02直流电动机的电力拖动.ppt

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2.1a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2.1b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1.2～1.5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。,,,,,,,,2.1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2△Us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2.1a，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，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。,1.反抗性恒转矩负载,反抗性恒转矩负载的特点是负载转矩TL的大小不变，但方向始终与生产机械运动的方向相反，总是阻碍电动机的运转。当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的方向也随之改变，其特性在第一和第三象限，如图2.4所示。属于这类特性转矩如摩擦转矩等。,,,,,,,,2.3生产机械的负载转矩特性,图2.4反抗性恒转矩负载特性,图2.5位能性恒转矩负载特性,2.位能性恒转矩负载,这种负载的特点是不论生产机械运动的方向变化与否，负载转矩的大小和方向始终不变。例如起重设备提升或下放重物时，由于重力所产生的负载转矩的大小和方向均不改变。其负载转矩特性在第一和第四象限，如图2.5所示。,,,,,,,,2.3生产机械的负载转矩特性,二、恒功率负载,恒功率负载的特点是当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，即,,即负载转矩TL与转速n成反比。例如，一些机床切削加工，车床粗加工时，切削量大TL大，阻力大，转速低；精加工时，切削量小TL小，转速高。恒功率负载特性曲线如图2.6所示。,图2.6恒功率负载特性曲线,,,,,,,,2.3生产机械的负载转矩特性,三、通风机类负载,通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速n的平方成正比，即式中K比例常数。常见的这类负载如风机、水泵、油泵等。负载特性曲线如图2.7所示。,图2.7通风机负载特性曲线,应当指出，以上3类是典型的负载特性，实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的相近或综合。例如起重机提升重物时，电动机所受到的除位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴的负载转矩应是上述两个转矩之和。,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,利用电动机拖动生产机械时，必须使电动机的工作特性满足生产机械提出的要求。在电动机的各类工作特性中首要的是机械特性。电动机的机械特性是指电动机的转速n与其转矩电磁转矩T之间的关系，即曲线。机械特性是电动机性能的主要表现，它与运动方程相联系，在很大程度上决定了拖动系统稳定运行和过渡过程的性质及特点。必须指出，机械特性中的转矩是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩T2是不同的，其间差一个空载转矩T0。只是由于在一般情况下，空载转矩T2与电磁转矩或负载转矩TL相比较小，在一般工程计算中可以略去T0，而粗略地认为电磁转矩T与轴上的输出转矩T2相等。,,,,,,,,,直流他励电动机的基本接线图如图2.8所示。,一、机械特性方程式,图2.8直流他励电动机接线图,电枢回路和励磁回路分别由独立的电源供电。电枢回路包括电枢绕组和电刷等的内阻为，附加电阻Rk，则电枢回路电阻总值为。励磁回路励磁绕组的电阻为，此外也包括附加电阻Rf。假设U、R、Φ均为常数，且认为没有电枢反应。,,,根据前面已经学过的内容及图2.8所示的电路，可以写出电枢回路的电压平衡方程式为,,2.15,2.4直流电动机的机械特性,,,,,,,,又已知直流电动机的电枢电势及电磁转矩分别为同时在同一电动机中有,2.16,2.17,2.18,忽略电刷的接触电压降落，将式2.16代入式2.1，并整理得,,2.19,该式称为电动机的速度特性方程式。由式2.17可得电动机的电枢电流为,,2.20,2.4直流电动机的机械特性,,,,,,,,代入式2.19，得,,2.21,这就是直流他励电动机的机械特性方程式。当U、R、Φ均为常数时，方程式可以写成式中βT为速度降落△n，即,,2.22,,2.23,2.4直流电动机的机械特性,据式2.22可知转速n与转矩T之间是直线关系。根据此关系可画出一条向下倾斜的直线，即直流他励电动机的机械特性，如图2.9所示。式2.22中，相当于图中直线交于纵轴的转速。因为它是在理想空载T0时电动机的转速，故又称为理想空载转速。当电源电压U和磁通Φ恒定时，n0是个常数。但通过调节U或Φ，可以改变理想空载转速n0的大小。,,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,必须指出，电动机的实际空载转速n0’比n0略低，如图2.9所示。这是因为电动机空载转起来后，因为有空载转矩T0存在，所以电磁转矩T不可能为零，必须等于T0，即电动机必须克服空载损耗转矩T0。此时电动机实际空载转速n0’为,,2.24,图2.9直流他励电动机的机械特性,式2.22中，右边第二项为直线的斜率。当改变附加电阻或磁通Φ时，就改变了特性的斜率。当电动机输出转矩T时，即带负载的情况下，就存在Δn。所以直流他励电动机的机械特性为一条向下倾斜的直线，而且β斜率越大，Δn就越大，机械特性越“软”；反之，特性越平坦，机械特性越“硬”。一般直流他励电动机，当没有电枢外接电阻时，机械特性都比较硬。机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。,,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,二、固有机械特性,当直流他励电动机端电压，磁通，电枢回路附加电阻时的机械特性称为固有机械特性。对照式2.21，此时的机械特性方程式为固有机械特性的理想空载转速为转速降落为,,,,,2.25,,2.26,,2.27,固有机械特性的特性曲线如图2.10中曲线1所示，其特点是1对于任何一台直流电动机，其固有机械特性只有一条；2由于，特性曲线的斜率β较小，Δn较小，特性较平坦，属于硬特性。,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,三、人为机械特性,在有些情况下，要根据需要将式2.21中三个参数中，保持两个参数不变，人为地改变另一个参数，从而得到不同的机械特性，使机械特性满足不同的工作要求。这样获得的机械特性，称为人为机械特性。直流他励电动机的人为机械特性有以下3种。,,1.电枢串接电阻时的人为机械特性,如图2.8所示，电枢回路串接电阻，总电阻。电源电压，磁通，此时的人为机械特性方程式可根据式2.21得出为,,,2.28,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,其机械特性如图2.10所示。与固有机械特性相比，电枢串接电阻时的人为机械特性具有如下一些特点1理想控制转速与固有特性时相同，且不随串接电阻的变化而变化；2随着串接电阻的加大，特性的斜率β加大，转速降落Δn加大，特性变软，稳定性变差。3机械特性由与纵坐标轴于一点n但具有不同斜率的射线族所组成。4串入的附加电阻越大，电枢电流流过所产生的损耗就越大。,1－固有机械特性2、3－电枢串联电阻为及时的人为机械特性,图2.10直流他励电动机的固有机械特性及电枢串接电阻时的人为机械特性,2.改变电源电压时的人为机械特性,此时电枢回路附加电阻，磁通即。改变电源电压，一般是由额定电压向下改变。由式2.21，得出这时的人为机械的性方程式为,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,,2-29,其机械特性如图2.11所示。与固有机械特性相比，当电源电压降低时，其机械特性的特点为1特性斜率β不变，转速降落Δn不变，但理想空载转速降低；2机械特性由一组平行线所组成；3由于，因此其特性较串联电阻时硬。4当T＝常数时，降低电压，可使电动机转速n降低。,图2.11直流他励电动机改变电源电压时的人为机械特性1－时2、3－及时,1－,时,,,,,,,,,3.改变电动机主磁通时的人为机械特性,2.4直流电动机的机械特性,在励磁回路内串联电阻，并改变其大小，即能改变励磁电流，从而使磁通改变见图2.8。一般电动机在额定磁通下工作，磁路已接近饱和，所以改变电动机主磁通只能是减弱磁通。减弱磁通时，使附加电阻；电源电压。根据式2.21可得出此时的人为机械特性方程式为,,,2-30,Φ为不同数值时的人为机械特性曲线如图2.12所示。其特点为1理想空载转速与磁通Φ成反比，即当Φ下降时，上升；2磁通Φ下降，特性斜率β上升，且β与成反比，曲线变软；3一般Φ下降，n上升，但由于受机械强度的限制，磁通Φ不能下降太多。在图2.12中，分别为时的短路堵转转矩，由于，即将随Φ之减弱而降低。,,,,,,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,一般情况下，电动机额定负载转矩小得多，故减弱磁通时通常会使电动机转速升高。但也不是在所有的情况下减弱磁通都可以提高转速，当负载特别重或磁通Φ特别小时，如再减弱Φ，反而会发生转速下降的现象。这种现象可以利用机械特性方程式2.30来解释。当减弱磁通时，一方面由于等式右边第一项的因素提高了转速，另一方面由于等式右面第二项的因素要降低转速，而且后者与磁通的平方成反比，因此，在负载转矩大到一定程度时，减弱磁通所能提高的转速，完全被因负载所引起的转速降落所抵消。如图2.12中的c点，当再加大负载转矩时，发生“反调速”现象，如图2.12的a、b处所示。即减弱磁通不但不能提高转速，反而降低了转速。在实际电动机运行中，由于负载有限，不会工作在这个区段。,,四、机械特性的计算与绘制,由于直流他励电动机具有直线规律的机械特性，如式2.21。为了绘制这一机械特性，不论是固有机械特性，还是人为机械特性，只要知道两点就可以了。为此需要知道电动机的参数，例如等。而这些参数又和电动机绕组结构参数P、、N等有关，要把所有的参数都查清楚不太容易，特别是这些参数在电动机铭牌上更是不会标出的。,,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,在设计时，往往根据电动机铭牌数据、产品目录或实测数据来计算机械特性。对计算有用的数据一般是。下面介绍固有机械特性与人为机械特性的计算机绘制方法。,,1.固有机械特性的计算与绘制,直流他励电动机的固有机械特性可以方便地由理想空载点0、和额定工作点决定。固有机械特性方程见式2.25，理想空载转速式中额定电压可由电动机的铭牌数据取得。而可由额定状态下电枢回路的电压平衡方程式求出，即,,,2.31,,,2.32,以上各量均为电动机铭牌数据，而一般不在铭牌数据中给出。如果已有电动机，可以实测；如果设计时还没有电动机，可用下式估算的数值，即,,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,,2.33,式2.33是一个经验公式，其中认为在额定负载下，电枢铜损耗占电动机总损耗的1/2～2/3。按式2.33求出电枢电阻r，然后将值代入式2.32求出。再将带入式2.31，求出理想空载转速，这样，理想空载点0、即可确定。对于额定工作点，由式2.18知由式2.17知按上式求出额定转矩，额定工作点即可确定。有了额定工作点和理想空载点，就可以绘出固有机械特性。,,,,,,,,,,,2.4直流电动机的机械特性,2.人为机械特性的计算与绘制,各种人为机械特性的计算较为简单，只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方程式即可。例如，电枢串联电阻的人为机械特性可用式2.28求得，式中为已知，与的计算方法相同。根据串联电阻的数值，假定一个转矩T值一般用，用式2.28求出值，这样得出人为机械特性上的一点，连接这点与理想空载点，即得电枢串联电阻的人为机械特性。用类似的方法，可绘出改变电压U及减弱磁通Φ时的人为机械特性。,,,,,,,,,,,,2.5直流串励电动机,一、直流串励电动机的接线与特点,串励电动机的接线图如图2.13所示。在串励电动机中，励磁电流与电枢电流相等，因此气隙磁通是随电枢电流而变化的，这是串励电动机的主要特点，它决定了串励电动机的主要性能。,图2.13直流串励电动机的接线图,二、串励电动机的特性,1.转矩特性在串励电动机中，由于励磁电流就是电枢电流，因此。如果不考虑饱和效应，K常数。当考虑饱和效应时，K是一个变数。随着电流的增加，K值逐渐减少。参考式2.17，得到串励电动机的电磁转矩表达式为,,,2.34,,,,,,,,可见，串励电动机的电磁转矩与电枢电流的平方成正比，转矩特性为一抛物线。实际上，当负载电流较大时，铁心已饱和，虽然励磁电流随负载电流增大而增大，但此时每极磁通Φ变化不大，电磁转矩T大致与负载电流成正比变化。其转矩特性曲线如图2.14所示。2.转速特性当负载很小时，。参照式2.19，得串励电动机的速度特性表达式为,2.5直流串励电动机,图2.14串励电动机的转矩和转速特性,,2.35,由此可见，串励电动机的转速与电枢电流成反比，转速特性为一双曲线。当负载电流较大时，磁路已饱和，每极磁通Φ变化不大。又因为，所以转速n将随电流的增加而略为下降。其转速特性曲线如图2.14所示。,,,,,,,,,2.5直流串励电动机,3.机械特性串励电动机在电枢电路的电压平衡关系及电磁转矩、反电动势的形式上仍服从基本定律，其形式与式2.1、式2.16、式2.17相同。但由于串励电动机有其自身的特点，因此在个别规律上有所差异。从电磁转矩上看，随着电枢电流的增加，主磁通Φ也增加，所以电磁转矩T比直流他励电动机有较大增加。从反电动势上看，当转速n增加时，反电动势暂时增加，电枢电流随反电动势增加而下降，于是磁通Φ减小，反电动势也随之又小下来一些。由此可见，在串励电动机中，反电动势并不和转速n成比例，而只是随n的增加有较小的增加。从上述3个基本关系式也可以求出和直流他励电动机形式相同的机械特性方程式,,,,2.36,按上式作出的串励电动机的机械特性曲线如图2.15所示，也为一双曲线。当附加电阻时，所得的机械特性称为自然机械特性。,,,,,,,,,2.5直流串励电动机,从式2.17可知，随着转矩的增加，电枢电流增加。但在串励电动机中，电枢电流增加的同时，转速急剧下降。这可以从式2.36看出由于第一项的原因，随着电枢电流的增加，主磁通大量增加，分母变大，因而转速下降；由于第二项的原因，电枢电流增加时，电阻压降增加，分子变大，因而使得转速更加降低。因此，串励电动机机械特性的特点是随着转矩的增加，电流增加，转速急剧下降图2.15，特性变软。,图2.15串励电动机的机械特性,当轻载时，直流串励电动机的转矩很小，因此电枢电流及主磁通也很小。此时串励电动机的转速会上升到危险的高值，电动机的机械强度往往不能承受这样大的离心力而受损坏。所以串励电动机绝对不允许空载启动及空载运行。对一般串励电动机而言，工作的最低负载不应小于额定值的25～30。串励电动机的转矩，而并励电动机的转矩则为。因此，如果不考虑饱和效应，在串励电动机中，转矩正比于电流的平方。而在,,,,,,,,,,2.5直流串励电动机,并励电动机中，转矩正比于电流的一次方。即同样大的启动电流，串励电动机能产生较大的启动转矩，这是串励电动机性能上一个可贵的特点，因此启动较困难的地方常用串励电动机，例如启动闸门等处。由于输出功率，并励电动机的转速基本不变，因此输出功率将随着转矩正比例变化。但在串励电动机中，由于转矩增加的同时转速在减少，故功率增加较慢。因此串励电动机不至于因为负载转矩增大而过载，常用在负载转矩经常大幅度变化的场所，例如用于电车及吊车等设备中。,,,,,,,,,,2.6直流发电机的特性,直流发电机由原动机拖动，转速是恒定的，所以，外部可测的变量只有3个端电压U，负载电流，励磁电流。直流发电机的特性就是在正常运行时，外部各个可测物理量之间的变化关系。发电机的特性曲线将随着发电机的励磁方式的不同而不同，由于直流他励发电机与并励发电机的励磁方式的不同，因此在这里仅以直流他励发电机与并励发电机为例介绍相关特性。关于直流串励发电机的相关特性请读者参考相关书籍。,,,一、直流他励发电机的接线与特点,直流他励发电机的接线图在形式上与直流电动机的接线相同，可参考图2.8。其励磁回路与电枢回路不相连接，分别由独立的电源供电。在电磁转矩与反电动势的形式上，直流他励发电机也与直流他励电动机相同。但在电枢回路的电压平衡关系上，它与直流他励电动机正好相反。参照2.2.1的内容，可得直流他励发电机的电压平衡关系式为,,2.40,式中电枢电流；电枢回路的总电阻；正负电刷的接触电压降落。在额定负载时，一般情况下取,,,,,,,,,,,,,二、直流他励发电机的特性,2.6直流发电机的特性,1.空载特性当转速n＝常数，负载电流I＝0时，端电压U随励磁电流If而变化的关系称为空载特性，即UfIf曲线。在负载电流为零时，电枢回路的电阻电压降落等于零。因此据式2.40可知，空载时发电动机端电压U等于感应电势Ea忽略电刷接触电压降，即由于n等于常数，所以U0正比于Φ。而同时励磁电流又正比于励磁磁动势Ff。所以空载特性曲线UfIf与电动机的磁化曲线ΦfFf在形状上完全相同。空载特性曲线的形状如图2.16所示。当励磁电流从向变化时，端电压沿着曲线1从U向－U变化。如果励磁电流在从向变化，端电压便沿着曲线2从－U向U变化。曲线1和曲线2所组成的回路与磁滞回线相对应，它由磁路材料的性质所决定。因此根据发电机的空载特性曲线可以了解电动机磁路的性质。当时，端电压并不等于零，这是由发电机内部的剩磁所感应的，称为剩磁电压，通常它约为额定电压的2～4左右。实际上，总是取曲线1和曲线2之间的平均值曲线3来代表空载特性。,,,,,,,,,,,,从空载特性可以判断出发电机在额定电压下磁路的饱和程度。一般情况下，额定电压位于空载特性开始弯曲的部分称为膝点，如图2.16中的A点。如果额定电压在A点以下，说明磁路未饱和，铁心没有充分利用，不经济；同时，励磁电流稍微变化。,2.6直流发电机的特性,图2.16直流他励发电机空载特性,2.外特性他励发电机的电枢电流Ia和供给负载的电流IL相等。由电压平衡方程式可知，当有负载电流流通时，将有两种因素影响到端电压一是在电枢回路中引起的电压降，它包括电枢绕组本身的电阻压降及电刷接触电压降2U；二是电枢反应的去磁作用，它将使每极磁通略微减少，因而使感应电动势略微降低。,,,,,,,,,2.6直流发电机的特性,他励发电机的外特性是下降的，即当负载电流增加时端电压将下降。这是因为根据电枢回路的电动势平衡方程式可知随着电流Ia的增加，电枢回路的电阻电压降上升，因而使端电压下降；根据发电动机的反电动势表达式可知，因电阻压降和电枢反应的影响不大，端电压的变化也不大，故他励发电机基本上是恒压的，如图2.17所示。,,图2.17直流他励发电机外特性图2.18直流他励发电机调节特性,,,,,,,,2.6直流发电机的特性,设表示空载时的端电压，表示满载时的端电压，依定义，电压变化率为电压变化率即为当发电机自额定满载状态卸去负载后电压上升的数值与额定电压的比值。他励机通常约为0.05～0.1。3.调节特性前以述及，当有负载电流流过时，有二种因素会引起端电压下降。为要维持端电压不变，随着负载电流的增大，励磁电流也应略微增大，反应此过程的特性曲线即为他励机的调节特性。特性曲线如图2.18所示。他励发电机的电压变化率很小，且其励磁电流能在相当大的范围内调节。因此，他励方式适用于需要大幅度调压的大型发电机。工业上应用的6～24V的低压直流发电机和超过600V的高压直流发电机也采用他励。,,,,,,,,,,2.6直流发电机的特性,三、直流并励发电机,并励和复励直流发电机都是一种自励发电机，它们不需要外部直流电机供给励磁电流。所以一般情况下，这种自励发电机的运行首先是在空载时建立电压即所谓自励，然后才能加以负载。下面以并励发电机为例来讨论发电机的空载自励。1.并励直流发电机自励的条件并励发电机接线图如图2.19a所示，图中刀开关打开，电机处于空载状态。为使并励发电机能建立电压，电机内部必须有剩磁。当电枢旋转时，由剩磁产生一个不大的剩磁电动势，如果励磁绕组与电枢两端并联的极性正确，使得励磁绕组中通过的电流所建立的磁通势与剩磁方向一致，则气隙磁场得到加强，电枢绕组中的电动势增加，励磁电流也相应增长，这样电压就建立起来了，但电压建立起来以后，最后稳定到什么数值，还须作进一步分析。,,,,,,,,,2.6直流发电机的特性,ab,图2.19并励与复励发电机接线图,在图2.20中，画出发电机的空载特性。因为励磁绕组中的电压下降与励磁电流成正比，可画出伏安特性为一条直线，也称为励磁绕组的电阻线。如果不计电枢电阻Ra上的电压降以及电枢反应，则励磁绕组的端电压Uf与励磁电流If，从电机磁路关系上考虑要满足空载特性，即,,,,,2.37,而且从电路关系上观察，又必须遵循伏安特性，即,在稳态下，Uf必须等于U0，则,,,2.38,由此可知，U0、必须同时满足式2.37与式2.38。所以U0与之值就是表示上述两种特性的曲线交点A的坐标。亦即并励发电机自励建立电压以后，电压会稳定在A点。电压建立的过程是这样的当并励发电机中由剩磁电动势E0r加到励磁绕组上，则产生一个不大的励磁电流，由于增加,,,,,,,,,2.6直流发电机的特性,了气隙磁场，使电动势增大为E01，再E01由去增大励磁电流，使它由变为，再增强气隙磁场和电动势等。这种过程一直继续进行到A点为止。,图2.20并励发电机的自励发电特性,1空载特性2励磁电阻线3临界电阻线,总的来说，并励发电机自励发电的条件为1电机必须由剩磁，如果电机已失磁，可用其他直流电源激励一次，以获得剩磁。2励磁绕组并联到电枢的极性必须正确，否则在励磁绕组接通以后，电枢绕组中电动势不但不会增大，反而会下降，如有这种现象，可将励磁绕组与电枢出线端的连接对调，或者将电枢反转。这两种措施都可以改变励磁绕组两端的极性，即改变励磁电流的方向。3如果励磁回路中电阻很大，则伏安特性很陡，与空载特性交点很低或无交点，也不能建立电压，如图2.20中直线3与空载特性相切，亦无交点，此时励磁回路的电阻值称为临界值。所以要使电机能顺利地自励建压，还必须使励磁电阻rf＜。,,,,,,,,,,2.负载运行无论是并励还是复励发电机建立电压以后，在nnN的条件下，加上负载，发电机的端电压会发生变化。一般情况下，端电压都是下降的。负载越大，端电压越低。这种发电机端电压随负载变化的特性可用如下方法测取。当nnN常数时，调节励磁回路中的电阻使电机在额定电压UN下有额定电流IN，然后保持Rf不变，rΩ为外加电阻，逐步减少负载到零，测取U及I，然后画曲线UfIf，这种特性称为发电机的外特性。在图2.21中，表示了他励、并励和复励积复励发电机的外特性。,2.6直流发电机的特性,,图2.21直流发电机的外特性,1积复励发电机的外特性2他发电机的外特性3并励发电机的外特性,,,,,,,,2.6直流发电机的特性,发电机端电压随负载电流变化的原因，可从电动势方程式UEa-IaRaCen-IaRf中看出。以负载增加为例，可见1负载增加。去磁性质的电枢反应引起气隙合成磁通的减小，从而使相应的感应电动势下降。2此时电枢回路的电阻压降和电刷接触压降均增大。以上两个因素都促使发电机端电压下降，与他励发电机中一样。但在并励发电机中，除上述两个主要因素外，还有一个因素将促使端电压进一步降低，即当端电压下降时，励磁电流If将减少因为IfU/Rf，而If的减小，将引起气隙磁通以及感应电动势进一步减小，所以并励发电机的外特性比他励发电机要低。如果复励发电机的串励磁通势与并励磁通势方向一致，是积复励的话，当负载电流增加，串励磁通势随之增大，使电机总磁通势增强，可以增大感应电动势以补偿电枢反应的去磁作用和电枢回路中的电压降，使发电机端电压在一定范围内基本上保持恒定。串励发电机因其励磁磁通势直接随负载电流变化而变化，端电压极不稳定，故很少应用。若要求发电机具有很好的恒压性能，则励磁电流If必须随负载电流Ia的变化而及时加以调节，这种调节作用可由自动装置来完成。,,,,,,,,本章小结,1直流电动机按励磁方式不同可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。2直流电动机运行时，T与n方向相同，T起拖动作用，Ea与Ia方向相反，为反电动势，且有UEa。其工作过程中存在的基本平衡关系有3并励电动机的工作特性是指当UUN，，时，电动机的n、T和η分别随输出功率P2而变化的关系，即曲线。4生产机械运行的负载通常按其性质分为恒转距负载和恒功率负载。负载转矩特性是指n与TL之间的关系，即曲线。5电动机的机械特性是当均为常数时，n与T之间的关系，即nfT曲线。其速度特性与机械特性的方程式分别为机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。固有机械特性是指U＝UN，Φ＝,时的机械特性。人为机械特性可以通过保持其中两个参数不变，而人为改变另一个参数而获得，对应有3种人为机械特性。,,,,,,,,,,,,,,,,,对于任何一台电动机而言，固有机械特性曲线只有一条，而人为机械特性曲线则可以有无限多条。固有机械特性曲线与人为机械特性曲线都可以根据求得曲线上的两个特殊点进行绘制。6直流串励电动机的转矩特性和转速特性分别反映了T与n随而变化的规律。机械特性曲线则反映了n随T而变化的规律，其特性是软特性。串励电动机有很大的启动转矩和过载能力，具有广泛的应用。但在应用中必须特别注意串励电动机不允许空载运行。7直流发电动机的特性就是在正常运行时，外部3个可测物理量端电压U、负载电流IL，和励磁电流之间的变化关系。直流他励发电动机的以上3个变量之间的相互关系分别反映了发电动机的开路特性、外特性和调节特性。,,,,,,本章小结,,,,,,,,思考题与习题,2-1如何改变他励、并励、串励和复励电动机的转向2-2如何判断直流电动机运行于发电机状态还是电动机状态它们的U、T、n、Ea、Ia的方向有何不同能量转换关系如何2-3直流并励电动机在能量转换过程中有哪些损耗电动机产生最高效率的条件是什么2-4电动机的电磁转矩是驱动转矩，当电磁转矩增加时转速似乎应该上升。但从直流电动机的转矩及转速特性上看，电磁转矩增加时转速反而下降，这是什么原因2-5为什么在直流他励电动机电枢回路串联附加电阻不影响n0为什么串入电阻越大，机械特性越软2-6为什么直流他励电机降低电源电压时获得人工机械特性的斜率不变而n0却降低2-7直流串励电机有哪些特点为什么电动机的机械特性是软特性直流串励电动机在使用中应注意哪些问题2-8一台直流他励发电机保持励磁电流不变而将其转速提高20，其空载电压回升高多少而并励发电机保持励磁回路总电阻不变，将其转速升高20时，其空载电压比他励时升高得多还是少,,,,,,,,思考题与习题,2-9一台直流他励电动机，额定功率，额定电压，额定电流，额定转速，电枢回路总电阻。试求1额定负载时的电磁功率和电磁转矩；2忽略电枢反应，且保持额定时励磁电