电机学_直流电机部分2

1、电电 机机 学学许许 加加 柱柱湖湖 南南 大大 学学第二章第二章 直流电机直流电机概述概述1直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2直流电机的磁场直流电机的磁场3直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性4直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性5直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动6直流电机的换向直流电机的换向72.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性1.1.基基 本本 方方 程程 1 1）电动势平衡方程）电动势平衡方程 2 2）功率平衡方程）功率平衡方程 3 3）转矩平衡方程）转矩平衡方程2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性电动势平衡方程电动势平衡方程

2、电枢回路：电枢回路：aaaRIUE )(a ab ba aa ab ba aa aI IU U2 2r rI IU U2 2r rI IaaRIa ab ba aI IU U2 2r raR2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性电动势平衡方程电动势平衡方程励磁回路：励磁回路：f ff fj jf ff fR RI Ir rr rI IU U)(电流方程：电流方程：f fa aI II II I2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性功率平衡方程功率平衡方程电磁功率：电磁功率：60230emaaaaaaemPEIpNn IapNInaT 2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的

3、基本特性a a2 2a af fa aa aR RI IU IU IU IU IR RI IU UaemIP)(cucu2 2cuacuacufcuf2 2p pP Pp pp pP PemP上式就是电枢回路功率平衡方程的标准形式，上式就是电枢回路功率平衡方程的标准形式，其中其中 是输出的电功率；是输出的电功率； 是总铜耗，包括是总铜耗，包括电枢铜耗和励磁损耗。电枢铜耗和励磁损耗。( (可变损耗部分可变损耗部分) )2 2P PcucuP P功率平衡方程功率平衡方程2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性电磁功率只是输入机械功率转换成电功率的那部分，那么直电磁功率只是输入机械功率转换成

4、电功率的那部分，那么直流发电机总的功率平衡方程还应包括输入功率与电磁功率之流发电机总的功率平衡方程还应包括输入功率与电磁功率之间的传递关系。间的传递关系。由输入功率传递到电磁功率过程中的损耗：由输入功率传递到电磁功率过程中的损耗：1 1）机械损耗）机械损耗(Pmec)(Pmec)2 2）铁心损耗）铁心损耗(Pfe)(Pfe)3 3）杂散损耗）杂散损耗(Pad)(Pad)不变损耗部分，又称空载损耗不变损耗部分，又称空载损耗0 0ememadadfefem ecm ec1 1p pP Pp pp pp pP PemP功率平衡方程功率平衡方程2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性cucu2

5、 2cuacuacufcuf2 2p pP Pp pp pP PemP0 0ememadadfefem ecm ec1 1p pP Pp pp pp pP PemPp pP Pp pp pP PP P2 20 0cucu2 21 1cufcufcuacuaadadfefem ecm eccucu0 0p pp pp pp pp pp pp pp p1211PpP100%100%PP运行效率运行效率什么时候效率什么时候效率最高呢？最高呢？2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性转矩平衡方程转矩平衡方程0 0emem1 1P PP PP P0 0emem1 1T TT TT T2.4 直流

6、发电机的基本特性直流发电机的基本特性例：一台四极并励直流发电机额例：一台四极并励直流发电机额定数据为：定数据为：Pn=6kW,Un=230V,nN=1450r/min,Pn=6kW,Un=230V,nN=1450r/min,电枢回路电阻电枢回路电阻ra=0.92ra=0.92，励磁回路电阻励磁回路电阻Rf=177,2Ub=2V,Rf=177,2Ub=2V,空载损耗空载损耗P0=355WP0=355W。求额定负载下的电磁功率、电磁求额定负载下的电磁功率、电磁转矩和效率转矩和效率2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.2.他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性1 1）空载特性）空载特

7、性2 2）负载特性）负载特性3 3）外特性）外特性4 4）调节特性）调节特性可测得的物理量：可测得的物理量：n、U、I、If直流发电机一般由原动机拖动旋转，因此可认为直流发电机一般由原动机拖动旋转，因此可认为n不变不变。2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性空载特性（空载特性（n=常数、常数、I=0时，时，U0=f(If)的关系曲线）的关系曲线）Ur注：任何一种励磁方式的直流电机，其空注：任何一种励磁方式的直流电机，其空载特性曲线均由他励接线方式测定！载特性曲线均由他励接线方式测定！2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性负载特性（负载特性（n=常数、常数、I=常数常数时，时

8、，U=f(If)的关系曲线）的关系曲线）2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性调节调节R RL LI I从零增至额定值从零增至额定值aaeaaaRInCRIEU IU1n n不变不变I If f不变不变外特性（外特性（n=常数、常数、If=常数常数时，时，U=f(I)的关系曲线）的关系曲线）2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性%1000 NNUUUU U U0 0是空载时的端电压，是空载时的端电压， 一般他励直流发电机的一般他励直流发电机的电压变化率约为电压变化率约为5 510%10%。电压调整率电压调整率从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示。从空载到负载，电压

9、下降的程度由电压变化率来表示。2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性IIf 转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电转速一定，负载电流变化时，为维持他励直流发电机的端电压不变，需要调节励磁电流。负载电流增大，机的端电压不变，需要调节励磁电流。负载电流增大，励磁电流也增大。励磁电流也增大。INIfN调节特性（调节特性（n=常数、常数、U=常数常数时，时，If=f(I)的关系曲线）的关系曲线）2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性3.3.并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁电流不需要另外的直流电源，并励发电机的励磁电流不需要另外的直流电

10、源，而是取自发电机本身，因此也叫做而是取自发电机本身，因此也叫做自励式发电机自励式发电机，应用较为广泛。与他励发电机相比，运行特性在应用较为广泛。与他励发电机相比，运行特性在自励过程自励过程和和外特性外特性有些不同。有些不同。2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性自励过程自励过程稳定在端电压恰好与稳定在端电压恰好与励磁回路电压降相等励磁回路电压降相等原动机拖动电枢转动原动机拖动电枢转动电枢两端产生一个小剩磁电压电枢两端产生一个小剩磁电压剩磁电压在励磁绕组剩磁电压在励磁绕组中产生励磁电流中产生励磁电流励磁电流增加主磁通励磁电流增加主磁通主磁通增加导致端电压增加主磁通增加导致端电压增加端

11、电压增加又增强磁通端电压增加又增强磁通2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性自励条件自励条件1 1）电机中存在剩磁）电机中存在剩磁2 2）励磁绕组连接正确）励磁绕组连接正确3 3）励磁回路电阻应小于临界电阻）励磁回路电阻应小于临界电阻2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性)()(f ff fE EE E0 0I IG Gn nI Ig gC Cn nC CU U)(f ff ff f0 0I If fR RI IU U)()(f ff fE Ef ff fI IG GI If fn nC CR RI I临界电阻：电阻线与空载特性线性段重合时临界电阻：电阻线与空载特性线性段重

12、合时对应的电阻值对应的电阻值2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性空载特性曲线正空载特性曲线正比于电机的转速，比于电机的转速，转速降低曲线下转速降低曲线下移，临界电阻也移，临界电阻也随之变小。随之变小。2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性外特性（外特性（n=常数、常数、Rf=常数时，常数时，U=f(I)的关系曲线）的关系曲线）1)1)并励发电机端电压下降并励发电机端电压下降的速度比他励发电机端电的速度比他励发电机端电压下降得快压下降得快2 2）负载电流有）负载电流有“拐弯拐弯”现象现象2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性为什么端电压会下降的快？为什么端电压会下

13、降的快？aaaRIEU)(f fE EI If fn nC CaEf ff fR RU UI IU UE EI IU UI II If fa a2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性为什么电流会为什么电流会“拐弯拐弯”？L LR RU UI IU UE EI IU Uf fU UE EI IU Uf fa ar rK0K0R RE EI I稳态短路电流稳态短路电流例：一台四极例：一台四极82kW82kW、230V230V、970r/min970r/min的并励发电机，的并励发电机，ra=0.0259ra=0.0259，并励绕组每极，并励绕组每极78.578.5匝，匝，rf=22.8r

14、f=22.8。额定负载时励。额定负载时励磁回路串入调节电阻磁回路串入调节电阻Rj=3.7, 2Ub=2VRj=3.7, 2Ub=2V，pmec+pfe=4.3kWpmec+pfe=4.3kW，pad=0.005Pnpad=0.005Pn，其空载特性数据如下表所示。求，其空载特性数据如下表所示。求1 1）额定负载时的电枢电动势）额定负载时的电枢电动势2 2）额定负载时的电磁功率、电磁转矩、输入功率及效率）额定负载时的电磁功率、电磁转矩、输入功率及效率3 3）额定负载时的电压调整率）额定负载时的电压调整率4 4）额定负载时电枢反应的每极去磁磁动势）额定负载时电枢反应的每极去磁磁动势If/A23.2

15、4.55.56.58.211.7U0/V1001501982262442602802.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性4.4.复励发电机的特点复励发电机的特点2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性积复励：以并励绕组为主，串励绕组起补偿积复励：以并励绕组为主，串励绕组起补偿电枢反应去磁作用和电枢绕组电压降的作用。电枢反应去磁作用和电枢绕组电压降的作用。差复励：串励绕组起去磁作用，使主磁通和电动差复励：串励绕组起去磁作用，使主磁通和电动势进一步下降。势进一步下降。(恒流源恒流源)平

16、复励平复励过复励过复励欠复励欠复励2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性1.1.基基 本本 方方 程程电动势平衡方程电动势平衡方程a aa aR RI IE EU U电流方程电流方程f fa aI II II I2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性动态方程动态方程U Ui ik ki iR RdtdtdidiL Lf fafafa aa aa aa aU Ui iR RdtdtdidiL Lf ff ff ff f2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性功率平衡方程功率平衡方程输入功率：输入功率：UIUIP P1 1a aa aa af ff fa a1 1I I

17、R RI IE EUIUII IU(IU(IUIUIP P)()ememcucuememcuacuacufcufa aa a2 2a af fP Pp pP Pp pp pEIEIR RI IUIUI2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性0 02 2adadfefemecmec2 2ememp pP Pp pp pp pP PP Pp pP Pp pp pP Pp pP PP P2 20 0cucu2 2cucuemem1 1%100100P Pp pP P100100P PP P1 11 11 12 22.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性转矩平衡方程转矩平衡方程0 02

18、 2ememP PP PP P0 02 2ememT TT TT TT TT TT Tdtdtd dJ JT TT TT T0 02 20 02 2ememdtdtd dJ JT T(T(T- -T TT T0 02 2emem)2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性状态方程状态方程f fa af fafaff ff fa af fafafa aa af fa ai ii i0 00 0J Ji ik k0 0L LR R0 0L Li ik k0 0L LR Ri ii idtdtd d/L Lf fa af fa aT TU UU U1/J1/J0 00 00 0L L1 10

19、00 00 0L L1 1/2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性2.2.工作特性工作特性电动机运行时转速电动机运行时转速n n，电磁转矩，电磁转矩TemTem和效率和效率与负载功率（输出功率）与负载功率（输出功率）P2P2的关系曲线称为的关系曲线称为工作特性。工作特性。)()()(2 22 2emem2 2P Pf fP Pf fT TP Pf fn n2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性一、并励电动机的工作特性一、并励电动机的工作特性实验中保持：实验中保持：N NU UU U常数常数fNfNf fI II I常数常数2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性1、

20、速率特性、速率特性)()()(2 22 2emem2 2P Pf fP Pf fT TP Pf fn nE Ea aa aC CR RI IU Un n%100100n nn nn nn nN NN N0 0并励电动机运行时，励磁绕组绝对不能开路并励电动机运行时，励磁绕组绝对不能开路2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性2 2、转矩特性、转矩特性)()()(2 22 2emem2 2P Pf fP Pf fT TP Pf fn n/2 20 02 20 0ememP PT TT TT TT T3 3、效率特性、效率特性)()()(2 22 2emem2 2P Pf fP Pf fT

21、TP Pf fn n2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性1、速率特性、速率特性)()()(2 22 2emem2 2P Pf fP Pf fT TP Pf fn n串励电动机的转速随着输出串励电动机的转速随着输出功率的增大而迅速下降。功率的增大而迅速下降。串励电动机绝对不允许串励电动机绝对不允许空载运行。空载运行。%100100n nn nn nn nN NN N1/41/42.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性2 2、转矩特性、转矩特性)()()(2 22 2emem2 2P Pf fP Pf fT TP Pf fn n串励电动机的电磁转矩随着串励电动机的电磁转矩随着输

22、出功率的增加而迅速上升，输出功率的增加而迅速上升，这是串励电动机的突出特点。这是串励电动机的突出特点。em22TIaaI2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性3.3.机械特性机械特性直流电动机的机械特性是指：直流电动机的机械特性是指：在在U=Un=U=Un=常数时，转速常数时，转速n n与电磁转矩与电磁转矩TemTem的的关系曲线。关系曲线。)(ememT Tf fn n2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性1 1、并励电动机的机械特性、并励电动机的机械特性E Ej ja aa aC CR RR RI IU Un n)(T Temema aC CT TI I/emem2 2

23、T TE Ej ja aE ET TC CC CR RR RC CU Un n并励电动机的机械特性为硬特性并励电动机的机械特性为硬特性2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性emCT 2 2、串励电动机的机械特性、串励电动机的机械特性)(j ja a2 2emem1 1R RR RC CT TU UC Cn n串励电动机的机械特性为软特性串励电动机的机械特性为软特性emem2 2T TE Ej ja aE ET TC CC CR RR RC CU Un n2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性4.4.直流电动机的稳定运行条件直流电动机的稳定运行条件稳定运行的含义：设电机和生产

24、机械组成的拖动机稳定运行的含义：设电机和生产机械组成的拖动机组已运行于某一转速，若外界短时扰动（如负载突变）组已运行于某一转速，若外界短时扰动（如负载突变）使转速产生的变化，在扰动消失后能随之消失，即机组使转速产生的变化，在扰动消失后能随之消失，即机组能自行恢复到原来的速度，则称机组运行是稳定的。能自行恢复到原来的速度，则称机组运行是稳定的。2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性几类典型负载的机械特性几类典型负载的机械特性1.1.风机、泵类：风机、泵类：2. 2. 发电机负载：发电机负载：3. 3. 提升、牵引类负载：提升、牵引类负载：4. 4. 金属切割机床负载：金属切割机床负载：

25、2 2n nT Tn nT TconstconstT Tn n1 1T T2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性稳定性分析稳定性分析)ememf(Tf(Tn n为电动机机械特性为电动机机械特性)L Lf(Tf(Tn n为负载机械特性为负载机械特性2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性直流电动机稳定运行条件直流电动机稳定运行条件0 0T TT Tdndnd dT Tdndnd dL Lemem)()(dndndTdTdndndTdTL Lemem2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性直流电动机稳定运行条件直流电动机稳定

26、运行条件1 1、电动机具有下降的机械特性，对非下降性、电动机具有下降的机械特性，对非下降性的机械负载都能满足稳定运行的要求。的机械负载都能满足稳定运行的要求。2 2、当电动机和机械负载具有相同的单调性质，、当电动机和机械负载具有相同的单调性质，则在满足稳定条件的某个运行区域是稳定的。则在满足稳定条件的某个运行区域是稳定的。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动 直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程，直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程， 称为称为起动过程。起动过程。研究起动的方法是尽量缓解上述矛盾研究

27、起动的方法是尽量缓解上述矛盾直流电动机起动要求直流电动机起动要求起动时的电磁转矩要求大起动时的电磁转矩要求大起动时要限制起动电流起动时要限制起动电流a aT TememI IC CT Ta aststR RU UI I矛矛盾盾起动设备要简单、经济、可靠起动设备要简单、经济、可靠2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、直接起动（只适合对小容量的电动机）、直接起动（只适合对小容量的电动机）直接起动时，先合上直接起动时，先合上励磁绕组的开励磁绕组的开(Kf)(Kf)，以确保在电动机起动以确保在电动机起动时磁场已经建立。时磁场已经建立。2.6 直流电动机的起动、调速和制

28、动直流电动机的起动、调速和制动起动电流：起动电流：a aa aststR RU UR Re eU UI I起动转矩：起动转矩：ststT TststI IC CT T优点优点：操作简单，无需另加设备：操作简单，无需另加设备缺点：缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机00aE,n2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、电枢回路串电阻起动、电枢回路串电阻起动ststa aststR RR RU UI I 将起动电阻串入电枢回路，将起动电阻串入电

29、枢回路，待转速上升后，逐步将起动待转速上升后，逐步将起动电阻切除。电阻切除。R1R2R3Tn0R1+R2+R3R1+R2R12.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、电枢回路串电阻起动、电枢回路串电阻起动起动电流起动电流321cccaNstRRRRUI 将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的RstRst，其其步骤步骤: :（1 1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻RaRa（2 2）选取最大起动电流）选取最大起动电流I I1 1，计算最大起动电阻，计算最大起动电阻（3 3

30、）决定起动电阻级数）决定起动电阻级数（4 4）计算起动电流比）计算起动电流比2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、电枢回路串电阻起动、电枢回路串电阻起动变阻器十分笨重，经常起变阻器十分笨重，经常起动时消耗很多电能。动时消耗很多电能。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动3 3、降压起动、降压起动 降压起动通过降低端电压来限制起动电流的降压起动通过降低端电压来限制起动电流的一种起动方式，对抑制起动电流最有效，能量消一种起动方式，对抑制起动电流最有效，能量消耗也最小。现在通常用可控硅整流电源，已广泛耗也最小。现在通常用可控硅整流电源，已广

31、泛运用于直流电动机和各类直流电力电子传动系统。运用于直流电动机和各类直流电力电子传动系统。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动3 3、降压起动、降压起动开始时，降低端电压，开始时，降低端电压， 使使I Ia a(1.5(1.5 2.0)I2.0)IN N T Temem=(1.5=(1.52.02.0）T TemNemN随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。在一定范围内。优点优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：缺点：需要一套专用的直流发电机

32、或整流电源，投资需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。费用大。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为改变传动机构的传动比改变工作机构的速度，称为机械调速机械调速人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为电阻），使同一机械负载得到不同转速，称为电气调速电气调速电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、

33、过程要求调节的范围宽广、过程平滑平滑、调节的方法、调节的方法简单、经济简单、经济2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速E Ej ja aa aC CR RR RI IU Un n)(1 1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻调速2 2、改变励磁电流调速、改变励磁电流调速3 3、改变端电压调速、改变端电压调速直流电动机的转速公式：直流电动机的转速公式：2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻调速 保持保持U UU UN N且且 N N不变，电枢回路中串入调速不变，电

34、枢回路中串入调速电阻电阻RcRc，使同一个负载得到不同转速的方法，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为称为电枢串电阻调速电枢串电阻调速。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻调速E Ea aa a0 0C CR RI IU Un nE Ej ja aa aj jC CR R(R(RI IU Un n)emem2 2T TE Ej ja aE Ej j0 0j jT TC CC CR RI IC CR Rn nn nn n2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、电枢回路串电阻调速、电枢回路串电阻

35、调速串入电枢回路的电阻越大，串入电枢回路的电阻越大， 转速转速越低。越低。R2R1PQR1R2If2从两个稳定点从两个稳定点P P、Q Q对应转速说对应转速说明明减小励磁减小励磁可以使可以使转速升高转速升高。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、改变励磁电流调速、改变励磁电流调速I If f减小瞬间减小瞬间速度不变速度不变 减小减小nCEea aaREUI aTemICT ZemTT 机组加速机组加速n nE Ea aI Ia aT TememT TememT TZ Z新的平衡，新的新的平衡，新的IaIa和和n n2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机

36、的起动、调速和制动2 2、改变励磁电流调速、改变励磁电流调速调速前后的量：调速前后的量：（1）假定负载转矩不变，）假定负载转矩不变， 2211aMaMemICICT 1221 aaII (2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和假定磁路不饱和，不计电枢反应和I Ia aR Ra a的变化的变化1212212211 ,ffIInnnCenCeE （3） 恒转矩负载，恒转矩负载， ， 基本不变基本不变nPIUPa 212.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、改变励磁电流调速、改变励磁电流调速改变励磁电流调速时，减小励磁电流将使电机转速改变励磁电流调速时，减小励磁电流将使电

37、机转速升高，电机的输出功率增加；与此同时，电枢电流升高，电机的输出功率增加；与此同时，电枢电流增加，输入功率也增加，增加，输入功率也增加，电动机的效率几乎不变电动机的效率几乎不变。优点优点：设备简单，调节方便，能耗小：设备简单，调节方便，能耗小缺点缺点： 单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，单方向调节，转速调得过高，励磁过弱， 电枢电枢 电流变大，电流变大， 换向变坏，换向变坏， 出现不稳定出现不稳定2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动3 3、改变端电压调速、改变端电压调速电枢回路串电阻调速只能下调电动机转速；电枢回路串电阻调速只能下调电动机转速；改变励磁电流调速只

38、能上调电动机转速。改变励磁电流调速只能上调电动机转速。改变电压调速是一种灵活的调速方式，转速既可以上升改变电压调速是一种灵活的调速方式，转速既可以上升也可以降低，配合励磁调节，调节范围可以更加广泛。也可以降低，配合励磁调节，调节范围可以更加广泛。E Ea aa a0 0C CR RI IU Un nTemnU1U1U2U3U2U3PQ2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动3 3、改变端电压调速、改变端电压调速（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线，）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线， 无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果无论是满载、轻载还是空载都

39、有明显的调速效果（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好，起的转速波动不大。静态稳定性好， 调速范围大调速范围大（3）可平滑调节端电压，）可平滑调节端电压， 使转速平滑调节，实现无使转速平滑调节，实现无级调速级调速（4）调节过程能量损耗小）调节过程能量损耗小调压调速的特点：调压调速的特点：2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动调速性能指标调速性能指标（1）调速范围调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时，：电动机在额定负载转矩下调速时， 最最高转速与最低转速之比。用高转速与最低转速之比。用

40、D表示。表示。（2）静差率静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。机由理想空载到额定负载时转速的变化率。 静差率越静差率越小，小， 转速的相对稳定性越好。转速的相对稳定性越好。（3）调速的）调速的平滑性平滑性：无级调速平滑性最好，：无级调速平滑性最好， 有级调速有级调速由相邻两级转速中，由相邻两级转速中， 高一级转速与低一级转速之比。高一级转速与低一级转速之比。 （4）调速时电动机的）调速时电动机的容许输出容许输出：电动机在不同转速时：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不轴上输出的功率和转

41、矩。不同的调速方法允许的输出不同。同。（5） 经济性经济性2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动电动机调速时的容许输出电动机调速时的容许输出在某转速下，在某转速下， 电机即能充分利用；电机即能充分利用； 又能安全运行时输出又能安全运行时输出的功率和转矩称为，的功率和转矩称为， 调速时的调速时的允许输出功率和转矩允许输出功率和转矩。 (1)调压调速的允许输出调压调速的允许输出降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。n.TTPICTememaTemN559 在整个调速范围允许输出转矩为常数，在整个调速范围允许输出转矩

42、为常数，恒转矩调速方式。恒转矩调速方式。允许输出功率与转速成正比。允许输出功率与转速成正比。 nKn.T.nTPKTICTiNiiNNNTi559559保持保持I不变不变2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动弱磁调速时，保持电流弱磁调速时，保持电流IINnKnCRIUeaNN2 4332K559559.nnK.nTPnKInKCICTiiNTNTi 弱磁调速时，弱磁调速时， 在整个调速范围内的允许输出功率为在整个调速范围内的允许输出功率为常数，常数， 是恒功率调速方式是恒功率调速方式。 其允许输出转矩与转速成反比其允许输出转矩与转速成反比。 (2)弱磁调速的允许输出弱

43、磁调速的允许输出2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动恒转矩负载恒转矩负载恒转矩调速方式：恒转矩调速方式：使电机在任何转速下都满载运行，使电机在任何转速下都满载运行， 能得到充能得到充分利用。分利用。恒功率调速方式：恒功率调速方式：在在n nn nminmin时，电动机的转矩及功率比负载需时，电动机的转矩及功率比负载需要的转矩和负载大得多，要的转矩和负载大得多， 电动机没充分利用，造成浪费。电动机没充分利用，造成浪费。maxLNNNmaxNLNP.nTPnnTT559LminmaxLminmaxLNNNmaxLmaxLNminNDTnnTnP.nP.T.nTPPnn5

44、59559559恒转矩调速方式恒转矩调速方式弱磁控制弱磁控制负载类型与调速方式的配合负载类型与调速方式的配合2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动maxLminmaxLNNNLNminNTnP.nP.TPPnn559559恒功率负载恒功率负载恒转矩调速方式：恒转矩调速方式：高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩，高速时电动机需要输出的转矩小于额定转矩， 电流小于额定电流，电流小于额定电流， 电动机没有被充分利用。电动机没有被充分利用。恒功率调速方法：恒功率调速方法：在整个调速范围内，做到额定转矩输出，在整个调速范围内，做到额定转矩输出， 电电机安全且充分利用。机安全且

45、充分利用。LmaxmaxLNNNmaxNmaxLLNDP.nT.nTPnnTTT559559恒转矩调速方式恒转矩调速方式恒功率控制恒功率控制负载类型与调速方式的配合负载类型与调速方式的配合2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动三、直流电动机的制动三、直流电动机的制动直流电动机的两种运转状态：直流电动机的两种运转状态：（1）电动运转状态：电动运转状态：电动机的电磁转矩方向电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同与旋转方向相同 ，此时电网向电动机输入电，此时电网向电动机输入电能，能， 并转变为机械能带动负载。并转变为机械能带动负载。（2）制动运转状态：制动运转状态：电动机的电磁

46、转矩方向电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变与旋转方向相反，此时电动机吸收机械能转变为电能。为电能。 电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速，电动机很快停车，或者由高速运行很快进入低速， 要求制动运行。要求制动运行。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动三、直流电动机的制动三、直流电动机的制动电动机制动的物理本质是在电机转轴上施加一个与旋转电动机制动的物理本质是在电机转轴上施加一个与旋转速度方向相反的转矩，这个转矩可以使机械的，也可以速度方向相反的转矩，这个转矩可以使机械的，也可以是电磁的。在电机学中讲的主要是指是电磁的。在电机学中讲的主要

47、是指电磁制动电磁制动。1 1）能耗制动）能耗制动2 2）反接制动）反接制动3 3）回馈制动）回馈制动断开电源断开电源抱闸抱闸机械制动机械制动自由停车自由停车2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、能耗制动、能耗制动能耗制动时，能耗制动时，保持励磁保持励磁电流电流If的大小及方向不的大小及方向不变变,电动机作为他励发电动机作为他励发电机运行，由于发电机电机运行，由于发电机的电磁转矩与电枢旋转的电磁转矩与电枢旋转的方向是相反的，因而的方向是相反的，因而产生制动作用，使电机产生制动作用，使电机转速变慢，直至电枢旋转速变慢，直至电枢旋转的动能全部变为电能，转的动能全部变

48、为电能，消耗在电阻上。消耗在电阻上。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、能耗制动、能耗制动参数特点：参数特点： N N， U U0 0， 电枢回路总电阻电枢回路总电阻R RR Ra aR RT T能耗制动时的机械特性能耗制动时的机械特性 : : 能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗制动的参数代入机械特性的一般表达式，得到能耗制动时的机械特性：能耗制动时的机械特性：emNMeTaTCCRRn2 制动过程：制动过程：反抗性负载停车反抗性负载停车位能性负载稳速下放位能性负载稳速下放2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、

49、能耗制动、能耗制动特点特点: :能耗制动的特点：能耗制动的特点：（1）操作简单，停车准确）操作简单，停车准确（2）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网）能耗制动产生的冲击电流不会影响电网（3）低速时制动转矩小，停转慢）低速时制动转矩小，停转慢（4）动能大部分都消耗在制动电阻上）动能大部分都消耗在制动电阻上制动初瞬的最大电流：制动初瞬的最大电流：TaANBRRnCeI 制动电阻：制动电阻：aNNTRIUR 22.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、反接制动、反接制动反接制动反接制动转速反向（用于位能负载）转速反向（用于位能负载）电枢反接（用于反抗性负载）电枢反接（用

50、于反抗性负载）（电动势反向）（电动势反向）（电压反向）（电压反向）2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、反接制动、反接制动 I If f及端电压及端电压U UN N不变，不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电仅在电枢回路串入足够大的制动电阻阻R RT T，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。，使该人为特性与负载转矩特性的交点处于第四象限。不同的不同的R RT T，可得到不同的稳定转速。，可得到不同的稳定转速。nTem0nABCDAnD电压平衡式：电压平衡式：EUEURRITaa )()(机械特性：机械特性：LNeTaLNMeTaICRRnTCCRRn

51、n 020转速反向的反接制动转速反向的反接制动2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、反接制动、反接制动能量关系：能量关系：aaaTaaIEIURRI )(2U U及及I Ia a的方向与电动状态相同，的方向与电动状态相同，UIUIa a表示由电网输入的功率；表示由电网输入的功率； E Ea a 的方向与电动状态时相反，的方向与电动状态时相反， E Ea aI Ia a表示输入的机械功率表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率；在电枢内变成电磁功率；UIUIa a与与E Ea aI Ia a两者之和消耗在电枢电路的电阻两者之和消耗在电枢电路的电阻(Ra(RaR R

52、T)T)上。上。转速反向的反接制动转速反向的反接制动2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、反接制动、反接制动电枢反接的反接制动电枢反接的反接制动 保持保持I If f不变，不变， 将开关向下合闸，将开关向下合闸， 使电枢经制动电使电枢经制动电阻阻R RT T而反接于电网上。而反接于电网上。参数特点：参数特点： N N， U UU UN N , , R=RR=Ra a+R+RT TIfUNRTEaIanTemnAABCDE电动下固有电动下固有不串不串RT串串RTnE2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、反接制动、反接制动电枢反接

53、的反接制动电枢反接的反接制动机械特性：机械特性：LNeTaemNMeTaNeNICRRnTCCRRCUn 02能量关系：能量关系：)(2TaaaaaNRRIIEIU 从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在从电网吸收的电能和轴上输入的机械能都消耗在电枢回路电枢回路的电阻上的电阻上。 电压平衡式：电压平衡式：TaNeNTaaNaTaaaNRRnCURREUIRRIEU )(（IaIa反向）反向）反接制动时，会产生很大的冲击电流，因此电枢回路中应串反接制动时，会产生很大的冲击电流，因此电枢回路中应串入适当的电阻，限制电流；当电机转速降低到零时，应把电入适当的电阻，限制电流；当电机转速降低到零时，

54、应把电源切除，否则电机将反转。源切除，否则电机将反转。2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动2 2、反接制动、反接制动特点：特点：（1）可以很快使机组停机）可以很快使机组停机（2） 需要加入足够的电阻，需要加入足够的电阻， 限制电枢电流限制电枢电流（3）转速至零时，）转速至零时， 需切断电源需切断电源2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动3 3、回馈制动、回馈制动需要制动时，将励磁方式改变为他励或并励需要制动时，将励磁方式改变为他励或并励 ，当转速，当转速升高到某一数值时，反电动势大于端电压，电流改变升高到某一数值时，反电动势大于端电压，电流

55、改变方向，电机作为发电机运行，电磁转矩起制动作用，方向，电机作为发电机运行，电磁转矩起制动作用，能量回馈到电网。能量回馈到电网。1. 反向回馈制动反向回馈制动2. 正向回馈制动正向回馈制动2.6 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动3 3、回馈制动、回馈制动 反向回馈时，反向回馈时， 电机实际转速方向与电压反电机实际转速方向与电压反向后的理想空载转速方向一致，向后的理想空载转速方向一致，00 ,nCUnCEnnNeNea Ia Ia与与EaEa方向一致。方向一致。 电机呈发电机状态。电机呈发电机状态。能量关系：能量关系： 电磁功率电磁功率P PememE Ea aI Ia

56、a00，电机从轴上输入，电机从轴上输入机械功率转变为电功率机械功率转变为电功率; ; 输入功率输入功率P P1 1UIUIa a00、e 0，延迟换向。此时，换向电流同时包含，延迟换向。此时，换向电流同时包含iL和和ik分量，分量，且且ik0，其结果是曲线轨迹处于直线换向上方，其结果是曲线轨迹处于直线换向上方(图图(d)，致使，致使过零时间滞后于直线换向，过零时间滞后于直线换向，“延迟换向延迟换向”由此而得名。由此而得名。延迟换向时，左刷边延迟换向时，左刷边(参见前图，电刷与换向片参见前图，电刷与换向片l接触的部分，接触的部分，通称后刷边通称后刷边)的电流密度会大于右刷边的电流密度会大于右刷边

57、(与换向片与换向片2接触部分，亦接触部分，亦称前刷边称前刷边)的值。当电刷滑离换向片的值。当电刷滑离换向片1时，很大的电流突然突然时，很大的电流突然突然断路，换向回路中贮存的电磁能量通过空气释放，便导致火花断路，换向回路中贮存的电磁能量通过空气释放，便导致火花在后刷边产生。在后刷边产生。 2.7 直流电机的换向直流电机的换向（4）电动势平衡方程式及电流变化规律）电动势平衡方程式及电流变化规律 （3）e 0，超越换向。此时，超越换向。此时ik0，换向电流曲，换向电流曲线落于直线换向下方线落于直线换向下方(图图(d)，过零时间提前，故称，过零时间提前，故称为为超越换向超越换向”。与延迟迟换向相反，

58、超越换向致使。与延迟迟换向相反，超越换向致使右刷边电流密度大于左刷边，在前刷边产生火花。右刷边电流密度大于左刷边，在前刷边产生火花。 2.7 直流电机的换向直流电机的换向减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效地减少换向元件的感应电势和旋转电势，可以有效地改善换向。改善换向。最有效的办法：装换向极最有效的办法：装换向极NSaneaerNkSk抵消电枢反应磁势，使抵消电枢反应磁势，使ea0换向极磁势换向极磁势建立建立Bk，产生，产生ek，使，使 0eeekr(5) 改善换向的方法之一：改善换向的方法之一：安装换向极安装换向极2.7 直流电机的换向直流电机的换向安装换向极的要求安装换向极的要求l

59、 换向极应换向极应装在几何中性线上装在几何中性线上l 换向极的换向极的极性极性使产生的使产生的Bk方向与电枢反应磁势方向与电枢反应磁势的方向相反的方向相反l 换向极绕组换向极绕组必须必须与电枢绕组串联，为什与电枢绕组串联，为什么？么？使在任何时候，使在任何时候， eker2.7 直流电机的换向直流电机的换向安装换向极的要求安装换向极的要求l Bk的大小当然要根据所要求的的大小当然要根据所要求的ek来决定。在理想情况下，来决定。在理想情况下，ek和和er在任意瞬间都能完全抵消，但实际上难以做到。因为在任意瞬间都能完全抵消，但实际上难以做到。因为ek取决于取决于Bk的波形，而的波形，而er则取决于

60、换向电流的变化规律。因此，则取决于换向电流的变化规律。因此，折衷的解决办法是要求它们的平均值能相等，即折衷的解决办法是要求它们的平均值能相等，即l ekeravl 由于由于 ekBk；eravIal 亦即亦即要使要使 BkIal 故故最终要求最终要求 FkIal 这就是说，这就是说，换向极绕组必须与电枢绕组串联换向极绕组必须与电枢绕组串联，并要求在设，并要求在设计电机时尽量使换向极磁路不饱和，从而保证换向极绕组产计电机时尽量使换向极磁路不饱和，从而保证换向极绕组产生的磁动势和所建立的磁场能满足要求生的磁动势和所建立的磁场能满足要求。2.7 直流电机的换向直流电机的换向安装换向极的要求安装换向极