电机与拖动PPT参考课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,河南工业大学电气工程学院,*,LFChun,制作,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,河南工业大学电气工程学院,第,1,章 直流电机原理,1.1,直流电机的用途、结构及工作原理,1.2,直流电机的空载磁场,1.3,直流电机的电枢绕组,1.4,电流电机的电枢反应,1.5,直流电机的电枢电动势和电磁转矩,1.6,直流发电机,1.7,直流电动机,1.8,直流电机换向简介,第,1,章 直流电机原理,1.1,直流电机的用途、结构及工作原理,1.2,直流电机的空载磁场,1.3,直流电机的电枢绕组,1.4,电流电机的电枢反应,1.5,直流电机的电枢,电动势和电磁转矩,1.6,直流发电机,1.7,直流电动机,1.8,直流电机换向简介,电机与拖动,返回主页,1,（,1,）电枢铁心,电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚,05,mm,的硅钢片叠压夹紧而成。,(a),转子主体,(b),电枢硅钢片,2,（,2,）电枢绕组,电枢绕组由许多线圈按一定规律排列和连接而成，是产生感应电动势和电磁转矩以实现机电能量转换的关键部件。线圈用绝缘圆形线或扁铜线绕制而成，也称为元件。电枢线圈嵌放在电枢铁心的槽中，每个元件有两个出线端。所有元件按一定规律连接，就构成电枢绕组,3,（,3,）换向器,换向器也是直流电机的重要部件。在直流发电机中，换向器将绕组内的交变电动势转换为电刷两端的直流电动势；在直流电动机中，换向器将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。,换向器安装在转轴上，如图所示，由许多换向片组成，换向片之间用云母进行绝缘，换向片数与元件数相等。,4,河南工业大学电气工程学院,直流电机的结构,电枢,1.1,直流电机的用途、结构及工作原理,5,河南工业大学电气工程学院,1.,额定电压,U,N,指额定状态下电枢两端的电压指输出电压的额定值。,2.,额定电流,I,N,:,在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流。,3.,额定功率,P,N,：,指电机在额定状态时的输出功率。对于电动机，是指轴上输出的机械功率；对于发电机，是指线端输出的电功率,四、直流电机的铭牌数据及额定值,1.1,直流电机的用途、结构及工作原理,4.,额定转速,n,N,:,在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速,6,河南工业大学电气工程学院,1.1,直流电机的用途、结构及工作原理,直流发电机的额定功率为,直流电动机的额定功率为,式中，,为直流电动机的额定效率,电动机轴上输出的额定转矩用 表示，为,有些物理量虽然不标在铭牌上，但它们也是额定数据，如额定转矩、额定效率等。,7,河南工业大学电气工程学院,1.2,直流电机的空载磁场,第,1,章 直流电机的基本理论,是由励磁绕组通入励磁电流,I,f,产生的，它是直流电机中的主要磁场。,空载：,一、直流电机磁路、磁通和磁化曲线,I,a,=0,（发电机）,I,a,0,（电动机：轴上不带任何负载，克服,摩擦阻力等）,直流电机,空载时的磁场,是指电机对外没有功率输出、不带负载时的空转状态。,8河南工业大学电气工程学院,1.2,直流电机的空载磁场,二极电机磁路中的磁通分布,极轴线：磁极平分线,几何中性线：相临两磁极极轴线的平分线。,物理中性线：气隙磁密由正到负过零的分界线。,主磁通：走主磁路的磁通。,漏磁通：走漏磁路的磁通。,9,河南工业大学电气工程学院,四极电机磁路中的磁通分布,N,S,S,N,几何中性线,极轴线,极距,主磁通,漏磁通,1.2,直流电机的空载磁场,10,河南工业大学电气工程学院,N,极铁芯气隙电枢齿电枢轭相邻,S,极电枢齿气隙,S,极铁芯定子轭回到,N,极,.,构成闭合路径,1.2,直流电机的空载磁场,11,河南工业大学电气工程学院,分析主磁路,主磁路的分段：,全电流定律,（,1-1,）,简化：,（,1-2,）,1.2,直流电机的空载磁场,两段气隙,、两段电枢齿,l,t,一段电枢轭,l,rl,、一段定子轭,l,sl,两段主磁极,l,p,5,种类型,8,段磁路,12,河南工业大学电气工程学院,气隙,电枢齿,电枢轭,主磁极,定子轭,封闭回路中包含,N,f,匝线圈的,2,倍,（,1-3,）,各段磁压降为：,即,1.2,直流电机的空载磁场,即（,1-2,）式可写成：,Hl,=,R,m,=,N,f,I,f,Hl,=,B,l=,l,S,=,R,m,（,1-4,）,（,1-5,）,13,这个关系即直流电机的磁化曲线。,1,2,当励磁电流较小时，气隙和铁心的磁阻为常数线性关系；且铁心磁阻较小，气隙磁阻占绝大部分。,当励磁电流较大时，铁心饱和，磁阻增加，非线性关系。,河南工业大学电气工程学院,1.2,直流电机的空载磁场,Hl,=,R,m,=,N,f,I,f,（,1-5,）,由上式可以看出,14,河南工业大学电气工程学院,二、气隙磁通密度分布波形,当励磁电流不变时,每极磁通与平均磁密的关系：,空载时的气隙磁通密度为一,钟形波,。,1.2,直流电机的空载磁场,15,河南工业大学电气工程学院,第,1,章 直流电机的基本理论,1.3,直流电机的电枢绕组,电枢绕组,:,直流电机的电磁感应的关键部件,之一,是直流电机的电路部分，亦是实现机,电能量转换的枢纽,。,因为重要，故称为电枢,绕组。电枢绕组的构成，应能产生足够的感,应电动势，并允许通过一定量的电枢电流，,从而产生所需的电磁转矩和电磁功率。此外,还要节省有色金属和绝缘材料，结构简单，,运行可靠。,16,河南工业大学电气工程学院,1.3,直流电机的电枢绕组,电枢绕组形式,直流电机绕组,电枢绕组,17,河南工业大学电气工程学院,1,、相关技术术语及绕组元件,极轴线，几何中性线,极距,：相邻两个主磁极沿电枢圆周表面的圆弧距,离，它等于相邻两个极轴线或相邻两个几何中性,线之间沿电枢表面的弧长，通常用槽数表示，,如：,极距电枢槽数,/,极数,1.3,直流电机的电枢绕组,18,河南工业大学电气工程学院,绕组元件,构成绕组的线圈称为绕组元件，分单匝和,多匝两种。,单匝,多匝,有效边,1.3,直流电机的电枢绕组,19,河南工业大学电气工程学院,元件的首末端,：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。,首端,末端,1.3,直流电机的电枢绕组,20,河南工业大学电气工程学院,绕组节距：,y=y,1,-y,2,1,第一节距,y,1,第二节距,y,2,合成节距,y,：,换向节距,y,k,：,y,k,y,1,1.3,直流电机的电枢绕组,21,河南工业大学电气工程学院,第一节距,y1,必须是整数,1.3,直流电机的电枢绕组,22,河南工业大学电气工程学院,2,、单叠绕组,单叠：,单叠绕组的特点是相邻元件,(,线圈,),相互叠压，合成节距与换向节距均为,1,，后面元件的首端紧迭在前一元件的末端。,特点：,槽数,Z,、元件数,S,和换向片数,K,三者相同,y=y,k,=1,1.3,直流电机的电枢绕组,23,河南工业大学电气工程学院,单叠绕组展开图,例：一台电机，极数,2p,4,，,Z,S,K,16,，试绕制一单叠绕组。,y,2,=y,1,-y=3,y=y,k,=1,1.3,直流电机的电枢绕组,计算各节距,第一节距,:,合成节距和换向器节距,:,第二节距,:,绕组的连接顺序表,24,河南工业大学电气工程学院,y,2,=y,1,-y=3,y=y,k,=1,上层元件边,下层元件边,12,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,1,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,1,2,3,4,闭合,绕组元件的连接顺序,y,1,y,2,1.3,直流电机的电枢绕组,第一节距,:,合成节距和换向器节距,:,第二节距,:,绕组元件连接顺序表,用来表示电枢上所有元件边的串联次序。,下表中，每根实线所连接的两个元件边构成一个元件，两元件之间 的虚线则表示通过换向片把两元件串联起来。,可以看出，从第,1,元,件出发，连接完,16,个元件后又回到第,1,元件，整个绕组是闭合的。,25,河南工业大学电气工程学院,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,+,+,+,N,S,N,S,1.5.9.13,在几何中线上,同一磁极元件串联,n,1.3,直流电机的电枢绕组,绕组展开图,所谓绕组展开图就是将转子电枢圆柱形表面顺轴向切开，并展开成平面的连接图。作图步骤如下：,26,河南工业大学电气工程学院,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,+,+,+,N,S,N,S,1.5.9.13,在几何中线上,同一磁极元件串联,n,1.3,直流电机的电枢绕组,绕组展开图,所谓绕组展开图就是将转子电枢圆柱形表面顺轴向切开，并展开成平面的连接图。作图步骤如下：,27,河南工业大学电气工程学院,单叠绕组展开图,1,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,16,15,+,+,+,N,S,N,S,1.5.9.13,在几何中线上,同一磁极元件串联,n,1.3,直流电机的电枢绕组,28,河南工业大学电气工程学院,绕组的并联支路电路图,a,p,b,单叠绕组输出电动势：一条支路电动势,输出电流：,2a,条支路电流和,1.3,直流电机的电枢绕组,29,河南工业大学电气工程学院,绕组小结,并联支路成对出现，并联支路对数,=,极对数。,电枢电动势（即刷间电动势）,=,支路电动势。,电枢电流,=,各支路电流之和。,电刷成对出现（单叠绕组中，刷对数,=,极对数）。,为了得到最大的直流电动势，电刷总是与位于几何中线上的导体相接,1.3,直流电机的电枢绕组,30,河南工业大学电气工程学院,1.4,直流电机的电枢反应,第,1,章 直流电机的基本理论,直流电机负载后，电枢绕组有电流通过，该电,流建立的磁场简称电枢磁场，,电枢磁场对主,磁场的影响就称为电枢反应。,当电机带上负载后，电机的气隙磁场由主磁,场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁场的出现，使气隙磁场发生畸变。,各支路电流都是通过电刷引入或引出，因此,电刷是电枢表面上电流分布的分界线。,电枢磁,势的轴线总是与电刷轴线相重合。,31,河南工业大学电气工程学院,1.4,直流电机的电枢反应,电枢磁动势与电枢磁场,右图为一台电刷放在几何中性线的两极直流电机的电枢磁场分布情况。,假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为,交轴磁动势,。,电枢,NS,分界线磁动势为零,32,河南工业大学电气工程学院,交轴磁动势在空间的分布,引入电枢线负荷的概念：导体总数,N,；导体,电流,i,a,；电枢直径为,D,，则线负荷,在原点,O,左右,x,处取磁力线闭合回路，应用全电流定律有,整个回路的磁压降近似为两个气隙上磁势：,电枢磁动势为零,1.4,直流电机的电枢反应,33,河南工业大学电气工程学院,电枢磁动势、磁通密度空间分布,沿电枢径向展开,1.4,直流电机的电枢反应,34,河南工业大学电气工程学院,直流电机负载时的磁场,主极磁场,电枢磁场,合成磁场,1.4,直流电机的电枢反应,35,河南工业大学电气工程学院,只分析电刷在几何中性线上时的电枢反应,将主磁场分布和电枢磁,场分布叠加，得到的负,载电机磁场分布情况如,图。,1.4,直流电机的电枢反应,36,河南工业大学电气工程学院,合成磁势曲线,主磁场的磁通密度分布曲线,电枢磁场磁通密度分布曲线不饱和两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场的磁通密度分布曲线,物理中性线偏离几何中性线,饱和时磁阻不为常数不能简单叠加,1.4,直流电机的电枢反应,37,河南工业大学电气工程学院,电枢反应的影响,总磁场被扭歪了,几何中心线与物理中心线分开了,电刷位置处的元件的,e,0,，增加换向困难。,一半磁极的磁通增加，一半磁极的磁通减少，,磁路不饱和时，每极磁通不变；,磁路饱和时，,每极磁通减少，,e,和,T,相应减少。,1.4,直流电机的电枢反应,38,河南工业大学电气工程学院,1.,产生,电枢旋转,n,磁 场,2.,大小,每个导体平均电动势：,e,av,=,B,av,l v,导体切割磁场线的线速度：电动势：,一、直流电机的电枢电动势,e,e,E,v=n,2,R,60,=n,2,p,60,=n,p,N,60a,1.5,直流电机的电枢电动势和电磁转矩,2,p,60,l,N,2a,=,l n,=,B,av,l v,N,2a,E,a,=,e,av,N,2a,第,1,章 直流电机的基本理论,39,河南工业大学电气工程学院,1.5,直流电机的电枢电动势和电磁转矩,E,a,=,C,e,n,C,e,电动势常数：,C,e,=,pN,60a,3.,方向：,由,和,n,共同决定。,4.,性质,发电机为电源电动势；电动机为反电动势。,40,河南工业大学电气工程学院,二、直流电机的电磁转矩,1.,产生,导体电流i,a,磁 场,f,T,2.,大小,每根导体平均受力：,f,av,=,B,av,l i,a,平均磁密：,B,l,B,av,=,l,极距,41,河南工业大学电气工程学院,二、直流电机的电磁转矩,1.,产生,导体电流,i,a,磁 场,f,T,2.,大小,每根导体平均受力：,f,av,=,B,av,l i,a,平均磁密：,每根导体上电磁力所,形成的电磁转矩：,f,av,R,B,av,=,l,B,l,极距,R,1.5,直流电机的电枢电动势和电磁转矩,42,河南工业大学电气工程学院,R,电枢直径：,D,每根导体产生的平均转矩：,T,av,电机总导体数：,N,电枢绕组并联支路数：,2,a,电枢电流：,Ia,=2a,i,a,电机的电磁转矩：,T,=,=,N B,av,l i,a,2,p,2,=,I,a,pN,2,a,=,B,av,li,a,D,2,N,B,av,li,a,D,2,=,N,l,p,l,I,a,2,a,1.5,直流电机的电枢电动势和电磁转矩,43,河南工业大学电气工程学院,2.,大小,T,=,C,T,I,a,C,T,转矩常数：,3.,方向,由,和,I,a,共同决定。,4.,性质,发电机：,电动机：,T,与,n,方向相反，为制动转矩。,T,与,n,方向相同，为拖动转矩。,C,T,=,pN,2,a,(Nm),C,T,C,e,=,60,2,=9.55,C,T,=,9.55,C,e,C,T,=,pN,2,a,C,e,=,pN,60a,1.5,直流电机的电枢电动势和电磁转矩,44,河南工业大学电气工程学院,一、,直流发电机按励磁方式分类,自,励,他,励,串,励,复,励,并,励,G,I,f,+,U,f,I,a,+,U,G,I,a,+,U,I,f,I,G,+,U,I,f,I,I,a,G,I,f,I,a,+,U,I,1.6,直流发电机,第,1,章 直流电机的基本理论,45,河南工业大学电气工程学院,二、直流发电机的基本方程式,1.6,直流发电机,外电源,U,f,I,f,E,a,n,原动机,电枢,U,=E,a,I,a,R,a,+,U,G,I,f,+,U,f,E,a,I,a,规定各物理量的参考方向如图,R,a,为电枢回路总电阻（包括电枢绕组电阻及电刷与换向器表面的接触压降。则电压平衡方程为：,电枢电动势：,1,、电压平衡方程式,46,河南工业大学电气工程学院,2,、转矩平衡方程式,S,N,图,1-20,直流发电机轴上有三个转矩：,原动机输入的拖动转矩,:,T,1,电磁转矩：,机械摩擦及铁损引起的空载转矩,:,T,0,当发电机稳定运行时，转矩平衡方程为：,T,1,=,T,0,+,T,1.6,直流发电机,47,河南工业大学电气工程学院,3,、功率平衡方程式,1.,输入功率,P,1,:,2.,空载损耗,p,0,:,3.,电磁功率,P,M,:,4.,铜损耗,p,Cu,:,5.,输出功率,P,2,:,P,1,=T,1,p,0,=p,Fe,p,m,p,s,P,M,=,P,1,p,0,=T=E,a,I,a,p,Cu,=,I,a,2,R,a,P,2,=U I,a,=,P,M,p,Cu,2,60,=,T,1,n,1.6,直流发电机,48,河南工业大学电气工程学院,P,1,p,m,+p,s,p,Fe,P,M,p,Cu,P,2,功率流程图,6.,总损耗,p,=,p,Cu,p,Fe,p,m,p,s,7.,效率,=,100%,P,2,P,1,1.6,直流发电机,49,河南工业大学电气工程学院,P,2,=UI,=,230100 W=23 000 W,I,a,=I,I,f,=(100,2)A=102 A,p,Cu,=,p,Cua,+,p,Cuf,=R,a,I,a,2,R,f,I,f,2,=(0.2102,2,1152,2,)W,=2 540.8 W,P,M,=P,2,p,Cu,=25 540.8 W,【,例,1.6.1,】,一并励直流发电机，输出电压,U,=230 V,，输出电流,I,=100 A,，,R,a,=0.2,，,R,f,=115,，,n,=1 500 r/min,，,T,0,=17.32 Nm,。,求发电机的输出功率,P,2,、电磁转矩,T,、输入功率,P,1,和效率,。,解：,230,115,=,A=2 A,U,R,f,I,f,=,1.6,直流发电机,50,河南工业大学电气工程学院,p,0,=,T,0,n,2,60,=,17.321 500 W,2,60,=2 719.24 W,P,1,=P,M,p,0,=(25 540.8,2 719.24)W=28 260 W,=,100%,P,2,P,1,=,100%=81.39%,23 000,28 260,1.6,直流发电机,51,河南工业大学电气工程学院,三、他励直流发电机特性,直流发电机的四个基本物理量：,U,、,I,a,、,I,f,、,n,。（,n,由原动机拖动，保持不变）,运行特性：在,U,、,I,a,、,I,f,之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系。,（,1,）,n,常数，,I,a,0U,o,f,（,I,f,）,；空载特性,（,2,）,n,常数，,I,f,常数，,U,f,（,I,a,）,；外特性,（,3,）,n,常数，,U,常数，,I,f,f,（,I,a,）,；调节特性,1.6,直流发电机,52,河南工业大学电气工程学院,空载特性,定义：当 、时，,空载特性可以通过实验的手段得到。,U,f,G,A,V,R,平均空载特性曲线,O,1.6,直流发电机,53,河南工业大学电气工程学院,直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。,空载时，。由于 ，因此空载特性实质上就是 。由于 正比于 ，所以空载特性曲线的形状与电机的空载磁化特性曲线形状相同。,平均空载特性曲线,O,空载特性,1.6,直流发电机,54,河南工业大学电气工程学院,由电压平衡方程式,U,=E,a,I,a,R,a,当,I,a,I,a,R,a,E,a,(,电枢反应,),U,2,、外特性,U,=f,(,I,a,),O,I,a,U,n,=n,N,I,f,=I,f,N,I,N,U,N,U,0,n,=,n,N,I,f,=,常数,外特性,U,f,G,A,V,R,1.6,直流发电机,55,河南工业大学电气工程学院,电压调整率,U%,=,U,0,U,N,U,N,100,%,(5%10%),1.6,直流发电机,56,河南工业大学电气工程学院,【,例,1.6.2一他励直流发电机，,P,N,=10 kW,，,U,N,=230 V,，,n,N,=1 000 r/min,，,R,a,=0.4,。,如果磁通,保持不变，求,1 000 r/min,时的空载电压,U,0,和,900 r/min,时的满载电压,U,。,解：,在,n,N,和,U,N,时的电枢电流,900,1 000,E,a,=E,a,U,0,=E,a,=U,N,R,a,I,aN,=(230,0.443.5)V=247,V,在,保持不变时，,E,a,n,10,10,3,230,=,A=43.5 A,P,N,U,N,I,aN,=,900,1 000,=,247 V=222 V,U=E,a,R,a,I,aN,=(222,0.443.5)V=205 V,1.6,直流发电机,57,河南工业大学电气工程学院,四、并励直流发电机,U,E,a,?,E,a,?,1.,自励条件,(1),主磁极必须有剩磁,r,：,r,E,r,I,fr,E,a,E,r,与,r,方向相同,E,a,E,r,与,r,方向相反,(2),励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：,r,E,r,I,fr,E,a,E,r,I,f,I,fr,E,a,U,0,与,I,f,既应满足空载特性又应满足欧姆定律。,G,E,a,I,f,I,a,I,1.6,直流发电机,58,河南工业大学电气工程学院,当,R,f,R,k,时，,E,a,E,r,，能够自励。,当,R,f,=,R,k,时，,E,a,不确定，不能自励。,当,R,f,R,k,时，,E,a,E,r,，不能自励。,(3),励磁电路的电阻必须小于临界电阻。,U,f,=I,f,R,f,O,I,f,U,0,E,r,Q,I,fr,I,f1,I,f2,I,f,励磁回路场阻线：,场阻线的斜率：,=R,f,tan,=,U,f,I,f,O,I,f,U,0,E,r,R,f,=R,k,R,f,R,k,R,f,R,k,1.6,直流发电机,59,河南工业大学电气工程学院,1.6,直流发电机,河南工业大学电气工程学院,综上所述，,并励发电机的自励条件是：,1,）气隙中必须有剩磁；,2,）励磁磁动势与剩磁磁场的方向必须相同；,3,）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。,60,河南工业大学电气工程学院,2.,外特性,I,=I,a,I,f,U,=U,f,U,=E,a,I,a,R,a,I,I,a,I,a,R,a,E,a,(,电枢反应,),U,f,U,外特性,U=f,(,I,),n,=,n,N,R,f,=,常数,O,I,U,U,0,他励,并励,(1),负载增加时，,U,下降较快。,U%,20%30,%,Ea,U,I,f,I,a,I,G,1.6,直流发电机,61,河南工业大学电气工程学院,(2),外特性有拐弯现象。,O,I,U,U,0,他励,并励,I,N,U,N,R,fZ,I,(,I,a,),U,磁路退出饱和,R,fZU,I,f,E,a,(,较大幅度,),U,的下降比,R,fZ,的减少得更快,I,=,U,/,R,fZ,R,fZ,U,I,R,fZ,=0,，,U,=0,，,I,f,=0,=,r,，,E,=,E,r,I,SC,较小。,1.6,直流发电机,E,U,I,f,I,a,I,G,62,河南工业大学电气工程学院,五、复励发电机,分为积复励和差复励,2.,对于积复励发电机,(1),平复励发电机,当,I,=,I,N,时的,U,N,=,U,0,。,(2),超复励发电机,当,I,=I,N,时的,U,N,U,0,。,(3),欠复励发电机,当,I,=I,N,时的,U,N,U,0,。,他励,并励,超复励,I,N,平复励,欠复励,差复励,O,I,U,U,N,G,I,I,a,I,f,+,U,1.6,直流发电机,复励发电机的励磁绕组包括并励和串励两部分。,63,河南工业大学电气工程学院,1.7,直流电动机,第,1,章 直流电机的基本理论,直流电动机完成的是电能向机械能的转换。与直流发电机相同，直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。,本节以他励直流电动机为例，推导直流电动机的基本方程式。,64,河南工业大学电气工程学院,1.7,直流电动机,一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，,这就是直流电机的可逆原理。,以他励电机为例，一台他励直流发电机并联于直流电网,上运行，,U,保持不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速,下降。当,n,下降到一定程度,时，使得,E,a,=,U,，此时,I,a,=0,，,发电机输出的电功率,P,2,=0,，,原动机输入的机械功率仅仅,用来补偿电机的空载损耗,p,o,。,一、直流电机的可逆原理,65,河南工业大学电气工程学院,保持电网电压 不变，继续降低原动机的 ，将有 ，反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，使电机从电动机状态转变到发电机状态。,1.7,直流电动机,66,河南工业大学电气工程学院,EaU,Ea=U,EaU,Ea=U,EaU,1.7,直流电动机,68,河南工业大学电气工程学院,二、直流电动机基本方程式,励磁电压,U,f,I,f,外加电压,U,I,a,T,n,E,a,1.,电压平衡方程式,励磁电路：,U,f,=,R,f,I,f,电枢电路：,U,=E,a,+,I,a,R,a,E,a,M,I,f,+,U,f,+,U,I,a,1.7,直流电动机,69,河南工业大学电气工程学院,稳态电枢电流,I,a,由谁确定,？,T,=,C,T,I,a,，,U,=E,a,+,I,a,R,a,例如：,负载不变,(,T,不变,),，,U,(,R,a,),变化时，,I,a,变化否（设,不变）？,U,(,或,R,a,),瞬间,n,不变,E,a,不变,I,a,T,T,T,L,E,a,n,I,a,T,T,=,T,L,I,a不变,结论：,I,a,的大小取决于负载的大小。,当,I,a,=,I,aN,时为满载，当,I,a,I,aN,时为过载。,规定短时过载的最大电枢电流：,I,amax,=,(,1.5 2,),I,aN,1.7,直流电动机,70,河南工业大学电气工程学院,2.,转矩平衡方程式,T,=,T,0,+,T,2,或,T,=,T,0,+T,m,3.,功率平衡方程式,(1),输入功率,P,1,P,1,=,U,I,a,(2),铜损耗,p,Cu,p,Cu,=,I,a,2,R,a,(3),电磁功率,P,M,P,M,=,P,1,p,Cu,推导：,U,I,a,=(,E,a,I,a,R,a,),I,a,=,E,a,I,a,I,a,2,R,a,P,M,=,E,a,I,a,1.7,直流电动机,71,河南工业大学电气工程学院,P,M,=,E,a,I,a,=,C,e,n I,a,=,T,=,C,T,I,a,功率流程图,P,1,p,Cu,P,M,p,0,P,2,(4),空载损耗,p,0,p,0,=,p,Fe,p,m,p,s,(5),输出功率,P,2,P,2,=,P,M,p,0,=,T,2,pN,2,a,=,I,a,pN,60,a,=,I,a,60,2,1.7,直流电动机,72,河南工业大学电气工程学院,(6),总损耗,p,=,p,Cu,p,Fe,p,m,p,s,(7),功率平衡方程式,P,1,P,2,=,p,(8),效率P,2,P,1,=,100%,1.7,直流电动机,73,河南工业大学电气工程学院,三、他励（并励）直流电动机特性,工作特性，,是指在,U,U,N,，,I,f,I,fN,时，转速,n,、电磁转矩,T,和效率,随输出功率,P,2,而变化的关系。,运行特性,转速特性,转矩特性,效率特性,机械特性,电压、励磁、转子电枢回路总电阻均为常数的情况下，电机转速和电磁转矩的关系曲线。分为,自然机械特性,和,人工机械特性,。,1.7,直流电动机,74,河南工业大学电气工程学院,1,、转速特性,n,=,f,(,I,a,),定义：当 、电枢回路无外串电阻时，,的变化关系。,1.7,直流电动机,由,U,=,E,a,I,a,R,a,和,E,a,=,C,e,n,可得：,当电枢电流,I,a,增加时，若气隙磁通,不,变，则转速,n,将随,I,a,的增加而线性下降。,如图红线所示。,由于电枢绕组电阻压降,很小，因此转速下降不多。,如果考虑电,枢反应的去磁作用，,随电枢电流的增,大而略有减小，转速下降会更小些，甚,至会上升。,75,河南工业大学电气工程学院,2,、转矩特性,T,=,f,(,I,a,),定义：当 、电枢回路无外串电阻时，,的变化关系。,根据转矩表达式,T,=,C,T,I,a,可知，磁路不饱和时，气隙磁通,不变，,T,与,I,a,成正比，转矩特性为一条直线；,电流,I,a,较大时考虑电枢反应的,去磁作用,，特性曲线可能偏离直线略有下降。如图所示。,1.7,直流电动机,76,河南工业大学电气工程学院,3,、效率特性,=,f,(,I,a,),定义：当 、电枢回路无外串电阻时，,的变化关系。,由方程式可得,1.7,直流电动机,总损耗,p,中，空载损耗,p,0,不随电枢电流,I,a,的变化而发生变化，称为不变损耗，电枢回路铜损耗,p,Cua,随,I,a,2,成正比变化，称为可变损耗。,77,河南工业大学电气工程学院,可见，,当可变损耗等于不变损耗时，其效率最高。,效率特性的这一特点具有普遍意义，可适用于各种电机。,设计制造电机时，通常要求在额定运行时的效率最高，不难得出，,U,N,I,N,P,N2,I,2,N,R,a,，,则可得到：,1.7,直流电动机,78,河南工业大学电气工程学院,机械特性,n,U,(,R,a,+R,c,),I,a,C,e,=,U,C,e,=,R,a,+,R,c,C,e,C,T,2,T,4.,机械特性,n,=,f,(T),O,n,T,n,0,式中,n,0,是理想空载转速，,是机械特性的斜率，如图所示，机械特性是一条向下倾斜的直线。,1.7,直流电动机,为电动机机械特性的一般表达式。,定义：当,U,=,常数、,I,f,=,常数、电枢回路外串电阻为常数时，转速与电磁转矩之间的关系，即,n,=,f,(,T,),，是电动机的一个重要特性。,由,E,a,=,C,e,n,和,U,=,E,a,+,I,a,R,a,可得：,n,0,=,T,79,河南工业大学电气工程学院,O,n,T,n,0,1.7,直流电动机,若直流电动机转速随负载转矩变化不大，我们称其机械特性为硬特性，反之称为软特性。,机械特性,T,N,n,N,80,河南工业大学电气工程学院,【,例,1.7.1,】,一并励电动机，,U,N,=110 V,，,I,N,=,12.5 A,，,n,N,=1 500 r/min,，,T,L,=6.8 Nm,，,T,0,=0.9 Nm,。,求该电机的,P,2,、,P,M,、,P,1,、,p,和,。,解：,P,2,P,1,=,100%,6.28,60,=,6.81 500 W1 067.6 W,P,M,=P,2,p,0,=,(1 067.6,143.3)W=1 208.9 W,P,1,=U,N,I,N,=,11012.5 W=1 375 W,p,=,P,1,P,2,=,(1 375,1 067.6)W=307.4 W,2,60,P,2,=,T,L,n,6.28,60,=,0.91 500 W=143.3 W,2,60,p,0,=,T,0,n,1 067.6,1 375,=,100%=77.64%,1.7,直流电动机,81,河南工业大学电气工程学院,【,例,1.7.2,】,一台四极他励直流电机，,a,=1,，电枢总导体数,N,=372,，电枢回路总电阻,Ra=0.208,。当此电机运行在电源电压,U,=220 V,，电机的转速,n,N,=1 500 r/min,，气隙每极磁通,=0.011Wb,，此时电机的铁损耗,p,Fe,=362W,，机械摩擦损耗,p,m,=204W(,忽略附加损耗）。问：,（,1,）该电机运行在发电机状态，还是电动机状态？,（,2,）电磁转矩是多少？,（,3,）输入功率和效率各是多少？,2,372,60,1,=,0.0111 500 =204.6 V,pN,60,a,E,a,=,n,1.7,直流电动机,(1),先计算电枢电动势,E,a,。,E,a,U,，所以电机运行于电动机状态。,解,:,82,河南工业大学电气工程学院,(2),电磁转矩,P,2,P,1,=,100%,P,1,=U,I,a,=,22074W=16 280 W,P,2,=,P,M,p,Fe,p,m,=15 140.4,362,204=14 574 W,p,=,P,1,P,2,=,(16 280,14 574)W=1 706 W,14 574,16 280,=,100%=89.5%,1.7,直流电动机,P,M,=E,a,I,a,U,E,a,R,a,I,a,=,220,204.6,0.208,=,=74 A,P,M,T,=,P,M,=,2,n,60,=96.38 N,m,(3),输入功率和效率,=,204.674=15 140.4W,83,河南工业大学电气工程学院,【,例,1.7.3,】,他励直流电动机，铭牌数据如下：,PN=18kW,，,UN=220V,，,IN=94A,，,nN=1000r/min,电枢回路电阻,Ra=0.15,，求,（,1,）,C,e,N,，,C,T,N,；,（,2,）额定电磁转矩,T,N,；,（,3,）额定输出转矩,T,2N,；,（,4,）空载转矩,T,0,；,（,5,）理想空载转速,n,0,；,（,6,）实际空载转速,n,0,。,220,94,0.15,1000,=,=0.2059,U,N,I,N,R,a,n,N,C,e,N,=,1.7,直流电动机,(1),C,T,N,解,:,=9.55 C,e,N,=1.966,84,河南工业大学电气工程学院,1.7,直流电动机,（,2,）,T,N,=,C,T,N,I,N,=1.96694=184.8Nm,（,3,）,T,2N,=,P,N,n,N,9550,18,1000,=,9550,=171.9 N,m,（,4,）,T,0,=,T,N,T,2N,=,12.9 Nm,（,5,）,n,0,=,U,N,C,e,N,=1068.5 r/min,（,6,）,n,0,=,U,N,C,e,N,T,0,R,a,C,e,N,C,T,N,=1063.7r/min,85,1.8,直流电机换向简介,第,1,章 直流电机的基本理论,河南工业大学电气工程学院,直流电机的电枢旋转时，由于换向器的作用，电枢元件从一条支路进入另一条支路，元件内电流的方向发生了改变，元件电流改变方向的过程，称为,换向,。换向前后的电流大小相等、方向相反。在直流电机中，任何瞬间都有元件在换向。,86,一、换向过程,元件,1,2i,a,1,2,a,i,a,i,3,16,河南工业大学电气工程学院,1.7,直流电机换向简介,右图表示一单叠绕组元件的换向过程。,假设换向元件编号为,1,，,电刷宽度等于换向片宽度，,电枢绕组以线速度,v,a,向左移,动。图,a,中，元件,1,属于电,刷右边的支路，其中的电流,为,i,a,，电刷仅与换向片,1,接,触；,图,a,换向开始,图,b,正在换向,87,一、换向过程,元件,1,2i,a,1,2,3,16,a,i,a,i,河南工业大学电气工程学院,1.7,直流电机换向简介,运动到图,(b),所示位置时，,电刷同时与换向片,1,和,2,接触，,元件,1,被短路，其中的电流,发生变化，从,i,a,开始衰减，,直至电刷与换向片,2,完全接,触；在图,(c),所示位置，元件,1,已属于电刷左边的支路，,流过的电流是,-,i,a,所以从,图,(a),到图,(c),，元件,1,经历了换,向过程，称为换向元件。,图,b,正在换向,图,c,换向结束,元件,1,、换向片,1,、换向片,2,、,电刷所构成的回路，称为换,向回路。换向回路内的电流，也就是换向元件内的电流称为换向电流。,换向过程经