第17章 直流发电机和直流电动机

1、第十七章第十七章 直流发电机和直流电动机直流发电机和直流电动机n17.1 自励发电机的电压建起自励发电机的电压建起n17.2 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性n17.3 直流电动机的机械特性和工作特直流电动机的机械特性和工作特性性n17.4 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17.1 17.1 自励自励发电机的电压建起发电机的电压建起一、并励直流发电机的自励过程：一、并励直流发电机的自励过程：1 、剩磁、剩磁-建压先决条件建压先决条件初始：初始：n=0、Ea=0、If=0、设有剩磁、设有剩磁Br起起动：动：原动机带动原动机带动nn电枢切割电枢切割B Br r感应感

2、应出较小的出较小的E0rIf 较小较小Bf B=Br+BfE0 If B E0 磁路饱和磁路饱和达到新的平衡点。达到新的平衡点。磁路饱和现像磁路饱和现像-稳定建压重要因素稳定建压重要因素2 2 、励磁绕组极性与发电机转向相匹配、励磁绕组极性与发电机转向相匹配 发电机的自励过程中励磁回路应满足发电机的自励过程中励磁回路应满足: :dtdILrIUffff电枢的电枢的端电压端电压恰好恰好等于等于励磁电流通过励磁电流通过励磁回路电阻压降励磁回路电阻压降，自励过程达到了稳定状态。自励过程达到了稳定状态。ffrIU稳定点稳定点:dtdILrIUffff-稳定建压前稳定建压前-稳定建压后稳定建压后3 3

3、、励磁回路电阻小于与电机运行转速、励磁回路电阻小于与电机运行转速相对应的临界电阻相对应的临界电阻曲线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线曲线曲线2 2为励磁回路场阻线为励磁回路场阻线 场阻线斜率场阻线斜率: :曲线曲线3 3为为临界场阻线临界场阻线 ffgrIUtcrR若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。解决措施：解决措施：提高电机的提高电机的转速，从而提高其临界转速，从而提高其临界电阻值。电阻值。因此，对应于不同的转因此，对应于不同的转速便有不同的临界电阻。速便有不同的临界电阻。结论：并励直流发电机的自励建压条件结论：并励直流发电机的自励建压条件

4、1 1 、电机必须有、电机必须有剩磁剩磁, ,磁化曲线呈磁化曲线呈饱和饱和现象现象2 2 、励磁绕组的、励磁绕组的接线接线与电枢旋转方向必须正与电枢旋转方向必须正确配合，使励磁电流产生的磁场方向与剩确配合，使励磁电流产生的磁场方向与剩磁磁方向一致方向一致。3 3 、励磁回路的电阻应小于电机运行转速相、励磁回路的电阻应小于电机运行转速相对应的对应的临界电阻临界电阻。一、他励直流发电机的运行特性一、他励直流发电机的运行特性17.217.2 直流发电机直流发电机运行特性运行特性1 1、空载特性、空载特性定义定义：当当n=nN、IL=0时，时，U=f(If)空载特性曲线与空载特性曲线与磁化曲线磁化曲线

5、相同相同空载特性是非线性的，实际中空载特性是非线性的，实际中通常取通常取平均特性曲线平均特性曲线n n变化变化时曲线成正比上升或下降时曲线成正比上升或下降其它励磁方式发电机的空载特其它励磁方式发电机的空载特性均可由性均可由他励他励方式求取方式求取空载特性曲线下降分支空载特性曲线上升分支平均空载特性曲线UfI2 2、外特性、外特性定义定义：当n=nN、If=IfN时，U=f(IL) ILFa电枢反应电枢反应去磁去磁 EaU负载电流增加，端电压下降的原因：负载电流增加，端电压下降的原因：他励U0U0LI ILIaRaU电压调整率电压调整率: :%1000NNUUUU从空载到负载，电压下降的程度由电

6、压变化率来表示：从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示：他励他励U=510%3 3、调节特性、调节特性定义定义：当n=nN、U=常数时，If=f(IL)在负载电流变化时，若保持端电压在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，不变，必须改变励磁电流，补偿电补偿电枢反应及电枢回路电阻压降枢反应及电枢回路电阻压降对输出对输出端电压的影响。端电压的影响。fI0LI二、并励发电机的特性二、并励发电机的特性1 1、空载特性、空载特性空载时空载时Ia0=If0，其空载特性也是电机的，其空载特性也是电机的磁化曲线磁化曲线特点：励磁电流特点：励磁电流I If f随端电压随端电压U U变化而变

7、化变化而变化2 2、外特性、外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线（与他励发电机相似，也是一条下降曲线（比他励稍弯曲比他励稍弯曲，电压变化率约为电压变化率约为2020）定义：定义：当当n=nN、r=0（不串电阻）（不串电阻）时，时，U=f(IL)负载电流有最大值（有负载电流有最大值（有”拐点拐点”）3 3、调节特性、调节特性 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流分量，所以调节特性与他励发电机的相差不大。励磁电流分量，所以调节特性与他励发电机的相差不大。fI0I他励他励并励并励1 1、空载特性、空载特性 空载特性是反应电机空载

8、特性是反应电机的磁化的磁化,通常由外电源供通常由外电源供给励磁电流给励磁电流,以他励方式以他励方式求得求得,所以曲线的形状与所以曲线的形状与空载空载磁化特性曲线磁化特性曲线相同相同.三、串励发电机特性三、串励发电机特性LsaIII串励发电机串励发电机:2 2、外特性、外特性外特性外特性: :串励串励: :空载空载: :负载负载: : 下弯且电枢去磁大少上翘和电枢去磁小多URIEIIURIEIIaaasLaaasL未饱和未饱和: :饱和饱和: : 02LasaaaasLLIIUrrIEUIIIIfU四、复励发电机特性四、复励发电机特性a) 积复励积复励平复励平复励超复励超复励欠复励欠复励b)b)

9、差复励差复励复励发电机外特性复励发电机外特性课时小结课时小结1、并励直流发电机自励建压的过程？条件？不能、并励直流发电机自励建压的过程？条件？不能建压的原因及解决措施？建压的原因及解决措施？（重点）（重点）2、直流发电机空载特性曲线与磁化曲线形状相似。、直流发电机空载特性曲线与磁化曲线形状相似。2、直流发电机的外特性曲线？其变化趋势及原因？、直流发电机的外特性曲线？其变化趋势及原因？（他励、并励、串励）（他励、并励、串励） （重点）（重点）3、直流发电机的电压调整率？、直流发电机的电压调整率？ （重点）（重点）4、直流发电机的调整特性？（他励、并励）、直流发电机的调整特性？（他励、并励）书面作

10、业：书面作业：17-1、17-617.3 17.3 直流电动机的工作特性和机械特性直流电动机的工作特性和机械特性工作特性工作特性: : 指在指在U=UN ，If=IfN时时, , 转速转速n n、电磁转矩、电磁转矩T T、效率、效率随输出功率随输出功率 P2 而变化的关系。而变化的关系。转矩特性：转矩特性： T=f（Ia）转速特性：转速特性： n=f（Ia）机械特性：机械特性： n=f（T） (ra=常数常数)一、并励（他励）电动机的特性一、并励（他励）电动机的特性1 1 、转矩特性：、转矩特性：T=fT=f（I Ia a）aTaTICICT 曲线曲线: : 过源点的直线过源点的直线; ; (

11、 (负载较大时曲线稍下降负载较大时曲线稍下降) )条件条件: : U=UN 和和 If=IfNB2 2、转速特性、转速特性: n=f( Ia: n=f( Ia ) )aaeaeeaaeInICrCUUCUrIUCEn022理想空载转速- 0CeUnN并励直流电动机并励直流电动机转速特性和转矩特性转速特性和转矩特性表达式表达式: :条条 件件: : U=UN 和和 If=IfN分析分析: : 少电枢反应去磁作用硬特性不多多负载n、nnIrITaaaL用转速变化率来表征：用转速变化率来表征：nnnnNN%100%0曲线曲线: 一条稍下倾斜的直线一条稍下倾斜的直线并励直流电动机的励磁回路不可开路并励

12、直流电动机的励磁回路不可开路原因原因: 若若 If=0 =r Ia后果：后果：a)轻载轻载飞车、飞车、Ia; b)重载重载停车、停车、Ia3 3、机械特性、机械特性: n=f( T ): n=f( T ) 机械特性反映机械特性反映转速与电磁转矩之间的变化规律。转速与电磁转矩之间的变化规律。TCCrCUnTeae2a)a)自然自然机械特性机械特性: :Ra=ra，硬特性，硬特性b) 人为机械特性人为机械特性: Ra=ra+R 软特性软特性参考二、串励电动机的特性二、串励电动机的特性1 1 、转矩特性、转矩特性: T=f( Ia: T=f( Ia ) )串励电动机的特点串励电动机的特点: : Ia

13、Ia=Is=I=Is=Ia)a)轻载未饱和轻载未饱和: : =KIa=KIa 抛物线抛物线2aTaTKICICTb)b)重载磁路饱和重载磁路饱和: : 饱和饱和 直线直线aTICT2 2、转速特性、转速特性: n=f( Ia: n=f( Ia ) )a)a)轻载未饱和轻载未饱和: : 双曲线双曲线KCrKICUUCUrIUCEneaaeeaaea2 2b)b)重载磁路饱和重载磁路饱和: : 直线直线eaaeaCUrIUCEn2串励直流电动机转矩和转速特性Tn3 3、机械特性、机械特性: n=f( T ): n=f( T )TCCrCUnTeae2表达式表达式: :22KCKICICTTaTaT

14、由上两式整理可得：bTaUUKCrTCUUKCneaeT22思考：饱和后？思考：饱和后？%10041NNnnnna)a)机械特性特点机械特性特点: :b)b)转速变化率转速变化率: : 软特性软特性 人为机械特性人为机械特性 起动转矩大，过载能力强起动转矩大，过载能力强 不允许空载或轻载运行不允许空载或轻载运行（TN/4）三、复励电动机的特性三、复励电动机的特性a)a)多为积复励多为积复励: :特性介于串励和并励特性介于串励和并励之间之间b)b)差复励差复励: :电动机运行不稳电动机运行不稳定定, ,少用少用四、永磁直流电动机四、永磁直流电动机a)a)结构结构: :b)特性特性: :与它励直流

15、电动机相似与它励直流电动机相似无需电励磁无需电励磁c) c) 特点：特点：结构简单结构简单 电机尺寸小电机尺寸小 无励磁损耗无励磁损耗效率高效率高 受永磁材料限制受永磁材料限制五、直流电动机稳定运行条件五、直流电动机稳定运行条件 指当电网或轴上机构负载波动而使电动机转速发生指当电网或轴上机构负载波动而使电动机转速发生变化时变化时, ,电动机具有能恢复到原工作状态的能力。电动机具有能恢复到原工作状态的能力。A稳定稳定运行点运行点B不稳定不稳定运行点运行点静态稳定运行条件：静态稳定运行条件：dndTdndT 课时小结课时小结1、并、串励直流电动机的转速特性、转矩特性和机、并、串励直流电动机的转速特

16、性、转矩特性和机械特性的表达式、曲线变化及原因？械特性的表达式、曲线变化及原因？（重点）（重点）2、并励直流电动机励磁回路不允许开路的原因？、并励直流电动机励磁回路不允许开路的原因？ （重点）（重点）4、串励直流电动机不允许空载或轻载的原因？、串励直流电动机不允许空载或轻载的原因？ （重（重点）点）5、直流电动机稳定运行的条件和分析？、直流电动机稳定运行的条件和分析？ （重点）（重点）第四节第四节 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v对起动的要求：对起动的要求：Tst 足够大足够大Ist 不能太大不能太大v注：直流电动机一般不允许直

17、接起动注：直流电动机一般不允许直接起动 （1）、）、（2）、）、astrUUI2很大很大stTstICT 很大很大v直流电动机的起动方法：直流电动机的起动方法：直接起动直接起动电枢回路串变阻器起动电枢回路串变阻器起动降低电源电压起动降低电源电压起动1、电枢串电阻起动、电枢串电阻起动v方法：随电机转速升高逐步切除起动电阻方法：随电机转速升高逐步切除起动电阻v要求：要求：起动电流最大值起动电流最大值 I1 =（1.751.5）IN。起动电流最小值起动电流最小值 I2 =（1.31.1）IN。v实现：三点起动器或四点起动器实现：三点起动器或四点起动器 起动电阻计算（解析法）：起动电阻计算（解析法）：

18、（1）依据：电阻切除前后转速不能突变的原则）依据：电阻切除前后转速不能突变的原则 ebCRInn220 ecCRInn110 d、e点：点：1122RIRI 2112IIRRaRIRI112 211IIRRa b、c点：点：0 IN I2 I1 Ia ammmammmaaRRRRRRRRRRR 11212121 11111222111212211)()1( RRRRRRRRRRRRRRRRRRRmmmmmmmmmmaaa各级各级电枢总电阻电枢总电阻：各级各级起动电阻起动电阻： ammmmRRRRRRRRII11221121推广到推广到m级起动的一般情况，得级起动的一般情况，得 起动电阻计算步骤

19、起动电阻计算步骤v m 已知已知 选定选定 I1 Rm = UN /I1 求求 ： 求各级起动电阻求各级起动电阻mamRR v 若若 m 未知，必须先确定未知，必须先确定 m ： 初定初定 I1、I2 Rm = UN /I1 并初定并初定 = I1 /I2 求求 m 并圆整：并圆整： loglogamRRm二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速 eaaaCURrIUn2) （v调速方法：调速方法：电枢回路串电阻电枢回路串电阻R调节外施电源电压调节外施电源电压U调节励磁电流以改变每极磁通调节励磁电流以改变每极磁通 以并励直流电动机为例，其转速公式为：以并励直流电动机为例，其转速公式为：TnTC

20、CRrCUTeaae 02)（1、电枢回路串电阻、电枢回路串电阻R调速调速v机械特性：随机械特性：随 R 增大，增大， n0 不变，不变， 增大。增大。v特点：恒转矩调速，适合带恒转矩负载。特点：恒转矩调速，适合带恒转矩负载。v优点：设备简单，操作方便。优点：设备简单，操作方便。v缺点：效率低、性能差，转载时调速范围小缺点：效率低、性能差，转载时调速范围小。2、调节外施电源电压、调节外施电源电压Uv机械特性：随机械特性：随U 减小，减小， n0 减小，减小， 不变不变v特点：恒转矩调速，适合带恒转矩负载特点：恒转矩调速，适合带恒转矩负载v优点：效率高、性能好，调速范围广优点：效率高、性能好，调速范围广。v缺点：设备投资大。缺点：设备投资大。3、调节励磁电流以改变每极磁通、调节励磁电流以改变每极磁通v机械特性：随机械特性：随 If 减小，减小， n0 增大，增大， 增大增大v特点：恒功率调速，适合带恒功率负载特点：恒功率调速，适合带恒功率负载v优点：效率高、转速可以高于优点：效率高、转速可以高于n0。v缺点：调速比不大，一般为缺点：调速比不大，一般为1:21:6。三、直流电动机的制动三、直流电动机的制动v制动原理：制动原理：使电动机产生一个与转速反向的转矩。使电动机产生一个与转速反向的转矩。1、能耗制动、能