5第二章直流电机_直流电机运行原理(2.6和2.7) - 副本解析

1直流电机四、直流电机的基本方程式dtdiLiRuedtdiLiRufffffaaaaaa1、电动势平衡方程式（1）他励直流电动机电动势平衡方程稳态运行时，带时间的常量为零，上式变为：fffaaaaIRUEIRU2直流电机（2）他励直流发电机电动势平衡方程稳态运行时，上式变为：fffaaaaIRUIREUdtdiLiRudtdiLiReufffffaaaaaa3直流电机dtdJTTTem022、转矩平衡方程式（1）直流电动机转矩平衡方程稳态运行时：02TTTemTemT0注意：电动机情况下，电磁转矩是一个驱动转矩！-电磁转矩-机械负载转矩T2-机械摩擦等引起的空载转矩惯性转矩dtdJ4直流电机dtdJTTTem01（2）直流发电机转矩平衡方程稳态运行时：01TTTem•注意：发电机情况下，电磁转矩是一个制动转矩-原动机给发电机的驱动转矩T1-电磁转矩-机械摩擦及铁损引起的空载转矩T0注意：总是与n反向的5直流电机3、功率平衡方程式（1）直流电动机功率平衡方程电磁功率并不能全部用来输出，它的一部分是运行时的机械损耗pmec、铁损pFe和附加损耗pΔ，剩下的部分才是轴上对外输出的机械功率P2。直流电动机工作时，从电网吸取电功率P1=UaIa，除去消耗在电枢绕组电阻的损耗pcua=Ia2Ra，称为电枢铜耗；消耗在电刷与换向器接触电阻中的电功率Pc=2ΔUcIa称为电刷接触损耗；两者合称负载损耗（可变损耗）；其余部分转变为电枢上的电磁功率Pem=EaIa。有：acaaaaaaemccuaIUIERIIUPppP2216直流电机机械损耗pmec、铁损pFe和附加损耗pΔ为空载时的损耗，它们合起来称为空载损耗（不变损耗），有表示p0，与空载损耗对应的转矩为空载转矩T0。有：2PpppTIEPmecFeemaaem000pTppppmecFe所以：20202TTTPpPpppPemmecFeem122emcuaccuacmecFePPppPpppppPp所以：其中：cuacmecFepppppp7直流电机21PpppPPppPmecFeememccua功率图：8直流电机（2）直流发电机功率平衡方程直流电动机工作时，从轴上吸收机械功率P1=T1Ω，0011pPTTTPememccuaacaaaaaaemppPIURIIUIEP22201TTTem功率图9直流电机功率平衡方程可由电动势平衡方程和转矩平衡方程推导出来，以电动机为例：]2[]1[220TTTEUIRUemacaaa[1]式二边同乘Ia，[2]式二边同乘Ω，上式变为：2022TTTIEIUIRIUemaaacaaaa即：201PpPPppPememccua电机效率：%10012PP10直流电动机的工作特性：是指在端电压U=UN，电枢回路无外加电阻(R=Ra)，励磁回路电流If=IfN时，电动机的转速n、电磁转矩Tem和效率随输出功率变化而变化的关系。2P直流电机§2-5直流电机的运行特性一、直流电动机运行特性在实际运行中，电枢电流Ia可直接测量，并且Ia随P2的增大而增大，两者增大的趋势相差不多，故往往将工作特性表示为n=f(Ia)、Tem=f(Ia)、η=f(Ia)。11直流电机1、直流电动机基本方程aaaaEIRUfffIRUnCEeaaTemICTemaaemTIEP602npPP2112直流电机2、并励直流电动机工作特性（1）转速特性aaeaeNInICRCUn0aaaRIEUnCEea又eaaNCRIUneNCUn0eaCR理想空载转速转速特性斜率转速特性是指在Ua=UN，励磁电流If=IfN，电枢回路不串电阻时，电动机的转速与电枢电流之间的关系，n=f(Ia)。)(afUU13直流电机（2）转矩特性在Ua=UN，励磁电流If=IfN，电枢回路不串电阻时，电动机的电磁转矩与电枢电流之间的关系，Tem=f(Ia)。aTemICT电磁转矩和电枢电流成正比，两者为一条过原点的直线。在实际的情况下，电枢电流较大时，电枢反应的去磁作用使实际转矩特性偏离直线。14直流电机（3）效率特性在Ua=UN，励磁电流If=IfN，电枢回路不串电阻时，电动机的效率与电枢电流之间的关系，η=f(Ia)。%100%1001112PpPPP铜耗：电枢铜耗和电刷接触损耗是随电枢电流而变化的是可变损耗；铁耗：包含磁滞损耗和涡流损耗，与转速n和磁密以及磁通交变频率有关，在转速和磁密变化不大的情况下，这里可认为是不变；机械损耗：轴承及电刷的摩擦损耗，与转速有关，当转速变化不大时，认为不变；附加损耗：又称杂散损耗，取电动机额定功率的1%或0.5%。∑p:15直流电机%100]21[%100)1(%1002112aacaaamecFeIUUIRIppPpPP0adId令可见，效率是电枢电流的二次曲线，有一个极值，此处为极大值，即电动机在某一处负载处效率最高。得：当电动机的不变损耗等于可变损耗中的平方项时，电动机的效率最高。16直流电机3、串励直流电动机工作特性（1）转速特性)(faaeffaaaRRInCRIRIEUafffIKIK又effaaefNCKRRCKUn)(afII可见，串励电动机的转速特性近似为一条双曲线。具有这种特性的原因是电枢电流与励磁电流为同一电流。17直流电机（2）转矩特性2afTaTemIKCICT为一条抛物线（3）效率特性与并励机相似。注意：串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行，否则容易引起“飞车”事故。在同样的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转矩。即起动性能好。18直流电机4、复励直流电动机工作特性复励电动机通常接成积复励，它的工作特性介乎并励与串励电动机的特性之间。如果并励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近并励电动机；如果串励磁动势起主要作用，它的工作特性就接近串励电动机。因为有并励磁动势的存在，空载时没有飞车的危险，复励电动机的转速特性如图所示。1-并励，2-复励，3-串励19直流电机5、他励直流电动机工作特性与并励直流电动机工作特性相同。20直流电机6、例题eg1:一台他励直流电动机的额定数据为：PN=1325kW，UN=750v，IN=1930A，nN=200r/min，电枢绕组的电阻Ra=0.0161Ω，电刷接触压降2ΔUc=2v。设电动机原来在转速200r/min和额定负载下运行，在总的制动转矩（包括损耗转矩）不变情况下，试求：（1）在电枢回路中突然串入电阻RΩ=0.743Ω，在串入电阻的最初瞬间和达到稳定时的电枢电流和转速分别是多少？（2）减少电动机的励磁电流，使磁通Φ减少10%，当达到稳定时的电枢电流和转速各为多少？21直流电机二、直流发电机的特性1、空载特性（开路特性）（1）含义：空载特性是指发电机的转速n=nN，输出端开路，负载电流I=0（Ia=0）时，电枢端电压与励磁电流之间的关系，即：U0=ƒ（If0）（2）测量接线图22发电机空载特性直流电机实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到U0=±（1.1~1.3）UN为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线，如图中虚线所示。另外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速。23结论：空载特性曲线的形状与电机磁化曲线相同，只不过改变一下坐标的比例即可。可见，发电机的空载特性表明的是电机的磁路特性。直流电机（3）特点分析aaaRIEU00aINeanCEU00UffFI又。FfIfUff形状完全一致与)()(0024直流电机2、并励和复励发电机空载电压的建立并励机要在空载时建立电压，电机磁路中必须有一定剩磁，当发电机由原动机拖动至额定转速时，发电机两端将发出一个数值不大的剩磁电压。而励磁绕组又是接到电枢两端的，于是在剩磁电压的作用下，励磁绕组将流过一个不大的电流，电枢绕组切割剩磁产生一个不大的剩磁电动势E0r。如果励磁绕组与电枢两端并联的极性正确，即励磁绕组磁动势的方向和电机的剩磁磁动势的方向相同，则气隙磁场得到加强，电枢绕组中的电动势又因气隙磁场加强而增加，励磁电流也相应增加，导致磁通的进一步增加，继而电枢端电压又进一步加大。如此反复作用下去，发电机的端电压便自动建立起来。这就是发电机自励过程。（1）空载电压建立过程25直流电机（2）空载电压建立电路图2600()fUfI00ffURI直流电机（3）空载电压建立的稳态工作点000ffffdiuRiLdt27①电机必须有剩磁，否则应利用其它直流电源对其充磁；②励磁绕组与电枢绕组的接法要正确，即使励磁电流产生的磁通方向与剩磁方向一致，否则将励磁绕组与电枢出线端的连接对调，或者将电枢反转；③励磁回路总电阻应小于该转速下的临界电阻。直流电机（4）空载电压建立的条件28NnnfNfII)(aIfU当、时，直流电机2、直流发电机负载特性（外特性）（1）含义（2）测量保证n=nN，调节Rf使U=UN、I=IN，保持Rf不变，减小负载到零，测取U和Ia，绘制曲线即为外特性。29由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。aaeRInCU直流电机（3）外特性及特点端电压下降有两个原因：电枢反应作用加强电阻压降增大（4）电压调整率发电机从空载到满载电压变化的程度。%10000UUUUN一般他励直流发电机ΔU=（5~10）%30直流电机§2-6直流电机的换向一、换向问题1、换向直流电机运行时，旋转的某一电枢绕组元件经过电刷短路，从一条支路进入到另一条支路,元件里的电流方向发生改变的过程，即换向。2、换向的危害换向是直流电机中十分重要的问题，换向会使电刷和换向器之间产生火花，严重时会烧坏换向器与电刷，使电机不能正常工作和寿命缩短。我国对电机换向时产生的火花等级与允许的运行状态有相应的规定。31图示为某一单叠绕组1号元件的换向过程，设图中电刷宽度与换向片宽度相等，电枢以υa的速度从右向左旋转。直流电机二、换向的电磁现象1、换向过程换向元件换向周期32直流电机2、电抗电动势ex在换向过程中，由于换向元件中电流从+i到-i的变化，在换向元件中产生自感电动势：dtdiLeL同时换向的几个元件中相互又会产生的互感电动势：dtdiMeM通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗电动势eX，即：电抗电动势总是阻碍换向元件中的电流变化的，eX方向应与换向前元件的电流方向一致。caxaxMLxTiLdtdiLeee233直流电机3、电枢反应电动势ea换向元件处在几何中心线上，主磁场在此区域磁通密度Φ0=0，但电枢磁密Ba≠0，换向元件切割电枢磁场产生电枢反应电动势ea，其方向与er相同，用右手定则判断，也是阻碍换向元件中的电流变化的。cayalvBNe2如果没有上面二种感应电动势产生，上例中换向片1逐渐离开电刷时，元件1中的电流从+i逐渐减小到零，电刷上电流密度是均匀的，称为直线换向。实际上由于有上面二种感应电动势的存在，使得电流变化受到阻碍而延迟，电刷后刷边电流密度大，更易损坏，称延迟换向。34直流电机三、改善换向的方法由换向元件的感应电动势可知，当电刷放在几何中心线上时，换向元件只切割电枢磁场，如果在该处用换向磁极产生一个与电枢磁场反方向的换向磁场，使换向元件切割换向极磁场产生的旋转电动势，正好可以抵消换向元件切割电枢磁场产生的电枢反应电动势ea和换