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1、第二节第二节 直流电机的铭直流电机的铭牌数据牌数据第三节第三节 直流电机的绕直流电机的绕组组第第3 3章章 直流电机直流电机本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论本章主要分析直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电及影响、换向及改善换向方法，从应用角度分析直流发电机和直流电动机的工作特性运行特性。机和直流电动机的工作特性运行特性。第四节第四节 直流电机的励直流电机的励磁方式及磁场磁方式及磁场第五节第五节 感感应电动势和电磁转矩的计算应电动势和电
2、磁转矩的计算第六节第六节 直流电机直流电机的运行原理的运行原理第七节第七节 直流电机直流电机的换向的换向3.1 直流电机的工作原理与基本结构直流电机的工作原理与基本结构直流电动机的优点：直流电动机的优点：1 1、便于移动。、便于移动。2 2、调速性能好。、调速性能好。3 3、启动转矩大。、启动转矩大。直流电动机的缺点：直流电动机的缺点：1 1、制造工艺复杂，生产成本高。、制造工艺复杂，生产成本高。2 2、维护较困难。、维护较困难。3 3、可靠性差。、可靠性差。直流电机在一些特殊场合被广泛应用，如航空、电力直流电机在一些特殊场合被广泛应用，如航空、电力机车、化工、冶金行业、大型同步发电机励磁、汽
3、车电瓶机车、化工、冶金行业、大型同步发电机励磁、汽车电瓶充电、电动工具等。充电、电动工具等。第一节第一节 直流电机的工作原理和结构直流电机的工作原理和结构1 1、直流电机的工作原理、直流电机的工作原理直流电机的构成直流电机的构成磁极磁极转子转子（电枢绕组）（电枢绕组）直流发电机的工作原理直流发电机的工作原理 右图右图为为直流发电机的物理直流发电机的物理模型，模型，N、S为定子磁极，为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈称为电机的转子或电枢。线圈的首末端的首末端a、d连接到两个相互连接
4、到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固连接是通过放置在换向片上固定不动的电刷进行的。定不动的电刷进行的。此时，导体此时，导体ab在在N极下，极下，a点高电位，点高电位，b点低电位（右点低电位（右手定则）手定则）；导体；导体cd在在S极下，极下，c点高电位，点高电位，d点低电位；电点低电位；电刷刷A极性为正，电刷极性为正，电刷B极性为负。极性为负。因此电刷因此电刷A的极性总是正的，电刷的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，的极性总是负的，在电刷在电刷A、B两端可获得直流电动势。两端可获得直流电动
5、势。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替旋转多对。极交替旋转多对。当原动机驱动电机转子当原动机驱动电机转子逆时针旋转逆时针旋转1801800 0后后，如右，如右图。图。导体导体ab在在S极下，极下，a点低位，点低位，b点高电位；导体点高电位；导体cd在在N极下，极下，c点低电位，点低电位，d点高电位；电刷点高电位；电刷A极性性仍为正，极性性仍
6、为正，电刷电刷B极性仍为负。极性仍为负。直流发电机工作原理：直流发电机工作原理：励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换磁场。电枢绕组切割磁力线产生感应电动势，由于换向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直向器的作用将元件内的交流电动势转换为电刷间的直流电动势。流电动势。直流电动机工作原理直流电动机工作原理 把电刷把电刷A、B接到直流接到直流电源上，电刷电源上，电刷A接正极，电接正极，电刷刷B接负极。此时电枢线圈接负极。此时电枢线圈中将电流流过。如右图。中将电流流过。如右图。在磁场作用下，在磁场作用
7、下，N极性极性下导体下导体ab受力受力方向从右向左方向从右向左，S 极下导体极下导体cd受力方向从受力方向从左向右。该电磁力形成逆时左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩，电机转针方向的电磁转矩，电机转子逆时针方向旋转。子逆时针方向旋转。当电枢旋转到右图所示位当电枢旋转到右图所示位置时置时,原原N N极性下导体极性下导体 ab ab 转到转到 S 极下，受极下，受力力方向从左向右，方向从左向右，原原S 极下导体极下导体cdcd转到转到N极下，极下，受力方向从右向左。该电磁力受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形成的电磁转线圈在该电磁力形
8、成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。矩作用下继续逆时针方向旋转。直流电动机工作原理：直流电动机工作原理：励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。励磁绕组通入直流电流产生磁动势，继而产生主磁场。由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始由于换向器的作用保证同一磁极下元件边内的电流方向始终一致，电流于磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流终一致，电流于磁场作用产生方向不变的电磁转矩使直流电动机旋转。电动机旋转。机座机座磁极极身磁极极身励磁绕组励磁绕组转子转子直流电机结构示意图直流电机结构示意图磁极极掌磁极极掌2 2、直流电机的基本结构、直流电机的基本结构直流电机的主要结构1换向极铁
9、心换向极铁心2换向极绕组换向极绕组3主极铁心主极铁心4励磁绕组励磁绕组5电枢齿电枢齿6电枢铁心电枢铁心7换向器换向器8电刷电刷9电枢绕组电枢绕组10机座机座11底脚底脚换向器结构换向器结构1换向片；换向片；2垫圈垫圈3绝缘层；绝缘层；4套筒套筒安装在机座上的主极安装在机座上的主极1极身；极身；2极靴；极靴；3励磁绕组；励磁绕组；4绝缘板；绝缘板；5机座机座主主磁极：磁极：建立主磁场；用建立主磁场；用1 11 15mm5mm钢板冲片叠装而成。钢板冲片叠装而成。换向磁极：换向磁极：改善换向；改善换向；用钢块制造或用钢板冲片叠装而成。用钢块制造或用钢板冲片叠装而成。励磁绕组：励磁绕组：用电磁线用电磁
10、线（漆包线）（漆包线）绕制，通直流电后产生磁动势。绕制，通直流电后产生磁动势。机座：机座：由铸钢或钢板焊接而成，由铸钢或钢板焊接而成，即是结构件又是主磁路的一部分。即是结构件又是主磁路的一部分。电刷装置：电刷装置：主要有电刷和刷握组成，引入或引出直流电。主要有电刷和刷握组成，引入或引出直流电。电枢铁心：电枢铁心：主磁路，嵌放电枢绕组；主磁路，嵌放电枢绕组；用用0 05mm5mm硅钢板冲片叠硅钢板冲片叠装而成。装而成。电枢绕组：电枢绕组：通过电流或感应电动势实现机电能量转换。由多个通过电流或感应电动势实现机电能量转换。由多个元件（独立线圈）按一定规律串联而成，元件用电磁线绕制。元件（独立线圈）按
11、一定规律串联而成，元件用电磁线绕制。换向器：换向器：改变电枢绕组的改变电枢绕组的电流或感应电动势方向；由换向片电流或感应电动势方向；由换向片（铜）加绝缘组成。它与电刷装置配合使用。（铜）加绝缘组成。它与电刷装置配合使用。他励他励并励并励串励串励复励复励3 3、直流电机的励磁方式及磁场直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式一、直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过式。除永磁式微型直流电机外，直流电机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。励磁绕组通入电流激励而建立
12、的。4 4、直流电机的额定值直流电机的额定值额定功率额定功率 PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以出功率，以“W”为量纲单位。若大于为量纲单位。若大于1kW或或1MW 时，时，则用则用kW或或 MW表示。表示。对于直流发电机，对于直流发电机，PN是指输出的电功率。是指输出的电功率。对于直流电动机，对于直流电动机，PN是指输出的机械功率。是指输出的机械功率。额定电压额定电压UN指额定状态下电枢出线端的电压，以指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为单位。为单位。额定电流额定电流IN指电机在额定电压、额定功率时的输出电流值，以指电机
13、在额定电压、额定功率时的输出电流值，以“A”为单位。为单位。额定转速额定转速 n nN N指额定状态下运行时转子的转速，以指额定状态下运行时转子的转速，以r/minr/min为单位。为单位。额定励磁电压额定励磁电压 U UfNfN 指电机在额定状态时的励磁电压值。指电机在额定状态时的励磁电压值。额定励磁电流额定励磁电流I IfNfN指电机在额定工作状态时的励磁电流值。指电机在额定工作状态时的励磁电流值。此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效此外，电机铭牌上还标有其它数据，如型号、额定效率、出厂日期、出厂编号等。率、出厂日期、出厂编号等。国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母国产
14、直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例表示，型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示，例如：如：“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型，表示直流电动机、第二次改进设计型，“7”表表示机座号，示机座号，7后面的后面的2表示长铁心（表示长铁心（2号表示长铁心，号表示长铁心，1号表号表示短铁心）。示短铁心）。（1 1）Z Z2 2系列是普通中小型直流电机。系列是普通中小型直流电机。（2 2）ZZJZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。用于轧钢机、起重机、升降机
15、、电铲等。其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或其他系列的直流电机型号、技术数据可从产品目录或相关的手册中查到。相关的手册中查到。3.2 3.2 直流电枢绕组直流电枢绕组 直流电枢绕组有叠绕组、波绕组和混合绕组三种形式。直流电枢绕组有叠绕组、波绕组和混合绕组三种形式。1 1、直流电枢绕组的构成直流电枢绕组的构成 直流电机的电枢绕组是由安放在转子槽内的若干独立直流电机的电枢绕组是由安放在转子槽内的若干独立的线圈（元件）按一定规律串联而成。的线圈（元件）按一定规律串联而成。在实际中由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在在实际中由于工艺等原因，电枢不宜开太多的槽，在一实际的槽中，上、下层嵌放
16、多个元件边，将一个上层边一实际的槽中，上、下层嵌放多个元件边，将一个上层边（首端）和一个下层边（末端）在槽内所占的空间称为一（首端）和一个下层边（末端）在槽内所占的空间称为一个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件个虚槽。若电枢每槽上、下层只有一个元件边，则总元件数数S S 等于实槽数等于实槽数Q Q。第一节距第一节距：一个元件的两个边在电枢表面跨过的距离，用：一个元件的两个边在电枢表面跨过的距离，用 y y1 1表示（以槽数计）。表示（以槽数计）。第二节距第二节距：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的：连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的 下层边与第二个元件的上层边间的距离
17、，用下层边与第二个元件的上层边间的距离，用y y2 2 表示（以槽数计）。表示（以槽数计）。直流枢绕组基本概念：直流枢绕组基本概念：合成节距合成节距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距：连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离，离，用用y表示表示。单叠绕组：单叠绕组：y=y1 1-y2 2单波绕组：单波绕组：y=y1 1+y2 2换向节距换向节距：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，用：同一元件首末端连接的换向片之间的距离，用 y yc c表示。表示。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离，用 表示表示 (以槽数计）。以槽数计）。
18、=Q Q/2/2p p 注：注：p p为极对数。为极对数。（一）单叠绕组（一）单叠绕组相邻的元件依次串联，元件的两个首末端连接于相邻相邻的元件依次串联，元件的两个首末端连接于相邻的两个换向片上。的两个换向片上。以极对数以极对数p =2=2的直流电机为例，说明单叠绕组的联接的直流电机为例，说明单叠绕组的联接。设。设S（元件数）（元件数）=K（换相片数）（换相片数）=Q（槽数）（槽数）=16=16，取第一，取第一节距节距y1等于极距等于极距=16/4=4=16/4=4 ，换相器节距，换相器节距yc=1=1（右行绕组，（右行绕组，即一个换向片）。即一个换向片）。瞬间绕组的并联支路电路图：瞬间绕组的并
19、联支路电路图：单叠绕组的的特点：单叠绕组的的特点：同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极对数同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极对数p与与支路对数支路对数a相同。相同。电刷数等电刷数等于主磁极数，于主磁极数，电刷位置应电刷位置应使感应电动使感应电动势最大，电势最大，电刷间电动势刷间电动势等于并联支等于并联支路电动势。路电动势。3 3）电枢电流等于各支路电流之和。）电枢电流等于各支路电流之和。（二）单波绕组（二）单波绕组 指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件依指把相隔约为一对极距的同极性磁场下的相应元件依次串联起来。次串联起来。沿圆周向一个方向绕一周后，其末尾所边的沿圆周向一个方向
20、绕一周后，其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置。换向片落在与起始的换向片相邻的位置。以极对数以极对数p=2=2的直流电机为例，说明单波绕组的的直流电机为例，说明单波绕组的联接联接。设。设S（元件数）（元件数）=K（换相片数）（换相片数）=Q（槽数）（槽数）=1515，=15/4=3+3/4=15/4=3+3/4 取第一节距取第一节距y1 1=3 3，换相器节距，换相器节距yc c=7 7（右（右行绕组，即行绕组，即7 7个换向片）。个换向片）。瞬间绕组的并联支路电路图：瞬间绕组的并联支路电路图：单波绕组的特点：单波绕组的特点：同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为同极下各元件串
21、联起来组成一条支路，支路对数为a=1=1，与磁极对数无关；，与磁极对数无关；电枢电流电枢电流Ia等于等于2 2倍支路电流倍支路电流ia，即，即Ia=2ia；为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数为了减小电刷的电流密度，实际电刷对数b等于极对数等于极对数p。在实际应用中，直流电机除，在实际应用中，直流电机除，单叠绕组、单波绕组外单叠绕组、单波绕组外还有复叠、复波及混合绕组形式，如还有复叠、复波及混合绕组形式，如m m叠绕组或叠绕组或m m波绕组它波绕组它的并联支路数是单叠绕组、单波绕组的的并联支路数是单叠绕组、单波绕组的m m倍。倍。应用：应用：叠绕组并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常叠绕组
22、并联支路数多，通常用于电流较大、电压正常（较低）和转速正常的大中型（较低）和转速正常的大中型直流电机。直流电机。波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高波绕组并联支路数少，通常用于电流较小、电压较高和转速较低的中小型和转速较低的中小型直流电机。直流电机。3.3 3.3 空载和负载时直流电机的磁场空载和负载时直流电机的磁场 1 1、空载时直流电机的磁场、空载时直流电机的磁场 直流电机空载时直流电机空载时I Ia a0 0，气隙磁场仅由励磁电流，气隙磁场仅由励磁电流I If f 产产生的励磁磁动势生的励磁磁动势F Ff f 建立。建立。直流电机空载气隙磁场分布情况直流电机空载气隙磁场分布情况
23、 2 2、负载时的电枢磁动势和电枢反应、负载时的电枢磁动势和电枢反应 负载时电枢磁动势对主极磁场的影响电枢反应称为。负载时电枢磁动势对主极磁场的影响电枢反应称为。交轴电枢磁动势和交轴电枢反应交轴电枢磁动势和交轴电枢反应交轴电枢磁动势和交轴电枢反应：交轴电枢磁动势和交轴电枢反应：电枢磁动势电枢磁动势Fa的峰值处在相邻的两个磁极之间，即交峰值处在相邻的两个磁极之间，即交轴位置，所以称为交轴电枢磁动势。轴位置，所以称为交轴电枢磁动势。影响：影响：1 1）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等零的位置（物）引起气隙磁场畸变，使电枢表面磁密等零的位置（物理中性线）偏离几何中性线。理中性线）偏离几何中性线。2
24、 2）不计饱和时，交轴电枢反）不计饱和时，交轴电枢反 应既无增磁、亦无去磁作用；应既无增磁、亦无去磁作用；计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。计及饱和时，交轴电枢反应具有一定的去磁作用。电枢磁动势的空间分布（电枢磁动势的空间分布（电刷位于几何中心线时）：电刷位于几何中心线时）：交轴电枢反应：交轴电枢反应：直轴电枢磁动势和直轴电枢反应：直轴电枢磁动势和直轴电枢反应：发电机发电机：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；：电刷顺电枢旋转方向移动，电枢反应为去磁；电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电刷逆电枢旋转方向移动，电枢反应为增磁。电动机：与发电机的情况相反。电动机：与发电机的情况
25、相反。直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多，大约是主磁通的通小得多，大约是主磁通的20%。磁力线由磁力线由N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、电枢铁心的铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N极。极。主磁通主磁通主主磁路磁路磁力线不进入电枢铁心，直磁力线不
26、进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极或定接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路。子铁轭形成闭合回路。漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：1)1)使气隙磁场发生畸变使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲一半被削弱，物理中性线偏离几何中性线，磁通密度的曲线与空载时不同。线与空载时不同。2)2)呈
27、去磁作用呈去磁作用 磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，曲线的膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略铁心磁阻增大，增加的磁通少些，因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为为减少。即电刷在几何中性线时的电枢反应为交轴去磁性交轴去磁性质质。1 1、电枢绕组的感应电动势、电枢绕组的感应电动势3.4 3.4 感应电动
28、势和电磁转矩的计算感应电动势和电磁转矩的计算产生产生:电枢旋转时电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称 为电枢电动势。为电枢电动势。大小大小:性质性质:发电机发电机电源电势电源电势(与电枢电流同方向与电枢电流同方向)；电动机电动机反电势反电势(与电枢电流反方向与电枢电流反方向)。为电机的电动势常数（结构常数）为电机的电动势常数（结构常数）其中其中 可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。及转速有关。2 2、电枢的电磁转矩、电枢的电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电
29、流流过时,在磁场内受电磁力的在磁场内受电磁力的 作用作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小:性质性质:发电机发电机制动制动(与转速方向相反与转速方向相反)；电动机电动机驱动驱动(与转速方向相同与转速方向相同)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。枢电流成正比。为电机的转矩常数为电机的转矩常数其中其中3.5 3.5 直流电机的基本方程直流电机的基本方程1 1、电压方程、电压方程 发电机发电机 Ea=U+Ia Ra 电动机电动机 U=Ea+Ia Ra2 2、转矩方程、转矩方程 发电
30、机发电机 T1=Te+T0 式中，式中，T1为原动机的拖动转矩；为原动机的拖动转矩；Te为发电机中产生的为发电机中产生的电磁转矩，其性质为制动转矩；发电机的转向由原动机决电磁转矩，其性质为制动转矩；发电机的转向由原动机决定，定，T1 Te，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机转动，故电磁转矩为制动转矩，是阻碍原动机转动的阻转矩。的阻转矩。电动机电动机 Te=T2+T0 式中，式中，Te为电动机中产生的电磁转矩；为电动机中产生的电磁转矩；T2为轴输出转为轴输出转矩，其性质为制动转矩；矩，其性质为制动转矩；T0为空载转矩，由电机的机械摩为空载转矩，由电机的机械摩擦和铁损引起的转矩。擦和铁损引起的转矩
31、。T2+T0为总的阻转矩，方向与为总的阻转矩，方向与Te相相反。反。3、电磁功率、电磁功率4 4、电机的可逆性、电机的可逆性 从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦可作为电从原理上讲，任何电机既可作为发电机、亦可作为电动机运行。动机运行。3.6 3.6 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性1 1、他励发电机的运行特性、他励发电机的运行特性U=Ea-Ia Ra =Ce n-IaRa2 2、并励发电机的自励和外特性、并励发电机的自励和外特性+-如图，曲线如图，曲线1 1为空为空载特性曲线，曲线载特性曲线，曲线2 2为为励磁回路总电阻励磁回路总电阻Rf 特特性线，也称场阻线性线，也称场阻线Uf=
32、If Rf。如果增大。如果增大Rf ，场阻线斜率增大，场阻线斜率增大，空载电压降低。如果空载电压降低。如果继续继续增大增大Rf，场阻线场阻线变为曲线变为曲线3 3，此时，此时Rf称称为临界电阻为临界电阻Rfcr。若再若再增加励磁回路电阻，增加励磁回路电阻，发电机将不能自励建发电机将不能自励建压。压。并励发电机的自励（建压）条件：并励发电机的自励（建压）条件：分析：分析：原动机带动发电机旋转时，原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩余磁通感应电动势，在电切割剩余磁通感应电动势，在电动势作用下励磁回路产生电流。动势作用下励磁回路产生电流。如果如果并联
33、在电枢绕组两端的励磁并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性正确，则绕组极性正确，则产生的磁动势产生的磁动势与剩磁方向相同，使主磁路的磁与剩磁方向相同，使主磁路的磁通增加，电动势增大。如此不断通增加，电动势增大。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与增长，直到励磁绕组两端电压与电枢回路相等（即电枢回路相等（即U=Uf=If Rf）时）时，发电机电压达到稳定的平衡工，发电机电压达到稳定的平衡工作点作点A。总结：总结：（1 1）电机的主磁路有剩磁。）电机的主磁路有剩磁。（2 2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确。）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确。（3 3）励磁回路的总电阻小于临界电阻。）励磁回
34、路的总电阻小于临界电阻。3 3、复励发电机的运行特性、复励发电机的运行特性+-3.7 3.7 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性 有关方程式：有关方程式：1 1、并励电动机的运行特性、并励电动机的运行特性 工作特性：工作特性：由由方程式可得：方程式可得：忽略电枢反应的去磁作用，转速与电枢电流按线性关忽略电枢反应的去磁作用，转速与电枢电流按线性关系变化。系变化。转速调整率转速调整率n：并励电动机的转速调整率很小，约为并励电动机的转速调整率很小，约为3%8%。工作特性曲线：工作特性曲线：注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。注意：并励电动机在运行中，励磁绕组绝对不能断开。转矩特性：
35、转矩特性：机械特性：机械特性：2 2、串励直流电动机的运行特性、串励直流电动机的运行特性 当负载电流较小时，当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：线性关系。即：转速特性：转速特性：+-当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。电动机不宜轻载或空载运行。转矩特性：转矩特性：结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是结论：随着转矩的增加，串励电动机的转速迅速下降，是软特性。软特性。复励复励串励串励并励并励3 3、复励直流电动机的运行特性、复励
36、直流电动机的运行特性+-复励电动机工作特性：复励电动机工作特性：常用的复励电动机大都为积复励。这时串励绕组的励常用的复励电动机大都为积复励。这时串励绕组的励磁方向和并励绕组的励磁方向相同。积复励电动机的转速磁方向和并励绕组的励磁方向相同。积复励电动机的转速特性比并励电动机软，但比串励电动机硬，介于二者之间特性比并励电动机软，但比串励电动机硬，介于二者之间。同理，复励电动机的转矩特性和机械特性也将介于并励。同理，复励电动机的转矩特性和机械特性也将介于并励电动机和串励电动机的相应特性之间，并依并励磁动势和电动机和串励电动机的相应特性之间，并依并励磁动势和串励磁动势的相对强弱而有所不同。如并励磁动势
37、在总磁串励磁动势的相对强弱而有所不同。如并励磁动势在总磁动势中占优势，则复励电动机的特性和并励电动机接近。动势中占优势，则复励电动机的特性和并励电动机接近。反之，如串励磁动势在总磁动势中占优势，则复励电动机反之，如串励磁动势在总磁动势中占优势，则复励电动机的特性和串励电动机接近。适当地选择并励磁动势和串励的特性和串励电动机接近。适当地选择并励磁动势和串励磁动势的相对强弱，可以使复励电动机具有负载所需要的磁动势的相对强弱，可以使复励电动机具有负载所需要的特性。特性。差复励电动机应用极少。差复励电动机应用极少。4 4、电力拖动系统稳定运行条件电力拖动系统稳定运行条件 处于某一转速下运行的电力拖动系
38、统，由于受到某种处于某一转速下运行的电力拖动系统，由于受到某种扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，扰动，导致系统的转速发生变化而离开原来的平衡状态，如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动如果系统能在新的条件下达到新的平衡状态，或者当扰动消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的消失后系统回到原来的转速下继续运行，则系统是稳定的，否则系统是不稳定的。，否则系统是不稳定的。1.1.必要条件必要条件:电动机的机械特性与负载特性有交点电动机的机械特性与负载特性有交点,即存在即存在T=TZ。2.2.充分条件充分条件:电动机要有向下倾斜的机械特性电动机要有向下倾斜的机械特
39、性。分析举例：分析举例：a、b两点是否为两点是否为稳定平衡点？稳定平衡点？a点点：当负载突然增加后当负载突然增加后 当负载波动消除后当负载波动消除后 故故a点为系统的稳定平衡点。点为系统的稳定平衡点。异步电动机异步电动机的机械特性的机械特性生产机械生产机械的机械特的机械特性性交点交点a交点交点b n TM 系统稳定。系统稳定。系统稳定。系统稳定。n TM 系统稳定。系统稳定。b点点：即即拖拖动动系系统统有有一一个个平平衡衡点点。负负载载增增加加时时nTMn,直直至至n=0。负载减小时负载减小时nTMn,所以此系统不能稳定运行。所以此系统不能稳定运行。推广到一般情况：推广到一般情况：在交点所对应
40、的转速之在交点所对应的转速之上应保证上应保证TTZ,而在这一而在这一转速之下则要求转速之下则要求TTZ：起动要求：起动要求：起动转矩大起动转矩大起动冲击电流小起动冲击电流小能量损耗小能量损耗小简单，便于控制简单，便于控制起动方法：起动方法：全压起动全压起动电枢串接电阻起动电枢串接电阻起动降压起动降压起动3.8 3.8 直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动1 1、直流电动机的起动、直流电动机的起动 电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。速到稳定运行状态的过程。起动转矩和起动电流分别为：起动转矩和起动
41、电流分别为：起动时由于转速起动时由于转速n=0，电枢电动势，电枢电动势Ea=0，而且电枢电，而且电枢电阻阻Ra很小，所以起动电流将达很大值。很小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。以三级启动为例。以三级启动为例。电枢回路接入变阻器起动：电枢回路接入变阻器起动：3KM 首先确定切换转矩首先确定切
42、换转矩T1 1和和T2 2。通常。通常T1 1=（1.51.52.02.0）TN N，T2 2=（1.11.11.21.2）TN N。-降压起动：降压起动：当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度和起动转矩保持在一定的数值上
43、，保证按需要的加速度升速。升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。TTNT2T12 2、直流电动机调速调节、直流电动机调速调节 电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为为机械调速机械调速；通过改变电动机参数进行调速的方法称为；通过改变电动机参数进行调速的方法称为电电气调速气调速。改变电动机的参数就是人为地改
44、变了电动机的机械特改变电动机的参数就是人为地改变了电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速即发生变化。调速前后，电性，使工作点发生变化，转速即发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。电气调电气调速速方法：方法：1.1.调压调速；调压调速；2.2.电枢串电阻调速；电枢串电阻调速；3.3.弱磁调速。弱磁调速。直流电动机的机械特性方程式：直流电动机的机械特性方程式：他励、并励电动机调速调节：他励、并励电动机调速调节：电枢回路串电阻调速：电枢
45、回路串电阻调速：TTZnRan0nNa0bcn1Ra+R未串未串电阻时电阻时的工作点的工作点串串电阻电阻R后后,工作点由工作点由abc 电枢回路串电阻调速的优缺点：电枢回路串电阻调速的优缺点：优点：优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2 2）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对）低速时特性曲线斜率大，静差率大，所以转速的相对稳定性差；稳定性差；3 3）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围一般为D22；4 4）损耗大，效率低，不经济。损耗大，效率低，不经济。缺点：缺点：1 1）由于电阻只能分段调节，所以调
46、速的平滑性差；）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；降低电源电压调速：降低电源电压调速：降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。降压瞬间降压瞬间工作点工作点TTZabc调速压调速压前工前工作点作点稳定后工作点稳定后工作点 降低电源电压调速的优缺点：降低电源电压调速的优缺点：优点：优点：1 1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。2 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变）调速前后的机械
47、特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。化时稳定性好。3 3）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达）无论轻载还是负载，调速范围相同，一般可达D=2.5=2.51212。4 4）电能损耗较小。）电能损耗较小。缺点：缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源需要一套电压可连续调节的直流电源。减弱磁通调速减弱磁通调速 通常通过增大励磁电阻减小励磁电流，减弱磁通。通常通过增大励磁电阻减小励磁电流，减弱磁通。TTZ调节磁场调节磁场前工作点前工作点弱磁弱磁稳定后稳定后的工作点的工作点NF0n 减弱磁通调速的优缺点：减弱磁通调速的优缺点：优点：优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方由于在
48、电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。比较好。为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。缺点：缺点：
49、1 1）机械特性的斜率变大，特性变软；）机械特性的斜率变大，特性变软；2 2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般升速范围不可能很大，一般 D22。串励电动机调速调节：串励电动机调速调节：当当磁路不饱和时磁路不饱和时 当磁路饱和时，磁通当磁路饱和时，磁通基本不变，机械特性与他基本不变，机械特性与他励直流电动机的机械特性励直流电动机的机械特性相似。相似。TnABC磁路不饱和时的磁路不饱和时的机械特性曲线机械特性曲线ABAB段段磁路饱和时的机磁路饱和时的机械特性曲线械特性曲线BCBC段段固有特性：固有特性：（1 1）
50、它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；）它是一条非线性的软特性，负载时转速降落很大；（2 2）空载时，励磁电流很小，由于存在剩磁，所以转速）空载时，励磁电流很小，由于存在剩磁，所以转速很大，造成很大，造成“飞车飞车”现象。因此串励电动机不允许空载或现象。因此串励电动机不允许空载或轻载运行。轻载运行。（3 3）由于起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起）由于起动和过载时电枢电流大，故串励电动机的起动转矩大，过载能力强。动转矩大，过载能力强。3 3、直流电动机的制动、直流电动机的制动能耗制动能耗制动 制动运行时，将系统储存制动运行时，将系统储存的动能转换成电能，消耗在电的动能转换成电能，消