、复励电动机,1.积复励、差复励。2.机械特性(1)有较大的Tst。(2)可以空载运行。,7.5直流电动机的运行分析,大连理工大学电气工程系,7.6直流电动机的功率和转矩,1.功率平衡方程式(1)输入功率P1P1=UI(2)铜损耗PCuPCu=RaIa2RfIf2(3)电磁功率PePe=P1PCu推导：UI=U(IaIf)=UaIaUfIf=(ERaIa)IaRfIf2=EIaRaIa2RfIf2,第7章直流电机的基本理论,Pe=EIa,一、直流电动机的功率,大连理工大学电气工程系,7.6直流电动机的功率和转矩,Pe=EIa=CEnIa,=T,功率流程图,2.转矩平衡方程式空载：T=T0负载:T=T0+T2,(4)空载损耗P0P0=PFePmePad(5)输出功率P2P2=PeP0=T2,大连理工大学电气工程系,7.6直流电动机的功率和转矩,(6)总损耗Pal=PCuPFePmePad(7)功率平衡方程式P1P2=Pal(8)效率,二、直流电动机的转矩T=T0TL,大连理工大学电气工程系,【例7.6.1】一并励电动机，UN=110V，IN=12.5A，nN=1500r/min，TL=6.8Nm，T0=0.9Nm。求该电机的P2、Pe、P1、Pal和。解：,Pe=P2P0=(1067.6143.3)W=1208.9WP1=UNIN=11012.5W=1375WPal=P1P2=(13751067.6)W=307.4W,7.6直流电动机的功率和转矩,大连理工大学电气工程系,7.7直流发电机的运行分析,一、他励发电机,第7章直流电机的基本理论,外电源UfIf,n,原动机,电枢,Ua,1.空载运行励磁电路：,励磁电路总电阻,电枢电路：Ia=0，Ua=U0=E,调节Rf,If可变,可变,E可变,Ua可变。,大连理工大学电气工程系,U0=E=f(If),空载特性,Er,剩磁感应电动势,2.负载运行输出电压:U=Ua输出电流:I=Ia电压平衡方程式U=Ua=ERaIa,当Ia,RaIaE(电枢反应),外特性U=f(I),n=nNIf=IfN,7.7直流发电机的运行分析,空载特性,外特性,大连理工大学电气工程系,电压调整率,(5%10%),调整特性当n=nN，U=UN时：If=f(I),7.7直流发电机的运行分析,调整特性,大连理工大学电气工程系,【例7.7.1】一他励直流发电机，PN=10kW，UN=230V，nN=1000r/min，Ra=0.4。如果磁通保持不变，求1000r/min时的空载电压U0和900r/min时的满载电压U。解：在nN和UN时的电枢电流,U0=E=UaRaIaN=(2300.443.5)V=247V在保持不变时，En,7.7直流发电机的运行分析,U=ERaIaN=(2220.443.5)V=205V,大连理工大学电气工程系,二、并励发电机,Ua,E?E?1.自励条件(1)主磁极必须有剩磁r：,r,Er,Ifr,EEr,与r方向相同,EEr,与r方向相反,(2)励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：,r,Er,Ifr,EEr,IfIfr,E,E与If既应满足空载特性又应满足欧姆定律。,7.7直流发电机的运行分析,E,大连理工大学电气工程系,当RfRk时，EEr，能够自励。当Rf=Rk时，E不确定，不能自励。当RfRk时，EEr，不能自励。(3)励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,场阻线：,场阻线的斜率：,=RaRf,RfRk,7.7直流发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,2.运行分析,I=IaIfU=Ua=UfUa=ERaIa,I,Ia,RaIaE(电枢反应)Uf,Ua,外特性U=f(I),并励,(1)负载增加时，U下降较快。VR20%,7.7直流发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,(2)外特性有拐弯现象。,RLI(Ia)U,RLUIf,E(较大幅度)U的下降比RL的减少得更快,RLUI,RL=0，U=0，If=0=r，E=ErISC较小。(3)稳态短路电流不大。,7.7直流发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,【例7.7.2】例7.7.1中的他励发电机，励磁绕组的电阻为100。转速为1000r/min时的空载特性如图所示。今将它改作并励发电机运行。问励磁电路内应串联多大的电阻才能获得230V的空载电压和满载电压？解：空载运行时,U0=ERaIfE查空载特性得：If=1.5A时E=230V根据E=(RaRf)If可得,7.7直流发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,应串联的电阻为：R=Rf100=(153.3100)=53.3若要满载电压为230V，则需E=247V。再查空载特性得：If=2A时E=247V根据UN=RfIf可得,7.7直流发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,*三、串励发电机,1.基本关系I=Ia=IfU=UaUf=E(RaRf)I2.外特性空载时，I=Ia=If=0=r，E=Er负载时，I(If)UI(If),7.7直流发电机的运行分析,Er,外特性,电阻压降U。,大连理工大学电气工程系,四、复励发电机,1.分为积复励和差复励2.对于积复励发电机(1)平复励发电机当I=IN时的UN=U0。(2)过复励发电机当I=IN时的UNU0。(3)欠复励发电机当I=IN时的UNU0。,7.7直流发电机的运行分析,大连理工大学电气工程系,7.8直流发电机的功率和转矩,一、直流发电机的功率1.输入功率P1:2.空载损耗P0:3.电磁功率Pe:4.铜损耗PCu:5.输出功率P2:,P1=T1P0=PFePmePadPe=P1P0=T=EIaPCu=RaIa2RfIf2P2=UI=PePCu,第7章直流电机的基本理论,大连理工大学电气工程系,功率流程图,7.8直流发电机的功率和转矩,6.总损耗Pal=PCuPFePmePad,7.效率,大连理工大