第三章直流電機的穩(wěn)態(tài)分析

第三章直流電機的穩(wěn)態(tài)分析直流電機是電機的主要類型之一，與交流電機相比，較復雜，成本較高，維修不便，特別是換向問題使其應用受到了限制，近年來，由于電力電子技術的發(fā)展，有被取代的趨勢；但在過載要求較高，調(diào)速范圍大，調(diào)速性能較好的場合仍在使用，同時在目前無刷電機的研究是一個熱點。河北科技大學電氣信息學院§3.1直流電機的工作原理和基本結構一、直流電機的工作原理1、直流電動機的工作原理載流導體在磁場中受到的力方向：左手定則B

—磁場的磁感應強度(Wb/m2)i

—導體中的電流(A)l

—導體的有效長度(m)河北科技大學電氣信息學院

當安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在S極下時，總是從電刷B流出的方向，就使電動機能夠連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。

當線圈ab和cd中通入電流時，線圈邊ab和cd上均受到電磁力，根據(jù)左手定則確定力的方向。這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩。河北科技大學電氣信息學院2、直流發(fā)電機工作原理

用原動機拖動電樞逆時針方向恒速轉(zhuǎn)動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產(chǎn)生了交變的電動勢。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷A、B端的電動勢卻是直流電動勢。

一臺直流電機作為電動機運行——在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉(zhuǎn)，拖動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn)

，輸出機械能；作為發(fā)動機運行——用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直流電動勢，作為直流電源，輸出電能。直流發(fā)電機河北科技大學電氣信息學院直流電機河北科技大學電氣信息學院直流電機河北科技大學電氣信息學院直流電機河北科技大學電氣信息學院小型直流電機河北科技大學電氣信息學院ZQ-76直流牽引電機河北科技大學電氣信息學院ZQ-76直流牽引電機河北科技大學電氣信息學院直流牽引電機河北科技大學電氣信息學院二、直流電機的基本結構河北科技大學電氣信息學院直流電機的結構河北科技大學電氣信息學院（一）直流電機的靜止部分河北科技大學電氣信息學院1、主磁極2、換向極1—主磁極鐵心2—勵磁繞組3—機座1—換向極鐵心2—換向極繞組3、機座——用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。

河北科技大學電氣信息學院4、電刷裝置

1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮直流

電機

的定

子裝

配圖河北科技大學電氣信息學院直流電機的定子鐵心和繞組河北科技大學電氣信息學院河北科技大學電氣信息學院（二）直流電機的轉(zhuǎn)動部分1、電樞鐵芯直流電機的轉(zhuǎn)子河北科技大學電氣信息學院小型直流

電機

的定轉(zhuǎn)子河北科技大學電氣信息學院2、電樞繞組——由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。1—槽楔2—線圈絕緣3—導體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內(nèi)的絕緣3、換向器——由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片河北科技大學電氣信息學院換向器河北科技大學電氣信息學院三、勵磁方式●他勵●自勵（并勵、串勵、復勵）河北科技大學電氣信息學院四、直流電機的額定值

在電機的銘牌上標著以下數(shù)據(jù)：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉(zhuǎn)速nN(r/min)5、額定勵磁電壓UfN(V)河北科技大學電氣信息學院在額定工況下，電機出線端的平均電壓發(fā)電機：是指輸出額定壓；電動機：是指輸入額定電壓。在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉(zhuǎn)速指軸上輸出的機械功率指電刷間輸出的額定電功率電動機發(fā)電機額定條件下電機所能提供的功率額定功率河北科技大學電氣信息學院對應于額定電壓、額定電流、額定轉(zhuǎn)速及額定功率時的勵磁電流指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式

電機運行時，所有物理量與額定值相同——電機運行于額定狀態(tài)。電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近，此時電機的運行效率、工作性能等比較好。若運行電流小于額定電流——欠載運行；長期欠載運行將造成電機浪費，若運行電流大于額定電流——過載運行。長期過載運行會縮短電機的使用壽命。河北科技大學電氣信息學院§3.2直流電樞繞組

電樞繞組是直流電機的電路部分，其作用是產(chǎn)生足夠的感應電動勢或電磁轉(zhuǎn)矩，并能通過一定的電樞電流。類型：疊繞組（包括單疊、復疊繞組）波繞組（包括單波、復波繞組）混合繞組–是疊繞組和波繞組的組合形式一、直流電樞繞組的構成

河北科技大學電氣信息學院介紹：元件，上層邊，下層邊，端接部分，單層繞組，雙層繞組考慮到開槽不可能太多，因此設置虛槽數(shù)，這樣：元件數(shù)S=換向片數(shù)K=虛槽數(shù)Qu(=uQ)河北科技大學電氣信息學院二、直流電樞繞組的節(jié)距第一節(jié)距y1

：元件中兩個有效邊之間的距離當y＜τ時，稱為短距繞組當y＝τ時，稱為整距繞組當y＞τ時，稱為長距繞組第二節(jié)距y2

：第一個元件下層邊與第二個元件上層邊之間的距離合成節(jié)距y：兩個元件對應邊之間的距離

河北科技大學電氣信息學院極距τ：三、單疊繞組以2p=4,s=k=Qu=16,u=1,右行為例：步驟：1、首先計算相關數(shù)據(jù)：因是疊繞組：

y=yc=1

設為整距繞組：y1=τ=Qu/2p=16/4=4y2=y1-y=4-1=32、畫16條線設為16個槽河北科技大學電氣信息學院對單疊繞組：y=y1–y2

對波繞組：y=y1+y2

換向器節(jié)距yc：yc=y

3、按以上計算出的規(guī)律放置繞組4、放置磁極5、放置電刷6、求并聯(lián)支路對數(shù)河北科技大學電氣信息學院河北科技大學電氣信息學院河北科技大學電氣信息學院結論：1、單疊繞組的并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，即：2a=2p2、當繞組左右對稱時，電刷應放置在磁極的中心線上3、端電壓即為支路電壓，端電流為支路電流的2a倍。4、在繞組元件數(shù)一定的情況下，并聯(lián)支路數(shù)越多，端電壓越低，端電流越大。反之亦然。河北科技大學電氣信息學院§3.3空載和負載時直流電機的磁場一、空載時直流電機的磁場

直流電機的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時，由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。主磁路路徑：漏磁路路徑：河北科技大學電氣信息學院氣隙中主磁場磁通密度的分布磁化曲線河北科技大學電氣信息學院二、負載時的電樞磁動勢和電樞反應

當直流電機帶上負載以后，電樞繞組中的電流在電機磁路中又形成一個磁動勢，這個磁動勢稱為電樞磁動勢。

若電刷放在幾何中心上，則電樞磁動勢的方向（即磁動勢的軸線）總是與電樞軸線重合。通常把主磁極的軸線稱為直軸。與之正交的軸線稱為交軸。

河北科技大學電氣信息學院1、交軸磁動勢

當不考慮其他因素，且電刷放在幾何中心線上時，電樞磁動勢所在的位置即為交軸磁動勢。

此時的電機氣隙磁場是由勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同產(chǎn)生的。電樞磁動勢對氣隙磁場的影響稱為電樞反應。電樞反應后磁動勢波形河北科技大學電氣信息學院2、直軸磁動勢

電刷從幾何中心線轉(zhuǎn)過β角，磁動勢也隨之轉(zhuǎn)過β角，如圖a）此時可將磁動勢分成兩個分量，交軸電樞磁動勢（交軸電樞反應）如圖b)和直軸磁動勢（直軸電樞反應）如圖c)。交軸電樞反應使主磁場變形和減小。直軸電樞反應使主磁場減弱或加強?！ぁそY論：1、有負載時必發(fā)生電樞反應2、電樞反應使氣隙磁場發(fā)生了畸變2、電樞反應呈現(xiàn)去磁作用§3.4直流電機的感應電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩一、電樞繞組中的感應電動勢

直流電機無論作電動機，還是發(fā)電機運行，導體都要“切割”磁場，電樞內(nèi)部都感應產(chǎn)生電動勢。設電樞導體總數(shù)為Za，并聯(lián)支路數(shù)為2a，則電樞電動勢為：Bδ(x)互不相同，為簡單計算求其平均值河北科技大學電氣信息學院對制成的電機，Ce=pZa/60a為一個常數(shù)，稱為電動勢常數(shù)若不計飽和影響，有其中Kf

為比例常數(shù)，則代入上式得：因為其中Gaf=CTKf

；

Ω為機械角速度。河北科技大學電氣信息學院其中為電機的轉(zhuǎn)矩常數(shù)，不計飽和時其中Gaf=CTKf

二、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩

電磁轉(zhuǎn)矩的推導方法類似，省略，其結果為：河北科技大學電氣信息學院§3.5直流電機的基本方程對于電動機:對于發(fā)電機一、電壓方程1、他勵電機電樞回路：I=Ia

勵磁回路：河北科技大學電氣信息學院2、并勵直流電機對直流電動機對直流發(fā)電機3、串勵直流電動機對電動機對發(fā)電機河北科技大學電氣信息學院·河北科技大學電氣信息學院二、轉(zhuǎn)矩方程根據(jù)發(fā)電機和電動機的工作狀況可知：在發(fā)電機中電磁轉(zhuǎn)矩是一個制動轉(zhuǎn)矩。而在電動機中，電磁轉(zhuǎn)矩是一個驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。河北科技大學電氣信息學院發(fā)電機電動機三、電磁功率和功率方程1、電磁功率2、功率方程（以并勵電機為例）對電動機：它是能量轉(zhuǎn)換過程中將電能轉(zhuǎn)換成機械能或進行相反轉(zhuǎn)換的的轉(zhuǎn)換功率，發(fā)生在電樞電路和機械系統(tǒng)之間。即：由轉(zhuǎn)矩方程得即：河北科技大學電氣信息學院則：對并勵發(fā)電機考慮到可得：河北科技大學電氣信息學院四、直流電機的可逆性從原理上講，一臺直流電機既可以作為電動機使用，也可以作為發(fā)電機使用，這就是它的可逆性。但考慮到效率問題，一般情況下，直流電機只運行在某一種情況下。河北科技大學電氣信息學院§3.6直流發(fā)電機的運行特性1、他勵發(fā)電機的負載運行按規(guī)定的轉(zhuǎn)向，用原動機將發(fā)電機拖動到規(guī)定的轉(zhuǎn)速，給勵磁并調(diào)整到額定勵磁。

Q打開時，為空載運行，原動機只需克服自身的空載轉(zhuǎn)矩T0即可。

Q閉合后，由于產(chǎn)生電流，電樞將受到制動性的電磁轉(zhuǎn)矩Te的作用，是原動機的轉(zhuǎn)速下降，此時原動機必須輸入更大的轉(zhuǎn)矩T1，使T1與T0+Te平衡，使機組重新恢復額定轉(zhuǎn)速。電磁方面，當電樞有電流后，便產(chǎn)生了電磁功率EaIa，它是由機械功率轉(zhuǎn)換而來，欲保持電功率的輸出，就應不斷地向發(fā)電機輸入機械功率。河北科技大學電氣信息學院二、他勵發(fā)電機的運行特性河北科技大學電氣信息學院是指發(fā)電機的端電壓U、負載電流I、和勵磁電流If這三個主要量之間的關系.1、外特性當n=nN=常數(shù)，If=常數(shù)時，接線圖如右圖可見為一條向下傾斜的直線河北科技大學電氣信息學院為衡量下降的大小，引入電壓調(diào)整率.他勵：△u=5～10%，并勵：△u=30%左右

他勵發(fā)電機短路電流可達額定電流的二三十倍，故不允許短路2、調(diào)整特性當n=nN=常數(shù)，U=UN=常數(shù)時，河北科技大學電氣信息學院這是因為當If增大時，使Ea增大，以抵消IaRa的下降，才能保持U不變。3、效率特性當n=nN=常數(shù)，U=UN=常數(shù)時，小型：η=70～90%中、大型：η=90～96%河北科技大學電氣信息學院二、并勵直流發(fā)電機的自勵和外特性1、并勵發(fā)電機的自勵自勵過程河北科技大學電氣信息學院.自勵電壓的建立有三個條件：1）電機必須有剩磁；2）勵磁繞組并聯(lián)到電樞的極性必須正確；3）勵磁回路的總電阻小于該轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。2、外特性△u比他勵發(fā)電機大的原因由可知：1)Ia增大時，IaRa增大，使U下降，2）Ia增大時，電樞反應加強，φ減小，使Ea下降，U下降3）U下降時，If減小，φ減小，使Ea下降，U進一步下降河北科技大學電氣信息學院外特性出現(xiàn)“拐彎”可從來解釋，當RL減小時，I增大；Ia也增大，由上面分析可知U減小，當U減小到一定程度時，磁路將退出飽和，此時若RL再減小，端電壓的下降程度要大于Ra的減小程度，從而造成I不但不增大，反而減小。拐點的電樞電流約為（2～3）IN由于并勵發(fā)電機的短路電流較小，因此允許短路。河北科技大學電氣信息學院三、復勵電動機的運行特性根據(jù)勵磁方式可分為過復勵、平復勵、欠復勵，其接線圖和外特性如下圖河北科技大學電氣信息學院§3.7直流電動機的運行特性一、并勵電動機的負載運行見課本P100二、并勵電動機的運行特性

1、工作特性1）轉(zhuǎn)速特性當U=UN

,If=IfN時，n=f(Ia)河北科技大學電氣信息學院..2）轉(zhuǎn)矩特性當U=UN

,If=IfN時，Te=f(Ia)的關系曲線3）效率特性當U=UN

,If=IfN時，η=f(Ia)的關系曲線河北科技大學電氣信息學院·2、機械特性二、串勵直流電動機的特性特性從電壓方程當時結合得：1、轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速方程這種特性稱為軟特性，不允許空載運行，因會“飛車”，特別適合于電鉆、挖掘機類重負載河北科技大學電氣信息學院2、工作特性1、轉(zhuǎn)速特性U=UN時，n=f(Ia)或n=f(P2)的曲線上式表明：轉(zhuǎn)速和電流之間的關系近似成雙曲線的關系3、轉(zhuǎn)矩特性U=UN時，Te=f(Ia)或Te=f(P2)的曲線河北科技大學電氣信息學院三、復勵直流電動機的運行特性1、以并勵為主2、以串勵為主3、串勵河北科技大學電氣信息學院§3.8直流電動機的起動、調(diào)速和制動

起動要求

①盡可能曉得起動電流IST

②盡可能大的起動轉(zhuǎn)矩TST1、直接起動起動瞬間：n=0，E=0，

IST=UaRa=(10~20)IN——換向決不允許!T

=

TST=CTΦIST=(10~20)TN2、降低電樞電壓起動需要可調(diào)直流電源。一、直流電機的起動河北科技大學電氣信息學院3、電樞回路串電阻起動Ra

的估算公式Rａ

=UaN－

IaN

PNIaN可通過起動變阻器來完成，如圖RST=Ua

IST－Ra

最大起動電阻為河北科技大學電氣信息學院二、直流電機的速度調(diào)節(jié)由可知：1）電樞回路串電阻調(diào)速由上式可知：Ra越大，n越低。2）改變電源電壓調(diào)速可見，U變化時，n發(fā)生變化。特性見右圖對并勵或他勵電動機河北科技大學電氣信息學院3）改變磁場調(diào)速

因勵磁電流變化時，磁場也要發(fā)生變化，故可將機械特性變形為可見改變勵磁電流，即可調(diào)速河北科技大學電氣信息學院對串勵電動機對公式（3-45