第2章直流電機的運行原理

河南科技學院機電學院第2章直流電機的運行原理2.1電力拖動系統(tǒng)的基本概念2.2直流電動機的基本平衡方程式2.3直流電動機的工作特性2.4直流電動機的機械特性2.5直流串勵電動機第2章直流電機的運行原理2.1電力拖動系統(tǒng)的基本概念2.2直流電動機的基本平衡方程式2.3直流電動機的工作特性2.4直流電動機的機械特性2.5直流串勵電動機電機拖動2.6直流發(fā)電機2.6直流發(fā)電機2.7電機放大機2.7電機放大機

2.1直流電機的基本概念

電力拖動系統(tǒng):電動機作為原動機，拖動生產(chǎn)機械完成一定生產(chǎn)任務(wù)的系統(tǒng)。電力拖動系統(tǒng)由電動機、生產(chǎn)機械、傳動機構(gòu)、控制設(shè)備及電源組成。

2.1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

1.運動方程式

(1)直線運動方程式

式中F為電動機產(chǎn)生的拖動力；FL為系統(tǒng)阻力；為慣性力。第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院

(2)旋轉(zhuǎn)運動方程式T為電動機電磁轉(zhuǎn)矩；TL為負載阻轉(zhuǎn)矩，或稱負載轉(zhuǎn)矩；J為運動系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量，單位,為慣性轉(zhuǎn)矩。運動方程式:

第2章直流電機的運行原理2.1.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式

河南科技學院機電學院

2.電動機工作狀態(tài)的判斷(1)當時，則n=0或n=常值，電力拖動系統(tǒng)處于靜止或穩(wěn)態(tài)運行狀態(tài)，即拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行狀態(tài)；(2)當時，電力拖動系統(tǒng)處于起動或調(diào)速時的升速運行狀態(tài)，即過渡過程的升速過程；(3)當時，電力拖動系統(tǒng)處于停車或調(diào)速時的減速運行狀態(tài)，即過渡過程的減速過程。

2.1.2生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩特性

含義：生產(chǎn)機械的轉(zhuǎn)速與負載轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。包括恒轉(zhuǎn)矩負載、恒功率負載、通風機類負載（泵類負載）三種。

1.恒轉(zhuǎn)矩負載

指生產(chǎn)機械的負載轉(zhuǎn)矩的大小不隨轉(zhuǎn)速變化而改變的負載。（1）反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載；（2）位能性恒轉(zhuǎn)矩負載。2.恒功率負載當轉(zhuǎn)速變化時，負載從電動機吸收的功率為恒定值。3.通風機類負載（泵類負載）是負載轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速n的平方成正比

。河南科技學院機電學院圖2.1反抗性恒轉(zhuǎn)矩負載特性圖2.2位能性恒轉(zhuǎn)矩負載特性常數(shù)圖2.3恒功率負載特性曲線圖2.4通風機負載特性曲線第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院

2.2直流電動機的基本平衡方程式電壓平衡方程式、功率平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式。2.2.1電壓平衡方程式1.瞬態(tài)運行平衡方程式

Ra為電樞回路繞組的電阻和電刷與換向器接觸電阻之和。2.穩(wěn)態(tài)運行平衡方程式2.2.2功率平衡方程式1.機械損耗Pm

(1)軸承損耗；(2)電刷摩擦損耗；(3)通風損耗；(4)周邊風阻損耗。2.鐵耗PFe

(3)磁滯損耗、(3)渦流損耗。3.電阻損耗Pcu(1)勵磁損耗可忽略；(2)銅損耗；(3)電刷接觸損耗。則4.雜散損耗PΔ

(1)齒槽損耗;(2)電樞反應(yīng)損耗。5.電磁功率（轉(zhuǎn)換功率）PM第2章直流電機的運行原理圖2.5直流他勵電動機河南科技學院機電學院（1）電源輸入的電功率6.直流電動機的軸上的凈輸出功率（有效負載）P2

7.直流電動機的功率平衡關(guān)系

(1)電源輸入的電功率P1

電樞回路：忽略勵磁損耗(2)功率平衡平衡方程式(3)功率流程如圖2.6所示。2.2.3轉(zhuǎn)矩平衡方程式

根據(jù)理論力學轉(zhuǎn)矩的定義。則

,,,T2軸上凈輸出轉(zhuǎn)矩，T0由機械損耗、鐵心損耗和雜散損耗引起的空載轉(zhuǎn)矩。圖2.6功率流程圖第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院圖2.7他勵電動機的工作特性

2.3直流電動機的工作特性以他勵直流電動機為例，工作特性是在端電壓額定，勵磁電流額定，電樞回路不串加電阻的條件下轉(zhuǎn)速、電磁轉(zhuǎn)矩、效率隨輸出功率變化的關(guān)系。實際上工作特性常常討論的是。2.3.1轉(zhuǎn)速特性2.3.2轉(zhuǎn)矩特性2.3.3效率特性1.不變損耗（空載損耗）p02.可變損耗（銅耗）pa3.效率

令：，則當不變損耗與可變損耗相等時效率最大。這一結(jié)論適合于直流發(fā)電機、變壓器、交流電機。第2章直流電機的運行原理n0:理想空載轉(zhuǎn)速。河南科技學院機電學院2.4直流電動機的機械特性機械特性是指電動機的轉(zhuǎn)速與其轉(zhuǎn)矩(電磁轉(zhuǎn)矩)之間的關(guān)系。即n=f(T)曲線。2.4.1機械特性方程式

根據(jù)工作特性方程式及電磁轉(zhuǎn)矩公式，可得，也可寫成。式中?為機械特性硬度;?大，硬度小，運行穩(wěn)定性差，反之則穩(wěn)定性好。2.4.2固有機械特性當直流他勵電動機端電壓額定，磁通額定，電樞回路附加電阻為零時的機械特性稱為固有機械特性。1.固有機械特性曲線2.固有機械特性特點(1)對任何一直流電動機，固有機械特性只有一條；(2)特性曲線斜率小?較小，特性較平坦，屬硬特性。當磁通Φ隨負載及電樞電流增加而減少時，會使轉(zhuǎn)速趨向上升，稱為上翹特性。圖2.8直流他勵電動機的機械特性第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院圖2.9電樞串接電阻時的人為機械特性

2.4.3直流電動機的人為機械特性將固有機械特性方程式的U、Ra、Φ

三個參數(shù)中的兩個參數(shù)保持不變，人為地改變另一個參數(shù)，可得三種不同的人為機械特性。

1.電樞串接電阻時的人為機械特性

電樞串接電阻時的人為機械特性與固有機械特性相比，具有如下一些特點：

(1)理想空載轉(zhuǎn)速與固有特性時相同，且不隨串接電阻的變化而變化；

(2)變化電樞串接電阻，可獲得不同斜率的射線族；

(3)隨著的加大，特性的斜率增加，轉(zhuǎn)速降落加大，特性變軟，穩(wěn)定性變差。第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院2.電源電壓改變時的人為機械特性電源電壓改變，一般是將額定電壓向下改變，而不能向上調(diào)，這是由電機的耐壓決定的。圖2.10電源電壓改變時的人為機械特性1－;2-

;3－電源電壓改變時的人為機械特性的特點：

(1)理想空載轉(zhuǎn)速n0發(fā)生變化，隨電源電壓的而降低；

(2)由于RK=0，特性斜率β不變，機械特性由一組平行線所組成；

(3)特性斜率β不變，轉(zhuǎn)速降落Δn不變，因此其特性較串聯(lián)電阻時硬。第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院圖2.11減弱磁通的人為機械特性曲線

3.改變主磁通時的人為機械特性

正常運行時，在額定磁通下工作，即磁路已接近飽和，所以改變主磁通只能是減弱磁通。

減弱磁通時的人為機械特性的特點:

(1)理想空載轉(zhuǎn)速n0與磁通Φ成反比，即當Φ下降時，n0上升；

(2)不同的磁通，所得的機械特性曲線斜率不同；

(3)磁通Φ下降，特性斜率β上升，且與Φ的平方成反比，特性情況下變軟；

(4)一般情況下Φ下降，n上升，但負載過大速度n反而會下降。2.4.4機械特性的計算與繪制請同學們自行分析第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院2.4.5電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件

所謂電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行,是指系統(tǒng)在擾動作用下離開原來得平衡狀態(tài)，仍能在新的運行條件下達到新的平衡，或者在擾動消失后，能夠回到原來的平衡狀態(tài)。1.穩(wěn)定運行的要求

系統(tǒng)在擾動作用下能達到新的平衡，擾動消失后能夠回到原平衡狀態(tài)。2.穩(wěn)定運行的分析3.穩(wěn)定運行的條件

(1)必要條件：電機機械特性與負特性須有交點,即存在載轉(zhuǎn)矩T=TL；

(3)充分條件：在交點處，滿

足或者說在交點以上的轉(zhuǎn)速部分滿足T<TL。而在交點以下的轉(zhuǎn)速部分滿足T>TL。（a）穩(wěn)定運行工作點（b）不穩(wěn)定運行工作點。圖2.12電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的工作點第2章直流電機的運行原理

2.5直流串勵電動機

2.5.1直流串勵電動機的接線與特點

接線如圖2.13，特點：勵磁繞組串入電樞回路。

河南科技學院機電學院圖2.13直流串勵電動機的接線圖圖2.14串勵電動機的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速特性圖2.15串勵電動機的機械特性第2章直流電機的運行原理2.5.3串勵電動機機械特性

1.空載或輕載運行

(1)特性軟;(2)易“飛車”。

2.負載運行

負載較大時，由于磁路已飽和，每極

磁通變化不大。其特性與他（并）勵電動

機的機械特性基本相似。2.5.2串勵電動機的工作特性

1.轉(zhuǎn)速特性

(1)空載或輕載運行特性方程

(2)負載特性如圖2.14A點右邊。

2.轉(zhuǎn)矩特性

圖2.14A點左邊。

3.效率特性

河南科技學院機電學院圖2.16直流他勵發(fā)電機的接線圖

2.6直流發(fā)電機2.6.1直流他勵發(fā)電機1.直流他勵發(fā)電機的接線圖

(1)在電壓與反電動勢的形式上，直流他勵發(fā)電機與直流他勵電動機相同；

(2)電樞回路的電流，直流他勵發(fā)電機與直流他勵電動機方向相反；

(3)在直流他勵發(fā)電機中，電磁轉(zhuǎn)矩為阻轉(zhuǎn)矩，原動機的機械轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩；直流他勵電動機，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩，機械轉(zhuǎn)矩（主要是負載轉(zhuǎn)矩）為阻轉(zhuǎn)矩，方向上二者相反。

2.電壓平衡方程式2.6.2直流他勵發(fā)電機的特性1.空載特性符合磁化特性

圖2.17直流他勵發(fā)電機空載特性第2章直流電機的運行原理第2章直流電機的運行原理2.6.2直流他勵發(fā)電機的特性河南科技學院機電學院2.外特性

他勵發(fā)電機電樞電流變化引起端電壓變化的關(guān)系。

(1)電樞電阻（內(nèi)阻）的影響；

(2)電樞反應(yīng)的影響。3.調(diào)節(jié)特性

保持端電壓基本不變，根據(jù)負載變化,適當調(diào)節(jié)勵磁電流即

(1)減小電樞電阻（內(nèi)阻）；

(2)減小電樞反應(yīng)的影響采用自動控制，隨著負載電流的增大，勵磁電流也應(yīng)略微增大，以確保端電壓基本不變或降壓較小。4.應(yīng)用他勵發(fā)電機的電壓變化率很小，且其勵磁電流能在相當大的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。因此，他勵方式適用于需要大幅度調(diào)壓的大型發(fā)電機。工業(yè)上應(yīng)用的6～24V的低壓直流發(fā)電機和超過600V的高壓直流發(fā)電機也采用他勵。2.18直流他勵發(fā)電機外特性

圖2.19直流他勵發(fā)電機調(diào)節(jié)特性

河南科技學院機電學院圖2.20直流并勵發(fā)電機的接線圖

圖2.21并勵發(fā)電機的自勵發(fā)電特性1—空載特性2—勵磁電阻線3—臨界電阻線2.6.3直流并勵發(fā)電機1.直流并勵發(fā)電機的接線圖2.空載特性3.并勵直流發(fā)電機發(fā)電的條件(1)并勵發(fā)電機內(nèi)部必須有一定的剩磁,若剩磁較弱，可采用激磁；

(2)勵磁繞組接線極性要正確；

(3)勵磁電阻RL小于或等于臨界電阻RfLj。2.6.4直流并勵發(fā)電機的負載運行1.并勵發(fā)電機外特性特性如圖2.22曲線3（2號為他勵曲線）。2.影響端電壓下降的因素

(1)電樞電阻（內(nèi)阻）的影響；

(2)電樞反應(yīng)的影響；

(3)勵磁繞組并接方式的影響。復(fù)勵發(fā)電機的串勵磁通勢與并勵磁通勢方向一致為積復(fù)勵，曲線1較好。圖2.22直流發(fā)電機空載特性第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院

2.7電機放大機

電機放大機又稱為交磁擴大機。它實際上是一臺二級直流發(fā)電機。

2.7.1電機放大機的工作原理

控制繞組加控制電壓UK產(chǎn)生磁通ΦK，電樞繞組切割ΦK產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Eq，約幾伏，如圖2.23中電樞外表面所標的·和×。電刷1、2稱交軸電刷，短接后電樞繞組中會產(chǎn)生較大的電流Iq，電樞產(chǎn)生磁通Φq，方向如圖2.23。電樞另一繞組又切割磁通Φq，產(chǎn)生電動勢Ed，方向如圖2.23中電樞內(nèi)表面所標的·和×表示。電刷3、4稱為直軸電刷，直軸電刷對外輸出，可得輸出電壓Ud?？刂齐妷篣k，勵磁電流Ik一般都不大，而輸出電壓Ud較高，電流較大。較小的輸入功率變化引起了較大輸出功率的變化，這就是功率放大。輸出功率與輸入功率之比稱為功率放大系數(shù)，一般電機放大機放大系數(shù)為20～100。因為電機放大機是利用交軸磁通Φq來放大的，所以，又稱為交磁擴大機，擴大就是放大功率的意思。

電機放大機相當于兩級直流發(fā)電機并且轉(zhuǎn)速高，氣息小、氣隙小、材料好，因此其功率放大系數(shù)很大，可達1000～10000，可作為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)元件。若作為直流發(fā)電機的勵磁電壓，則可獲可控的勵磁電流。第2章直流電機的運行原理圖2.23電機放大機的原理圖

河南科技學院機電學院2.7電機放大機圖2.24電機放大機定子上各繞組分布2.7.2電機放大機的結(jié)構(gòu)1.定子(1)控制繞組：加控制電壓稱控制信號。(2)補償繞組：Id產(chǎn)生的磁通Φd對控制繞組中的磁通ΦK有強烈的去磁作用，使電機放大機無法工作。為了抵消磁通Φd，在大槽和小槽中嵌放補償繞組Nb與電樞繞組串聯(lián)，產(chǎn)生的磁通Φb和ΦK同方向，抵消Φd的去磁作用，補償了ΦK的變化。(3)換向繞組：在直軸方向裝有換向繞組,是因為電機放大機的輸出電流較大，為了改善直軸換向，在中槽內(nèi)嵌放了換向繞組NH，也與電樞繞組串聯(lián)。(4)交軸助磁繞組:嵌放在中槽內(nèi)串接到交軸兩電刷間，產(chǎn)生的磁通與Φq同方向，改善了交軸的換向。(5)去磁繞組：為了減小電機放大機的剩磁和磁滯回線，磁軛上還繞有交流去磁繞組，所加工頻交流電壓為1～3V。2.轉(zhuǎn)子電機放大機的轉(zhuǎn)子（電樞）上有交軸繞組與直軸繞組。第2章直流電機的運行原理河南科技學院機電學院2.7電機放大機圖2.25電機放大機的空載特性

2.7.3電機放大機的特性電機放大機的特性分為空載特性和外特性。1.電機放大機的空載特性電機放大機不接負載時，由交流電動機拖動到額定轉(zhuǎn)速，電動勢Ed隨控制繞組的磁勢IkNk變化而變化的特性稱為電機放大機的空載特性。第2章直流電機的運行原理從圖2.25中可看出，當電機放大機的磁勢IkNk較小時，隨著IkNk的增加，電機放大機的電動勢Ed增加較慢