工学电机学直流电机.pptx

长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院第二章第二章 直流直流电机机2.1 概述概述2.2 直流电机的电枢绕组直流电机的电枢绕组2.3 直流电机的磁场直流电机的磁场2.4 直流发电机的基本特性直流发电机的基本特性2.5 直流电动机的基本特性直流电动机的基本特性2.6 直流电力传动直流电力传动2.7 直流电机的换向直流电机的换向 长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2.1 概述概述直流电机的工作原理直流电机的工作原理长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院气隙磁气隙磁场分布曲分布曲线和和导体和体和线圈中的圈中的电动势波形波形长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院多个多个导体和体和线圈中的圈中的电动势波形波形 为了使电刷端电动势的脉动程度降低，实际电机中的电为了使电刷端电动势的脉动程度降低，实际电机中的电为了使电刷端电动势的脉动程度降低，实际电机中的电为了使电刷端电动势的脉动程度降低，实际电机中的电枢上就不只是敷设一个线圈，而是合理设计的多个线圈枢上就不只是敷设一个线圈，而是合理设计的多个线圈枢上就不只是敷设一个线圈，而是合理设计的多个线圈枢上就不只是敷设一个线圈，而是合理设计的多个线圈均匀分布，并按一定规律连接起来组成电枢绕组。两窜均匀分布，并按一定规律连接起来组成电枢绕组。两窜均匀分布，并按一定规律连接起来组成电枢绕组。两窜均匀分布，并按一定规律连接起来组成电枢绕组。两窜联线圈换向后的电动势波形如下图所示联线圈换向后的电动势波形如下图所示联线圈换向后的电动势波形如下图所示联线圈换向后的电动势波形如下图所示长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院某多某多线圈圈电枢枢绕组的的电动势波形波形长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院工作原理工作原理总结 综上可知，直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性综上可知，直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性综上可知，直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性综上可知，直流电机电枢绕组所感应的电动势是极性交替变化的交流电动势，只是由于换向器配合电刷的作用交替变化的交流电动势，只是由于换向器配合电刷的作用交替变化的交流电动势，只是由于换向器配合电刷的作用交替变化的交流电动势，只是由于换向器配合电刷的作用才把交流电动势才把交流电动势才把交流电动势才把交流电动势“换向换向换向换向”成极性恒定的直流电动势。正因成极性恒定的直流电动势。正因成极性恒定的直流电动势。正因成极性恒定的直流电动势。正因为为为为如此，通常把这种类型的电机称之为换向式直流电机。如此，通常把这种类型的电机称之为换向式直流电机。如此，通常把这种类型的电机称之为换向式直流电机。如此，通常把这种类型的电机称之为换向式直流电机。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院能量能量转换过程程当电流沿当电流沿 方向流过线圈时，由左手定则方向流过线圈时，由左手定则可知，线圈所受电磁力是企图阻止电枢旋转的。原可知，线圈所受电磁力是企图阻止电枢旋转的。原动机要维持电机以恒速旋转，就必须克服此电磁力动机要维持电机以恒速旋转，就必须克服此电磁力作功，从而将机械能转换为电能输出供负载使用，作功，从而将机械能转换为电能输出供负载使用，电机作发电机运行。反之，若跨接于电机作发电机运行。反之，若跨接于 、两两端的负载改为极性保持一致的直流电源，则线圈中端的负载改为极性保持一致的直流电源，则线圈中的电流路径将变为的电流路径将变为 ，产生的电磁力及，产生的电磁力及相应的电磁转矩为反时针方向，从而可拖动旋转机相应的电磁转矩为反时针方向，从而可拖动旋转机械反时针旋转，将电能转换为机械能，电机作电动械反时针旋转，将电能转换为机械能，电机作电动机运行。机运行。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电机的主要机的主要结构部件构部件 直流电机的结构形式很多，但总体上不外乎由定直流电机的结构形式很多，但总体上不外乎由定子和转子两大部分组成。直流电机的定子用于安放磁子和转子两大部分组成。直流电机的定子用于安放磁极和电刷，并作为机械支撑，它包括主磁极、换向极、极和电刷，并作为机械支撑，它包括主磁极、换向极、电刷装置、机座等。转子一般称为电枢，主要包括电电刷装置、机座等。转子一般称为电枢，主要包括电枢铁心、电枢绕组、换向器等。枢铁心、电枢绕组、换向器等。下面逐一作简要说明：下面逐一作简要说明：长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电机机总体体结构构长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院主磁极主磁极长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院换向极向极长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院机机 座座长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电枢枢铁芯及芯及绕组长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电枢枢绕组在槽中的在槽中的绝缘情况情况长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院换向器向器长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电刷装置刷装置长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电机的机的额定定值主要有以下几项：主要有以下几项：额定功率额定功率 ，单位为，单位为 或或 。额定电压额定电压 ，单位为，单位为 。额定电流额定电流 ，单位为，单位为 。额定励磁电压额定励磁电压 ，单位为，单位为 。额定励磁电流额定励磁电流 ，单位为，单位为 。额定转速额定转速 ，单位为，单位为 。额定功率额定功率 额定转矩额定转矩 ，单位为，单位为 。额定温升额定温升 ，单位为，单位为 。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2.2 直流直流电机的机的电枢枢绕组电枢绕组是电机中电流通道的主体，也是电磁力的载电枢绕组是电机中电流通道的主体，也是电磁力的载体，是实施机电能量转换的枢纽。体，是实施机电能量转换的枢纽。根据绕组连接方式的不同，直流电机的电枢绕组分为根据绕组连接方式的不同，直流电机的电枢绕组分为三种类型：三种类型：（1）叠绕组，包括单叠绕组和复叠绕组。）叠绕组，包括单叠绕组和复叠绕组。（2）波绕组，包括单波绕组和复波绕组。）波绕组，包括单波绕组和复波绕组。（3）蛙绕组，即叠绕组和波绕组的混合。）蛙绕组，即叠绕组和波绕组的混合。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电机机绕组元件元件长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电枢枢绕组元件在槽内的放置元件在槽内的放置每一个元件有两个放在每一个元件有两个放在槽中切割磁力线、感应槽中切割磁力线、感应电动势的有效边，称为电动势的有效边，称为元件边。元件在槽外的元件边。元件在槽外的部分一般只作为联接引部分一般只作为联接引线，称为端接。线，称为端接。与换向片相连的一端称为前端与换向片相连的一端称为前端接，另一端叫后端接。为了便接，另一端叫后端接。为了便于绕组元件边放在某一槽的上于绕组元件边放在某一槽的上层，另一个元件边则放在另一层，另一个元件边则放在另一个槽的下层。个槽的下层。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电枢枢绕组在槽内的放置在槽内的放置长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院单叠叠绕组的的连接接长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院单叠叠绕组展开展开图长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院单叠叠绕组的的电路路图长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电刷放置刷放置长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院综上可知，电刷应固定放置在换向器的几何中性线上。综上可知，电刷应固定放置在换向器的几何中性线上。对于端接对称的元件，元件轴线、主极轴线和换向器对于端接对称的元件，元件轴线、主极轴线和换向器上的几何中性线三线合一，故电刷也就放置在主极轴上的几何中性线三线合一，故电刷也就放置在主极轴线下的换向片上。若端接不对称，则电刷应移过与换线下的换向片上。若端接不对称，则电刷应移过与换向器轴线偏离主极轴线相同的角度，即电刷与换向器向器轴线偏离主极轴线相同的角度，即电刷与换向器上的几何中性线总是保持重合。上的几何中性线总是保持重合。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院单波波绕组的的连接接长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院绕组展开展开图长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电路路图长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2.3 直流直流电机的磁机的磁场 磁场是电机实现机电能量转换的媒介磁场是电机实现机电能量转换的媒介。直流电机中。直流电机中产生磁场的方式有两种，一种是产生磁场的方式有两种，一种是永久磁铁磁场永久磁铁磁场，只在一，只在一些比较特殊的微电机中采用；另一种是些比较特殊的微电机中采用；另一种是电磁铁磁场电磁铁磁场，是，是由套在主极铁心上的励磁绕组通入电流产生的，称为励由套在主极铁心上的励磁绕组通入电流产生的，称为励磁磁场，一般电机都采用这种励磁形式。磁磁场，一般电机都采用这种励磁形式。直流电机按励磁方式分类直流电机按励磁方式分类他励直流电机他励直流电机并励直流电机并励直流电机串励直流电机串励直流电机复励直流电机复励直流电机长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院各种励磁方式的接各种励磁方式的接线图他励直流电机他励直流电机 并励直流电机并励直流电机 串励直流电机串励直流电机 复励直流电复励直流电机机长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电机空机空载磁磁场长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院空载时电机中的磁场分布是对称的，磁通可以分为两部分。空载时电机中的磁场分布是对称的，磁通可以分为两部分。其中绝大部分从主极铁心经气隙、电枢，再经过相邻主极其中绝大部分从主极铁心经气隙、电枢，再经过相邻主极下的气隙和主极铁心，最后经定子磁轭闭合，同时交链励下的气隙和主极铁心，最后经定子磁轭闭合，同时交链励磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势，实现机电磁绕组和电枢绕组，在电枢绕组中感应电动势，实现机电能量转换，称为主磁通；另一部分不穿过气隙进入电枢，能量转换，称为主磁通；另一部分不穿过气隙进入电枢，而是经过主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量而是经过主极间的空气或定子磁轭闭合，不参与机电能量转换，称为漏磁通。转换，称为漏磁通。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院主磁极主磁极长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院无无齿电枢表面的气隙磁密分布枢表面的气隙磁密分布长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院磁化曲磁化曲线长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电机的机的电枢磁枢磁场 当电机有负载、电枢绕组中有电流通过时，该电当电机有负载、电枢绕组中有电流通过时，该电流也会在电机中产生磁场，称之为电枢磁场。下面分流也会在电机中产生磁场，称之为电枢磁场。下面分析电刷放在几何中性线和偏离几何中性线两种情况下析电刷放在几何中性线和偏离几何中性线两种情况下的两种电枢磁场。的两种电枢磁场。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电刷在几何中性刷在几何中性线上上时的的电枢磁枢磁场长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电刷偏离几何中性刷偏离几何中性线的的电枢磁枢磁场电刷偏离几何中性线后，电枢电流电刷偏离几何中性线后，电枢电流除了产生除了产生交轴电枢磁动势交轴电枢磁动势之外，同之外，同时还出现了时还出现了直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电枢反枢反应对于任意一台负载运行的电机来说，对于任意一台负载运行的电机来说，励磁磁场和电枢磁场励磁磁场和电枢磁场都是同时存在的都是同时存在的；或者说，电机的负载磁场就是由二者共；或者说，电机的负载磁场就是由二者共同建立的，并且负载磁场与空载磁场之间的差别完全是电同建立的，并且负载磁场与空载磁场之间的差别完全是电枢磁场作用的结果，我们把这种枢磁场作用的结果，我们把这种电枢磁场对励磁磁场的作电枢磁场对励磁磁场的作用称为电枢反应用称为电枢反应。接下来分别考虑交轴分量和直轴分量对励磁磁场的作用接下来分别考虑交轴分量和直轴分量对励磁磁场的作用与影响，前者称之为与影响，前者称之为交轴电枢反应交轴电枢反应，后者称之为，后者称之为直轴电直轴电枢反应。枢反应。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院交交轴电枢反枢反应长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院交交轴电枢反枢反应对气隙磁气隙磁场的影响的影响（1）使物理中性线偏离几何中性线一个使物理中性线偏离几何中性线一个角。对发角。对发电机，偏移为顺电枢转向，对电动机则是逆电枢转向。电机，偏移为顺电枢转向，对电动机则是逆电枢转向。（2)不计饱和影响，对每个主极下的磁场，一半被削不计饱和影响，对每个主极下的磁场，一半被削弱，弱，但另一半被加强，总的磁通不变。但另一半被加强，总的磁通不变。（3）记及饱和影响，对被削弱的一半来说，波形与记及饱和影响，对被削弱的一半来说，波形与不计饱和时相同；但对于被加强的一半，由于实际磁路不计饱和时相同；但对于被加强的一半，由于实际磁路中铁磁材料的饱和影响，磁密曲线会下降，因此，每极中铁磁材料的饱和影响，磁密曲线会下降，因此，每极磁通量也会减少。磁通量也会减少。综上述，实际电机中，交轴电枢反应不但使气综上述，实际电机中，交轴电枢反应不但使气隙磁场畸变，而且还有去磁作用。隙磁场畸变，而且还有去磁作用。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直直轴电枢反枢反应 电刷偏离几何中性线时，同时产生交轴电电刷偏离几何中性线时，同时产生交轴电枢反应和直轴电枢反应。枢反应和直轴电枢反应。由于直轴电枢磁场轴线与主极轴线重合，因由于直轴电枢磁场轴线与主极轴线重合，因此其作用应该只是影响每极磁通的大小。此其作用应该只是影响每极磁通的大小。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院感感应电动势第第k根串联导体的感应电动势为根串联导体的感应电动势为则支路感应电动势为则支路感应电动势为 令令（1 1）（2 2）（3 3）（4 4）又又（5 5）故式（故式（2）最终可改写为）最终可改写为（6 6）长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电磁磁转矩矩设设 为支路电流，则其与电枢电流之间有关系为支路电流，则其与电枢电流之间有关系(7)由于第由于第k根导体所受的电磁力为根导体所受的电磁力为(8)产生的电磁转矩是产生的电磁转矩是(9)合成电磁转矩为合成电磁转矩为(10)长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电动势常数与常数与转矩常数的关系矩常数的关系比较电动势常数比较电动势常数 和转矩常数和转矩常数 ，有，有（11）而由于机械转速而由于机械转速n和角速度和角速度之间有关系之间有关系则式（则式（6）可改写为）可改写为（12）（13）长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2.4 直流直流发电机的基本特性机的基本特性稳态运行时，电枢回路有稳态运行时，电枢回路有 励磁回路电压方程为励磁回路电压方程为电流方程为电流方程为其中其中基本方程基本方程1.发电机势平衡方程发电机势平衡方程长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院功率平衡方程功率平衡方程2.2.功率平衡方程功率平衡方程电磁功率电磁功率电功率平衡方程就是电功率平衡方程就是由前面两式可得由前面两式可得机械输入功率机械输入功率长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院功率流程功率流程图发电机的效率为发电机的效率为 功率流程图为功率流程图为 转矩平衡方程转矩平衡方程稳态恒速运行时稳态恒速运行时 ，有，有即即长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院他励直流他励直流发电机的运行特性机的运行特性1.空载特性空载特性:n=常数、常数、I=0时，时，U0=f(If)2.负载特性负载特性:n=常数、常数、I=常常数时，数时，U=f(If)3.外特性外特性:n=常数、常数、If=常常数时，数时，U=f(I)4.调节特性调节特性:n=常数、常数、U=常常数时，数时，If=f(I)电压变化率电压变化率长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院并励并励发电机的自励条件机的自励条件1）剩磁）剩磁2）励磁绕组连接正确）励磁绕组连接正确3）励磁回路电阻应小于临界电阻）励磁回路电阻应小于临界电阻 不同的转速对应不同的转速对应不同的临界电阻不同的临界电阻长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院并励、复励并励、复励发电机的外特性机的外特性长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2.5 直流直流电动机的基本特性机的基本特性稳态运行时，电枢回路有稳态运行时，电枢回路有 励磁回路电压方程为励磁回路电压方程为电流方程为电流方程为其中其中基本方程基本方程1.电动势平衡方程电动势平衡方程长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院功率平衡方程功率平衡方程2.2.功率平衡方程功率平衡方程电机输入功率电机输入功率 为电功率，即为电功率，即电功率平衡方程就是电功率平衡方程就是电磁功率电磁功率 产生电磁转矩产生电磁转矩 ，使电机转动并拖动机，使电机转动并拖动机械负载，实现电能到机械能的转换，最终在电机转轴上输械负载，实现电能到机械能的转换，最终在电机转轴上输出的机械功率为出的机械功率为 ，即，即由前面两式可得由前面两式可得长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院功率流程功率流程图电动机的效率为电动机的效率为 功率流程图为功率流程图为 转矩平衡方程转矩平衡方程稳态恒速运行时稳态恒速运行时 ，有，有即即长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院并励并励电动机工作特性机工作特性 一、并励电动机一、并励电动机并励电动机试验接线图并励电动机试验接线图并励电动机的工作特性并励电动机的工作特性长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院速率、速率、转矩、效率特性矩、效率特性1.1.速率特性速率特性定义转速调整率定义转速调整率 2.2.转矩特性转矩特性 3.3.效率特性效率特性根据效率计算公式，效率特性曲线可由实测的根据效率计算公式，效率特性曲线可由实测的 和和 计算得到，普通电机大都在接近额定功率前效率取最大计算得到，普通电机大都在接近额定功率前效率取最大值，此时电机中的值，此时电机中的可变损耗可变损耗在理论上与在理论上与不变损耗不变损耗相等相等。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院串励串励电动机机二、串励电动机二、串励电动机串励电动机试验接线图串励电动机试验接线图 串励电动机的工作特性串励电动机的工作特性 1.1.速率特性速率特性定义转速调整率定义转速调整率2.2.转矩特性转矩特性 长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院三、复励电动机三、复励电动机复励电动机试验接线图复励电动机试验接线图长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院机械特性机械特性 称之为直流电动机的机称之为直流电动机的机械特性方程式械特性方程式直流电动机的速率特性直流电动机的速率特性 1 1并励电动机并励电动机2 2并励为主的复励电动机并励为主的复励电动机3 3串励为主的复励电动机串励为主的复励电动机4 4串励电动机串励电动机5 5差复励电动机差复励电动机长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院对并励电动机对并励电动机 对串励电动机对串励电动机并励电动机的机械特性并励电动机的机械特性串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性 长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2.6 直流直流电力力传动 转子运动方程转子运动方程一一.运动方程与转动惯量运动方程与转动惯量其中其中定义飞轮矩定义飞轮矩多轴旋转系统的折算多轴旋转系统的折算原则：原则：1 1 折算前后功率不变折算前后功率不变 2 2 折算前后动能不变折算前后动能不变长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院稳定运行条件定运行条件二二.稳定运行条件稳定运行条件典型负载的机械特性典型负载的机械特性1 1风机型风机型2 2直线型直线型3 3恒转矩型恒转矩型4 4恒功率型恒功率型长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院稳定运行条件定运行条件(a)(a)稳定运行稳定运行 (b)(b)不稳定运行不稳定运行电力拖动机组稳定运行条件电力拖动机组稳定运行条件长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电动机的启机的启动1.1.直接启动直接启动2.2.电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动直流启动过程中的电直流启动过程中的电枢电流与转速曲线枢电流与转速曲线并励电动机串电阻启动并励电动机串电阻启动过程过程(三级切除三级切除)长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院降降压启启动 降压启动是通过降低端电压来限制启动电流降压启动是通过降低端电压来限制启动电流的一种启动方式。降压启动对抑制启动电流最有效，的一种启动方式。降压启动对抑制启动电流最有效，能量消耗也比较少，但需要专用调压直流电源，投资能量消耗也比较少，但需要专用调压直流电源，投资较大。近代已广泛采用可控硅整流电源，无论是调节较大。近代已广泛采用可控硅整流电源，无论是调节性能还是经济性能都已经很理想，因此，降压启动有性能还是经济性能都已经很理想，因此，降压启动有越来越多的应用，尤其是大容量直流电动机和各类直越来越多的应用，尤其是大容量直流电动机和各类直流电力电子传动系统。流电力电子传动系统。3.3.降压启动降压启动长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电动机的机的调速速1.1.电枢回路串电阻调速电枢回路串电阻调速工作条件：工作条件：保持励磁保持励磁 =N ；保持电压保持电压 U=UN ；调节过程：调节过程：增加电阻增加电阻 Ra R R n ，n0不变；不变；调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。转速下降，机械特性曲线变软。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电动机的机的调速速2.2.改变励磁电流调速改变励磁电流调速若不计磁路饱和，忽略电枢反应和若不计磁路饱和，忽略电枢反应和电枢回路电阻的影响，还可得出电枢回路电阻的影响，还可得出工作条件：工作条件：保持电压保持电压 U=UN ；保持电阻保持电阻 R=R a ；调节过程：调节过程：减小励磁减小励磁 N n ，n0 调速特性：调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。转速上升，机械特性曲线变软。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电动机的机的调速速3.3.改变端电压调速改变端电压调速工作条件：工作条件：保持励磁保持励磁 =N ；保持电阻保持电阻 R=Ra调节过程：调节过程：改变电压改变电压 UN U U n ，n0 调速特性：调速特性：转速下降，机械特性曲转速下降，机械特性曲线平行下移。线平行下移。nn0OIILUNU 1U 2U 3nNn1n2n3调压调速特性曲线调压调速特性曲线长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院直流直流电动机的制机的制动1.1.能耗制动能耗制动并励电动机能耗制动接线图并励电动机能耗制动接线图长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院反接制反接制动2.2.反接制动反接制动 反接制动的优点是能很快地使机组停转，但缺点是电流反接制动的优点是能很快地使机组停转，但缺点是电流过大，其数值几乎是直接启动电流的两倍（额定电流的过大，其数值几乎是直接启动电流的两倍（额定电流的3030倍倍以上），对电机冲击太大，有必要加以限制，为此，反接时以上），对电机冲击太大，有必要加以限制，为此，反接时电枢回路中串入了足够大的电阻电枢回路中串入了足够大的电阻 ，使，使电枢电流电枢电流应注意的是，当转速接近零值时，应及时把电源断开，否应注意的是，当转速接近零值时，应及时把电源断开，否则电机将反转运行起来。则电机将反转运行起来。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院并励电动机反接制动接线图并励电动机反接制动接线图长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院回回馈制制动3.3.回馈制动回馈制动 以串励电动机为例，当串励电动机拖动电车或电力以串励电动机为例，当串励电动机拖动电车或电力机车下坡时，若不制动，速度会越来越高而达到危险程机车下坡时，若不制动，速度会越来越高而达到危险程度。设想此时将串励改为并励或他励，则当转速升高至度。设想此时将串励改为并励或他励，则当转速升高至某一数值，即某一数值，即 时，电流将反向，电机进入发电时，电流将反向，电机进入发电机运行状态，电磁转矩起制动作用，限制了转速的进一机运行状态，电磁转矩起制动作用，限制了转速的进一步上升，将下坡时机车的位能转换为电能回馈给电网，步上升，将下坡时机车的位能转换为电能回馈给电网，故称为回馈制动。故称为回馈制动。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2.6 直流直流电机的机的换向向一：换向的物理过程一：换向的物理过程长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院换向元件中的感向元件中的感应电动势二、换向元件中的感应电动势二、换向元件中的感应电动势1）电抗电动势）电抗电动势 ：换向元件中，在电流变化时，必然出现由自感与互感作换向元件中，在电流变化时，必然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势，这个电动势称为电抗电动势。用所引起的感应电动势，这个电动势称为电抗电动势。经过推导，可得电抗电动势为：经过推导，可得电抗电动势为：可见电机的负载越重可见电机的负载越重,转速越高，则转速越高，则 越大。根据楞次定律，越大。根据楞次定律，漏感的作用总是阻碍电流变化的，因为电流是在减少，所漏感的作用总是阻碍电流变化的，因为电流是在减少，所以其方向必与以其方向必与+方向相同。方向相同。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院2）电枢反应电动势：）电枢反应电动势：虽然换向元件位于几何中性线处，主磁场的磁密等于零，但虽然换向元件位于几何中性线处，主磁场的磁密等于零，但是电枢磁场的磁密不等于零。因此换向元件必然切割电枢磁是电枢磁场的磁密不等于零。因此换向元件必然切割电枢磁场，而在其中产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势。场，而在其中产生一种旋转电动势，称为电枢反应电动势。因为因为 ,所以所以 ,即当负载越即当负载越重，转速越高时，重，转速越高时，越大。据右手定则可以判定，无越大。据右手定则可以判定，无论是发电机或电动机状态，论是发电机或电动机状态，的方向总是与换向前元的方向总是与换向前元件中电流方向相同，即与方向相同，也是阻碍换向的。件中电流方向相同，即与方向相同，也是阻碍换向的。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院电刷下刷下产生火花的生火花的电磁原因磁原因3）电刷下产生火花的电磁原因：）电刷下产生火花的电磁原因：在换向元件中存在着两个方向相同的电动势在换向元件中存在着两个方向相同的电动势 +，因此在换向元件中，会产生附加的换向电流，因此在换向元件中，会产生附加的换向电流 由由 所建立的电磁能量所建立的电磁能量 要释放出来。当要释放出来。当这部分能量足够大时，它将以火花的形式从后刷边放出，这部分能量足够大时，它将以火花的形式从后刷边放出，使维持连续，这就是电刷下产生火花的电磁原因。此外还使维持连续，这就是电刷下产生火花的电磁原因。此外还有机械及电化学方面的原因。火花使电刷及换向器表面损有机械及电化学方面的原因。火花使电刷及换向器表面损坏，严重时将使电机不能正常运行。坏，严重时将使电机不能正常运行。长沙理工大学电气工程学院长沙理工大学电气工程学院改善改善换向的方法向的方法三、改善换向的方法：三、改善换向的方法：从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电动势从产生火花的电磁原因出发，减少换向元件的电抗电动势和电枢反应电动势，就可以有效地改善换向。目前最有效和电枢反应电动势，就可以有效地改善换向。目前最有效的办法是装换向极。对换向极的要求是：的办法是装换向极。对换向极的要求是：（1 1）换向极应装在几何中性线处；）换向极应装在几何中性线处；（2 2）换向极的极性应使所产生的方向与电枢反应磁动势）换向极的极性应使所产生的方向与电枢反应磁动势的方向相反。的方向相反。（3 3）由于）由于 是随负载的大小及转速而变化的，是随负载的大小及转速而变化的，为使换向电动势为使换向电动势 在任何负载下都能抵消在任何负载下都能抵消 ，要，要求求 。根据。根据 ，需要，需要 ，所以，所以换向极绕组必须与电枢绕组串联，而且换向极磁路应不换向极绕组必须与电枢绕组串联，而且换向极磁路应不饱和。一般，容量为饱和。一般，容量为1kW1kW以上的直流电机都装有换向极。以上的直流电机都装有换向极。