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1、直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理n n一、直流发电机的基本方程式一、直流发电机的基本方程式一、直流发电机的基本方程式一、直流发电机的基本方程式 1 1 1 1、电动势平衡方程式、电动势平衡方程式、电动势平衡方程式、电动势平衡方程式 2 2、发电机的转矩平衡方程式、发电机的转矩平衡方程式3 3、发电机的功率平衡关系、发电机的功率平衡关系二、二、直流发电机的特性直流发电机的特性直流发电机的四个基本物理量：直流发电机的四个基本物理量：、I If f、n n。（n n由原动机拖动，保持不变）由原动机拖动，保持不变）运行特性运行特性：在：在 、n 之间，保证其中一个量之间，保证其中一个量不变，另
2、外两个物理量之间的函数关系。不变，另外两个物理量之间的函数关系。二、二、直流发电机的特性直流发电机的特性主要特性：（1）n额定转速，常数，f（If）；负载特性（2）n额定转速，If常数，f（）；外特性（3）n额定转速，常数，Iff（）；调节特性注意：不同励磁方式的发电机，特性不同，需分别讨论注意：不同励磁方式的发电机，特性不同，需分别讨论n n1 1 1 1、开路特性（空载特性）、开路特性（空载特性）、开路特性（空载特性）、开路特性（空载特性）n n负载特性负载特性负载特性负载特性 f()f()f()f()在负载电流在负载电流在负载电流在负载电流 0 0 0 0时，时，时，时，即为即为即为即为
3、空空空空载特性载特性载特性载特性。他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性空载时，n等于常数空载特性曲线实质即为磁化曲线空载特性曲线实质即为磁化曲线他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性2 2 2 2、外特性、外特性、外特性、外特性定义：定义：n n额定转速，额定转速，I If f常数，常数，f f（）他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性端电压下降有两个原因：端电压下降有两个原因：1 1、负载电流增大，电枢反应的去磁作用增强，电动势减小；、负载电流增大，电枢反应的去磁作用增强，电动势减小；2 2、电枢回路上的电阻压降增加、电枢回路上的电阻压降增加他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性n
4、 n电压调整率：电压调整率：电压调整率：电压调整率：n n从空载到负载，电压下降的程度。从空载到负载，电压下降的程度。从空载到负载，电压下降的程度。从空载到负载，电压下降的程度。一般他励直流发电机的电压变化率约为510%。他励直流发电机的特性他励直流发电机的特性并励直流发电机的特性并励直流发电机的特性并励和复励直流发电机因为无外部直流电源供电，所以其必并励和复励直流发电机因为无外部直流电源供电，所以其必并励和复励直流发电机因为无外部直流电源供电，所以其必并励和复励直流发电机因为无外部直流电源供电，所以其必须先在空载下建立电压，即自励。须先在空载下建立电压，即自励。须先在空载下建立电压，即自励。
5、须先在空载下建立电压，即自励。1 1）当电机内部有剩磁时，原动机带动电枢旋转时切割剩磁，）当电机内部有剩磁时，原动机带动电枢旋转时切割剩磁，产生剩磁电动势产生剩磁电动势2 2）若励磁绕组与电枢绕组并联极性正确，即使此时励磁绕组）若励磁绕组与电枢绕组并联极性正确，即使此时励磁绕组中电流所建立的磁动势与原先的剩磁方向一致，则电枢电动中电流所建立的磁动势与原先的剩磁方向一致，则电枢电动势因为磁场的增强而增大，则励磁电流也增大势因为磁场的增强而增大，则励磁电流也增大(见下页曲线图见下页曲线图)（U U0 0 I If f R Rf f ）。若二者方向相反，则磁场抵消，无法。若二者方向相反，则磁场抵消，
6、无法建立稳定电压。建立稳定电压。3 3）若）若R Rf f 小于某一个值，则在小于某一个值，则在U U0 0 I If f R Rf f的同时也满足空载的同时也满足空载特性特性U U0 0f f（I If0f0）时，则会使空载端电压稳定在某一个数值处。时，则会使空载端电压稳定在某一个数值处。并励直流发电机的自激过程并励直流发电机的自激过程并励直流发电机的自激过程并励直流发电机的自激过程IU并励发电机与他励发电机空载特性相同，并励发电机与他励发电机空载特性相同，U U0 0 与与I If f曲线与他励电机相同。曲线与他励电机相同。同时在自激过程中满足以下关系式：同时在自激过程中满足以下关系式：并
7、励直流发电机的自激条件并励直流发电机的自激条件 1 1 1 1）电机必须有剩磁。）电机必须有剩磁。）电机必须有剩磁。）电机必须有剩磁。2 2 2 2）励磁绕组与电枢绕组连接极性要正确）励磁绕组与电枢绕组连接极性要正确）励磁绕组与电枢绕组连接极性要正确）励磁绕组与电枢绕组连接极性要正确 3 3 3 3）励磁回路总电阻小于）励磁回路总电阻小于）励磁回路总电阻小于）励磁回路总电阻小于该转速下该转速下该转速下该转速下的临界电阻的临界电阻的临界电阻的临界电阻。注意：不同的转速，注意：不同的转速，具有不同的临界电阻具有不同的临界电阻并励直流发电机的特性 1 1、空载特性：、空载特性：并励发电机的空载特性与
8、一般电机的空载特并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。线只在第一象限。并励直流发电机的特性并励直流发电机的特性 1 1、外特性、外特性：端电压下降有三个原因：端电压下降有三个原因：1 1、负载电流增大，电枢反应的去磁作用增强，电动势减小；、负载电流增大，电枢反应的去磁作用增强，电动势减小；2 2、电枢回路上的电阻压降增加、电枢回路上的电阻压降增加3 3、由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，、由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压
9、进一步下降。端电压进一步下降。直流测速发电机直流测速发电机n n测速发电机：作为检测转速的检测元件。将机械转速测速发电机：作为检测转速的检测元件。将机械转速信号变换为电气信号。信号变换为电气信号。n n性能要求：性能要求：n n1 1）输出的电压信号与转速保持严格的线性关系；）输出的电压信号与转速保持严格的线性关系；n n2 2）输出电动势斜率大。）输出电动势斜率大。n n分类：有交流测速发电机与直流测速发电机两大类。分类：有交流测速发电机与直流测速发电机两大类。n n1 1 1 1、工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与、工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与、工作原理：直流测速发电
10、机的结构和工作原理与、工作原理：直流测速发电机的结构和工作原理与前面所讲的直流发电机是一样的，因此：前面所讲的直流发电机是一样的，因此：前面所讲的直流发电机是一样的，因此：前面所讲的直流发电机是一样的，因此：n n 当磁通当磁通当磁通当磁通=常数时，发电机的电动势为：常数时，发电机的电动势为：常数时，发电机的电动势为：常数时，发电机的电动势为：n nE E E E0 0 0 0=Ce=Ce=Ce=Ce0 0 0 0n n n nn n1 1 1 1）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢）在空载时，直流测速发电机的输出电压就是电枢）在空载时，直流
11、测速发电机的输出电压就是电枢感应电动势：感应电动势：感应电动势：感应电动势：U U U U0 0 0 00 0 0 0，显然输出电压，显然输出电压，显然输出电压，显然输出电压U U U U0 0 0 0与与与与n n n n成正比。成正比。成正比。成正比。n n2 2 2 2）有负载时，若电枢电阻为）有负载时，若电枢电阻为）有负载时，若电枢电阻为）有负载时，若电枢电阻为RaRaRaRa，负载电阻为负载电阻为负载电阻为负载电阻为R R R RL L L L，不不不不计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发
12、电机的计电刷与换向器间的接触电阻，则直流测速发电机的输出电压为：输出电压为：输出电压为：输出电压为：直流测速发电机直流测速发电机直流测速发电机 C C C C为直流测速发电机输出特性的斜率，当为直流测速发电机输出特性的斜率，当为直流测速发电机输出特性的斜率，当为直流测速发电机输出特性的斜率，当0 0 0 0、RaRaRaRa及及及及R R R RL L L L都不变时，输出电压都不变时，输出电压都不变时，输出电压都不变时，输出电压U U U U与转速成线性关系。对于不同与转速成线性关系。对于不同与转速成线性关系。对于不同与转速成线性关系。对于不同的负载电阻的负载电阻的负载电阻的负载电阻R R
13、R RL L L L，输出特性的斜率输出特性的斜率输出特性的斜率输出特性的斜率C C C C不同，负载电阻越小，斜不同，负载电阻越小，斜不同，负载电阻越小，斜不同，负载电阻越小，斜率率率率C C C C也越小，灵敏度变低。注意：负载不能太小。也越小，灵敏度变低。注意：负载不能太小。也越小，灵敏度变低。注意：负载不能太小。也越小，灵敏度变低。注意：负载不能太小。直流测速发电机直流测速发电机直流电动机一、直流电动机的基本方程一、直流电动机的基本方程1 1、电势平衡方程、电势平衡方程直流电动机的基本方程2 2、转矩平衡方程、转矩平衡方程直流电动机的机械特性机械特性：在一定的电压和励磁电流下，转速机械
14、特性：在一定的电压和励磁电流下，转速n n和和 电磁转矩电磁转矩M M之间的关系。之间的关系。注意：不同励磁方式的电机，机械特性不同。注意：不同励磁方式的电机，机械特性不同。一、他励（并励）直流电动机的工作特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性当当电压电压和和电枢绕组回路总电阻电枢绕组回路总电阻不变时，不变时，转速与转矩呈直线关系转速与转矩呈直线关系固有机械特性与人为机械特性n n1、固有机械特性指n n 的机械特性，此时因为Ra小，故为硬特性n n2、人为机械特性：通过改变电机的参数所获得的机械特性。有三种：n n a）电枢串电阻n n b）改变电枢
15、电压n n c）减弱励磁1 1）电枢串电阻时的人为机械特性）电枢串电阻时的人为机械特性固有机械特性与人为机械特性特点：1、电枢串电阻的人为机械特性比固有机械特性软；2、但理想空载转速不变。串接不同电阻时的机械特性为交于纵坐标一点的射线族。固有机械特性与人为机械特性n n2 2）改变电枢电压时的机械特性）改变电枢电压时的机械特性改变电枢电压时的机械特性改变电枢电压时的机械特性特点：特点：1 1、改变电枢电压时的、改变电枢电压时的人为机械特性与固有机人为机械特性与固有机械硬度相等；械硬度相等；2 2、理想空载转速随电、理想空载转速随电枢电压降低而降低，不枢电压降低而降低，不同电枢电压下的机械特同电
16、枢电压下的机械特性为一组平行曲线。性为一组平行曲线。3 3）减弱电动机磁通时的人为机械特性）减弱电动机磁通时的人为机械特性固有机械特性与人为机械特性特点：特点：1 1、硬度随磁场减弱而、硬度随磁场减弱而降低；降低；2 2、理想空载转速随磁、理想空载转速随磁场减弱而升高。场减弱而升高。4 4）堵转与堵转矩）堵转与堵转矩 n=0 n=0时的状态，称为堵转。时的状态，称为堵转。此时，此时，1 1、MM称为堵转矩。称为堵转矩。2 2、固有机械特性与人为机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱
17、和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：结论：n与sqrt(M)成反比n串励电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性特点：特点：特点：特点：1 1 1 1、转矩很大时，转速快速下降（特性软）；、转矩很大时，转速快速下降（特性软）；、转矩很大时，转速快速下降（特性软）；、转矩很大时，转速快速下降（特性软）；2 2 2 2、转矩很小时，转速会达到很危险的高值，所、转矩很小时，转速会达到很危险的高值，所、转矩很小时，转速会达到很危险的高值，所、转矩很小时，转速会达到很危险的高值，所以串励电动机不允许空载启动和运
18、行；以串励电动机不允许空载启动和运行；以串励电动机不允许空载启动和运行；以串励电动机不允许空载启动和运行；3 3 3 3、同样的起动电流时，串励电机能产生更大的、同样的起动电流时，串励电机能产生更大的、同样的起动电流时，串励电机能产生更大的、同样的起动电流时，串励电机能产生更大的起动转矩；起动转矩；起动转矩；起动转矩；4 4 4 4、负载过大时，转速自动下降，输出功率变化、负载过大时，转速自动下降，输出功率变化、负载过大时，转速自动下降，输出功率变化、负载过大时，转速自动下降，输出功率变化不大，不致因过载而损坏；负载减轻时，转速不大，不致因过载而损坏；负载减轻时，转速不大，不致因过载而损坏；负
19、载减轻时，转速不大，不致因过载而损坏；负载减轻时，转速自动上升。因此，电力机车、电车等牵引机械自动上升。因此，电力机车、电车等牵引机械自动上升。因此，电力机车、电车等牵引机械自动上升。因此，电力机车、电车等牵引机械大都采用串励电动机拖动。大都采用串励电动机拖动。大都采用串励电动机拖动。大都采用串励电动机拖动。二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性二、串励直流电动机的机械特性生产机械的负载机械特性定义：负载转矩与转速之间的关系。由负定义：负载转矩与转速之间的关系。由负载性质决定。载性质决定。负载机械特性有三种：负载机械特性有三种：1 1）恒转矩负载）
20、恒转矩负载2 2）恒功率负载）恒功率负载3 3）泵与风机类负载）泵与风机类负载一、恒转矩负载特性一、恒转矩负载特性负载转矩保持常数，不随转速变化而变化。负载转矩保持常数，不随转速变化而变化。1 1）反抗性恒转矩负载：负载转矩大小不变，但）反抗性恒转矩负载：负载转矩大小不变，但方向总是与转速方向相反。方向总是与转速方向相反。2 2）位能性恒转矩负载：负载转矩大小不变，方）位能性恒转矩负载：负载转矩大小不变，方向也保持不变。向也保持不变。生产机械的负载机械特性反抗性恒转矩负载特性反抗性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性位能性恒转矩负载特性生产机械的负载机械特性二、恒功率负载特性：二、恒功率负载特性
21、：负载的功率在运行过程中保持不变，则负载负载的功率在运行过程中保持不变，则负载的转矩随转速变化而变化，且二者成反比。的转矩随转速变化而变化，且二者成反比。生产机械的负载机械特性三、泵与风机类负载特性：三、泵与风机类负载特性：负载转矩随转速变化而变化，且基本为：负载转矩随转速变化而变化，且基本为：电机拖动稳定运行的条件1 1、必要条件：电动机的、必要条件：电动机的机械特性与负载转矩特性机械特性与负载转矩特性有交点有交点2 2、充分条件：干扰消除、充分条件：干扰消除后，拖动系统必须有能力后，拖动系统必须有能力使转速恢复到原来的稳定使转速恢复到原来的稳定点点直流伺服电动机直流伺服电动机自流伺服电动机
22、的功率小且可以由永久磁铁励磁，是他自流伺服电动机的功率小且可以由永久磁铁励磁，是他自流伺服电动机的功率小且可以由永久磁铁励磁，是他自流伺服电动机的功率小且可以由永久磁铁励磁，是他励式直流电动机。励式直流电动机。励式直流电动机。励式直流电动机。1 1 1 1、工作原理：有励磁的、工作原理：有励磁的、工作原理：有励磁的、工作原理：有励磁的情况下，控制信号存在，情况下，控制信号存在，情况下，控制信号存在，情况下，控制信号存在，则电动机转动，控制信号则电动机转动，控制信号则电动机转动，控制信号则电动机转动，控制信号消失，电动机停转。消失，电动机停转。消失，电动机停转。消失，电动机停转。2 2 2 2、
23、控制方式：、控制方式：、控制方式：、控制方式：1 1 1 1）电枢控制）电枢控制）电枢控制）电枢控制2 2 2 2）励磁控制）励磁控制）励磁控制）励磁控制直流伺服电动机直流伺服电动机3 3、特性分析（电枢控制）：、特性分析（电枢控制）：1 1）改变控制电压改变控制电压U U，斜率，斜率不变，理想空载转速不变，理想空载转速改变。因此，改变。因此，直流伺服电动机的机直流伺服电动机的机械特性是一组平行的械特性是一组平行的直线。直线。直流伺服电动机直流伺服电动机2 2 2 2）调节特性）调节特性）调节特性）调节特性调节特性是指在一定的转矩下电机的转速调节特性是指在一定的转矩下电机的转速调节特性是指在一
24、定的转矩下电机的转速调节特性是指在一定的转矩下电机的转速n n n n与与与与控制电压控制电压控制电压控制电压U U U U之间的关系。之间的关系。之间的关系。之间的关系。当转矩不变时，改变当转矩不变时，改变当转矩不变时，改变当转矩不变时，改变U U U U，可知调节特性是，可知调节特性是，可知调节特性是，可知调节特性是一组平行线。而且，一组平行线。而且，一组平行线。而且，一组平行线。而且，U U U U与与与与n n n n成正比。增加成正比。增加成正比。增加成正比。增加U U U U，转，转，转，转速升高，反之，转速降低。速升高，反之，转速降低。速升高，反之，转速降低。速升高，反之，转速降
25、低。n=0n=0n=0n=0时，电压称为时，电压称为时，电压称为时，电压称为始动电压。始动电压。始动电压。始动电压。直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直流伺服电动机直流电机的起动直流电机的起动1 1、起动过程：直流电动机接到电源以后，、起动过程：直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程。转速从零达到稳定转速的过程。2 2、起动的特点：、起动的特点：电流很大，易造成线路电压瞬间降低，对其电流很大，易造成线路电压瞬间降低，对其他设备产生影响。他设备产生影响。3 3、对电动机起动的基本要求：、对电动机起动的基本要求：（1 1）起动转矩要大；）起动转矩要大；（2 2）起动电流要小；）
26、起动电流要小；（3 3）起动设备要简单、经济、可靠。）起动设备要简单、经济、可靠。直流电机的起动直流电机的起动4 4、起动常用方法、起动常用方法（1 1）他励直流电机直接起动：将电动机的）他励直流电机直接起动：将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。电枢投入额定电压的电源上起动。优点：操作简单，无需另加设备。缺点：冲击电流大，引起换向困难，产生火花；电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。（2 2）电枢回路串变阻器起动）电枢回路串变阻器起动将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。将起动电阻切除。直流电机的起动直流电机的起动直流电机
27、的起动直流电机的起动直流电机的起动直流电机的起动 起动时，串接所有外接电阻，机械特性为起动时，串接所有外接电阻，机械特性为1 1，起动电流大，对应的起动转矩大于负载转矩，转起动电流大，对应的起动转矩大于负载转矩，转速沿机械特性速沿机械特性1 1开始上升；开始上升；在在b b点处切除部分外接电阻，机械特性变为点处切除部分外接电阻，机械特性变为2 2，设计恰当时，转矩又增大到设计恰当时，转矩又增大到c c点，转速再次上升；点，转速再次上升；在在d d点再切除剩下的电阻，电机沿机械特性为点再切除剩下的电阻，电机沿机械特性为3 3继续升速，直到继续升速，直到g g点稳定，起动完毕。点稳定，起动完毕。直
28、流电机的起动直流电机的起动他励直流电动机起动电阻的计算他励直流电动机起动电阻的计算他励直流电动机起动电阻的计算他励直流电动机起动电阻的计算从从从从b b b b点切换到点切换到点切换到点切换到c c c c点时点时点时点时同理，从同理，从同理，从同理，从d d d d点切换到点切换到点切换到点切换到e e e e点时点时点时点时故两级起动有：故两级起动有：故两级起动有：故两级起动有：直流电机的起动直流电机的起动推广到推广到推广到推广到mm级起动，有：级起动，有：级起动，有：级起动，有：（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；（2 2）
29、根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流I I；（3 3）选取起动级数）选取起动级数 ；（4 4）计算起动电流比：）计算起动电流比：m 取整数取整数（5 5）计算转矩）计算转矩:，校验：校验：如果不满足，应另选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到满足该值并重新计算，直到满足该条件为止条件为止.直流电机的起动直流电机的起动-计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：直流电机的起动直流电机的起动在已知起动电流比在已知起动电流比在已知起动电流比在已知起动电流比和电枢电阻前提下，经推和电枢电阻前提下，经推和电枢电阻前提下，经推和电枢电阻前提下，经推
30、导可得各级串联电阻为导可得各级串联电阻为导可得各级串联电阻为导可得各级串联电阻为:（3 3 3 3）他励直流电动机降压起动）他励直流电动机降压起动）他励直流电动机降压起动）他励直流电动机降压起动 开始时，降低端电压，随着转速的上升，开始时，降低端电压，随着转速的上升，开始时，降低端电压，随着转速的上升，开始时，降低端电压，随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定逐步提高电枢电压，并使电枢电流限制在一定范围内。范围内。范围内。范围内。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。优点：起动电流小，起动过
31、程平滑、能量损耗少。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。投资费用大。投资费用大。投资费用大。直流电机的起动直流电机的起动（4 4 4 4）起动中应注意的问题）起动中应注意的问题）起动中应注意的问题）起动中应注意的问题1 1 1 1）正确接入限流电阻，不能影响到激磁绕组）正确接入限流电阻，不能影响到激磁绕组）正确接入限流电阻，不能影响到激磁绕组）正确接入限流电阻，不能影响到激磁绕组2 2 2 2）切勿使激磁回路断开）切勿使激磁回路断开）切勿使激磁回路断开）切勿使激磁回路断开运行中断开磁路：空载运行中断开磁路：空载运行中断开磁路：空载运行中断开磁路：空载”飞车飞车飞车飞车”负载负载负载负载”堵转堵转堵转堵转“注意：电动机实际输出的电磁转矩是由负载转注意：电动机实际输出的电磁转矩是由负载转注意：电动机实际输出的电磁转矩是由负载转注意：电动机实际输出的电磁转矩是由负载转矩决定的。矩决定的。矩决定的。矩决定的。直流电机的起动直流电机的起动