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1、第17章 直流发电机和直流电动机,一、 自励发电机的电压建起,1.1 自励发电机的电压建立过程,起动开始，U=0，励磁电流If=0。由于铁心存在剩磁，当电枢旋转时，电枢绕组中有小的感应电势（b点），在励磁绕组中产生微小的励磁电流Ifb。若Ifb产生的磁势与剩磁同方向，则使磁场增强，电枢端电压随之增加，并产生更大的激磁电流。,在0a段，有即励磁电流随时间增加，对应端电压U也增加在a点达到稳定值，空载电压建立。,1.2 自励发电机的电压建立条件,磁路的因素存在剩磁饱和现象铁磁材料的饱和现象，使得磁化曲线与场阻线存在交点，即电机有确定的电压。,电路的因素励磁绕组的接法与电机旋转方向正确配合使最初的微
2、小励磁电流增强原来的剩磁，使感应电势增加,励磁回路的影响励磁回路的总电阻小于该转速时的临界电阻临界电阻指一定转速时，与磁化曲线的直线部分（气隙线）重合的场阻线,1.3 绕组接法与旋转方向,改变电枢绕组与励磁绕组的相对连接改变电枢的旋转方向,1.4 转速与场阻线及稳定电压,0a线，场阻r1，稳定端电压U10c线，场阻r3（较大），建立电压U2很小，电压无法建立0b线，场阻r2，常阻线与气隙线重合，无明确的交点，电压不能稳定。且场阻的微小变化将引起端电压的较大变化,空载电压与励磁回路电阻的大小和电机转速高低有关。,二、 直流发电机的运行特性,2.1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,2.1 直流
3、发电机的平衡方程式,并励发电机,ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等。,附加损耗产生P的原因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗,2.1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,转矩平衡式,输入机械转矩,电磁转矩,2.2 他励发电机的特性,励磁电流不随负载电流变化励磁可调，电压调节范围大，适用于要求电压广泛可调的应用场合。工业上低压（4-24V）及高压（600V）以上均为他励。,如何改变电机端电压极性？取决于电枢电势的方向，改变转
4、向，而磁通方向不变改变磁通方向，而转向不变,2.2.1 他励时的空载特性,空载特性通过磁路计算，或空载实验得到。即电机的磁化曲线负载特性假设电枢反应的去磁作用与负载电流成线性正比。如电枢反应起助磁作用，则特性三角形应翻转，负载曲线比空载曲线高,2.2.2 他励时的外特性,端电压下降的因素：电枢回路中引起的电压降电枢反应的去磁作用通常约为005010,2.2.3 他励时的调节特性,当有负载电流时，为要维持端电压不变，随着负载电流的增大，励磁电流相应增大,U,IN,2.3 并励发电机的特性,励磁绕组与电枢绕组并联、励磁电流由发电机电枢绕组自己供给，随电枢电压变化作为短线路的电源，如同步电机的励磁机
5、、蓄电磁的充电电源等。,如何改变电机端电压极性？取决于电枢电势的方向改变电刷间极性时应注意电压建立的问题。即改变原动机转向时必须改变绕组的相对连接。使感应电势与剩磁方向一致,2.3.1 并励时的空载特性,并励发电机在空载时，电枢电流等于励磁电流。由于励磁电流很小，它流过电枢绕组所产生的电阻压降和电枢反应很小，故空载时的感应电势即可认为是与空载端电压相等。所以，并励发电机的空载特性和它的磁化曲线相同,2.3.2 并励时的外特性,端电压下降的因素电枢回路的电压降；电枢反应的去磁作用；端电压下降引起的励磁电流减小。,电压变化率约为20%,当负载电阻不断减小时，负载电流IL增加。但当降至某一临界数值I
6、cr以后，若负载电阻继续减小，则负载电流IL反将逐渐减小。当电枢两端直接短路，负载电流将降为微小的短路电流Ik。,拐点,拐点产生的原因：负载电阻减小后，一方面使负载电流增加，端电压下降；另一方面，端电压下降后，使励磁电流减小，电势下降，使负载电流下降。当电压较高时，磁路饱和，励磁电流对电势影响不大；（负载电流随电阻下降而增大）当电流达到临界值时，磁路退出饱和，励磁电流的微小变化引起感应电势的较大变化（负载电流下降）,短路电流的解释：直接短路时，端电压U=0，励磁绕组电压等于0。励磁电流为零，感应电势仅为剩磁电势，并引起短路电流。短路的影响主要在于突然短路的瞬间：由于励磁绕组有很大的电阻，磁通不
7、能立即变为零，imax可达8-12IN。,2.3.3 并励时的调节特性,讨论,并励发电机在下列情况下空载电压如何变化？磁通减小10%则Ea=E0也减小10%励磁电流减小10%发电机正常运行处于磁路饱和状态，If减小10%，则减小小于10%励磁回路电阻减小10%If减小10%，磁阻斜率线减小10%，空载电压是磁化曲线与磁阻线的交点。由于工作在磁化曲线的饱和区，U0增加不到10%,2.4 串励发电机特性,空载特性（另外励磁）外特性场阻线（包括外电阻）,串励发电机的端电压当负载变化时很大。,2.5 复励发电机的特性,复励发电机的外特性界于并励发电机与串励发电机外特性之间。复励的程度决定于串联励磁与并
8、联励磁的相对强度，并联励磁通常要比串联励磁强的多。 有平复励（恰好补偿）、超复励（过补偿）、欠复励之分。,思考题,如果没有磁饱和现象，直流发电机是否能自励?试作图说明试描述串励发电机电压建起过程的物理概念。串励发电机短路时有无危险? 试解释下二公式的物理意义，并说明它们各用于何种电机,If0有效激磁电流，If并励绕组激磁电流，Ia串励绕组激磁电流Faqd交轴电枢反应的去磁作用,并励，他励积复励,作业,17-4,三、直流电动机,三、 直流电动机的作用原理,电枢绕组和励磁绕组分别施加直流电源。气隙中主磁通与电枢电流相互作用产生电磁转矩，电磁力矩为原动力矩，在电磁力矩的作用下，驱动轴上的机械负载旋转
9、。电枢绕组感应电势为,3.1 直流电动机的平衡方程式,电压平衡式,电流平衡式（并励时）,3.1 直流电动机的平衡方程式,功率平衡式（并励时）,并励回路损耗电枢回路铜损电刷接触电损耗机械损耗铁损耗杂散损耗,并励电动机,3.1 直流电动机的平衡方程式,转矩平衡式,四、 直流电动机的机械特性和工作特性,4.1 直流电动机的机械特性,转矩特性转速特性转速与转矩特性（机械特性，T-n曲线）,在不同的励磁方式下，主磁通随负载电流的变化不同，导致电机特性的差异。,4.2 电动机稳定运行,在恒负载转矩条件下，下降的机械特性电动机能稳定运行，上升的机械特性电动机不能稳定运行。,在交点处，转速之上则TTz,4.3
10、 并励电动机的特性,如何改变并励电动机的旋转方向：R：分别调换励磁绕组或电枢绕组接头。不能简单地改变电源极性，因而电磁转矩方向与主磁通和电枢电流方向的有关。,2.转速特性负载电流增加，电枢电阻压降增大，如不计电枢反应的去磁作用即主磁通不变，Ea减小一些，Ea=CeIa，则n随Ea的下降而有所减小，形成向下的机械特性。如考虑电枢反应的去磁作用将使每极磁通减少，并励电动机的转速变化很小。电阻电压降的影响影响较大，转速特性是略为下倾的。硬特性,4.3并励电动机的特性,3. 机械特性主磁通由于负载电流去磁作用的影响随电流增加而略有减小。,Ra=0时，称为自然机械特性硬特性。增加电枢回路串联电阻，则机械
11、特性变软。,如改变励磁电流，则If越小时，空载转速越高，电机特性越软。如改变电枢电流（但保持励磁不变）则机械特性为平行的直线，n0不同，硬度不变。,并励电动机励磁失磁的分析,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。电磁转矩的变化（1）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；（2）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）。,4.4 串励电动机的特性,4.4 串励电动机
12、的特性,转速特性负载较小时，励磁小，磁路不饱和，主磁通与电流成正比负载较大，在磁路饱和后，主磁通近似不变，随电流增加转速略有下降,4.4 串励电动机的特性,T,3. 机械特性铁心饱和后,在工作范围内，转速随负载电流急剧变化软特性。,不能在极轻载下运行,适当地选择并励磁势和串励磁势的相对强弱，可使复励电动机具有负载所需要的特性 。,以并励为主的积复励：当负载转矩突然增加时，电枢电流增大（电枢反应去磁作用增强），串励磁势增加，使主磁通增大。使电磁转矩很快的增大以克服突然增大的负载转矩；使反电势很快的增大以减小电枢电流的冲击值。 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。
13、,4.5复励电动机的特性,五、直流电动机的起动、调速和制动,5.1 直流电动机的起动,起动要求：足够的起动转矩一定范围的起动电流起动时间符合生产要求、起动设备简单、经济、可靠。,t,直接起动,t=0时，n=0，Ea=0，Ia=U/ra很大（10-50IN），副作用有：损坏电枢绕组、导致换向器环火。随着速度增加，反电势增加，电枢电流反而下降。,5.2 限制起动电流的起动方法,变阻器起动起动时，在电枢回路中串入变阻器 ，当转速逐渐上升时，可把起动电阻逐级切除。,直流并励电动机起动时，励磁回路中串联的电阻取较小的值：起动中要求较大的转矩，励磁回路电阻小，励磁电流大，较大，有利起动。电机起动后，感应电
14、势建立，使起动电流很快减小。,5.3 降压起动方法,一般只适用于大容量频繁起动的直流电动机，须用专门的调压电源。优点：起动电流小，起动消耗能量少，升速比较平稳。 在起动过程中，可逐步提升电源电压，使按需要的加速度上升。在实用中，发电机-电动机组即采用降压起动法，其中，发电机及电动机均采用他励，以保证起动时有足够的励磁电流。“整流器-电动机”组也采用此方法。,6.1 直流电动机的调速,基本要求：调速幅度宽广、调速连续平滑、损耗小、经济指标高等。,调节励磁电流以改变每极磁通； 调节外施电源电压U； 电枢回路中引入可调电阻量Ra。,调速性能：速比：最高与最低速度之比；平滑性或跳级调速；经济性：损耗、
15、效率调速设备简单、可靠、操作方便等。,6.2 并励电动机的弱磁调速,调节励磁电流以改变主磁通,当磁路不饱和，且忽略电枢反应的影响和Iara后，,(1)最高转速受机械强度及换向的限制； (2)最低转速受励磁绕组本身固有电阻及磁路饱和的限制。,6.3 调节电源电压调速,在很广的范围内平滑调速，且电动机的机械特性硬度保持不变。,励磁恒定时，如他励,可用于串励电动机调速。在电力牵引机车中，常把两台串励电动机从并联运行改为串联运行，使每台电动机的端电压从全压降为半压。,6.4 调节可变电阻调速,效率低负载转矩较小时，电枢电流小，调节作用不大电动机机械特性变软，使转速变化率增大,改变电阻Ra，即相当于改变
16、了电动机的电枢绕组两端电压。,一般从调速范围、连续平滑性、调速中电能消耗、设备投资经济性等方面比较各种调速的优缺点。适用范围主要指适用于恒转矩或恒功率、有级或无级调速、适用与大中型或小型电机等。,7 直流电动机的制动,即在转动方向产生阻力矩,能耗制动,制动时，制动转矩由B点开始沿直线BC下降至零制动过程中，电枢电流为电磁转矩 为制动性质转速转矩特性为,结论：制动时，机械特性为过原点的直线制动过程：开始时，由稳定运行的工作点A，突然跳到B；此后，制动转矩将随电机转速的下降而沿BC下降，直至零，转速为零。特点：制动转矩在低速时变化很小，可加上机械制动闸，加快停转。,7 直流电动机的制动,即在转动方
17、向产生阻力矩,能耗制动,制动时，制动转矩由B点开始沿直线BC下降至零制动过程中，电枢电流为电磁转矩 为制动性质转速转矩特性为,结论：制动时，机械特性为过原点的直线制动过程：开始时，由稳定运行的工作点A，突然跳到B；此后，制动转矩将随电机转速的下降而沿BC下降，直至零，转速为零。特点：制动转矩在低速时变化很小，可加上机械制动闸，加快停转。,7直流电动机的制动,即在转动方向产生阻力矩,回馈制动,当电动机的转速高于某一数值时，电动机的反电势E大于电机电源电压，即 E U，电枢电流将反向，电机进入发电机的运行状态而起制动作用，可限制转速的持续上升。适用于由串励电动机 驱动的升速场合，如电车下坡。为保证
18、励磁，需将串励绕组改为他励，且施加一定的励磁电压。此时，机械特性是原特性在第二象限的延伸。,7 直流电动机的制动,励磁回路不变，电枢回路反接,反接制动,当转速为零时，制动转矩不为零，应及时将电源切除，否则将反转。,制动机械特性,思考题,在什么情况下并励电动机的转速特性是下降持性?在什么情况为上升特长。为什么我们宁要下降特性，而不要上升特性 设有一并励电机接在电网上，试比较当该机作为发电机运行时和作为电动机运行时的旋转方向。如把外施至并励电动机的电源极性倒转，电动机的旋转方向会不会改变?如何改变电动机的旋转方向?,I,Ia,发电机 Ea U，Ia与Ea同向,电动机 Ea U，Ia与Ea反向,思考
19、题,设正常运行时，直流并励电功机的电阻压降为外施电压的5、现将励磁回路断路，就下列两中情况判断电机转速的变化：（1）当剩磁为每极磁通的10%时；（2）当剩磁为每极磁通的1%时。,作业,17-517-617-10,八、 直流电机的换向,8.1 换向的过程,用机械方法强制改变电路连接，使绕组元件在极短时间内从条支路移入另一条支路，从而使该绕组元件中的电流从一数值变换至另一数值。 对于直流电机而言，换向前的电流和换向后的电流大小相等、方向相反电流方向倒转。,图b：元件1被短路，称换向元件，元件1、换向片1、电刷、换向片2构成换向回路，其中电流称换向电流。,换向过程的影响：在电刷与换向片间产生火花。有
20、电磁、机械、电化学、电热等方面的现象。,8.2 换向电路分析,1闭合回路存在有多种感应电势； 2回路中换向片和电刷的接触电阻性质较为复杂。,电抗电势当换向元件中有电流 I 流过时，会产生交链该元件的漏磁通，电流i变化时，漏磁通将随之变化，在该元件电路中，产生一感应电势电抗电势er电抗电势er方向倾向于维持原来的电流不变，即倾向于阻止换向电流i的变化电抗电势总是阻碍换向的。 由换向元件产生的通过气隙的磁通，已和非换向元件产生的主磁通一起考虑在电枢反应磁通中。电抗电势只考虑换向电流的漏磁通。,2. 速度电势在换向周期内，换向元件的两个圈边，切割电机交轴处的磁通而感应速度电势。如果其方向与换向前的电
21、流ia方向相同，则阻碍换向；如果其方向与换向后的电流ia方向相同，则帮助换向。,8.2 换向电路分析,2. 速度电势切割电枢反应磁通的速度电势电枢反应的磁轴在电刷处，当换向元件的两个圈边切割电枢反应磁通时，不论电机是作为发电机运行或电动机运行，所感应的电势（和换向前的电流方向一致）总是阻碍换向的。 切割换向极磁通的速度电势 换向极磁势克服了电枢反应在交轴处的磁势以后，还产生和电枢反应磁场相反的交轴磁场Bk，以帮助换向,在电刷位置，电枢反应磁通方向向上（S极）换向极磁通方向与电枢反应磁通（交轴电枢反应）方向相反。,8.2 换向电路分析,8.3 换向回路的电压方程式,古典换向理论 假设：n 每一换
22、向片与电刷接触表面上的电流密度均匀，即假定电刷与换向片间是面接触；n电刷与换向片的接触电阻的大小与接触面积成反比，而与电流密度无关。,8.3 换向回路的电压方程式,直线换向如e=0，即换向电势恰好补偿电抗电势 则换向过程中，换向电流i的变化是一直线，电流的换向是由电阻R1、R2的改变所成的，称电阻换向。 特点：换向电流均匀变化，是理想的换向情况。,8.4 换向时刷面下火花原因分析,电磁原因引起火花的重要原因 换向过分超越，则前刷端电流密度过大；过分延迟，则后刷端电流密度过大，引起发热，产生电火花如换向完毕后，附加换向电流不为零，即iia，则在换向回路存储相当大的电磁能量，在后刷端产生火花。机械
23、原因电刷与换向器接触不良电化学原因过大电刷压力破坏电刷表面的氧化膜（有利换向），容易引起火花,8.5 改善换向的方法,设置换向极，可用消除电磁原因引起的火花 换向极的磁势必须正比于负载电流，换向极绕组和电枢绕组串联，并且换向极的磁路不应饱和 （措施：降低换向极磁密、增加换向极磁路气隙等）用右手定则确定换向极的极性。原则：换向极磁势方向与交轴电枢反应磁势方向相反。,移动电刷位置，使换向元件切割合适的主磁场产生必要的电势以抵消电抗电势。（不能跟踪负载电流的变化）发电机中，电刷应自几何中心线顺桌旋转方向移过一定的角度。副作用：有直轴的去磁电枢反应，使发电机端电压降低，转速上升,选用合适的电刷电刷接触电阻越大和换向周期越长，合成电势的影响越小,思考题,为什么在分析换向元件的电抗电势时，只考虑它的漏磁通，而不考虑换向元件产生的全部磁通呢? 如电机在额定负载时可以直线换向（有好的换向极）。现电机过载，使换向极磁路十分饱和，问换向情况有何变化？ ek将小于er，产生延迟换向，在后刷边产生火花。,