直流电机基础5教材课件

电机及拖动基础电机及拖动基础第二章第二章 直流电机直流电机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院2上一节课的主要内容：上一节课的主要内容：(1)感感应电动势和和电磁磁转矩的矩的计算算重点重点 电角度、机械角速度、角度、机械角速度、转速的概念速的概念(2)直流直流电机的运行原理机的运行原理重点重点 直流直流电机的基本方程式（直流机的基本方程式（直流电机的数学模型）机的数学模型）电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院3其中其中 ；为机械角速度，机械角速度，单位位rad/s。感感应电动势的的计算公式算公式为：电磁磁转矩矩的的计算公式算公式为：电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院4直流直流电机的基本方程式：机的基本方程式：直直流流电动机机直直流流发电机机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院5本节课的主要内容：本节课的主要内容：(1)直流直流电机的功率平衡关系机的功率平衡关系重点重点 以并励直流以并励直流电机机为例例(2)直流直流电动机的工作特性机的工作特性重点重点 并励并励、串励串励、复励直流、复励直流电动机工作特性机工作特性(3)直流直流发电机的工作特性机的工作特性重点重点 空空载运行运行、负载运行运行(4)直流直流电机的机的换向向了解了解电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院6第第二二章章 直流电机直流电机2-1 直流直流电机的工作原理及机的工作原理及结构构2-2 直流直流电机的机的铭牌数据牌数据2-3 直流直流电机的机的绕组2-4 直流直流电机的励磁方式及磁机的励磁方式及磁场2-5 感感应电动势和和电磁磁转矩的矩的计算算2-6 直流直流电机的运行原理机的运行原理2-7 直流直流电机的机的换向向7(三三)功率平衡关系功率平衡关系输入入电功功率率P1励磁励磁损耗耗PCuf电枢枢铜耗耗PCua电刷接触刷接触损耗耗Pc电磁磁功功率率Pe机械机械损耗耗Pmech铁心心损耗耗PFe机机械械功功率率P2并励并励电动机情形机情形直流电动机电磁功率直流电动机电磁功率Pe,Pe=EaIaPeTe交交变的的电动势8并励并励发电机情形机情形输入入机械机械功率功率P1铁心心损耗耗PFe机械机械损耗耗Pmech电枢枢铜耗耗PCu电磁磁功功率率Pe电刷接触刷接触损耗耗Pc励磁励磁损耗耗PCuf电功功率率P2直流发电机电磁功率直流发电机电磁功率Pe,Pe=EaIaPeTe电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院9二、直流电动机工作特性二、直流电动机工作特性由于由于电枢枢电流便于流便于测量量，因此往往将工作特性表示，因此往往将工作特性表示为：条件条件:U=UN,If=IfN，电枢回路无外加枢回路无外加电阻。阻。工作特性指工作特性指:转速速n，转矩矩Te，效率，效率和和输出功率出功率P2的关系。的关系。转速特性转速特性转矩特性转矩特性效率特性效率特性稳态工作特性工作特性电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院10(一一)并励直流电动机的工作特性并励直流电动机的工作特性1.转速特性速特性理想转速特性理想转速特性实际转速特性实际转速特性理想转速特性和实际转理想转速特性和实际转速特性为什么不一致？速特性为什么不一致？思考电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院11理想转速特性理想转速特性实际转速特性实际转速特性提示：提示：1.从参数从参数变化的角度思考？化的角度思考？2.什么原因什么原因导致了致了的的变化？化？当当电机机电流流较大大时，电枢反枢反应表表现出明出明显的的去磁特去磁特性性，从而使，从而使减小。减小。(1)理想空理想空载转速速n0略微上升，略微上升，(2)使使转速曲速曲线斜率斜率减小。减小。转速曲速曲线斜率的斜率的绝对值增大增大电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院122.转矩特性矩特性当当U=UN,If=IfN时，Te=f(Ia)的关系曲的关系曲线理想转矩特性理想转矩特性实际转矩特性实际转矩特性T0为电机空机空载转矩；矩；T2为负载制制动转矩；矩；思考：思考：理想理想转矩特性与矩特性与实际转矩特性矩特性为什么不什么不同？同？电枢反枢反应的去磁作用的去磁作用电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院133.效率特性效率特性当当U=UN,If=IfN时时，=f(Ia)的关系曲线的关系曲线电机效率机效率为输出功率出功率P2与与输入功率入功率P1之比的百分数之比的百分数主磁通在电枢铁磁材料中交变所主磁通在电枢铁磁材料中交变所产生的损耗，分为磁滞损耗和涡产生的损耗，分为磁滞损耗和涡流损耗。流损耗。当电机主磁通和转速变化不大时，当电机主磁通和转速变化不大时，铁耗近似不变，因此这部分损耗铁耗近似不变，因此这部分损耗也被称为不变损耗。也被称为不变损耗。机械损耗包括轴承及电刷的摩擦机械损耗包括轴承及电刷的摩擦损耗、电机通风散热引起的风阻损耗、电机通风散热引起的风阻损耗。在电机转速不变时，机械损耗。在电机转速不变时，机械损耗也是大致不变的。损耗也是大致不变的。励磁回路铜耗，电流流过导体，励磁回路铜耗，电流流过导体，消耗在电阻上的损耗，一般可以消耗在电阻上的损耗，一般可以忽略不计。忽略不计。电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电电枢绕组铜耗，当电枢绕组有电流流过时，产生的发热损耗。流流过时，产生的发热损耗。这一部分损耗是随着电枢电流变这一部分损耗是随着电枢电流变化的，或者说输出功率变化的，化的，或者说输出功率变化的，因此也被称为可变损耗。因此也被称为可变损耗。电刷接触损耗。电刷接触损耗。当电机可变损耗等于不变损耗时，当电机可变损耗等于不变损耗时，电机的效率达到最高。电机的效率达到最高。一般电机的最高效率点出现在一般电机的最高效率点出现在80左右的负载时左右的负载时(额定功率附近额定功率附近)。求函数极求函数极值的方法得到的方法得到电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院14(二二)串励直流电动机的工作特性串励直流电动机的工作特性串励直流电机中，串励直流电机中，IfIa气隙主磁通气隙主磁通随随Ia而变化而变化电动势平衡方程式电动势平衡方程式电动势公式电动势公式转矩平衡方程式转矩平衡方程式转矩公式转矩公式其中，其中，Rfc为串励串励绕组电阻，阻，电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院15串励直流电机当在负载很小时，串励直流电机当在负载很小时，电机的转速将会很高，容易导致电机的转速将会很高，容易导致转子出现机械损坏，因此串励直转子出现机械损坏，因此串励直流电机不允许轻载运行。流电机不允许轻载运行。串励直流电机在启动时，转速串励直流电机在启动时，转速很低，端电压基本上靠励磁绕很低，端电压基本上靠励磁绕组和电枢绕组的电阻压降平衡，组和电枢绕组的电阻压降平衡，此时电枢电流很大。磁路饱和，此时电枢电流很大。磁路饱和，因此磁通因此磁通接近不变。根据接近不变。根据TeCT Ia，可知串励直流电机，可知串励直流电机带载带载启动能力很强启动能力很强。转速特性转速特性 由曲由曲线可知，串励可知，串励电动机的机的转速随速随输出功率出功率P2的增加而迅速减小。的增加而迅速减小。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院16转矩特性转矩特性由曲由曲线可知，可知，电磁磁转矩矩Te随着随着P2的的增大、增大、n的下降而迅速增大。的下降而迅速增大。定量分析定量分析电磁磁转矩矩Te增大的原因。增大的原因。当磁路不当磁路不饱和和时，当磁路当磁路饱和和时，接近不接近不变，即即Te正比于正比于Ia串励串励电动机具有机具有更大的起更大的起动转矩矩。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院17(三三)复励直流电动机的工作特性复励直流电动机的工作特性1-并励并励电动机机转速特性；速特性；2-积复励复励电动机机转速特性；速特性；3-串励串励电动机机转速特性；速特性；电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院18例例2-1 一台他励直流一台他励直流电动机的机的额定数据定数据为：电枢枢绕组的的电阻阻电刷接触刷接触压降降设电动机原来在机原来在额定定转速和速和额定定负载下运行，在下运行，在负载的的总制制动转矩（包括矩（包括损耗耗转矩）保持不矩）保持不变的情况下，的情况下，试求求(1)在在电枢回路中突然串入枢回路中突然串入电阻阻R=0.0743，求串入，求串入电阻阻最初瞬最初瞬间和达到和达到稳定定时的的电枢枢电流和流和转速分速分别是多少？是多少？(2)减少减少电动机的励磁机的励磁电流，使磁通流，使磁通 减少减少10%，当达到，当达到稳定定时的的电枢枢电流和流和转速分速分别是多少？是多少？电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院19解：解：(1)电枢回路中突然串入电阻电枢回路中突然串入电阻R最初瞬间，电机转速不发生变最初瞬间，电机转速不发生变化，但电流发生变化。化，但电流发生变化。进入新的稳态时，由于负载转矩未发生变化，认为电磁转矩不进入新的稳态时，由于负载转矩未发生变化，认为电磁转矩不发生变化发生变化额定运行时电机的反电动势为：额定运行时电机的反电动势为：实现了实现了调速调速串入的串入的电阻越大，阻越大，转速降速降低越多。低越多。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院20(2)磁通磁通减少为原来的减少为原来的0.9由于负载转矩不变，电磁转矩不会发生变化。由于负载转矩不变，电磁转矩不会发生变化。实现了实现了调速调速转速速变化与磁通成化与磁通成反比反比电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院21三、直流发电机的工作特性三、直流发电机的工作特性他励直流他励直流发电机机 并励直流并励直流发电机机 复励直流复励直流发电机机电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院22(一一)空载运行空载运行1.空空载特性特性当当他励直流他励直流发电机机被原被原动机拖机拖动，n=nN 时，励磁，励磁绕组端加上端加上励磁励磁电压Uf,调节励磁励磁电流流If0,得出空得出空载特性曲特性曲线U0=f(I0)。所以他励所以他励发电机的空机的空载特性与特性与电机的磁化特性非常一致。机的磁化特性非常一致。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院232.并励和复励直流并励和复励直流发电机空机空载电压的建立的建立 并并励励和和复复励励直直流流发电机机均均是是一一种种自自励励发电机机，它它们不不需要外部直流需要外部直流电源供源供给励磁励磁电流。流。一一般般情情况况下下，这种种自自励励发电机机的的运运行行首首先先是是在在空空载时建建立立电压，即即所所谓自自励励，在在建建立立额定定电压后后，才才能能加加以以负载。并并励励和和复复励励直直流流发电机机的的这种种空空载电压是是如如何何建建立立的的？电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院24并励和复励直流并励和复励直流发电机空机空载电压的建立的建立(1)原原动机机拖拖动发电机机旋旋转。由由于于电机机剩剩磁磁的作用，的作用，产生一个不大的生一个不大的电动势E0r(2)闭合合励励磁磁回回路路，E0r产生生励励磁磁电流流，该电流流将将使使电机机内内部部的的磁磁场进一一步步增增强强（可可能能出出现该电流流产生生的的磁磁场与与剩剩磁磁相相反反，两两者者互相抵消）。互相抵消）。电机必须有剩磁。电机必须有剩磁。(3)若励磁若励磁绕组回路的回路的电阻阻较大，大，则建立起的建立起的电枢枢电压无法无法产生足生足够的励磁的励磁电流，因此必流，因此必须将将励磁回路励磁回路电阻阻限限定在一定范定在一定范围内。内。励磁绕组并联到电枢两励磁绕组并联到电枢两端的极性必须正确端的极性必须正确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电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院25(二二)负载运行负载运行无无论他他励励、并并励励还是是复复励励发电机机，建建立立电压以以后后，在在n=nN 的条件下，加上的条件下，加上负载后，后，发电机的端机的端电压都将都将发生生变化化。1积复励复励发电机外特性；机外特性；2他励他励发电机外特性；机外特性；3并励并励发电机外特性；机外特性；他励发电机负载增加：他励发电机负载增加：（1）电枢反应加剧，去磁作用变大；）电枢反应加剧，去磁作用变大；（2）电枢绕组电阻压降和电刷接触压降变大。）电枢绕组电阻压降和电刷接触压降变大。并励发电机负载增加，除了以上两个原因外，还有并励发电机负载增加，除了以上两个原因外，还有电机电枢端电压降低，导致励磁电压减小，磁场进一步电机电枢端电压降低，导致励磁电压减小，磁场进一步减弱。减弱。积复励发电机中的串励绕组，在负载加大时，能够提供积复励发电机中的串励绕组，在负载加大时，能够提供更大的磁场，从而补偿磁通减小和电枢绕组压降，可以更大的磁场，从而补偿磁通减小和电枢绕组压降，可以做到空载到负载没有压降做到空载到负载没有压降。为什么？为什么？电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院26第第二二章章 直流电机直流电机2-1 直流直流电机的工作原理及机的工作原理及结构构2-2 直流直流电机的机的铭牌数据牌数据2-3 直流直流电机的机的绕组2-4 直流直流电机的励磁方式及磁机的励磁方式及磁场2-5 感感应电动势和和电磁磁转矩的矩的计算算2-6 直流直流电机的运行原理机的运行原理2-7 直流直流电机的机的换向向电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院27 换向向问题很很复复杂，换向向不不良良会会在在电刷刷与与换向向片片之之间产生生火火花花。当当火火花花大大到到一一定定程程度度，可可能能损坏坏电刷刷和和换向向器器表表面面，使使电机机不不能能正正常常工工作作。产生生火火花花的的原原因因很很多多，除除了了电磁磁原原因因外外，还有有机机械械的的原原因因。此此外外换向向过程程还伴伴随随着着电化化学和学和电热学等学等现象。象。一、换向的电磁现象一、换向的电磁现象1.电抗抗电动势如何如何产生？生？换向向时，换向向元元件件中中所所通通过的的电流流由由+ia变为-ia，由由于于换向向元元件件本本身身是是一一个个线圈圈，线圈圈必必有有自自感感作作用用。另另外外，被被电刷短路的刷短路的换向元件不止一个，它向元件不止一个，它们之之间又有互感。又有互感。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院28 换向向元元件件中中必必然然出出现由由自自感感与与互互感感作作用用所所引引起起的的感感应电动势，这个合成个合成电动势称称为电抗抗电动势。2.电枢反枢反应电动势 由由于于电刷刷放放置置在在磁磁极极轴线下下的的换向向器器上上，在在几几何何中中心心线处，虽然然主主磁磁场的的磁磁密密等等于于零零，可可是是电枢枢磁磁场的的磁磁密密不不为零零。因因此此，换向向元元件件切切割割电枢枢磁磁场，产生生一一种种电动势，称称为电枢反枢反应电动势。电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院29 装装设换向向磁磁极极位位于于几几何何中中性性线处装装换向向磁磁极极。换向向绕组与与电枢枢绕组串串联，在在换向向元元件件处产生生换向向磁磁动势抵抵消消电枢枢反反应磁磁动势，另另外外剩剩余余部部分分产生生一一个个附附加加磁磁场，使使换向向元元件件切切割割该磁磁场产生生换向向极极电动势，其其方方向向与与电抗抗电动势相反。相反。大大型型直直流流电机机在在主主磁磁极极极极靴靴内内安安装装补偿绕组，补偿绕组与与电枢枢绕组串串联，产生的磁生的磁动势抵消抵消电枢反枢反应磁磁动势。二、改善换向的方法二、改善换向的方法电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院30 作作业：P56 2-2，2-6；P57 2-15，2-17，2-23电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院31绕组形式：叠绕组和波绕组。绕组形式：叠绕组和波绕组。电电刷刷在在几几何何中中心心线线，电电枢枢反反应应（去去磁磁，原原因因：铁铁磁磁材料的饱和特性）。材料的饱和特性）。改改善善换换向向的的方方法法：几几何何中中心心线线处处增增加加附附加加极极（换换向向极），极），在极靴上加补偿绕组（均与电枢绕组串联）。在极靴上加补偿绕组（均与电枢绕组串联）。小小 结结电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院321 1、直流电动机的基本工作原理、直流电动机的基本工作原理载流导体载流导体ab、cd在磁场中产生电磁力在磁场中产生电磁力f形成电磁转矩带动电枢旋转形成电磁转矩带动电枢旋转直流电动机工作原理模型直流电动机工作原理模型产生磁场：（产生磁场：（N、S极）极）基于电磁力定律：左手定则基于电磁力定律：左手定则电枢线圈中电枢线圈中感应感应产生产生反电动势反电动势吸收吸收电能能电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院33基于电磁感应原理：右手定则基于电磁感应原理：右手定则产生磁场：（产生磁场：（N、S极）极）运动导线运动导线ab、cd切割磁场切割磁场线圈感应电动势线圈感应电动势交变交变换向整流换向整流电刷间输出直流电动势电刷间输出直流电动势直流发电机的工作原理模型直流发电机的工作原理模型2 2、直流发电机的基本工作原理、直流发电机的基本工作原理负载后，电枢线圈产生负载后，电枢线圈产生制动转矩制动转矩吸收机械能吸收机械能电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院34一、两个重要公式（电和磁的联系）一、两个重要公式（电和磁的联系）二、二、电压平衡（如何判断平衡（如何判断发电机与机与电动机状机状态？Ea与与U的关系）的关系）电气与自动化工程学院电气与自动化工程学院35