电机学直流电动机课件

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Machinery§3－6

直流电动机直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。以并励为例推导直流电动机的基本方程式。各物理量正方向的规定：电枢电动势Ea与电流Ia方向相反；电磁转矩T与转速n方向一致。RarfIaIfIEaT,nUrΩSchool

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Machinery一、基本方程式（2）电势平衡式电枢回路：U

>

Ea励磁回路：重要的转速公式RarfIaIfIEaT,nUrΩ（1）电流方程School

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Machinery基本方程式（3）转矩平衡式T＝T0＋

T2＝TZT2：输出转矩;T0:空载制动转矩;TZ:总负载转矩推论：（1）

若制动TZ不变，φ不变，稳定后的Ia不变。（2）实际空载时，Ia

0。School

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Machinery（4）功率平衡式School

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Machinery功率平衡式功率平衡式：效率：功率流程：School

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Machinery二、直流电动机的工作特性工作特性:是指在U＝UN，If＝IfN时，转速n、电磁转矩T和效率随输出功率P2而变化的关系。即或机械特性:是指在U＝UN，If＝IfN时研究n与T之间的关系，即。n＝f（T）School

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MachinerynIa(一)并励（他励）电动机时，根据转速公式，可得n0：理想空载转速转速下降不多，考虑电枢反应，有可能升高。School

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University1、转速特性：Electrical

MachineryTIa根据转矩公式：或者考虑去磁，曲线有所下降。School

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University2、转矩特性：Electrical

Machinery思考题？School

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University1、如何改变他励直流电动机的旋转方向？2、如何改变并励电动机的旋转方向？Electrical

Machinery当U＝UN， If＝IfN时，的关系叫效率特性。其中，为不变损耗为可变损耗School

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University3、效率特性：Electrical

Machinery令可得忽略励磁电流

Iaη与Ia之间存在二次关系，效率曲线存在一个最大值。School

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Machinery电动机效率特性结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，此时效率最高。推论：

（1）额定运行时总损耗

；（2）可从额定数据来估算电枢回路总电阻。School

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MachinerynT4、机械特性：机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规律。机械特性是稍下降的直线，计及饱和，成为水平或上翘。School

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Machinery硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化。用转速变化率来表征：School

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MachineryT(1)固有机械特性当U＝UN，Φ＝ΦN，电枢回路无外接电阻时，转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。nn0TNnN分析：1.电磁转矩越大，转速越低，机械特性是一条下斜直线；0

T0School

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Machinery固有机械特性分析n0Tn0T0n'0TNnN当转矩等于零点， 为理想空载转速。此时Ia＝0，

Ea＝UN， 是一种理想工作状态。为电动机的实际空载转速， 比n0略低。对应于空载转矩。4

为机械特性斜率。ß增大， 也增大。

通常称ß小的机械特性为硬特性，ß大的机械特性为软特性。School

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Machinery固有机械特性分析5. 额定转速变化率 ，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。n>n0时为发电机状态，此时

Ea>U, Ia反向， Ea与Ia同向，向电网送出电功率。堵转点：电枢电流：为短路电流；电磁转矩：为电机堵转转矩。n0Tn0T0TNnNSchool

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Machinery(2)人为机械特性分析根据转速、转矩公式人为地改变电动机参数U、R或

得到的机械特性，称为人为机械特性。有三种人为机械特性：电枢回路串电阻的人为机械特性；改变端电压时的人为机械特性；减弱电动机主磁通时的人为机械特性；School

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MachineryT0电枢回路串电阻的人为机械特性保持U＝UN

及

＝

N

不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的n＝f（T）关系。c对于给定的R，

为常数。Ra+Rc2人为School

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UniversityRc2>Rc1Ra固有Ra+Rc1nn0Electrical

Machinery电枢回路串电阻的人为机械特性电枢串电阻人为特性的特点：理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；斜率 ，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多。School

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MachineryT0改变端电压时的人为机械特性保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。表达式：一般都为降低的电压。人为UN>U1>U2固有nn0UNU1U2School

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Machinery改变端电压时的人为机械特性School

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University改变端电压人为特性的特点：理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。Electrical

MachineryT0减弱电机主磁通的人为机械特性保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。表达式：额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通。

N>

N’

N固有nn0人为School

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University

N’Electrical

Machinery减弱电机主磁通的人为机械特性School

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University减弱电机主磁通人为特性的特点：由于

′<

N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软。Electrical

Machinery人为特性的几点补充考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定性。通过补偿绕组改善。机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TN)通过电机的数据铭牌估算机械特性School

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Machinery三、电力拖动系统的动力学基础以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械，称为电力拖动。电源控制设备电动机传动机构工作机构电力拖动系统的构成School

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Machinery基础运动方程：g：重力加速度，9.8米/秒2；GD2：系统的飞轮矩（牛·米2）；n：转速（转/分）；T、TZ：转矩（牛·米）注意：GD2是一个完整的符号;T、TZ具有方向性，与转速方向一致为正。School

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Machinery与速度无关，但其方向始终与转向相反负载转矩的T大Z

小n0负载转矩特性反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载恒功率负载通风机型负载转矩具有固定的方向的改变而改变nTZ方向，0不随转速负载的转矩与转速的平方成正比n负载的功率为常TZ数，不随0转速的变化而改变TZn0School

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Machinery稳定运行条件电机的机械特性需要与负载特性同时存在。分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。平衡点＝稳定点？稳定点：在受到外界扰动后，仍能还原的点。稳定点的条件：恒转矩负载，下降的机械特

性电动机能稳定运行在交点处，转速之上School

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University则T<Tz,转速之下则

T>TzElectrical

MachineryIf=0当励磁回路断路时，气隙中的磁通将骤然降至微小的剩磁，电枢回路中的感应电势也将随着减小。由于惯性，电机速度不能突变，电枢电流将急剧增加，使电动机严重过载。School

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University电磁转矩的变化当电枢电流的增加程度不足以补偿每极磁通的减小程度时，电磁转矩减小，因而使电动机减速；当电枢电流的增加程度超过每极磁通的减小程度时，电磁转矩将增大，使电动机加速，直至转速上升到危险的高值（达到电压平衡）思考题：并励电动机突然励磁失磁Electrical

MachineryIan（二）串励电动机飞车。的额定负载下起动。1、转速特性串励电动机的特点

，根据转速公式，可得特点：重载时，n很小；轻载时，结论：串励电动机不允许在小于15～20％“飞速”的解释1.在满载或较重负载时，电枢电流较大，If=Ia较大，气隙磁通较大，电机只需不太高的转速便能产生较高的反电势与电网电压平衡。2.在空载或很轻负载时，If=Ia很小，使主磁通很小，电机必须以很高的转速才能产生反电势保持电压平衡。School

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MachineryIa2、转矩特性根据转矩公式：T特点：串励电动机有较大起动转矩与过载能力。大负载时，该曲线接近直线变化。School

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University结论：适用于重载起动场合，不允许在空载和很轻负载下运行。Electrical

MachinerynT3、机械特性从电压方程以及得转速随所需电磁转矩的增加而迅速变化，该特性称为软特性。School

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Machinery（三）复励电动机的工作特性并励起主要作用，接近并励特性；n他励复励串励Ia复励是串励和并励共同合成得励磁方式。以并励为主的积复励：School

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University当负载转矩突然增加时，电枢电流增串励起主要作用，接近串励特性；大（电枢反应去磁作用增强），串励磁势增加，使主磁通增大。①使电磁转矩很快的增大以克服突然增大的负载转矩；②使反电势很快的增大以减小电枢电流的冲击值。③当电枢反应去磁作用很强时，仍能使电机有下降的机械特性，保持其稳定运行。Electrical

Machinery§3－7直流电动机的起动、调速和制动School

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University一、他励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，称为起动过程。对电动机起动的基本要求：起动转矩要大；起动电流要小；起动设备要简单、经济、可靠。Electrical

Machinery(一)他励直流电机直接起动将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点：操作简单，无需另加设备。缺点：冲击电流大(10~20IN)，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。School

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MachineryT0将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。n(二)电枢回路串变阻器起动R3

R2

R1R1+R2+R3R1R1+R2School

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Machinery电枢回路串变阻器起动起动电流将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的Rst，其步骤:根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra；选取最大起动电流I1，计算最大起动电阻；决定起动电阻级数计算起动电流比。School

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Machinery(三)降压起动School

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University开始时，降低端电压，

使Ia＝(1.5~2.0)IN,Tst=(1.5～2.0）TN。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。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。Electrical

Machinery二、直流电动机的调速School

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University机械调速：改变传动机构的传动比改变工作机构的速度。电气调速：人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到不同转速。电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。Electrical

Machinery直流电动机调速直流电动机的转速公式：直流电动机的调速方法：改变励磁电流从而改变磁通；改变施加在电枢两端的电压U；改变串入电枢回路的调节电阻；School

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UniversityElectrical

Machineryn(一)改变励磁调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速。弱磁调速：保持U＝UN，Rj＝0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。PISchool

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Universityf2QIf1If1>If2T从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。Electrical

Machinery弱磁调速的过程If减小瞬间速度不变

减小If2QPIf1If1>If2Tn机组加速nEaIaTT＝TZ新的平衡，新的Ia和nSchool

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Machinery弱磁调速调速前后的量：（1）假定负载转矩不变，(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化（3）恒转矩负载，，

基本不变School

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Machinery弱磁调速特点School

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University优点：设备简单，调节方便，能耗小。缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。Electrical

Machinery(二)改变端电压调速保持电动机的

＝

N不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的，称为降压调速。nU1>U2>U3TU1U2U3PQ电压越低，转速越低，调速方向从基值往下调。School

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UniversityElectrical

Machinery调压调速的特点：T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。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，调速范围大。可平滑调节端电压，使转速平滑调节，实现无级调速。调节过程能量损耗小。nU1U2U3U1>U2>U3PQSchool

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Machinery(三)改变电枢回路电阻调速保持U＝UN且

＝

N不变，电枢回路中串入调速电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法， 称为电枢串电阻调速。R1R2PQR1>R2>R3TnR3串入电枢回路的电阻越大，转速越低。School

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University电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法，只能从基速往下调。Electrical

Machinery串电枢电阻调速该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差调速范围不大。由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有级调速。电枢电流在Rc上消耗的能量大， 调速时效率低。 效率与转速成正比。R1R2PQR1>R2>R3TnR3School

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Machinery调速性能指标School

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University调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时，最高转速与最低转速之比。用D表示。静差率（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。静差率越小，转速的相对稳定性越好。调速的平滑性：无级调速平滑性最好，有级调速由相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之比。调速时电动机的容许输出：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同。经济性Electrical

Machinery电动机调速时的容许输出在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。允许输出功率与转速成正比。在某转速下，电机即能充分利用，又能安全运行时输出的功率和转矩称为，调速时的允许输出功率和转矩。(1)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。保持I不变School

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Machinery弱磁调速时的允许输出弱磁调速时，保持电流I＝IN弱磁调速时，在整个调速范围内的允许输出功率为常数，是恒功率调速方式。其允许输出转矩与转速成反比。School

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Machinery负载与调速方式的配合nUNU’TnmaxnminTLTN恒转矩控制nnmaxnmin

NT

’TSchool

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UniversityL恒功率控制两种调速方式，在整个调速范围内，除n＝nmax外所有的转速点，输出转矩多小于允许输出，速度越低，电机越不能充分利用。相比通风机负载采用恒转矩调速方式比弱磁调速造成浪费小一些。Electrical

Machinery三、直流电动机的制动School

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University直流电动机的两种运转状态：电动运转状态：电动机的电磁转矩方向与旋转方向相同，此时电网向电动机输入电能，并转变为机械能带动负载。制动运转状态：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为电能。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。Electrical

Machinery直流电动机的制动断开电源抱闸能耗制动反接制动回馈制动机械制动电气制动自由停车School

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Machinery（一）能耗制动的方法和原理保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接至RT， 电枢从电网脱离经制动电阻RT闭合。参数特点：

＝

N，

U＝0，电枢回路总电阻R＝Ra＋RT实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能，全部消耗于电枢回路的电阻上，

所以称为能耗制动。UNIa

n

RTEaIfSchool

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Machinery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，得到能耗制动时的机械特性：n固有T串电阻School

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University制动过程：反抗性负载停车位能性负载稳速下放Electrical

Machinery能耗制动的特点制动初瞬的最大电流：制动电阻：能耗制动的特点：操作简单，停车准确能耗制动产生的冲击电流不会影响电网；低速时制动转矩小，停转慢；动能大部分都消耗在制动电阻上。School

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Machinery（二）反接制动反接制动转速反向（用于位能负载）电枢反接（用于反抗性负载）（电压反向）（电动势反向）School

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UniversityElectrical

Machinery转速反向的反接制动If及端电压UN不变， 仅在电枢回路串入足够大的制动电阻RT，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RT，可得到不同的稳定转速。电压平衡式：TnnABCDA0nD机械特性：TSchool

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UniversityElectrical

Machinery转速反向的反接制动能量关系：U及Ia的方向与电动状态相同，UIa表示由电网输入的功率；Ea

的方向与电动状态时相反， EaIa表示输入的机械功率在电枢内变成电磁功率；UIa与EaIa两者之和消耗在电枢电路的电阻Ra＋RT上。School

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UniversityTElectrical

Machinery电枢反接的反接制动保持If不变， 将开关向下合闸， 使电枢经制动电阻RT而反接于电网上。参数特点：

＝

N， U＝－UN。

R=Ra+RT.IfUNRTEaIa

nTnAACDE电动下固有School

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University不串RT串RTBnETElectrical

Machinery电枢反接的反接制动机械特性：能量关系：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的电阻上。电压平衡式：School

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