第十九章直流电机的的基本方程式和运行特性.ppt

1、第十九章 直流电机的基本方程式和运行特性,19.1 直流发电机的基本方程式,+,-,Ea,Rf,I,Ia,If,T1,T,T0,n,U,并励发电机,正方向：按发电机惯例规定,电枢电流Ia和电枢电动势Ea方向一致,T1（原动机输入驱动转矩）与转速n同向；电磁转矩T和n反向，为制动转矩,PM=EaIa=T，将轴上输入的机械功率转换成电枢回路的电功率,19.1.1 电势平衡方程式,电势方程:,式中:,电枢电阻,励磁回路总电阻,励磁绕组电阻,励磁绕组调节电阻,注：发电机中必有 EaU,电刷接触压降,19.1.2 转矩平衡方程式,T1 转轴上输入的是机械转矩,T0阻力转矩（如摩擦，铁耗，风阻等）,T电磁

2、转矩,转矩方程式,19.1.3直流发电机的损耗、功率平衡方程式,原动机输入功率,电磁功率,机械损耗pm：轴与轴承摩擦、电刷与换向器摩擦、通风损耗等。这些损耗主要与转速有关，转速变化不大时，基本为常量。,电机损耗,铁心损耗pFe:电枢铁心中磁场交变，会产生涡流损耗和磁滞损耗。铁耗近似与磁密的平方及转速的1.21.5次方成正比。,励磁损耗pCuf:pCuf=UfIf=If2Rf,pm+pFe+pad 统称为空载损耗(不变损耗)。,附加损耗（也称杂散损耗）pad:齿槽引起磁场脉动引起的铁耗，一些机械部件切割磁通产生的铁耗等 pad=(0.51)%P2,直流发电机功率流程图,发电机效率,注：额定负载时

3、，直流发电机的效率与容量有关。10kW以下的小电机，效率为7588.5；10100kW的电机，效率为8590；1001000kW的电机效率为8893,其中,负载损耗：电枢回路电阻损耗pCua=Ia2Ra;电刷接触压降损耗（可变损耗）,例,一台四极并励直流发电机的额定数据为：PN=6kW, UN=230V, nN=1450r/min,电枢回路电阻ra=0.92,励磁回路的电阻Rf=177,2U=2V，损耗pFepm295W。试求额定负载下的电磁功率、电磁转矩及效率（杂散损耗取输出功率的1）。,解：,额定电流,励磁电流,额定负载时的电枢电流,额定负载时的电枢电势,额定运行时的电磁功率,电磁转矩,额

4、定负载时发电机的输入功率,效率,19.2 直流发电机的运行特性,发电机运行时，由原动机转带动，保证其恒速运行，一般认为转速恒定,表征其运行状态的物理量主要有：发电机的端电压U 、负载电流I和励磁电流If,当发电机正常稳态运行时，3个物理量中1个保持不变，另外2个之间的关系称为发电机的运行特性, 负载特性, 外特性,调节特性,n常数、I常数时，U=f(If)的关系。其中，当I0时的特性U0=f(If)称为发电机的空载特性,n常数、If常数（并励时Rf常数）时，U=f(I)的关系,n常数、U常数时，If=f(I)的关系,19.2.1 它励直流发电机的空载特性,定义：n=常数，I=0时，U0=f(I

5、f)的关系,结论：经过一定比例转换后，开路特性U0=f(If)与电机的磁化曲线=f(Ff)形状完全相同。 一般电机的工作点位于开路特性上曲线开始弯曲的膝点附近。据此可以判断电机的饱和程度。,+,-,Ea,rf,I,If,U,V,A,改变励磁电流If以改变主磁通的大小，可得到不同的空载电势Ea值。绘制U0f(If)曲线空载特性曲线,气隙线,Uf,19.2.2 它励直流发电机的外特性,定义：n=常数，If=常数时，U=f(I)的关系,保证If=常数，改变负载（负载电流I）的大小，测得到不同的端电压U值。绘制Uf(I)曲线外特性曲线,结论：外特性U=f(I)是略微下垂的曲线,电压调整率：从空载到满载

6、电压变化的程度,注：一般他励直流发电机U=（510）%, 可认为是恒压源,他励发电机端电压下降的原因,1、电枢电流Ia增加，引起电枢压降IaRa增大,2、发电机负载增加，由于电枢反应的去磁作用使气隙磁通减少，导致电势Ea下降,分 析,根据公式,19.2.3 它励直流发电机的调节特性,定义：n=常数，U=UN，If=f(I)的关系,保证U=UN，改变负载（负载电流I）的大小，测得到不同的励磁电流If值。绘制Iff(I)曲线调节特性曲线,结论：调节特性If=f(I)是上翘的曲线,当电压上升到P点时，If将稳定,19.2.4 并励直流发电机的自励条件和特性,Ea,rf,I,Ia,If,r,自励：励磁

7、绕阻并联于电枢绕组两端，由发电机本身的端电压提供励磁，而发电机的端电压又必须在有了励磁电流后才能产生，所以并励发电机由初始的U=0到正常运行时U为一定值，有一个自己建立电压的过程(自励过程)。,自励同时受到空载特性和励磁回路方程的限制,并励发电机的自励条件,1、电机中应有剩磁,2、励磁绕组与电枢绕组连接与电枢的方向必须正确配合，使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致,3、励磁回路电阻小于与电机运行转速相应的临界电阻。（对应不同的转速有不同的临界电阻）,临界电阻,不正确配合 U=-IfRf,并励发电机的外特性,定义：n=常数，Rf=常数时，U=f(I)的关系,保证Rf=常数，改变负载（负载电流I

8、）的大小，测得不同的端电压U值。绘制Uf(I)曲线外特性曲线,它励,并励,19.2.5 复励直流发电机的特点,Ea,I,I,If,复励发电机同时存在两种励磁绕组即串励和并励绕组,如果串励与并励绕组的磁势方向相同，则称为加复励（积复励）； 如果串励与并励绕组的磁势方向相反，则称为差复励,一般来说，并励绕组起主导作用，串励绕组起调节性能的作用,用的较多的是积复励,a,复励发电机的外特性,并励,欠复励,平复励,过复励,差复励,对积复励发电机来说串励磁势起增磁作用即升压作用，而电阻压降和电枢反应的去磁作用起降压作用，二者的相对影响力会决定发电机的外特性,如果串励绕组作用较大，即在额定电流时端电压超过空

9、载电压，则为过复励,如果串励绕组的作用不足，即在额定电流时端电压小于空载电压，则为欠复励,如果串励绕组的作用适当，即在额定电流时端电压等于空载电压则为平复励,差复励发电机的串励绕组为一个去磁磁势，负载增大时端电压迅速下降,19.3 直流电动机,正方向：按电动机惯例规定,电流I和端电压U方向一致,电磁转矩T 与转速n同向，为拖动转矩；输出转矩T2及空载转矩T0和转速n反向，为制动转矩,PM=EaIa=T，将电枢回路的电功率转换成轴上输入的机械功率,+,-,Ea,rf,I,Ia,If,T,T2,T0,n,U,电枢电流Ia和电枢电动势Ea方向相反，是反电势,r,19.3.1 直流电动机的基本方程式,

10、一、电动势平衡方程式,电势方程式,式中,电枢电阻,励磁回路总电阻,励磁绕组电阻,励磁绕组调节电阻,注：电动机中必有 UEa,电刷接触压降,二、转矩平衡方程式,T2 转轴上输出的是机械转矩,T0阻力转矩（如摩擦，铁耗，风阻等）,T电磁转矩（拖动转矩）,转矩方程式,TL总负载转矩,三、功率平衡方程式,直流电动机功率流程图,电动机效率,注：额定负载时，直流电动机的效率与容量有关。10kW以下的小电机，效率为7588.5；10100kW的电机，效率为8590；1001000kW的电机效率为8893,其中,例,一台四极它励直流电动机，电枢采用单波绕组，电枢总导体数N372，电枢回路总电阻Ra=0.208

11、(包含电刷的接触电阻)。此电机运行在电源电压U=220V,电机转速 nN=1500r/min，气隙每极磁通0.011Wb的条件下，此时电机的铁耗pFe362W，机械损耗pm204W，忽略附加损耗。问：（1）该电机的电磁转矩是多少？ （2）输入功率和效率各是多少？,解：,电枢电流,（1）电磁功率,电枢电动势,电磁转矩,输出功率,总损耗,效率,（2）输入功率,19.3.2 直流电动机的工作特性,工作特性：直流电动机外加电压 UUN=常数，电枢回路不串入外加电阻，励磁电流If常数时，电动机的转速n、电磁转矩T、和效率与输出功率P2之间的关系曲线，即nf(P2) ， T= f(P2) ， = f(P2

12、),一、并励电动机的工作特性,并励电动机保持 UUN=常数、 If IfN 常数条件下，改变电动机的负载，测得不同负载下的转速n、负载转矩T2和输出功率P2，绘制特性曲线。,注：额定励磁电流 IfN 是指：电机输出功率为额定值PN，转速为额定值nN时对应的励磁电流。,1、转速特性n=f(P2),和,理想空载转速n0, 理想空载转速,转速变化率：空载到满载时电动机转速的变化程度。,并励直流电动机的n38，基本可认为是一种恒速电机。,根据,一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增大，电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小，所以转速下降比较平缓。n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特性）。,影响转速

13、n的因素：,（1）电流Ia增大时电枢电阻压降IaRa也增大，使转速趋于下降,（2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通下降，使转速趋于上升。,并励电动机，当励磁回路开路时，If0（0），电机转速将会达到很高的数值，以致损坏电机的转子。故并励电动机不允许失磁,2、转矩特性T=f(P2),根据转矩平衡方程,输出转矩,若n不变，则T2=f(P2)为过原点的直线,并励电动机中，P2增加时n略为下降,T2=f(P2)为略为上翘曲线,因n变化不大，则T0可认为常数，转矩特性T=f(P2)也为一条略为上翘曲线,3、效率特性=f(P2),并励电动机保持 UUN=常数、 If IfN 常数条件下，f（P2）的

14、关系曲线,二、串励电动机的工作特性,串励电动机保持 UUN=常数条件下，改变电动机的负载，测得不同负载下的转速n、负载转矩T2和输出功率P2或Ia，绘制n、T、与P2或Ia的关系曲线。,串励电机励磁电流 If 等于电枢电流,其中 为 时的转速,1、转速特性n=f(P2),假设磁路不饱和，有,转速特性,影响转速n的因素：,（1）电流Ia增大时电枢电阻压降IaRa也增大，使转速趋于下降,（2）电流IaIf增大，磁通相应的增大，转速将迅速下降。,串励电动机，在轻载时（P2很小），IaIf很小，磁通也很小，转速将很高，以致达到危险的高度，这种现象称“飞车”,转速变化率：,2、转矩特性T=f(P2),输

15、出转矩,由于转速n随P2的增加而迅速下降，因此T2随P2的增大而迅速上升，T2=f(P2)为迅速上翘曲线,3、效率特性=f(P2),三、复励电动机的工作特性,复励电动机既有并励绕组又有串励绕组，两种绕组的比例不同，就得到不同的特性,1、并励电动机,3、串励为主的复励电动机,2、并励为主的复励电动机,4、串励电动机,5、差复励电动机,19.3.3 直流电动机的机械特性,机械特性：n=f(T)是指U=UN=常数，If= IfN=常数，电枢回路和励磁回路没有串接外加电阻条件下，电磁转矩T和转速n两个机械量之间的函数关系,一、并励电动机的机械特性,式中, 理想空载转速, 机械特性的斜率,Ea,Ia,I

16、,If,机械特性,1、自然机械特性,U=UN、IfIfN、Rj=0,由于Ra很小，并励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。（硬特性）,此时,2、人工机械特性,（1） U=UN、IfIfN、Rj0,n0不变，k随Rj增大而增大，斜率增大，机械特性变软,变端电压U， 不 变 ， 随U而变化， 机械特性硬度不变,（2） U=UN、IfIfN、Rj=0,增大励磁回路电阻r，磁通减小， 则 增大， 增大， 机械特性变软,（3） UUN、If=IfN、Rj=0,二、串励电动机的机械特性,串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，故有电流If=Ia,（1）当负载较小时，磁路不饱和，Ia,（C1为比例常数）

17、,或,结论：串励电动机的机械特性为一双曲线,（2）当负载较大时，磁路饱和，常数，机械特性同并励机,当负载转矩很小时，T也很小，n会达到危险的高度，所以串励电动机不允许空载起动和运行,同样大的起动电流时，串励电动机能产生更大的起动转矩，常用于起动较为困难的场合,串励电动机转矩增大时转速在减少，功率增加缓慢，故转矩过载能力较强,串励电动机的特点,三、复励电动机机械特性,复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组。其机械特性介于并励和串励电动机之间,如果并励绕组起主导作用，则特性接近并励电动机。如果串励绕组起主导作用，则接近串励电动机,复励电动机空载时，由于有并励绕组接通，所以起空载转速不会太高,并励,

18、积复励,串励,19.3.4 直流电动机的稳定运行条件,稳定运行的概念：原运行于某一状态的机组，由于受到外界某种短时扰动而使转速发生变化，当扰动消失后，机组能恢复到原来的转速，称机组能稳定运行，否则为不稳定运行。,分析： A点是稳定运行点， B点不是稳定运行点,机组稳定运行的条件:,19.4 直流电机的换向,概念：旋转电枢元件从一条支路经过电刷进入另一条支路时，元件中电流的方向改变的过渡过程称为换向过程,一、换向过程分析,1,2,1,2,1,2,后刷边,前刷边,一个元件换向过程所需的时间就是称为换向周期Tk，即一个换向片通过电刷所用的时间。（Tk=0.00050.02秒）。,二、换向元件中的电势

19、,2旋转电势（切割电势）（包含电枢反应电势ea）,1电抗电势,换向区有磁场存在，会产生切割电势。这一磁场可能由主极、换向极及电枢反应磁势所建立。, 换向元件的匝数, 换向元件边的有效长度, 电枢表面的线速度,电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势,两者的合成电势称为电抗电势,电抗电势总是阻碍线圈中电流的变化,与ia同向, 换向周期, 换向片数,三、电刷下产生火花的电磁原因,如果换向元件中电动势为零，则元件换向时不会出现环流，其中电流变化曲线iLf(t)为一条直线，称直线换向,换向元件中有电动势eaer时，产生附加换向电流,e0时，iK0，总的换向电流为iKiLiL(直线换向)，是一种理想的

20、换向情况，不会产生火花,e0时，iK 0，总的换向电流为iKiL iL，延时换向 在后刷端可能产生火花,e0时，iK 0，总的换向电流为iKiL iL，超前换向 在前刷端可能产生火花,延时换向,超前换向,直线换向iL,四、改善换向的方法,装换向极：在换向元件处产生一个磁势以抵消该处的电枢反应磁势。（换向极绕组一般与电枢绕组串联）,换向极的磁场方向应该与电枢反应的磁场方向相反,发电机中，换向极的极性与换向元件边即将进入的主磁极的极性相同,电动机中，换向极的极性与换向元件边刚离开的主磁极的极性相同,注：为了充分发挥换向极的作用，换向极的磁路均设计为不饱和,换向极,主磁极,发电机 n,电动机 n,主

21、极磁场 电枢磁场 合成磁场,合成磁场,N,S,N,S,移动电刷位置：对于无换向极的小型直流电机，把电刷从几何中性线移开一个适当的角度，利用主极磁场来代替换向极的磁场。,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,发电机中，电刷应自几何中性线顺着电枢旋转方向移动一适当角度,极性确定,电动机中，电刷应自几何中性线逆着电枢旋转方向移动一适当角度,移动电刷的缺点:,移动电刷产生去磁的直轴电枢反应，使发电机的电势降低，使电动机的转速增高（可能出现不稳定）,由于电抗电势er随负载变化，因此电刷的位置需要不断的调整（实际操作很难做到）,物理中性线,装补偿绕组：产生抵消电枢反应的磁势，与电枢绕组串联（

22、能有效的消除环火）,选用合适的电刷：电刷对换向有很大的影响。选用电刷是一个重要而复杂的问题,装补偿绕组,一般换向不困难的中、小型电机，常采用石墨电刷；换向比较困难的电机常采用碳石墨电刷；低压大电流电机则常采用接触压降较小的青铜石墨电刷或紫铜石墨电刷；对换向困难大型电机，要根据长期试验和运行经验来选定,19.5 直流电动的起动、制动与调速,19.5.1 直流电动机的起动,起动过程：电动机接到规定电源后，转速从0上升到稳态转速的 过程,直流电动机起动的基本要求：,足够大的起动转矩,起动电流限制在一定范围内,起动时间短，符合生产技术要求,起动设备简单、经济、可靠,直流电动机的起动方法,一、直接起动,

23、将直流电动机直接接到额定电压的电源起动电机,起动瞬间，n0，EaCen0,起动电流,起动转矩,特点：,不需要起动设备，操作简单，起动转矩大，但起动电流很大，可达（1020）IN,二、电枢电路串变阻器起动,在起动过程中，在电枢回路中串接可变电阻（称为起动电阻），起到限制起动电流目的,为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除,特点：,所需起动设备不多，操作简单，在中、小型电机中广泛采用。但容量大时，起动电阻器十分笨重，且能耗大，不经济,三、降压起动,对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的

24、电压以减小起动电流,特点：,起动电流小，起动消耗能耗也较小，可以实现平稳升速。但降压起动需要专用可变电源，设备投大。,19.5.2 直流电动机的制动,制动：在电动机轴上施加一个与转速方向相反的转矩，使电动机尽快停车或由高速降为低速,直流电机的电磁制动类型：能耗制动、反接制动和回馈制动,实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩,其特点是制动转矩大,操作控制方便,一、能耗制动,制动时，保持励磁电流不变，将电枢电流从电网断开，并立即将它接在限流电阻R上。,在这一瞬间，U0，而、n、Ea数值不变，电枢电流为,电流的反向，产生反向的电磁转矩，来实现制动,机组的动能全部变成电能