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1、Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University3 36 6 直流电动机直流电动机直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。以并励为例推导直流电动机的基本方程式。各物理量正方向的规定：电枢电动势E Ea a与电流I Ia a方向相反；电磁转矩T T与转速n n方向一致。RarfIaIfI
2、EaT,nUrElectrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University 一、基本方程式一、基本方程式（2）电势平衡式）电势平衡式电枢回路：电枢回路：U Ea重要的转速公式重要的转速公式励磁回路：励磁回路：RarfIaIfIEaT,nUr（1）电流方程）电流方程Electrical Machinery E
3、lectrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University基本方程式基本方程式（3）转矩平衡式）转矩平衡式TT0 T2TZT2：输出转矩;T0:空载制动转矩;TZ:总负载转矩推论：推论：（1）若制动TZ不变，不变，稳定后的Ia不变。（2）实际空载时，Ia 0。Electrical Machinery Electrical Machinery Sch
4、ool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University（4）功率平衡式）功率平衡式Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineeri
5、ng,Jiangsu University功率平衡式功率平衡式功率平衡式：效率：功率流程：Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University二、二、直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性工作特性工作特性:是指在UUN，IfIfN时，转速n、电磁转矩T和效率随输出功率P2而变化的关系。即 或机械特
6、性机械特性:是指在UUN，IfIfN时研究n与T之间的关系，即。nf（T）Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityIan(一一)并励（他励）电动机并励（他励）电动机时，根据转速公式，可得n0：理想空载转速转速下降不多，考虑电枢反应，有可能升高。1 1、转速特性：、转速特性：Electri
7、cal Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityIaT根据转矩公式：或者考虑去磁，曲线有所下降。2 2、转矩特性：、转矩特性：Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,J
8、iangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University思考题？思考题？2、如何改变并励电动机的旋转方向、如何改变并励电动机的旋转方向？1 1、如何改变他励直流电动机的旋转方向、如何改变他励直流电动机的旋转方向？Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Info
9、rmation Engineering,Jiangsu University当UUN，IfIfN时，的关系叫效率特性效率特性。其中，为不变损耗为可变损耗3 3、效率特性：、效率特性：Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University令 可得忽略励磁电流Ia与Ia之间存在二次关系，效率曲线存在一个最
10、大值。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University电动机效率特性电动机效率特性结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，结论：当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，此时效率最高。此时效率最高。推论：（1）额定运行时总损耗 ；（2）可从额定数据来估算电枢回路总电阻。Electrica
11、l Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityTn机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规律。机械特性是稍下降的直线，计及饱和，成为水平或上翘。4 4、机械特性：、机械特性：Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and I
12、nformation Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University硬特性硬特性:从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化。用转速变化率来表征：Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engin
13、eering,Jiangsu Universityn0 T(1)(1)固有机械特性固有机械特性当UUN，N，电枢回路无外接电阻时，转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。n0 TNnN分析：1.电磁转矩越大，转速越低，机械特性是一条下斜直线；T0Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University固
14、有机械特性分析固有机械特性分析2.当转矩等于零点，为理想空载转速。此时Ia0，EaUN，是一种理想工作状态。4 为机械特性斜率。增大，也增大。通常称小的机械特性为硬特性，大的机械特性为软特性。n0 Tn0 T0n0 TNnN3.为电动机的实际空载转速，比n0略低。对应于空载转矩。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Ji
15、angsu University固有机械特性分析固有机械特性分析5.额定转速变化率 ，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。6.nn0时为发电机状态，此时 EaU,Ia反向，Ea与Ia同向，向电网送出电功率。7.堵转点：电枢电流：为短路电流；电磁转矩：为电机堵转转矩。n0 Tn0 T0 TNnNElectrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engi
16、neering,Jiangsu University(2)(2)人为机械特性分析人为机械特性分析根据转速、转矩公式人为地改变电动机参数U、R或得到的机械特性，称为人为机械特性。有三种人为机械特性：（1）电枢回路串电阻的人为机械特性；（2）改变端电压时的人为机械特性；（3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information E
17、ngineering,Jiangsu University T0n电枢回路串电阻的人为机械特性电枢回路串电阻的人为机械特性保持UUN 及 N 不变而在电枢回路中串入电阻Rc，所得的nf（T）关系。对于给定的Rc，为常数。Ra+Rc1Ra+Rc2人为Rc2Rc1固有Ran0Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangs
18、u University电枢回路串电阻的人为机械特性电枢回路串电阻的人为机械特性电枢串电阻人为特性的特点：（1）理想空载转速n0与固有机械特性的n0相同；（2）斜率 ，特性变软，在同一个转矩下，转速下降更多。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University T0n改变端电压时的人为机械特性改变端
19、电压时的人为机械特性保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rc=0),只改变电枢电压时的机械特性。表达式：一般都为降低的电压。人为UNU1U2固有UNn0U1U2Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University改变端电压时的人为机械特性改变端电压时的人为机械特性改变端电压人为特性的特点：（
20、1）理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多，其理想空载转速越低。（2）端电压不同，但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各条特性彼此平行。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University T0n减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通的人为机械特性保持端电压为额定值不变，电
21、枢回路不串电阻(Rc=0),只改变励磁电流的机械特性。表达式：额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通。N N固有Nn0人为NElectrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通人为特性的特点：（1）由于 N，理想空载转速比固有特性的
22、理想空载转速高。（2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University人为特性的几点补充人为特性的几点补充（1）考虑电枢反应时，会使机械特性上翘。影响稳定性。通过补偿绕组改善。（2）机械特性的确定。特殊点（n0，0），（nN，TN)（3
23、）通过电机的数据铭牌估算机械特性Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University三、电力拖动系统的动力学基础三、电力拖动系统的动力学基础以电动机作为原动机，按人们所给定的规律来带动生产机械，称为电力拖动。电 源控制设备电动机传动机构工作机构电力拖动系统的构成Electrical Machiner
24、y Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University基础基础 运动方程：g：重力加速度，9.8米/秒2；GD2：系统的飞轮矩（牛米2）；n：转速（转/分）；T、TZ：转矩（牛米）注意：GD2是一个完整的符号;T、TZ具有方向性，与转速方向一致为正。Electrical Machinery Electrical Machinery Sch
25、ool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University负载转矩的大小与速度无关，但其方向始终与转向相反TZn0负载转矩特性负载转矩特性反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载恒功率负载通风机型负载转矩具有固定的方向，不随转速方向的改变而改变nTZ0负载的功率为常数，不随转速的变化而改变负载的转矩与转速的平方成正比TZn0TZn0Electrical Machinery Electrical Mac
26、hinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University稳定运行条件稳定运行条件电机的机械特性需要与负载特性同时存在。分析拖动系统运行时，在同一坐标图上，两特性的交点是系统的平衡点。平衡点稳定点？稳定点：在受到外界扰动后，仍能还原的点。稳定点的条件：恒转矩负载，恒转矩负载，下降的机械特下降的机械特性电动机能稳定运行性电动机能稳定运行在交点处，转速之上在交点处，转速之上则则
27、TTzElectrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityIf=0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
28、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）思考题：思考题：并励电动机突然励磁失磁并励电动机突然励磁失磁Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityIan（二）串励电动机（二）串励电动机根据转
29、速公式，可得串励电动机的特点 ，特点：重载时，n很小；轻载时，飞车。结论：串励电动机不允许在小于结论：串励电动机不允许在小于1520的额定负载下起动。的额定负载下起动。1 1、转速特性、转速特性“飞速”的解释1.在满载或较重负载时，电枢电流较大，If=Ia较大，气隙磁通较大，电机只需不太高的转速便能产生较高的反电势与电网电压平衡。2.在空载或很轻负载时，If=Ia很小，使主磁通很小，电机必须以很高的转速才能产生反电势保持电压平衡。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engi
30、neering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityIa T根据转矩公式：特点：特点：串励电动机有较大起动转矩与过载能力。大负载时，该曲线接近直线变化。结论：结论：适用于重载起动场合，不允许在空载和很轻负载下运行。2 2、转矩特性、转矩特性Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityScho
31、ol of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University Tn3 3、机械特性、机械特性从电压方程以及得转速随所需电磁转矩的增加而迅速变化，该特性称为软特性。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityIan（三）复励电动
32、机的工作特性（三）复励电动机的工作特性复励是串励和并励共同合成得励磁方式。复励是串励和并励共同合成得励磁方式。并励起主要作用，接近并励特性；串励起主要作用，接近串励特性；他励串励复励以并励为主的积复励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。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and
33、Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University3 37 7直流电动机的起动、调速和制动直流电动机的起动、调速和制动对电动机起动的基本要求：对电动机起动的基本要求：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小；（3）起动设备要简单、经济、可靠。直流电动机接到电源以后，转速从零达到稳定转速的过程，称为起动过程。一、他励直流电动机的起动一、他励直流电动机的起动Electrical Machinery Electrical Machine
34、ry School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University(一一)他励直流电机直接起动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。优点优点：操作简单，无需另加设备。缺点缺点：冲击电流大(1020IN)，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。Electrical Machinery Electrical Machinery School
35、of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversityTn0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。(二二)电枢回路串变阻器起动电枢回路串变阻器起动R3R2R1R1+R2+R3R1+R2R1Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiang
36、su UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University电枢回路串变阻器起动电枢回路串变阻器起动起动电流将起动电流限制在允许的范围内，选择合适的Rst，其步骤:（1）根据电动机铭牌数据，估算电动机电枢回路电阻Ra；（2）选取最大起动电流I1，计算最大起动电阻；（3）决定起动电阻级数（4）计算起动电流比。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiang
37、su UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University(三三)降压起动降压起动开始时，降低端电压，使 Ia(1.52.0)IN,Tst=(1.52.0）TN。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范围内。优点优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。缺点缺点：需要一套专用的直流发电机或整流电源，投资费用大。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engi
38、neering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速机械调速：机械调速：改变传动机构的传动比改变工作机构的速度。电气调速：电气调速：人为改变电动机的参数（如端电压、励磁电 流或电枢回路电阻），使同一机械负载得到 不同转速。电动机驱动生产机械，对电动机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。Electrical Machinery Electrical Machinery School o
39、f Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University直流电动机调速直流电动机调速直流电动机的转速公式：直流电动机的调速方法直流电动机的调速方法：（1）改变励磁电流从而改变磁通；（2）改变施加在电枢两端的电压U；（3）改变串入电枢回路的调节电阻；Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information
40、 Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University Tn(一一)改变励磁调速改变励磁调速改变励磁电流调速，实际上是减少励磁电流的调速，所以又称弱磁调速弱磁调速。弱磁调速：保持UUN，Rj0，仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小，达到调速目的。If1PIf2QIf1If2从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical a
41、nd Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University弱磁调速的过程弱磁调速的过程If减小瞬间速度不变减小If1If2PQIf1If2 Tn机组加速nEaIaTTTZ新的平衡，新的Ia和nElectrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of El
42、ectrical and Information Engineering,Jiangsu University弱磁调速弱磁调速调速前后的量：（1）假定负载转矩不变，(2)假定磁路不饱和，不计电枢反应和IaRa的变化（3）恒转矩负载，基本不变Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University弱磁调速
43、特点弱磁调速特点v优点优点：设备简单，调节方便，能耗小。v缺点缺点：单方向调节，转速调得过高，励磁过弱，电枢电流变大，换向变坏，出现不稳定。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University(二二)改变端电压调速改变端电压调速 保持电动机的 N不变且无外接电枢电阻，仅降低施加于电动机电枢两端电压U
44、达到调速的目的，称为降压调速。TnU1U1U2U3U2U3PQ电压越低，转速越低，调速方向从基值往下调。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University（1）降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线，无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。（2）由于人为特性硬度不变，低速时由于负载变化引起的
45、转速波动不大。静态稳定性好，调速范围大。（3）可平滑调节端电压，使转速平滑调节，实现无级调速。（4）调节过程能量损耗小。调压调速的特点：调压调速的特点：TnU1U1U2U3U2U3PQElectrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University(三三)改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速 保持UUN且
46、N不变，电枢回路中串入调速电阻Rc，使同一个负载得到不同转速的方法，称为电枢串电阻调速。R2R1PQR1R2R3 TnR3串入电枢回路的电阻越大，转速越低。电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法，只能从基速往下调。Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University串电枢电
47、阻调速串电枢电阻调速该调速的特点：（1）设备简单、操作方便。（2）低速时，机械特性很软，当负载变化时，转速波动很大。静态稳定性差 调速范围不大。（3）由于电阻的不连续调节，因此速度调节不平滑，属有级调速。（4）电枢电流在Rc上消耗的能量大，调速时效率低。效率与转速成正比。R2R1PQR1R2R3 TnR3Electrical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information E
48、ngineering,Jiangsu University调速性能指标调速性能指标（1）调速范围调速范围：电动机在额定负载转矩下调速时，最高转速与最低转速之比。用D表示。（2）静差率静差率（相对稳定性：也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。静差率越小，转速的相对稳定性越好。（3）调速的平滑性平滑性：无级调速平滑性最好，有级调速由相邻两级转速中，高一级转速与低一级转速之比。（4）调速时电动机的容许输出容许输出：电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。（5）经济性经济性Electrical Machinery Electrical Machine
49、ry School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University电动机调速时的容许输出电动机调速时的容许输出在某转速下，电机即能充分利用，又能安全运行时输出的功率和转矩称为，调速时的允许输出功率和转矩允许输出功率和转矩。(1)调压调速的允许输出在整个调速范围允许输出转矩为常数，恒转矩调速方式。允许输出功率与转速成正比。降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。保持I不变Electr
50、ical Machinery Electrical Machinery School of Electrical and Information Engineering,Jiangsu UniversitySchool of Electrical and Information Engineering,Jiangsu University弱磁调速时的允许输出弱磁调速时的允许输出弱磁调速时，保持电流IIN弱磁调速时，在整个调速范围内的允许输出功率为常数，是恒功率调速方式。其允许输出转矩与转速成反比。Electrical Machinery Electrical Machinery School