2.5并励直流发电机、直流电动机

2 直流电动机按励磁方式分类
直流电动机的励磁电流都是由外电源供给的，和直流发 电机相似，励磁方式不同也会使直流电动机的运行性能产生 很大差异。 按照励磁方式的不同，直流电动机可分为他励、并励、串 励、复励电动机。 二）、并励电动机 一）、他励电动机 电枢绕组 和励磁绕组 分别由两个 独立的电源 供电。 励磁绕 组和电枢并 联，由同一 电源供电。
负载转矩相平衡，即：
Td=Tem-TO=TZ
(3)、并励直流电动机功率平衡方程式 直流电动机工作时，从电网吸取电功率P1，除去电枢回路 的铜损耗pcua，电刷接触损耗pcub及励磁回路铜耗pcuf，其余部 分便是转变为机械功率的电磁功率Pem，所以直流电动机的电 磁功率Pem也就是电枢所发出的全部机械功率Temω 。 从电的观点来看，由于电动机的电枢电动势是个反电动 势，它与Ia反向，所以EaIa表示电枢所吸收的电功率。因此 和发电机一样，电动机的电磁功率： Pem=Temω =EaIa 电磁功率并不能全部用来输出，它必须补偿机械损耗pΩ 、 铁耗pFe和附加损耗ps，最后剩下的部分才是对外输出的机械 功率P2 Pem=（PΩ +PFe+Ps）+P2=PO+P2
2.5 并励直流发电机、直流电动机
一、并励直流发电机
1、自励过程
并励发电机的励磁绕组是与电枢并联的，要产生励磁电流If， 电枢两端必须要有电压，而在电压建立起来之前，If=0,没 有励磁电流，电枢两端又不可能建立起电压，因此有必要在 分析并励发电机的运行特性前，先讨论一下它的电压建立过 程，也称为“自励过程”。
n
Tem
T2
n
0
0
Ia
3、效率特性 定义：当 U U N、 I f I fN 时，η f(I a ) 由方程式可得 η
P1 P P1
2 P0 Ra I a 1 U N Ia
η
η
空载损耗为不变损耗，不随负载电流 变化，当负载电流较小时效率较低，输入 功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流 增大，效率也增大，输入的功率大部分消 耗在机械负载上；但当负载电流增大到一 定程度时铜损快速增大此时效率又变小。
式中 R——电枢电路总电阻，R=Ra+Rpa，包括电枢电阻Ra和 与电枢串联的附加电阻Rpa。
（2）、转矩平衡方程式
电动机的电磁转矩是个驱动转矩。当电动机以恒定的转
速稳定运行时，电磁转矩Tem与负载转矩Tz及空载转矩TO 相平 衡，即 Tem=TZ+TO
可见，电动机轴上的输出转矩Td只是电磁转矩的一部分，它与
设发电机由原动机拖动至额定转速，由于电机有一定的 剩磁，在发电机的端点将会有一个不大的剩磁电压。这时把 并励绕组并接到电枢上去，便有电流流过励磁绕组，产生一 个励磁磁动势。励磁磁动势产生的磁场与剩磁同方向，使电 机内的磁场得到加强，从而使电机的端电压升高。在这一较 高端电压的作用下，励磁电流又进一步升高，如此反复作用， 发电机的端电压便“自励”起来。
2）稳态短路电流小 ，当负载 电阻短路时（R=0），电枢端 电压U=0，励磁电流If也为零。 这时电枢绕组中的电流由剩磁 电动势所产生。由于剩磁电动 势不大，所以稳态短路电流也 不大。
U
I
强 调
并励发电机的稳态短路电流虽然不大，若发生突然短
路，则因为励磁绕组有很大的电感，励磁电流及其所建立 的磁通不能立即消失，因此短路电流的最大值仍可达到额 定电流的8-12倍，还是有损坏电机的危险。
二、直流电动机
1 直流电机的可逆原理 以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并 联于直流电网上运行保持电源电压不变。
减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降 到一定程度时，使得 Ea U，此时电枢电流为零，发电机输出 的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损 耗。 继续降低原动机的转速，将有 E U ，电枢电流反向，这时 a 电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。 同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态 转变到发电机状态。 一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这 就是直流电机的可逆原理。
三）、串励电动机 励磁绕组与电枢串 联后再接于直流电源， 如图所示。
四）、复励电动机 有并励和串励两个励磁绕组， 它也分积复励和差复励两类。差复 励电动机运行时转速不稳定，实际 上不采用。
3
直流电动机的基本方程式
（1）、电动势平衡方程式 直流电动机稳定运行时，设电枢两端外加电压为U，电枢 电流为Ia，电枢电动势为Ea，则从电动机的工作原理可以知 道，这时Ea与Ia是反向的，即Ea是个反电动势。 若以U、Ea、Ia的实际方向为正方向，则可列出直流电动机 的电动势平衡方程式： U=Ea+IaR+2△Ub
自励条件
1）发电机的主磁极必须要有一定的剩磁。 2）励磁绕组与电枢的联接要正确，使励磁电流产生的磁场 与剩磁同方向。 若在某一转向下，励磁绕组与电枢的联接能使电机自励， 则改变转向后，电机便不能自励。这是因为发电机的转向改变 后，剩磁电压的方向也随之改变，由此产生的励磁电流对剩磁 起去磁作用。所以，所谓励磁绕组与电枢的连接正确是对某一 旋转方向而言的。发电机应按制造厂规定的旋转方向运行。 3）励磁回路的总电阻要小于临界电阻。 由于对应于不同的转速，电机的空载特性位置不同，因 此对应于不同的转速便有不同的临界电阻。如果保持励磁回 路的总电阻不变，发电机在高速时能自励，而在低速时也许 就不能自励（为什么？）。
直流电动机的功率平衡方程式：
P1=UI=(Ea+IaRa+2△Ub)（Ia+If）
=pcua+pcub+pcuf+Pem =（pcua+pcub+pCuf）+（pΩ +pFe+ps）+P2 =Σ p+P2
直流电动机的功率图
4、他励（并励）直流电动机的工作特性 1、转速特性 定义：当 U U N、 I f I fN 时， n f(I a ) Ra UN 由方程式可得 n Ia C eΦ C eΦ T 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负 载电流按线性关系变化 2、转矩特性 定义：当 U U N、 I f I fN 时， Tem f(I a ) 转矩表达式 Tem CT ΦN I a T 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度 比电流上升的慢。
2、运行特性 并励发电机的空载特性和调节特性与他励发电机无多大差别。 只分析并励发电机的外特性。 定义：在n=nN、Rf=RfN=常数（注意：不是If=常数）时，U=f（I） 的关系曲线。 将电机拖到额定转速，使电 机自励建立电压，然后调节励磁 电流和负载电流，使电机达到额 定运行状态，即 U=UN 、 I=IN, 此 时励磁回路的总电阻即为 RfN 。 保持 RfN 不变，求取不同负载时 的端电压，就可得到图中曲线 1 所示的外特性曲线，图中曲线 2 表示接成他励时的外特性。
0
Ia
结
束
发电机的电压能否稳定在某一数值？ 并励发电机的空载稳定电压UO的大小决定于空载特性与场阻线的 交点。因此调节励磁回路中的电阻，也就是改变 的场阻线斜率，即可调节空载电压 的稳定点。如果逐步增大电阻Rf （即增大磁场调节电阻Rpf），场 阻线斜率增大，空载电压稳定点就 沿空载特性向原点移动，空载电压 减小；当场阻线与空载特性的直线 部分相切时，两线无固定的交点或 交点很低，空载电压为不稳定，如 图中的直线3，这时对应的励磁回 1-空载特性 2-场阻线 3-临界场阻线 路的总电阻称为临界电阻。
比较两条曲线，可以看出并励发电机的外特性有两个特点
1）并励发电机的电压调整率较他励时大，这时因为他励发电机 的励磁电流If=IfN=常数，它不受端电压变化的影响；而并励发 电机的励磁电流却随电枢端电压的降低而减小，这就使电枢电 动势进一步下降。因此并励发电机的外特性比他励时要下降得 快一些。并励发电机的电压调整一般在20%左右。