直流电机工作特性

' ' e a
C Ce பைடு நூலகம் f ' CM CM K f
' e
A、转速特性：
U Ea I a Ra I f R f Ea Ce n C I n
' e a
' U I a Ra U 1 ' n Ra ' ' Ce Ce I a Ce
' Ra Ra R f
dia (t ) 2ia er Lr Lr dt TK
由元件自感和互感漏磁通产生，作用是阻碍换向。
(二)、电枢反应电势 ea ： 由于电枢反应的作用，换向元件的有效边所处的 电枢磁场的磁密不为零，元件边将切割电枢磁场产生 旋转电势，称为电枢反应电势 ea 。 ea＝Balva 其作用是阻碍换向。 （三）、 e r 和 ea 均使电流换向延时。 i 1、被电刷短路的换向元件 ia 瞬时断开时，附加电流iK 不为零，储能以弧光放电 iK 转化为热能，产生火花。 2、e r 、ea 均与电枢电流和 0 t 转速成正比。大电流，高转 ia 速电机换向更困难。
，接入 的曲线。 积复励 他励 并励
I
第八节 直流电机的换向
换向的电磁现象
改善换向的方法
补偿绕组
直流电机电枢绕组中的电势和电流是交变的。 借助于换向器和电刷，在电刷间获得直流电压和电 流。当旋转的电枢绕组元件从一条支路经电刷底而 进入另一条支路时，该元件中的电流从一方向变换 成另一方向，这种电流方向的变换称为换向。 换向不良：电刷火花，烧坏电刷和换向器，电 机不能运行。 换向过程复杂：电磁、机械、电化学等各方面 因素。 现仅就电磁现象及改善换向的方法作介绍：

max
0
Ia
2、串励直流电动机的工作特性： 基本方程式：
U Ea R f I f Ra I a Ea ( Ra R f ) I a M M M I I 2 0 f a
不计饱和时：
Ea Ce n C e I f n C I n ' ' 2 M C I C I I C I M a M a f M a
U
Ue
积复励 他励 并励
o
I
Ie
4、调节特性： 当 n＝C ， U C 时，端电压 I f f ( I a ) 曲线。 当电枢电流增大时，曲线往上翘。
If I fe
If0
Ie
Ia
(二)、并励直流发电机空载电压的建立： 并励和复励直流发电机均为自励发电机，首先应 在空载时建立电压，然后再带负载。 自励电压建立的三个条件： 必须有剩磁；励磁绕组与电枢并联的极性正确； 励磁回路中电阻小于临界电阻。
PM 电磁功率
P2
机械功率
pcua
pcuf ps
p p Fe
P 1 UI U ( I f I a ) pcuf pcua ps P M PM M Ea I a (M 2 M 0 ) P2 pFe p
C、并励发电机的功率方程式：
P 1
机械功率
电机有剩磁，极性正确 电枢绕组电势增加
气隙磁场得到加强
励磁电流增加
如何稳定呢？
电枢端电压建立起来
空载电压建立能否稳定？ 励磁绕组端电压 U 0 与励磁电流 I f ：
在磁路上满足空载特性 U0 f (I f ) ， 在电路上满足伏安特性 U f rf I f 0 。 当 U f U 0 时 ，达稳定点A。即两曲线的交点。
U0
临界电阻线
A
励磁电阻线
空载特性
E0 r
If0
(三)、并励、复励直流发电机负载运行： 当 n＝C ，建立自励电压后，保持 R f ＝C 负载 RL ，逐渐减小 RL ，测取 U 与 I 下垂原因： U 电枢反应； U0 Ue 电枢绕组压降； 并励直流电机随 U 的减小，电枢感 应电势 Ea 大大 减小； 串励电机 I f ＝I a 随 0 负载变化，使 U Ie 不稳定，可安自动装置。
第七节 直流电机的运行原理
直流电机的基本方程式 直流电动机的工作特性 直流发电机的特性
一、直流电机的基本方程式：
（电系统的电势平衡方程式，机械系统的转矩平 衡方程式，能量系统的功率平衡方程式。） 1、电势平衡方程式： A、不计磁路饱和效应，并励电动机电枢回路和 励磁回路的电势方程式：
Ea
1、并励直流电动机的工作特性： A、转速特性：
Ea Ce n U Ea Ra I a
Ra U ' n I a n0 I a Ce Ce
U 其中， n0 为理想空载转速。 Ce Ra ' 转速特性为一斜率为 Ce 的直线。 M n M 当电机磁路饱和时，随着 P2 的增大， I a 增大， n0 n 电枢反应的去磁作用使 n 增大，直线上翘。 Ia 为保证电机稳定运行， 0 采取措施使特性略为下降。 B、转矩特性： ' M CM I a 不计去磁 M CM Ia 特性为一过原点的直线。当考虑电枢反应时，实 ' I a ，仍接近于一条直线。 际曲线偏离直线 CM
二、改善换向的方法： 从减小和消除附加电流 iK 着手： 1、装换向极。主极间几何中性线处，绕组与电枢绕组 串联。作用：抵消电枢磁势在几何中性线处的作用； 剩余部分产生附加磁场 BK ，抵消 e r 。 2、移动电刷位置。电刷移开几何中性线一角度。 一般不常用。 3、选用合适电刷：减小接触电阻。 石墨电刷－－－换向不困难的中小型电机， 碳－－石墨电刷－－－换向困难的中小型电机， 青铜－－石墨电刷－－－低压大电流电机， 紫铜－－石墨电刷－－－低压大电流电机。
惯性转矩 瞬态方程
d M (t ) M 2 (t ) M 0 (t ) J dt
（电磁转矩 负载转矩
M M2 M0
稳态方程
B、发电机：
d 瞬态方程 M 1 (t ) M (t ) M 0 (t ) J dt
原动机拖动转矩
M1 M M 0 稳态方程
3、功率方程式： A、直流电机中的损耗、效率： 损耗有三类 消耗于导体电阻中。 消耗于摩擦损耗、通风和机械损耗。 消耗于铁心中的损耗。 铁耗：p Fe 由于电枢旋转时主磁通在电枢铁心内 交变而引起的。 铜耗：pcu1 2 p I a ra 电枢回路铜耗 cua 2 p I f rf 励磁回路铜耗 cuf 电刷接触铜耗 p s 2 I a U s
PM 电磁功率
P2 电功率
p Fe
p
pcuf
pcua
ps
PM Ea I a (U I a r a 2 U s ) I a pcuf pcua ps P2 P 1 M 1 ( M M 0 ) P M p0 P M p pFe
二、直流电动机的工作特性：
当端电压为额电压，电枢回路无外串电阻，励磁 电流为额定励磁电流时，电机转速 n ，电磁转矩 M ， 和效率 与输出功率 P2 之间的关系。
即：
n, M , f ( P2 )
实际运行中，I a 可测，且 I a 随 P2 增大而增大，所以，
工作特性可表示为：
n, M , f ( I a )
C、效率特性： p P2 100% (1 ) 100% P P 1 1
2 pFe p pcuf I a ra 2 U s I s [1 ] 100% U (Ia I f ) 是 I a 的二次曲线。
max 取得最大。 当不变损耗＝可变损耗时，
U U a Gaf I f Ra I a Ea Ra I a U U f Rf I f
Ia
If
B、并励发电机电势方程式：
Ea U a Ra I a U R I f f f
If
Ea Ia
发电机的
Ea大于 U a 。
2、转矩平衡方程式： A、电动机： 空载转矩
一、换向的电磁现象：
1 2 1 2 1 2
vk
vk
vk
2ia
(a)
2ia
(b )
2ia
(c )
在上述过程中，元件1 中的电流改变了方向。 经过了一个换向过程。换向过程经历时间为换向 周期 TK ，一般为千分之几秒。 若换向元件中电势为零，则元件中电流变化 为线性的变化。实际换向元件中会出现两种电势： 电抗电势 e r ，电枢反应电势 ea 。 (一)、电抗电势 e r ： 换向元件中在电流变化时，必然出现由自感和互感 作用引起的感应电势，称为电抗电势 e r 。
M
串励
并励
M st串 M st并
0
Ia I st
3、复励直流电动机的工作特性： 它介于并励和串励电动机特性之间。
当并励绕组磁势起主要作用，特性接近于
并励电动机特性。 当串励绕组磁势起主要作用，特性接近于 串励电动机特性。 在空载时无飞速现象。
三、直流发电机的工作特性：
可测物理量有：发电机端电压 U ，电枢电流 I a ， 励磁电流 I f ，转速 n 等。 有四种特性曲线： 空载特性 U0 f ( I f ) ,
Ia 0 , n C I a C, n C I f C, n C U C, n C
负载特性
外特性
U f (I f ) , U f (I a ) , I f f (I a ) ,
调节特性
(一)、他励发电机特性： 1、他励发电机空载特性：当电机 n ne 时，调节 I f 使发电机空载端电压 U 0 1.1 ~ 1.3U e ， 然后使 I f 逐渐回到零，测取空载端电压 U 0 与 I f 0关系曲线 即为空载特性曲线 U0 f (I f ) 。 分析：A、空载特性表明电机磁路的性质。即：当 n 一定时，电机绕组感应电势与其对应磁势的关系。 B、改变励磁电流 I f 0 的方向，可测出反方向的 空载特性曲线。 C、改变电机转速 n ，可得不同的空载特性曲线。 D、并励、复励直流发电机的空载特性都以 他励形式测取。