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1、2.5 直流电动机的基本特性 教学内容 直流电机电动机的励磁方式，各种励磁方式下电枢电流、励磁 电流和端电流之间的关系。 并励直流电动机的基本方程：电压方程、功率平衡方程、转矩 平衡方程； 直流电机电磁功率的概念及其计算，效率的计算。 并励直流电动机工作特性：速率特性、转矩特性和效率特性 串励直流电动机工作特性：速率特性、转矩特性和效率特性 直流电动机的机械特性，自然机械特性、人工机械特性。 并励直流电动机的机械特性； 串励直流电动机的机械特性直流电机按励磁方式分类 励磁方式是指励磁绕组的供电方式。直流电机按励磁绕组供电方式可分为四类： 他励直流电机：励磁绕组由其他直流电源单独供电。 并励直流
2、电机：励磁绕组与电枢绕组并联，电枢电压 即励磁电压。 串励直流电机：励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流 即励磁电流。 复励直流电机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢 绕组串联，另一部分与电枢绕组并联。 他励直流电动 机并励直流电动 机串励直流电动 机复励直流电动 机I=Ia ， If 与Ia无关I=Ia +IfI=Ia=IfI=Ia +If ，Ia=If 正方向假定采用电动机惯例。其中U为电机端电压，I为电机 端电流，Uf为励磁电压，Ia为电枢电流，If和If 为励磁电流。 同一台电机随外部条件的不同，既可作发电机运行又可作电动机运行，这就是电机 的可逆性。对于直流电机，其运行状态的判 据为：
3、发电机 EU，Ia与E同方向，Tem与n反方向，将机械能转换成电能。 电动机 EU，Ia与E反方向，Tem与n同方向，将电能转换成机械能。2.5.1 2.5.1 并励直流电动机的基本特性并励直流电动机的基本特性 U电机端电压 I电机端电流 Ia为电枢电流 If励磁电流 Uf励磁电压 E感应电动势，E=CEn Ub电刷接触压降 ra电枢绕组电阻 rf励磁绕组电阻 rj励磁回路调节电阻 Tem电磁转矩，Tem=CTIa T2负载阻转矩 T0空载阻转矩 J转动惯量 n电机转速(r/min) 电机角速度(rad) ， =2n/60 2.5.1 2.5.1 基本方程基本方程 1. 1.电动势平衡方程电动
4、势平衡方程稳态运行时，电枢回路有稳态运行时，电枢回路有 励磁回路电压方程为励磁回路电压方程为电流方程为电流方程为其中其中2.5.1 2.5.1 并励直流电动机的基本特性并励直流电动机的基本特性 在动态情况下：电枢回路：励磁回路：2.5.1 2.5.1 基本方程基本方程 2. 2. 功率平衡方程功率平衡方程电机输入功率电机输入功率 为电功率，即为电功率，即电功率平衡方程就是电功率平衡方程就是电磁功率电磁功率 产生电磁转矩产生电磁转矩 ，使电机转动并拖，使电机转动并拖 动机械负载，实现电能到机械能的转换，最终在电机动机械负载，实现电能到机械能的转换，最终在电机 转轴上输出的机械功率为转轴上输出的机
5、械功率为 ，即，即转子轴上输出的机械功率 P2输出机械功 率p0=pFe+pmec+pad 三种损耗之和 p0空载损耗产生的原因很复杂，如主磁场脉动、 畸变，杂散磁场效应，金属紧固 件中的铁耗等等，很难准确计算， 通常估算约为电 机额定功率的 0.5%1%。pad附加损耗包括轴承摩擦损耗和通风损耗，主要 与转速有关pmec机械损耗主要存在于电枢铁心中， pFe铁耗Pem= E Ia 机电能量转换的功率 Pem电磁功率pCuf = If2 Rf pCuf 励磁回路铜 耗pCua = Ia2 Ra pCua电枢回路铜 耗P1=UI P1输入电功率计算公式符号名称2.5.1 2.5.1 基本方程基本
6、方程 由前面两式可得由前面两式可得电动机的效率为电动机的效率为 2.5.1 2.5.1 基本方程基本方程 3. 3.转矩平衡方程转矩平衡方程稳态恒速运行时稳态恒速运行时 ，有，有即平衡方程为即平衡方程为 Tem= Pem 为电磁转矩；T2= P2 为负载制动转矩；T0= p0 为空载制动转矩。 变速运行时，考虑机组轴系转动惯量的作用，则 更为普通的转矩平衡方程为： 式中：当T0时，转子加速，反之，转子减速当且仅当T恒为0时，转子转速才保持恒定4、状态方程 直流电动机的机电动态行为可用微分方程描 述，选电枢电流，励磁电流和转子角速度为 状态变量，其一般化表示为：2.5.2 2.5.2 工作特性工
7、作特性 一、并励电动机一、并励电动机并励电动机试验接线图并励电动机试验接线图特性形状：随负载P2增加，转速n略有下降。原因：因为在实验过程中，U和If保持不变，而由 式n=(U-IaRa)CE可知，P2增加即Ia增加时，随电 枢回路电阻压降IaRa的增加，转速n在CE恒定时是 必然要下降的，但Ia增加的同时亦使电枢反应的去 磁作用会有所增强，这样，也有下降趋势。因此，两者相消，转速究竟是上升还是下降，最终还要 看各自变化的速率。不过，对于一台设计良好的直 流电动机来说，以稳定运行为前提，速率特性总是 略微下降的。1. 1. 速率特性速率特性 n n= =f f( (P P2 2) ) 定义转速
8、调整率 n =(n0-nN)nN100%式中，n0和nN分别为空载转速和额定转速。 并励电动机的转速调整率在3%4%之间，转速基本恒定。 必须指出，并励电动机运行时，励磁绕组绝对不能开路。这是因为重载时，这将使电机停 转，反电动势为零，电枢电流急剧增加而导致 过热；轻载亦将导致“飞速”而损坏转动部件。2. 转矩特性 Tem=f(P2)特性形状：Tem是一条略微上翘的直线，其与纵 轴的交点对应于空载转矩T0。原因：Tem=T0+T2，而T2=P2是一条略微上 翘的经过原点的直线（其原因是随P2增加， 略有下降），故Tem曲线可由T2曲线平移得到。3. 效率特性 =f(P2) 根据效率计算公式，效
9、率特性曲线 可由实测的P1和P2计算而得。普通电机大都在接近额定功率前效率取最大值， 此时电机中的可变损耗在理论上与不变 损耗相等。 2.5.2 2.5.2 工作特性工作特性 二、串励电动机二、串励电动机串励电动机试验接线图串励电动机试验接线图 1. 速率特性n=f(P2)特性形状：速度随负载增加而快速下降。原因：因为If=Ia，n = (U-IaRa-IaRf)CE 可知，P2 增加即Ia增加时，(U-IaRa-IaRf)下降速， 而CE增加，结果必然使n快速下降。串励电动机绝对不允许空载运行，以避免发生“飞 速”现象。因此，串励电动机的转速调整率定义为n =(n1/4-nN)nN100%式
10、中，n1/4为1/4额定负载时的转速。 2. 转矩特性Tem=f(P2)特性形状：随P2增加而快速上升。原因：由于P2增加，即Ia增加时，将增加，不饱 和时应有Ia，从而TemIaIa2，即便考虑饱和影响，转矩亦按大于电流一次方的速率增加。因此 ，串励电动机有较大的起动转矩和很强的过载能力 ，尤其适合于电力机车一类牵引负载。2.5.2 2.5.2 工作特性工作特性 三、复励电动机三、复励电动机复励电动机试验接线图复励电动机试验接线图2.5.3 2.5.3 机械特性机械特性 直流电动机在U=UN=常值时，转速n与电磁转 矩Tem之间的关系曲线n=f(Tem)称为机械特性。机械特性表达式为n =n
11、0-(Ra+Rj)CE CT2Tem其中，n0为理想空载转速，Rj为串入电枢回路的调节电阻。 理想空载转速 n0=UCE。 自然机械特性 Rj=0时的机械特性。 人工机械特性 Rj0时的机械特性。2.5.3 2.5.3 机械特性机械特性 称之为直流电动机的机称之为直流电动机的机 械特性方程式械特性方程式直流电动机的速率特性直流电动机的速率特性 1 1并励电动机并励电动机 2 2并励为主的复励电动机并励为主的复励电动机 3 3串励为主的复励电动机串励为主的复励电动机 4 4串励电动机串励电动机 5 5差复励电动机差复励电动机 机械特性为直线，表达 式可改写为 n =n0-kTem故并励电动机的自
12、然机械特性接近于一水 平线，并称为硬特性。 并励电动机的自然机 械特性和人工机械特性 如图所示。k=(Ra+Rj) CECT2 为直线斜率。2. 串励电动机 设磁路不饱和，即Ia， 则Tem=CTIa2，可推得 n=C1UTem1/2-C2(Ra+Rj)式中，C1和C2为比例常数。串励电动机的机械特性为 双曲线，转速随转矩增加 而下降的速率很快，称之 为软特性。2.5.3 2.5.3 机械特性机械特性 对并励电动机对并励电动机 对串励电对串励电 动机动机并励电动机的机械特性并励电动机的机械特性串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性 2.5.2 2.5.2 工作特性工作特性 1. 1.速率特性速率特性定义转速调整率定义转速调整率 2. 2.转矩特性转矩特性 3. 3.效率特性效率特性根据效率计算公式，效率特性曲线可由实测的根据效率计算公式，效率特性曲线可由实测的 和和 计算得到，普通电机大都在接近额定功率前效率取最大计算得到，普通电机大都在接近额定功率前效率取最大 值，此时电机中的可变损耗在理论上与不变损耗相等。值，此时电机中的可变损耗在理论上与不变损耗相等。 2.5.2 2.5.2 工作特性工作特性 1. 1.速率特性速率特性定义转速调整率定义转速调整率2. 2.转矩特性转矩特性
