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1、第三章 直流电机的工作原理及特性,学习内容：, 了解直流电机的基本结构及工作原理； 掌握直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性； 掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。,电机分交流和直流两种：,直流电机工作电压或输出的电压为直流；,交流电机工作电压为交流。,直流电机分直流发电机和直流发电机两种：,直流发电机将机械能转换为电能；,直流电动机将电能转换为机械能。,电机分类：,31 直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,1.机座、2.励磁绕组、3.轴承端盖、4.换向器、5.摇环与刷握、6.风扇、7.主磁极、8.电枢铁心、9.电枢绕组
2、,根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子、转子和换向器三大部分。,定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。,转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。,换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。,二、基本的工作原理,为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷A和B。如图所示：,1 主磁极：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。,2电枢绕组：在固定的磁场中旋转
3、，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换。,3电刷,4换向片,3、4换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流,电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。,1发电机原理：将机械能转换为电能。,电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边ab和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势e。,显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。,但是，由于电刷A总是同与N极下
4、的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。,2电动机原理：将电能转换为机械能。,直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。,三、电动势和电磁转矩,1.
5、电动势E,根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:,式中：E感应电动势（V）； 对磁极的磁通（Wb）； n电枢转速（r/min）； Ke与电机结构有关的常数。,直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。 直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：,式中： TM电磁转矩（Nm）； 对磁极的磁通（Wb）； Ia电枢电流（A）； Km与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke,直流发电机和直流发电机的电磁转矩的作用是不同的。,发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢
6、转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩T0相平衡。,电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，发电机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩T0相平衡。,从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，见表 ：,3.2直流发电机,流发电机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：,1他励发电机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。,2. 并励发电机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源
7、一起供电。如图（b）所示。,3串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联连接，由外部电源一起供电。如图（c）所示：,4复励发电机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组串联连接。如图（d）所示:,一、他励发电机的运行特性,电压平衡方程:,定义：当n=C1、I=0时，U=f(If),空载时，U=Ea。由于Ea=Ce n，因此空载特性实质上就是Ea=f(If) 。由于Ea正比于，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。,（一）、空载特性,可见，空载特性曲线不是从坐标原点开始，在If =0时，已有一个数值不大的电动势，它是有磁极的剩磁产生的；特性曲线开始 部分近于直线，因为电
8、机磁路不饱和；而后逐渐向横轴方向弯曲，最后又平坦，因为电机磁路渐趋饱和。,可通过改变励磁电流的方法来获得所需的电压,（二）、外特性,定义：当n=nN、If=IfN时，U=f(I),外特性曲线如图所示,大约为5%10%,由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。,根据 可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。,二、并励发电机的自励条件和外特性,电压平衡方程,（一）、自励条件,曲线1为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线，也称场阻线,原动机带
9、动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生If 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，If产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大， If增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与IfRf相等时，达到稳定的平衡工作点A。,增大 ，场阻线变为曲线3时， 称为临界电阻 。如图所示。,若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。,可见，并励直流发电机的自励条件有：,（1）电机的主磁路有剩磁,（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻,（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确,对应的措施：,（1）将励磁绕组接到其他直流电源上去充磁； （2）
10、将励磁绕组两端接线对调以改变励磁电流的方向； （3）减小调节电阻 。,（二）、空载特性,并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。,（三）、外特性,对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。,并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。,（三）复励发电机,电机的主极上装有并励和串励两套励磁绕组，在两个绕组中，并励绕组的磁势起主要作用，以保证发电机在空载时能建立额定电压；串励绕组用来自
11、动调节发电机的电压，以适应不同负载的要求。,优点：串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。所以带负载时，它的端电压下降不多。,3.3直流电动机的机械特性,直流电动机,他励电动机,并励电动机,复励电动机,串励电动机,一、 直流他励电动机的机械特性,（一）、机械特性的一般形式,电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。,不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。,如图所示为直流他励电动机的原理电路图。,式中:,外加电枢电压（V）；,感应电势（V）；,电枢电流（A）；,电枢回路内阻（）,电枢回路部分,励磁回路部分,即：,转速特性
12、,机械特性,对应的机械特性如图所示：,由他励电动机的特性可知：励磁电流If的大小与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小只取决于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的大小一定时, If为定值，即磁通为定值。,1. 理想空载转速：,T=0时的转速称为理想空载转速，用n0表示。,根据机械特性可知：,理想空载点,2. 转速降落,3. 机械特性硬度,为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：,即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度，记作。,根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。,（1）绝对硬特性,（2）硬特性10,（3）软特性10,二、固有机械特性,直流他励电
13、动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通 N 下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T),即:,是一条直线。,直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0,n0 )和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。,固有机械特性的计算步骤如下。,通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压 UN 、额定电流IN和额定转速 nN，来计算,(1) 估算电枢电阻Ra,依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的50%75%。,式中：,是额定运行条件下电动机的效率，且此时,故得,(2) 求,额定运行条件下的反电势为：,故,(3) 求理想空载转速:,得,(
14、4) 求额定转矩:,得,根据,两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线,三、人为机械特性,人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁通的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。,1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性,电压平衡方程式为：,得到的人为机械特性方程式为：,特性变软,空载速度不变；,随着电阻的增加，转速降落增加；,2. 改变电枢电压U时的人为特性,空载速度随着U的减小而减小；,转速降落不变；,由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。,特性硬度不变,3改变磁通 时的人为特性,
15、转速降随磁通的改变而变化。,理想空载转速随磁通的改变而变化；,特性变软,由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；,当磁通过分削弱后：,（2）当0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常称为“飞车”；,（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；,当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。,因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。,34 直流他励电动机
16、的启动特性,一、启动特性,电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的这一过程。 对直流电动机而言，在未启动之前n=0 , E=0, 而Ra一般很小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：,这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的（1020）倍。过大的启动电流危害很大：,（2） 对机械系统的影响：,与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；,（1） 对电动机本身的影响：, 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；, 过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏；,（3）对供电电网的影响：,过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。,因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启
