第2章直流电机的运行原理.

河南科技学院机电学院第2章直流电机的运行原理2.1电力拖动系统的基本概念2.2直流电动机的基本平衡方程式2.3直流电动机的工作特性2.4直流电动机的机械特性2.5直流串励电动机第2章直流电机的运行原理2.1电力拖动系统的基本概念2.2直流电动机的基本平衡方程式2.3直流电动机的工作特性2.4直流电动机的机械特性2.5直流串励电动机电机拖动2.6直流发电机2.6直流发电机2.7电机放大机2.7电机放大机2.1直流电机的基本概念电力拖动系统:电动机作为原动机，拖动生产机械完成一定生产任务的系统。电力拖动系统由电动机、生产机械、传动机构、控制设备及电源组成。2.1.1电力拖动系统的运动方程式1.运动方程式(1)直线运动方程式式中F为电动机产生的拖动力；FL为系统阻力；为惯性力。第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院dtdvmFFLdtdvm(2)旋转运动方程式T为电动机电磁转矩；TL为负载阻转矩，或称负载转矩；J为运动系统的转动惯量，单位,为惯性转矩。运动方程式:dtdJTTLdtdJgGDmJ422dtdnGDTTL37522mkg第2章直流电机的运行原理2.1.1电力拖动系统的运动方程式河南科技学院机电学院2.电动机工作状态的判断(1)当时，则n=0或n=常值，电力拖动系统处于静止或稳态运行状态，即拖动系统稳定运行状态；(2)当时，电力拖动系统处于起动或调速时的升速运行状态，即过渡过程的升速过程；(3)当时，电力拖动系统处于停车或调速时的减速运行状态，即过渡过程的减速过程。03752dtdnGDTTL03752dtdnGDTTL03752dtdnGDTTL2.1.2生产机械的负载转矩特性含义：生产机械的转速与负载转矩之间的关系。包括恒转矩负载、恒功率负载、通风机类负载（泵类负载）三种。1.恒转矩负载指生产机械的负载转矩的大小不随转速变化而改变的负载。（1）反抗性恒转矩负载；（2）位能性恒转矩负载。2.恒功率负载当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值。3.通风机类负载（泵类负载）是负载转矩的大小与转速n的平方成正比。河南科技学院机电学院图2.1反抗性恒转矩负载特性图2.2位能性恒转矩负载特性LLLL226060nPTTTn常数图2.3恒功率负载特性曲线图2.4通风机负载特性曲线2LTKn第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院2.2直流电动机的基本平衡方程式电压平衡方程式、功率平衡方程式、转矩平衡方程式。2.2.1电压平衡方程式1.瞬态运行平衡方程式Ra为电枢回路绕组的电阻和电刷与换向器接触电阻之和。2.稳态运行平衡方程式2.2.2功率平衡方程式1.机械损耗Pm(1)轴承损耗；(2)电刷摩擦损耗；(3)通风损耗；(4)周边风阻损耗。2.铁耗PFe(3)磁滞损耗、(3)涡流损耗。3.电阻损耗Pcu(1)励磁损耗可忽略；(2)铜损耗；(3)电刷接触损耗。则4.杂散损耗PΔ(1)齿槽损耗;(2)电枢反应损耗。5.电磁功率（转换功率）PMaaMEIP第2章直流电机的运行原理dtdiLERIUaaaaaaaERIU2fffffpUIIRaacuarIp2bsa2puIaabcuaacuRIpppp2图2.5直流他励电动机河南科技学院机电学院1P（1）电源输入的电功率6.直流电动机的轴上的净输出功率（有效负载）P27.直流电动机的功率平衡关系(1)电源输入的电功率P1电枢回路：忽略励磁损耗(2)功率平衡平衡方程式(3)功率流程如图2.6所示。2.2.3转矩平衡方程式根据理论力学转矩的定义。则,,,T2轴上净输出转矩，T0由机械损耗、铁心损耗和杂散损耗引起的空载转矩。图2.6功率流程图第2章直流电机的运行原理)(2mFeMpppPPaaaaaaaaaEIRIERIIUIp21)(11pPpPPppppPPpPmbaMcu2211TP20TTTaaMa2EIPpNTIa22PTmFe0pppT河南科技学院机电学院2,,()nTfP)(,,aIfTnnnICRCUnaeaeN0图2.7他励电动机的工作特性aTICTUIPRIPPpPPPaaaoa02111212.3直流电动机的工作特性以他励直流电动机为例，工作特性是在端电压额定，励磁电流额定，电枢回路不串加电阻的条件下转速、电磁转矩、效率随输出功率变化的关系。实际上工作特性常常讨论的是。2.3.1转速特性2.3.2转矩特性2.3.3效率特性1.不变损耗（空载损耗）p02.可变损耗（铜耗）pa3.效率令：，则当不变损耗与可变损耗相等时效率最大。这一结论适合于直流发电机、变压器、交流电机。第2章直流电机的运行原理n0:理想空载转速。0adId河南科技学院机电学院2.4直流电动机的机械特性机械特性是指电动机的转速与其转矩(电磁转矩)之间的关系。即n=f(T)曲线。2.4.1机械特性方程式根据工作特性方程式及电磁转矩公式，可得，也可写成。式中ß为机械特性硬度;ß大，硬度小，运行稳定性差，反之则稳定性好。2.4.2固有机械特性当直流他励电动机端电压额定，磁通额定，电枢回路附加电阻为零时的机械特性称为固有机械特性。1.固有机械特性曲线2.固有机械特性特点(1)对任何一直流电动机，固有机械特性只有一条；(2)特性曲线斜率小ß较小，特性较平坦，属硬特性。当磁通Φ随负载及电枢电流增加而减少时，会使转速趋向上升，称为上翘特性。图2.8直流他励电动机的机械特性第2章直流电机的运行原理nnICRCUnaeaeN0aTICTa2eeTRUnTCCC00nnTnn河南科技学院机电学院图2.9电枢串接电阻时的人为机械特性2.4.3直流电动机的人为机械特性将固有机械特性方程式的U、Ra、Φ三个参数中的两个参数保持不变，人为地改变另一个参数，可得三种不同的人为机械特性。1.电枢串接电阻时的人为机械特性电枢串接电阻时的人为机械特性与固有机械特性相比，具有如下一些特点：(1)理想空载转速与固有特性时相同，且不随串接电阻的变化而变化；(2)变化电枢串接电阻，可获得不同斜率的射线族；(3)随着的加大，特性的斜率增加，转速降落加大，特性变软，稳定性变差。第2章直流电机的运行原理a2eeTRUnTCCCTCCRRCUnTeKaNeN2河南科技学院机电学院2.电源电压改变时的人为机械特性电源电压改变，一般是将额定电压向下改变，而不能向上调，这是由电机的耐压决定的。a2eeTRUnTCCC图2.10电源电压改变时的人为机械特性1－;2-;3－NUU1UU电源电压改变时的人为机械特性的特点：(1)理想空载转速n0发生变化，随电源电压的而降低；(2)由于RK=0，特性斜率β不变，机械特性由一组平行线所组成；(3)特性斜率β不变，转速降落Δn不变，因此其特性较串联电阻时硬。2UU第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院图2.11减弱磁通的人为机械特性曲线3.改变主磁通时的人为机械特性正常运行时，在额定磁通下工作，即磁路已接近饱和，所以改变主磁通只能是减弱磁通。减弱磁通时的人为机械特性的特点:(1)理想空载转速n0与磁通Φ成反比，即当Φ下降时，n0上升；(2)不同的磁通，所得的机械特性曲线斜率不同；(3)磁通Φ下降，特性斜率β上升，且与Φ的平方成反比，特性情况下变软；(4)一般情况下Φ下降，n上升，但负载过大速度n反而会下降。2.4.4机械特性的计算与绘制请同学们自行分析1第2章直流电机的运行原理a2eeTRUnTCCC河南科技学院机电学院2.4.5电力拖动系统稳定运行的条件所谓电力拖动系统稳定运行,是指系统在扰动作用下离开原来得平衡状态，仍能在新的运行条件下达到新的平衡，或者在扰动消失后，能够回到原来的平衡状态。1.稳定运行的要求系统在扰动作用下能达到新的平衡，扰动消失后能够回到原平衡状态。2.稳定运行的分析3.稳定运行的条件(1)必要条件：电机机械特性与负特性须有交点,即存在载转矩T=TL；(3)充分条件：在交点处，满足或者说在交点以上的转速部分满足TTL。而在交点以下的转速部分满足TTL。（a）稳定运行工作点（b）不稳定运行工作点。图2.12电力拖动系统稳定运行的工作点第2章直流电机的运行原理dndTdndTL2.5直流串励电动机2.5.1直流串励电动机的接线与特点接线如图2.13，特点：励磁绕组串入电枢回路。河南科技学院机电学院图2.13直流串励电动机的接线图KCRRRKICUnefKaaeN图2.14串励电动机的转矩和转速特性图2.15串励电动机的机械特性第2章直流电机的运行原理2.5.3串励电动机机械特性1.空载或轻载运行(1)特性软;(2)易“飞车”。2.负载运行负载较大时，由于磁路已饱和，每极磁通变化不大。其特性与他（并）励电动机的机械特性基本相似。2.5.2串励电动机的工作特性1.转速特性(1)空载或轻载运行特性方程(2)负载特性如图2.14A点右边。2.转矩特性图2.14A点左边。3.效率特性2TaTaTCICKI河南科技学院机电学院图2.16直流他励发电机的接线图2.6直流发电机2.6.1直流他励发电机1.直流他励发电机的接线图(1)在电压与反电动势的形式上，直流他励发电机与直流他励电动机相同；(2)电枢回路的电流，直流他励发电机与直流他励电动机方向相反；(3)在直流他励发电机中，电磁转矩为阻转矩，原动机的机械转矩为拖动转矩；直流他励电动机，电磁转矩为拖动转矩，机械转矩（主要是负载转矩）为阻转矩，方向上二者相反。2.电压平衡方程式2.6.2直流他励发电机的特性1.空载特性符合磁化特性aaaRIEU)(feaIKKnCEU图2.17直流他励发电机空载特性第2章直流电机的运行原理第2章直流电机的运行原理2.6.2直流他励发电机的特性河南科技学院机电学院2.外特性他励发电机电枢电流变化引起端电压变化的关系。(1)电枢电阻（内阻）的影响；(2)电枢反应的影响。3.调节特性保持端电压基本不变，根据负载变化,适当调节励磁电流即(1)减小电枢电阻（内阻）；(2)减小电枢反应的影响采用自动控制，随着负载电流的增大，励磁电流也应略微增大，以确保端电压基本不变或降压较小。4.应用他励发电机的电压变化率很小，且其励磁电流能在相当大的范围内调节。因此，他励方式适用于需要大幅度调压的大型发电机。工业上应用的6～24V的低压直流发电机和超过600V的高压直流发电机也采用他励。2.18直流他励发电机外特性)(afIfI图2.19直流他励发电机调节特性aaaRIEU河南科技学院机电学院图2.20直流并励发电机的接线图图2.21并励发电机的自励发电特性1—空载特性2—励磁电阻线3—临界电阻线2.6.3直流并励发电机1.直流并励发电机的接线图2.空载特性3.并励直流发电机发电的条件(1)并励发电机内部必须有一定的剩磁,若剩磁较弱，可采用激磁；(2)励磁绕组接线极性要正确；(3)励磁电阻RL小于或等于临界电阻RfLj。2.6.4直流并励发电机的负载运行1.并励发电机外特性特性如图2.22曲线3（2号为他励曲线）。2.影响端电压下降的因素(1)电枢电阻（内阻）的影响；(2)电枢反应的影响；(3)励磁绕组并接方式的影响。复励发电机的串励磁通势与并励磁通势方向一致为积复励，曲线1较好。图2.22直流发电机空载特性第2章直流电机的运行原理河南科技学院机电学院2.7电机放大机电机放大机又称为交磁扩大机。它实际上是一台二级直流发电机。2.7.1电机放大机的工作原理控制绕组加控制电压UK产生磁通ΦK，电枢绕组切割ΦK产生感应电动势Eq，约几伏，如图2.23中电枢外表面所标的·和×。电刷1、2称交轴电刷，短接后电枢绕组中会产生较大的电流Iq，电枢产生磁通Φq，方向如图2.23。电枢另一绕组又切割磁通Φq，产