直流電機的基本理論

關(guān)于直流電機的基本理論3.1直流電機的工作原理1直流發(fā)電機的工作原理（由右圖看基本組成）輸出電壓eeNSAB12FF+-直流發(fā)電機的工作原理是建立在電磁感應(yīng)定律基礎(chǔ)上的。e=Blv;用右手定則判感應(yīng)電動勢e的方向;電樞繞組電阻Ra;第2頁,共27頁，2024年2月25日，星期天2直流電動機的工作原理（由下圖說組成）直流電動機的工作原理是建立在電磁力定律基礎(chǔ)上的。f=Bli;用左手定則判電磁力f的方向：由左手定則，通電線圈在磁場力的作用下，使線圈逆時針旋轉(zhuǎn)E+–NS電刷換向片IaIaAB12電樞線圈注意：換向片和線圈固定聯(lián)接，線圈無論怎樣轉(zhuǎn)動，總是上半邊的電流向里，下半邊的電流向外。電刷壓在換向片上。第3頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)和額定值3.2.1直流電機的基本結(jié)構(gòu)：由兩部分構(gòu)成第4頁,共27頁，2024年2月25日，星期天1.額定電壓UN

指輸出電壓或輸入電壓的額定值（線電壓）。2.額定電流IN

指輸出電流或輸入電流的額定值（線電流）。3.額定功率PN

發(fā)電機的PN

：指輸出電功率的額定值(UNIN)

。電動機的PN

：指輸出機械功率的額定值(UNINηN)

。4.額定轉(zhuǎn)速nN5.額定狀態(tài)：指U、I、P、n均為額定值的狀態(tài)。6滿載狀態(tài)：指I=IN的狀態(tài)。3.2.2直流電機的額定值第5頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.4直流電機的電樞繞組（了解）1直流電機的電樞繞組的5種形式：單疊繞組、單波繞組、復(fù)疊繞組、復(fù)波繞組、混合繞組。2直流電機中實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的耦合介質(zhì)：氣隙磁場3直流電機利用氣隙磁場實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的兩個要素：感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩第6頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.4直流電機的磁場他勵電機：勵磁繞組與電樞繞組的電源分開。并勵電機：勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)到同一電源上。串勵電機：勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)接到同一電源上。復(fù)勵電機：勵磁繞組與電樞繞組的聯(lián)接有串有并，接在同一電源上。M并勵UIfM串勵UM復(fù)勵U3.4.1、直流電機的勵磁方式（電樞與繞組的連接關(guān)系）M他勵UfIfIaU第7頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.4.2、直流電機的空載磁場（了解）3.4.3、直流電機的負(fù)載磁場和電樞反應(yīng)（了解）電樞反應(yīng)：電機帶負(fù)載時，電樞磁場對主磁極磁場所產(chǎn)生的影響。電樞反應(yīng)的結(jié)果：（1）氣隙磁場的分布發(fā)生畸變；（2）每極磁通量下降；第8頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.5直流電機的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩（重點）3.5.1電樞繞組的電動勢（計算公式）

3.5.2電樞繞組的電磁轉(zhuǎn)矩（計算公式）第9頁,共27頁，2024年2月25日，星期天題:一臺直流發(fā)電機，2p=4（單波繞組），電樞繞組的元件數(shù)S=162，每個元件匝數(shù)Wa=2，每極磁通?=5.1×10-3Wb，轉(zhuǎn)速n=1450r/min,試求：電樞感應(yīng)電動勢Ea。

解：由于單波繞組支路，所以a=1，總導(dǎo)體數(shù)N=2SWa=648，方向：在發(fā)電機中，感應(yīng)電動勢的方向與電樞電流的方向相同；在電動機中，感應(yīng)電動勢的方向與電樞電流的方向相反；在發(fā)電機中，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；在電動機中，電磁轉(zhuǎn)矩為拖動轉(zhuǎn)矩；第10頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.6直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式和工作特性（重點)3.6.1直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式（電壓、轉(zhuǎn)矩、功率）1電壓平衡方程式2轉(zhuǎn)矩平衡方程式EaMIf+U

－+U

－Ia勵磁電路：U

=Rf

If電樞電路：U=Ea+Ra

IaU：端電壓；Ea

：電樞電動勢；Ra

：電樞回路電阻；Rf

：勵磁回路電阻；U>Ea時：電動機；U<Ea時：發(fā)電機；T＝T0+TLT：電磁轉(zhuǎn)矩（拖動轉(zhuǎn)矩）；T0：電動機空載損耗轉(zhuǎn)矩（制動轉(zhuǎn)矩）；TL

：電動機輸出轉(zhuǎn)矩（制動轉(zhuǎn)矩）；第11頁,共27頁，2024年2月25日，星期天P1PMP2pCuP0＝pFe+pm+ps功率角速度轉(zhuǎn)矩3功率平衡方程式第12頁,共27頁，2024年2月25日，星期天M他勵UfIfIaU

M串勵U

M復(fù)勵U

M并勵UIf

第13頁,共27頁，2024年2月25日，星期天題1：已知一臺他勵直流電動機的數(shù)據(jù)為PN＝75kW，UN＝220V，IN＝383A，nN＝1500r/min,電樞回路總電阻Ra＝0.0192Ω，忽略磁路飽和的影響。求額定運行時：（1）電磁轉(zhuǎn)矩；（2）輸出轉(zhuǎn)矩；（3）輸入功率；（4）效率。解：電樞感應(yīng)電動勢為：Ea＝UN－INRa＝220-383×0.0192＝212.646V電磁功率為：PM＝EaIN＝212.646×383＝81443W電磁轉(zhuǎn)矩為：T＝PM/Ω＝9.55PM/n＝9.55×(81443/1500)＝518.5N·m輸出轉(zhuǎn)矩為：T2＝PN/Ω＝9.55PN/n＝9.55×(75000/1500)＝477.5N·m輸入功率為：P1＝UIN

＝220×383＝84260W效率為：η＝P2/P1＝75000/84260＝89%第14頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.6.2直流電動機的工作特性當(dāng)電樞電壓為額定電壓U=UN,電樞回路中無外加電阻，勵磁電流為額定勵磁電流時,電動機轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T和效率隨電樞電流Ia而變化的關(guān)系,稱為直流電動機的工作特性。（2）轉(zhuǎn)矩特性（3）效率特性1、并勵直流電動機的工作特性（特點：I=Ia+If,U=Ea+IaRa）（1）轉(zhuǎn)速特性（電動勢公式、電壓平衡方程式）第15頁,共27頁，2024年2月25日，星期天2、串勵直流電動機的工作特性串勵UIf+_IaMEaRaRf（特點：I=Ia=If;U=Ea+Uf;）(1)轉(zhuǎn)速特性（2）轉(zhuǎn)矩特性（3）效率特性第16頁,共27頁，2024年2月25日，星期天（2）并勵直流電動機的勵磁繞組可否允許開路運行？為什么？（3）串勵直流電動機可否允許空載運行？為什么？不允許。空載或負(fù)載很小時，電機轉(zhuǎn)速將很高，實際可能達(dá)到危險的高速（“飛速”），它將導(dǎo)致電樞損壞。（1）與并勵電動機相比，串勵電動機的優(yōu)點：對于相同的轉(zhuǎn)矩變化量，串勵電動機的電樞電流變化量??；對于允許最大的電樞電流，串勵電動機可以產(chǎn)生較大的電磁轉(zhuǎn)矩。不能。當(dāng)勵磁繞組開路后，電樞繞組上不再產(chǎn)生反電動勢,電阻很小.整個電路就相當(dāng)于電源和電樞線圈直接行成一個通路了。燒斷電樞（轉(zhuǎn)子）甚至燒毀電源。3.復(fù)勵直流電動機的工作特性積復(fù)勵、差復(fù)勵。(1)有較大的Tst。(2)可以空載運行。機械特性MIaIf+U－I第17頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.7他勵直流電動機的機械特性方程式（重點）第18頁,共27頁，2024年2月25日，星期天解：（1）（2）理想空載轉(zhuǎn)速為額定輸出轉(zhuǎn)矩為空載轉(zhuǎn)矩為空載電流為實際空載轉(zhuǎn)速為（3）題2：一臺他勵直流電動機的額定數(shù)據(jù)為PN＝17kW，UN＝220V，nN＝1000r/min，IN＝92A，電樞繞組的電阻Ra＝0.2Ω，電刷壓降2△Ub＝2V。試計算：（1）電動機的額定電磁轉(zhuǎn)矩。（2）理想空載轉(zhuǎn)速和實際空載轉(zhuǎn)速。（3）電動機的輸出轉(zhuǎn)矩保持為額定值不變，在電樞回路中串入0.3Ω電阻，求電動機轉(zhuǎn)速。第19頁,共27頁，2024年2月25日，星期天+Ua－GIf+Uf－EIa3.8直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式和工作特性（勵磁方式）3.8.1直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式1.電壓平衡方程式2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式3.功率平衡方程式（公式計算法、關(guān)系推算法）P1Pm+PsPFePMPCuP2

輸入的機械轉(zhuǎn)矩T1=空載轉(zhuǎn)矩T0+電磁轉(zhuǎn)矩T第20頁,共27頁，2024年2月25日，星期天題3：一臺四極復(fù)勵直流發(fā)電機的額定數(shù)據(jù)為PN＝6kW，UN＝220V，nN＝1450r/min，電樞繞組的電阻Ra75℃＝0.92Ω，并勵回路電阻Rf75℃＝177Ω，電刷壓降2△Ub＝2V，空載損耗P0＝pFe+pm+ps＝355W。試求額定負(fù)載下的電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩及效率。解：電磁轉(zhuǎn)矩為額定負(fù)載時發(fā)電機的輸入功率為效率為第21頁,共27頁，2024年2月25日，星期天3.8.2直流發(fā)電機的運行分析并勵直流發(fā)電機的自勵過程和自勵條件1自勵過程：并勵發(fā)電機建立電壓的過程。2、自勵條件：滿足建壓的條件。1234電機有剩磁，極性正確→氣隙磁場得到加強→電樞繞組電勢增加→勵磁電流增加→經(jīng)不斷反復(fù)→電機端電壓建立起來。1）電機必須有剩磁。

2）勵磁繞組與與電樞并聯(lián)的極性正確。3）勵磁回路的電阻小于（與電機運行轉(zhuǎn)速下相對應(yīng)的）臨界電阻。第22頁,共27頁，2024年2月25日，星期天思考題1-7（成信PPT上的題目）：1、在直流電機中，換向器起什么作用？在直流發(fā)電機中，換向器起整流的作用；在直流電動機中，換向器起逆變的作用；2、在下列情況下，直流發(fā)電機電刷兩端電壓的性質(zhì)？1)、磁極固定，電刷與電樞同時旋轉(zhuǎn)。2)、電樞固定，電刷與磁極同時旋轉(zhuǎn)。1）交流。電刷與電樞間相對靜止，電刷兩端的電壓性質(zhì)與電樞的相同。

2）直流。電刷與磁極間相對靜止，電刷總是引出某一極性下的電樞電壓，而電樞不動，磁場方向不變。

3、下列哪種情況可以使連接在電網(wǎng)上的直流電機逆變?yōu)榘l(fā)電機？1)、加大勵磁電流，使磁通增加，并使Ea>U。2)、在電機軸上外加一轉(zhuǎn)矩，使其轉(zhuǎn)速上升，并使Ea>U。4、并勵直流發(fā)電機正轉(zhuǎn)時能自勵，反轉(zhuǎn)能否自勵？為什么?應(yīng)如何處理？第23頁,共27頁，2024年2月25日，星期天5、如何判斷直流電機是運行于發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)？它們的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電樞感應(yīng)電勢、電樞電流和端電壓的方向有何不同？能量轉(zhuǎn)