第17章 直流发电机和直流电动机,一、 自励发电机的电压建起,1.1 自励发电机的电压建立过程,起动开始，U=0，励磁电流If=0由于铁心存在剩磁，当电枢旋转时，电枢绕组中有小的感应电势（b点），在励磁绕组中产生微小的励磁电流Ifb若Ifb产生的磁势与剩磁同方向，则使磁场增强，电枢端电压随之增加，并产生更大的激磁电流在0a段，有即励磁电流随时间增加，对应端电压U也增加在a点达到稳定值，空载电压建立1.2 自励发电机的电压建立条件,,,,磁路的因素存在剩磁饱和现象铁磁材料的饱和现象，使得磁化曲线与场阻线存在交点，即电机有确定的电压电路的因素励磁绕组的接法与电机旋转方向正确配合使最初的微小励磁电流增强原来的剩磁，使感应电势增加,励磁回路的影响励磁回路的总电阻小于该转速时的临界电阻临界电阻指一定转速时，与磁化曲线的直线部分（气隙线）重合的场阻线,1.3 绕组接法与旋转方向,①改变电枢绕组与励磁绕组的相对连接②改变电枢的旋转方向,,,,1.4 转速与场阻线及稳定电压,0a线，场阻r1，稳定端电压U10c线，场阻r3（较大），建立电压U2很小，电压无法建立0b线，场阻r2，常阻线与气隙线重合，无明确的交点，电压不能稳定。
且场阻的微小变化将引起端电压的较大变化,空载电压与励磁回路电阻的大小和电机转速高低有关二、 直流发电机的运行特性,2.1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,,,2.1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,,,ra:串接在电枢回路中各种绕组的总电阻，如电枢绕组、串励绕组和换向极绕组等附加损耗产生P的原因电枢存在齿槽，使气隙磁通发生脉动，在电枢铁心、主极铁心和极靴表面中产生脉动损耗电枢反应使磁场畸变产生的额外电枢损耗电枢拉紧螺栓在磁场中旋转引起的铁耗由换向电流产生的损耗,2.1 直流发电机的平衡方程式,并励发电机,,转矩平衡式,,输入机械转矩,电磁转矩,,2.2 他励发电机的特性,励磁电流不随负载电流变化励磁可调，电压调节范围大，适用于要求电压广泛可调的应用场合工业上低压（4-24V）及高压（>600V）以上均为他励如何改变电机端电压极性？取决于电枢电势的方向，改变转向，而磁通方向不变改变磁通方向，而转向不变,2.2.1 他励时的空载特性,,空载特性通过磁路计算，或空载实验得到即电机的磁化曲线负载特性假设电枢反应的去磁作用与负载电流成线性正比如电枢反应起助磁作用，则特性三角形应翻转，负载曲线比空载曲线高,2.2.2 他励时的外特性,端电压下降的因素：①电枢回路中引起的电压降②电枢反应的去磁作用通常约为0．05—0．10,,,2.2.3 他励时的调节特性,当有负载电流时，为要维持端电压不变，随着负载电流的增大，励磁电流相应增大,U,,,IN,,2.3 并励发电机的特性,励磁绕组与电枢绕组并联、励磁电流由发电机电枢绕组自己供给，随电枢电压变化作为短线路的电源，如同步电机的励磁机、蓄电磁的充电电源等。
如何改变电机端电压极性？取决于电枢电势的方向改变电刷间极性时应注意电压建立的问题即改变原动机转向时必须改变绕组的相对连接《使感应电势与剩磁方向一致》,,2.3.1 并励时的空载特性,并励发电机在空载时，电枢电流等于励磁电流由于励磁电流很小，它流过电枢绕组所产生的电阻压降和电枢反应很小，故空载时的感应电势即可认为是与空载端电压相等所以，并励发电机的空载特性和它的磁化曲线相同,2.3.2 并励时的外特性,端电压下降的因素①电枢回路的电压降；②电枢反应的去磁作用；③端电压下降引起的励磁电流减小电压变化率约为20%,当负载电阻不断减小时，负载电流IL增加但当降至某一临界数值Icr以后，若负载电阻继续减小，则负载电流IL反将逐渐减小当电枢两端直接短路，负载电流将降为微小的短路电流Ik拐点,拐点产生的原因：负载电阻减小后，一方面使负载电流增加，端电压下降；另一方面，端电压下降后，使励磁电流减小，电势下降，使负载电流下降当电压较高时，磁路饱和，励磁电流对电势影响不大；（负载电流随电阻下降而增大）当电流达到临界值时，磁路退出饱和，励磁电流的微小变化引起感应电势的较大变化（负载电流下降）,短路电流的解释：直接短路时，端电压U=0，励磁绕组电压等于0。
励磁电流为零，感应电势仅为剩磁电势，并引起短路电流短路的影响主要在于突然短路的瞬间：由于励磁绕组有很大的电阻，磁通不能立即变为零，imax可达8-12IN2.3.3 并励时的调节特性,讨论,并励发电机在下列情况下空载电压如何变化？磁通减小10% 则Ea=E0也减小10%励磁电流减小10% 发电机正常运行处于磁路饱和状态，If减小10%，则减小小于10%励磁回路电阻减小10% If减小10%，磁阻斜率线减小10%，空载电压是磁化曲线与磁阻线的交点由于工作在磁化曲线的饱和区，U0增加不到10%,2.4 串励发电机特性,空载特性（另外励磁）外特性场阻线（包括外电阻）,串励发电机的端电压当负载变化时很大2.5 复励发电机的特性,复励发电机的外特性界于并励发电机与串励发电机外特性之间复励的程度决定于串联励磁与并联励磁的相对强度，并联励磁通常要比串联励磁强的多 有平复励（恰好补偿）、超复励（过补偿）、欠复励之分思考题,如果没有磁饱和现象，直流发电机是否能自励?试作图说明试描述串励发电机电压建起过程的物理概念串励发电机短路时有无危险? 试解释下二公式的物理意义，并说明它们各用于何种电机,If0——有效激磁电流，If——并励绕组激磁电流，Ia——串励绕组激磁电流Faqd——交轴电枢反应的去磁作用,并励，他励积复励,作业,17-4,三、直流电动机,三、 直流电动机的作用原理,电枢绕组和励磁绕组分别施加直流电源。
气隙中主磁通与电枢电流相互作用产生电磁转矩， 电磁力矩为原动力矩，在电磁力矩的作用下，驱动轴上的机械负载旋转电枢绕组感应电势为,,,3.1 直流电动机的平衡方程式,电压平衡式,,电流平衡式（并励时）,,3.1 直流电动机的平衡方程式,功率平衡式（并励时）,,,并励回路损耗电枢回路铜损电刷接触电损耗机械损耗铁损耗杂散损耗,并励电动机,3.1 直流电动机的平衡方程式,转矩平衡式,,,,,,,,四、 直流电动机的机械特性 和工作特性,4.1 直流电动机的机械特性,转矩特性转速特性转速与转矩特性（机械特性，T-n曲线）,,,在不同的励磁方式下，主磁通随负载电流的变化不同，导致电机特性的差异4.2 电动机稳定运行,,,在恒负载转矩条件下，下降的机械特性电动机能稳定运行，上升的机械特性电动机不能稳定运行在交点处，转速之上则TTz,4.3 并励电动机的特性,如何改变并励电动机的旋转方向：R：分别调换励磁绕组或电枢绕组接头不能简单地改变电源极性，因而电磁转矩方向与主磁通和电枢电流方向的有关2.转速特性负载电流增加，电枢电阻压降增大，如不计电枢反应的去磁作用即主磁通不变，Ea减小一些，Ea=CeIa，则n随Ea的下降而有所减小，形成向下的机械特性。
如考虑电枢反应的去磁作用将使每极磁通φ减少，并励电动机的转速变化很小电阻电压降的影响影响较大，转速特性是略为下倾的——硬特性,,,4.3并励电动机的特性,,3. 机械特性主磁通由于负载电流去磁作用的影响随电流增加而略有减小Ra=0时，称为自然机械特性——硬特性增加电枢回路串联电阻，则机械特性变软如改变励磁电流，则If越小时，空载转速越高，电机特性越软如改变电枢电流（但保持励磁不变）则机械特性为平行的直线，n0不同，硬度不变并励电动机励磁失磁的分析,当励磁回路断路时，气隙中的磁通将骤然降至微小的剩磁，电枢回路中的感应电势也将随着减小由于惯性，电机速度不能突变，电枢电流将急剧增加，使电动机严重过载电磁转矩的变化（1）当电枢电流的增加程度不足以补偿每极磁通的减小程度时，电磁转矩减小，因而使电动机减速；（2）当电枢电流的增加程度超过每极磁通的减小程度时，电磁转矩将增大，使电动机加速，直至转速上升到危险的高值（达到电压平衡）4.4 串励电动机的特性,,,4.4 串励电动机的特性,,,,转速特性负载较小时，励磁小，磁路不饱和，主磁通与电流成正比负载较大，在磁路饱和后，主磁通近似不变，随电流增加转速略有下降,4.4 串励电动机的特性,,T,,3. 机械特性铁心饱和后,在工作范围内，转速随负载电流急剧变化——软特性。
不能在极轻载下运行,,适当地选择并励磁势和串励磁势的相对强弱，可使复励电动机具有负载所需要的特性 以并励为主的积复励：当负载转矩突然增加时，电枢电流增大（电枢反应去磁作用增强），串励磁势增加，使主磁通增大①使电磁转矩很快的增大以克服突然增大的负载转矩；②使反电势很快的增大以减小电枢电流的冲击值 ③ 当电枢反应去磁作用很强时，仍能使电机有下降的机械特性，保持其稳定运行4.5复励电动机的特性,五、直流电动机的起动、调速和制动,5.1 直流电动机的起动,起动要求：足够的起动转矩一定范围的起动电流起动时间符合生产要求、起动设备简单、经济、可靠t,直接起动,t=0时，n=0，Ea=0，Ia=U/ra很大（10-50IN），副作用有：损坏电枢绕组、导致换向器环火随着速度增加，反电势增加，电枢电流反而下降5.2 限制起动电流的起动方法,变阻器起动——起动时，在电枢回路中串入变阻器 ，当转速逐渐上升时，可把起动电阻逐级切除直流并励电动机起动时，励磁回路中串联的电阻取较小的值：起动中要求较大的转矩，励磁回路电阻小，励磁电流大，较大，有利起动电机起动后，感应电势建立，使起动电流很快减小5.3 降压起动方法,一般只适用于大容量频繁起动的直流电动机，须用专门的调压电源。
优点：起动电流小，起动消耗能量少，升速比较平稳 在起动过程中，可逐步提升电源电压，使按需要的加速度上升在实用中，发电机-电动机组即采用降压起动法，其中，发电机及电动机均采用他励，以保证起动时有足够的励磁电流整流器-电动机”组也采用此方法6.1 直流电动机的调速,基本要求：调速幅度宽广、调速连续平滑、损耗小、经济指标高等①调节励磁电流以改变每极磁通Φ； ②调节外施电源电压U； ③电枢回路中引入可调电阻量Ra调速性能：速比：最高与最低速度之比；平滑性或跳级调速；经济性：损耗、效率调速设备简单、可靠、操作方便等6.2 并励电动机的弱磁调速,调节励磁电流以改变主磁通,,当磁路不饱和，且忽略电枢反应的影响和Iara后，,(1)最高转速受机械强度及换向的限制； (2)最低转速受励磁绕组本身固有电阻及磁路饱和的限制6.3 调节电源电压调速,在很广的范围内平滑调速，且电动机的机械特性硬度保持不变励磁恒定时，如他励,可用于串励电动机调速在电力牵引机车中，常把两台串励电动机从并联运行改为串联运行，使每台电动机的端电压从全压降为半压6.4 调节可变电阻调速,效率低负载转矩较小时，电枢电流小，调节作用不大电动机机械特性变软，使转速变化率增大,改变电阻Ra，即相当于改变了电动机的电枢绕组两端电压。
一般从调速范围、连续平滑性、调速中电能消耗、设备投资经济性等方面比较各种调速的优缺点适用范围主要指适用于恒转矩或恒功率、有级或无级调速、适用与大中型或小型电机等7 直流电动机的制动,即在转动方向产生阻力矩,能耗制动,,制动时，制动转矩由B点开始沿直线BC下降至零制动过程中，电枢电流为电磁转矩 为制动性质转速转矩特性为,结论：制动时，机械特性为过原点的直线制动过程：开始时，由稳定运行的工作点A，突然跳到B；此后，制动转矩将随电机转速的下降而沿BC下降，直至零，转速为零特点：制动转矩在低速时变化很小，可加上机械制动闸，加快停转。