第2章直流电机

第二章直流电机2.1直流电枢绕组元件内的电动势和电流势直流还是交流？若是交流，那么为什么计算稳态电动势时不考虑元件的电感？[答案]2.2为什么并励直流发电机工作在空载特性的饱和部分比工作在直线部分时，端电压更加稳定？[答案]2.3直流电机的磁化曲线和空载特性曲线有什么区别？有什么联系？[答案]2.4何谓电机饱和现象？饱和程度高低对电机有何影响？[答案]2.5在什么条件下电枢磁动势与磁场相互作用才产生电磁转矩？若电枢磁动势有交、直两个分量，那么是那个分量产生，那个分量不产生？还是两个都产生？[答案]2.6一台直流电动机，磁路饱和。当电机负载后，电刷逆电枢旋转方向移动一个角度。试分析在此情况下电枢磁动势对气隙磁场的影响。[答案]2.7他励直流发电机由空载到额定负载，端电压为什么会下降？并励发电机与他励发电机相比，哪一个电压变化率大？[答案]2.8并励发电机正转能自励，反转能否自励？[答案]2.9一台他励直流电动机，当所拖动的负载转矩不变时，电机端电压和电枢附加电阻的变化都不能改变其稳态下电枢电流的大小，这一现象应如何理解？这时拖动系统中哪些必然要发生变化？对串励电动机情况又如何？[答案]2.10一台正在运行的并励直流电动机，转速为1450r/min。现将它停下来，用改变励磁绕组的极性来改变转向后（其他均未变），当电枢电流的大小与正转相同时，发现转速为1500r/min，试问这可能是什么原因引起的？[答案]2.11并励电动机在运行中励磁回路断线，将会发生什么现象？为什么？[答案]2.12一并励直流发电机，PN＝35kW，UN＝115V，nN＝1450r/min，电枢电路各绕组总电阻ra＝0.0243Ω，一对电刷压降2ΔUb＝2V，并励电路电阻Rf＝20.1Ω。求额定负载时的电磁转矩及电磁功率。[答案]2.13一台并励直流电动机，额定数据为：UN＝110V，IN＝28A，nN＝1500r/min,电枢回路总电阻Ra＝0.15Ω，励磁回路总电阻Rf＝110Ω。若将该电动机用原动机拖动作为发电机并入电压为UN的电网，并忽略电枢反应的影响，试问：(1)若保持电枢电流不变，此发电机转速为多少？向电网输出的电功率为多少？(2)当此发电机向电网输出电功率为零时，转速为多少？[答案]2.14一直流电机并联于U＝220V电网上运行，a＝1，p＝2，N＝398，nN＝1500r/min,Ф＝0.0103Wb，电枢回路总电阻Ra＝0.17Ω(包括电刷接触电阻)，IfN＝1.83A，pFe＝276W，pmec＝379W，pad＝0.86％P1，试问此电机是发电机还是电动机？计算电磁转矩和效率。[答案]2.15一台并励直流电动机，额定数据为：UN＝110V，IN＝28A，nN＝1500r/min，励磁回路电阻Rf＝110Ω，电枢回路电阻Ra＝0.15Ω(包括电刷接触电阻)，在额定负载情况下，突然在电枢回路内串入Rf＝0.5Ω的调节电阻，若不考虑电感的影响，并略去电枢反应作用，试计算：(1)在串入电阻瞬间电枢反电动势，电枢电流，电磁转矩；(2)若总制动转矩减少一半，求串入电阻后的稳定转速。[答案]2.16一台直流并励电动机PN＝2.2kW，UN＝220V，ηN=81%，nN＝1500r/min，电枢回路电阻为Ra＝1.813Ω（包括电刷接触电阻），额定励磁电流IfN＝0.414A，运行在1200r/min时，系统转入能耗制动状态自动停车。(1)试问保证起始制动电流Ibr=2IN时，电枢电流应串入多大制动电阻？(2)当负载转矩为位能转矩时，如要求在总阻力转矩为额定时的0.9倍时，采用能耗制动方法使电动机以n＝220r/min的匀速下放重物，问所需要的制动电阻为多少欧？[答案]参考答案2.1答:直流电枢绕组元件内的电动势和电流势交流的。直流电机电枢绕组势旋转的，经换向器－电刷的作用，变换成伪静止电路，两电刷间的电路在空间位置是不变的，因而电刷电动势是直流的，所通过的电流也是直流的，电感不起作用。[返回]2.2答:在饱和区工作，当励磁电流变化时空载电动势的变化较小，因此端电压更加稳定。[返回]2.3答:直流电机的磁化曲线是电机主磁通与励磁磁动势的关系曲线Ф0=f(F0)，电机的空载特性曲线是指电机在某一转速下空载电压与励磁电流的关系曲线U0=f(If)。由于U0＝E=CEf0nµФ0，F0=2NfIfµIf，因此两者形状相似。[返回]2.4答:电机的磁路由铁心部分和空气隙部分组成，当铁心的磁通密度达到一定程度后，铁心部分的磁压降开始不能忽略，磁势随着励磁磁通势的增加，主磁通的增加逐渐变慢，电机进入饱和状态，即电机磁化曲线开始变弯曲。电机的饱和程度用饱和系数来表示，饱和系数的大小与电机的额定工作点在磁化曲线上的位置有关。电机磁化曲线可以分为三段，如图2.1所示，a点以下为不饱和段，ab段为饱和段，b点以上为高饱和段。将电机额定工作点选在不饱和段有两个缺点：(1)材料利用不充分；(2)磁场容易受到励磁电流的干扰而不易稳定。额定工作点选在过饱和段，有三个缺点：(1)励磁功率大增；(2)磁场调节困难；(3)对电枢反应敏感。一般将额定工作点设计在ab段的中间，即所谓的“腾点”附近，这样选择的好处有：(1)材料利用较充分；(2)可调性较好；(3)稳定性较好。图2.1[返回]2.5答:产生直轴电枢磁动势的电流沿电枢表面对称分布在几何中性线两侧，受到异极性磁场的作用，合成电磁力为零，即不产生电磁转矩。产生交轴电枢磁动势的电流对称分布在主极轴线两侧，产生的电磁转矩是同一方向的。可见，只有交轴电枢磁动势才产生电磁转矩。[返回]2.6答:电刷移动后，电刷不再几何中性线上，同时存在交轴电枢磁动势和直轴电枢磁动势。交轴电枢磁动势式气隙磁场发生畸变，因磁路饱和，还有去磁作用，使每极磁通减少。对电动机而言，电刷逆旋转方向移动后，直轴电枢磁动势与主极磁动势方向相反，电枢反应起去磁作用，使每极磁通减少。[返回]2.7答:他励直流发电机由空载到额定负载，电枢电流Ia由0增加到额定值IaN,电枢回路电阻压降IaRa增加，且电枢反应的去磁作用使主磁通Ф下降，从而使感应电动势E下降。由公式U＝E-IaRa可知，端电压U随Ia的增加而下降。对于并励发电机，除上面两个原因外，端电压下降，引起励磁电流If下降，使得Ф下降和E下降，从而引起U进一步降低，所以并励发电机的电压变化率比他励发电机电压变化率要大些。[返回]2.8答:发电机正转时能自励，表明发电机正转时满足自励条件，即：(1)由一定的剩磁；(2)励磁回路的电阻小于与运行转速所对应的临界电阻；(3)励磁绕组的接线与电机转向的配合是正确的。这里的正确配合就是说当电机以某一方向旋转时，励磁绕组只有一个正确的接法与之相对应。如果转向改变了，励磁绕组的接线也应随之改变，这样才能保证励磁电流所产生的磁场方向与剩磁方向相同，从而实现电机的自励。当电机的转向改变了，而励磁绕组的接线未改变，这样剩磁电动势极其产生的励磁电流的方向必然改变，励磁电流产生的磁场方向必将与剩磁的方向相反。电机内磁场被削弱，电压不能建立，所以并励发电机正转时能自励；反转时，不改变励磁绕组的两个断头的接线，是不能自励的。[返回]2.9答:当负载转矩不变时，要求电磁转矩不变。由公式Tem=CTФIa知，ФIa必须不变。在他励电动机中励磁是独立的，不计电枢反应的影响时，Ф不变。在Tem不变时Ia必然不变。改变电动机端电压，电动机的输入功率P1=UIa改变，E改变，n改变，输出功率P2=T2Ω改变，铁耗pFe和机械损耗pmec改变，而电路铜耗pCua=Ia2Ra不变。改变电枢回路附加电阻时，P1不变，E改变，n改变，P2改变，pFe和pmec改变，pCua改变。在串励电动机中，同样由于Ia不变，Ф不变，结果与他励电动机相似。[返回]2.10答:从公式n=(U-IaRa)/CEФ可知，反转时U、Ia、Ra均未变，CE为常数，而n上升了，因此Ф必定下降了。但是励磁电流未变(并励电动机励磁电压等于电枢电压未变)，因此造成Ф下降的原因可能时由于电枢反应的去磁作用。由于电枢电流未变，因此无论时正转还是反转，交轴电枢反应的作用是一样的。由电枢反应的原理可知，对于电动机而言，电刷自几何中性线逆电枢旋转防线偏移时，直轴电枢磁动势起去磁作用，而电刷顺电枢旋转方向偏移时，则起助磁作用。因此，造成这一现象的原因可能是由于电刷不在几何中性线上，对于正转情况而言，电刷顺电枢旋转方向偏移了一个角度，对于反转情况而言，电刷刚好是逆电枢旋转方向偏移了。[返回]2.11答:励磁回路断线时，只剩下剩磁。在断线时刻，由于机械惯性，电机转速来不及改变。电枢电势E=CEФn与磁通成比例减小。由Ia=(U-E)/Ra可知，Ia将急剧增大到最大值，当Ia增加的比率大于磁通下降的比例时，电磁转矩也迅速增加，负载转矩不变时，由于电磁转矩大于负载转矩，电动机转速明显提高。随着转速的升高，电枢电动势增加，Ia从最大值开始下降，可能在很高的转速下实现电磁转矩与负载转矩的新的平衡，电动机进入新的稳态。由于这时转速和电枢电流都远远超过额定值，这是不允许的。从理论上讲，当励磁回路断线时，若是电动机的剩磁非常小，而电枢电流的增大受到电枢回路电阻的限制，可能出现电枢电流增大的比率小于磁通Ф下降的比率，在负载力矩一定时，电枢的电磁力矩小于制动力矩，因而转速下降。但在这种情况下，电枢电流仍然远远地超过了额定电流值。可见，并励电动机在运行中励磁回路断线可产生两个方面的影响：一方面引起电枢电流的大幅度增加，使电动机烧毁；另一方面，可能引起转速急剧升高。过高的转速造成换向不良，致使电动机转子遭到破坏。因此，并励电动机在运行中应绝对避免励磁回路断线。正对励磁回路断线的故障，应采取必要的保护措施。[返回]2.12解:额定电流IN=PN/UN=(35×103/115)A=304.3A额定励磁电流IfN=UN/Rf=(115/20.1)A=5.72A额定电枢电流IAn=IN+IfN＝(304.3+5.72)A＝310A额定电枢电动势EN=UN+IaNra+2ΔUb＝(115+310×0.0243+2)V＝124.5V电磁功率Pem=ENIaN＝(124.5×310)W＝38.6kW电磁转矩[返回]2.13解:(1)电动机状态额定运行时励磁电流IfN=UN/Rf=(110/110)A=1A电枢电流IaN=IN-IfN＝(28-1)A＝27A感应电动势EN=UN-IaNRa＝(110-27×0.15)V＝106V作发电机运行时，电枢电流保持不变，即IaF=IaN=27A发电机电动势为EF=UN+IaFRa＝(110+27×0.15)V＝114.1V由于额定电压不变，励磁电流不变，因此主磁通保持不变。故发电机运行时的转速为nF=EFnN/EN=(114.1×1500/106)r/min=1615r/min发电机运行时输出功率P2=UN(IaF-IfN)=(110×(27-1))W＝2860W＝2.86kW(2)发电机向电网输出功率为0，即此时输出电流为0，故发电机的电枢电流等于励磁电流I΄aF＝1A发电机感应电动势为EF=UN+I’aFRa＝(110＋1×0.15)V＝110.2V发电机转速n΄F=E΄F×nF/EF＝((110.2/114.1)×1615)r/min=1560r/min[返回]2.14解:CE=(pn)/(60a)=(2×398)/(60×1)=13.27感应电动势E=CEФnN＝(13.27×0.0103×1500)V＝205V因为EU，故为电动机。电枢电流Ia=(U-E)/Ra=(220-205)/0.17=88.24A电磁功率Pem=EIa＝(205×88.24)W＝18089W电磁转矩输入功率P1=U(Ia+IfN)＝(220×(88.24+1.83))W＝19815W输出功率P2=Pem-pFe-pmec-pad＝(18089-276-379-0.0086×19815)W＝17264W效率[返回]2.15解:在电枢回路内未串入电阻前IfN=UN/R