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1、第2章 直流电动机的电力拖动,返回总目录,直流电动机基本的平衡方程式 直流电动机的工作特性 生产机械的负载转矩特性 直流电动机的机械特性 直流串励电动机 直流发电机的特性 本 章 小 结习题与思考题,本章内容,2.1 直流电动机基本的平衡方程式,直流电动机基本的平衡方程式是指直流电动机稳定运行时，电路系统的电压平衡方程式、能量转换过程中的功率平衡方程式和机械系统的转矩平衡方程式。,一、电压平衡方程式,图2.1(a)是直流电动机工作原理的示意图。,(a) 电动机,(b) 发电动机,图2.1 直流电动机中电势、电流和电磁转矩的方向,直流电动机并联在电网上工作，由外接电源向电动机供电。设极下的导体电
2、枢电流为流出纸面，根据左手定则可知，电磁转矩为逆时针方向。在电磁转矩作用下，电枢将逆时针方向旋转。电枢导体切割主磁通而产生感应电动势，根据右手定则可知，极下的感应电动势方向为流入纸面，与电枢电流方向相反。由于电动机中的感应电动势有阻止电流流入电枢绕组的作用，因此称它为反电动势。 为了使电流能够从电网流入电枢绕组，电动机的端电压应该大于反电动势，即 。根据基尔霍夫第二定律，可以写出电枢回路的电势平衡方程式为,2.1 直流电动机基本的平衡方程式,(2.1),式中 电枢电流； 电枢回路的电阻； 正负电刷的接触电压降落。在额定负载时，一般情况下取 在电动机运行状态下，由于 ，电流从电网流入电枢绕组，成
3、为电动机运行的电能。同样，在电动机运行状态下，电枢会产生电磁转矩，电磁转矩的方向与转向相同，成为驱动转矩。,2.1 直流电动机基本的平衡方程式,若电动机在原动机拖动下工作，电枢逆时针旋转，则电枢导体切割主磁通而产生感应电动势。根据右手定则可知，极下的导体电动势方向为流出纸面。在感应电动势的作用下，电枢导体中会有电流产生，此时的电枢电流应该与感应电动势同方向。电枢电流与主磁极磁场相作用而产生与电枢旋转方向相反的电磁转矩，为制动转矩。如图2.1(b)所示。电动机在原动机拖动转矩作用下，克服电磁转矩的制动作用向外输送电流，此时电动机为发电动机运行，具体工作原理及电动势平衡关系请读者自行分析。 由此可
4、见，同一台电动机既可作为电动机运行，又可作为发电动机运行，只是各有异同。在两种运行状态下，电枢绕组中均产生感应电动势。如果端电压U大于感应电动势Ea，即 ，电流从电网流入电枢绕组，成为电动机运行；反之，如果 ，则电枢绕组向外输送电流，成为发电动机运行。同样，在这两种运行状态下，电枢均产生电磁转矩。在电动机中，电磁转矩与转向同方向，成为驱动转矩；而在发电动机中，电磁转矩与转向相反，使之成为制动转矩。,2.1 直流电动机基本的平衡方程式,二、功率平衡方程式,为了更好地理解直流电动机中的功率平衡关系，先简要介绍涉及到的几种电动机损耗。,1. 机械损耗 机械损耗包括轴承和电刷的摩擦损耗及通风损耗，它们
5、都与转速有关。轴承摩擦损耗一般假定与轴颈圆周线速度的1.5次方成正比。电刷摩擦损耗由电刷牌号以及电刷和换向器表面的接触情况来决定。通风损耗与风扇外缘直径的平方成正比。在转速变化不大的电动机里，可认为机械损耗是不变的。机械损耗用Pm来表示。 2. 铁耗 是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗。对直流电动机来说，铁耗是由电枢铁心在气隙磁场中旋转而切割磁力线引起的。它包括涡流损耗和磁滞损耗两部分。一般认为铁心损耗和磁通密度B的平方成正比，和铁心中磁通交变频率f的1.21.5次方成正比。由于涡流损耗正比硅钢片厚度的平方，铁心采用的硅钢片越薄，铁心损耗越小。铁心损耗用PFe来表示。,2.
6、1 直流电动机基本的平衡方程式,3. 铜耗 是指电流流过电动机中相关绕组所产生的损耗，包括电枢回路(包括电枢绕组、串励绕组、换向极绕组等)的铜耗Pa、电刷与换向器表面的接触压降损耗Pb以及励磁回路中的铜耗Pf。其中电枢回路的铜耗Pa的计算公式为在式(2.2)中，正负电刷的接触电压降落为2Us电刷接触压降而引起的损耗Pb,(2.2),(2.3),励磁绕组中的输入功率全部为铜损耗，它由下式所决定式中 Uf 励磁绕组两端的电压； If 励磁绕组中的电流； Rf 励磁回路的总电阻。,(2.4),2.1 直流电动机基本的平衡方程式,4. 杂散损耗 上述四种损耗是直流电动机中的基本损耗，此外还有少量难于准
7、确测定及计算的损耗。这种损耗是由于电枢铁心上有齿槽存在，是气隙磁通大小脉振和左右摇摆在铁心中引起的损耗，电枢反应使磁场畸变引起的额外电枢铁损耗和换向电流产生的铜损耗等。这些损耗难以精确计算和测量，一般认为取为输出功率P25%1%，即,(2.5),下面以并励电动机为例来进一步论述电动机内部的功率平衡关系。 并励电动机的负载电流I电枢电流Ia磁电流If，见图2.1(a)，即由电网输入的电功率为式中 电枢回路的输入功率。将式(2.1)两端同时乘以 得,(2.6),(2.7),(2.8),2.1 直流电动机基本的平衡方程式,式中 称为电磁功率，是电枢电流与电枢电动势的乘积，是电枢绕组因切割主磁通而产生
8、的电功率。 由式(2.8)可见，输入至电枢回路中的功率除了一小部分化作电枢回路的铜损Pa和电刷接触电损耗Pb外，大部分为电磁功率Pm。在直流电动机情况下，电磁功率就是转变为机械功率的功率。这一转变而来的机械功率尚不能全部被利用，还需克服铁心损耗Pf、机械损耗Pm和杂散损耗Pa后，才是电动机轴上的输出功率P2，即有,(2.9),把式(2.7)、式(2.8)、式(2.9)合并，便得电动机的功率平衡方程式为,(2.10),式中 是总损耗；在电动机的情况下，P1是输入电功率，P2是输出机械功率；在发电动机的情况下，P1是输入机械功率，P2输出是电功率。,2.1 直流电动机基本的平衡方程式,根据式(2.
9、9)和式(2.10)可画出直流并励电动机的功率流程如图2.2所示。,图2.2 直流电动机的功率流程图,2.1 直流电动机基本的平衡方程式,三、转矩平衡方程式,将式(2.9)两边除以电动机的转速 得 (2.11)式中 电磁转矩； 电动机轴上的输出转矩； 由机械损耗、铁心损耗和杂散损耗引起的空载转矩。 式(2.11)称为电动机中的功率平衡方程式。可见，电动机轴的电磁转矩一部分与负载转矩相平衡，另一部分是空载损耗。,2.2 直流电动机的工作特性,直流电动机的工作特性是指在端电压 ，励磁电流 ，电枢回路不串附加电阻时，电动机的转速n、电磁转矩T和效率分别随输出功率P2而变化的关系，即 曲线。 随着励磁
10、方式的不同，这些特性有很大的区别。下面以直流并励电动机为例，分别叙述。,一、转速特性,转速特性是指在 ，电枢回路不串附加电阻时，电动机的转速n随输出功率P2而变化的关系，即 曲线。 由 得转速公式,(2.12),当输出功率增加时，电枢电流增加，电枢压降增加，使转速下降，同时由于电枢反应的去磁作用使转速上升。上述两者相互作用的结果，使转速的变化呈略微下降，如图2.3所示。,电动机转速随负载变化的稳定程度用电动机的额定转速调整率 表示：,2.2 直流电动机的工作特性,(2.13),式中 理想空载转速； 额定负载转速。并励直流电动机的转速调整率很小， 通常为3%8%。,二、转距特性,转矩特性是指在
11、，电枢回路不串附加电阻时，电动机的电磁转矩T随 输出功率P2而变化的关系，即 曲线。根据输出功率 ，有,2.2 直流电动机的工作特性,由此可见：当转速不变时，特性曲线为一通过原点的直线。实际上，当P2增加时转速n略微有所下降，因此曲线将稍微向上弯曲。而电磁转矩 ,因此只要在的关系曲线上加上空载转矩T0，便可得到 的关系曲线，如图2.3所示。,图2.3 并励电动机的工作特性,三、效率特性,效率特性是指在 ，电枢回路不串附加电阻时，电动机的效率 随输出功率P2而变化的关系，即 曲线。,2.2 直流电动机的工作特性,在电动机系统中，由于机械损耗、铁心损耗及励磁损耗在空载时就已存在，总称为空载损耗，当
12、负载变化时，它的数值基本不变，故也称其为不变损耗。而电枢的回路铜耗及电刷接触压降损耗是由负载电流变化所引起的，故称为负载损耗。当负载电流变化时，负载损耗的数值在变化，故又称为可变损耗。输出功率P2与输入功率P1之比就是电动机的效率，即,(2.14),由功率平衡方程知，电动机的损耗主要是可变的铜损和固定的铁损。当负载P2较小时，铁损不小，效率低；随着负载P2的增加，铁损不变，铜损增加，但总损耗的增加小于负载的增加，效率上升；负载继续增大，铜损是按负载电流的平方增大，使得效率开始下降，如图2.3所示。 可以分析得知，当不变损耗与可变损耗相等时效率最大。从图2.3可知，电动机在满载附近效率较高，而在低负载时效率显著下降。因此在选用电动机时，切忌用大电动机带小负载，不然电动机长期在低负载下运行，效率很低，很不经济。,2.3 生产机械的负载转矩特性,生产机械运行时常用负载转矩标志其负载的大小。不同的生产机械的转矩随转速变化规律不同，用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速n与负载转矩TL之间的关系 。 各种生产机械特性大致可归纳为以下3种类型。,一、恒转矩负载,所谓恒转矩负载是指生产机械的负载转矩TL的大小不随转速n而改变的负载。按负载转矩TL与转速n之间的关系又分为反抗性负载和位能性负载两种。,
