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1、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：,B、并励发电机电势方程式：发电机的 大于。,2、转矩平衡方程式：A、电动机：瞬态方程（电磁转矩 负载转矩 稳态方程B、发电机：瞬态方程原动机拖动转矩 稳态方程,空载转矩,惯性转矩,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：由于电枢旋
2、转时主磁通在电枢铁心内交变而引起的。铜耗：电枢回路铜耗励磁回路铜耗电刷接触铜耗 为一对电刷总接触电压降。,机械损耗：包括轴承摩擦损耗、电刷摩擦损耗、定转子和空气的摩擦损耗。附加损耗：电枢齿、槽存在，使气隙磁通产生脉动，电枢反应使磁场畸变引起的铁耗。换向电流引起的损耗。按额定容量的%计算，无补偿绕组 按额定容量的 0.5%计算，有补偿绕组在以上损耗中，随负载变化而变化，称为可变损耗；，为不变损耗。电机的效率,当不变损耗可变损耗时，取得最大，是 的二次曲线。B、并励电动机的功率方程式：电磁功率 机械功率 电功率,C、并励发电机的功率方程式：电磁功率 电功率 机械功率,二、直流电动机的工作特性：当端
3、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，电磁转矩，和效率 与输出功率 之间的关系。即：实际运行中，可测，且 随 增大而增大，所以，工作特性可表示为：,1、并励直流电动机的工作特性：A、转速特性：,其中，为理想空载转速。转速特性为一斜率为 的直线。当电机磁路饱和时，随着 的增大，增大，电枢反应的去磁作用使 增大，直线上翘。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：不计去磁特性为一过原点的直线。当考虑电枢反应时，实际曲线偏离直线，仍接近于一条直线。,C、效率特性：是 的二次曲线。当不变损耗可变损耗时，取得最大。0,2、串励直流电动机的工作特性：基本方
4、程式：不计饱和时：,A、转速特性：,分析：a、转速 随着 的增大而迅速减小。（因为）。b、空载时，很小，及 很小，电机必须 产生反电势 与电源电压相平衡，因此,很高。理论上，时，。故串励电动机不允许空载或轻负载运行。,B、转矩特性：当 增大，很快减小，使 升很快。即，随着 增大，将以高于 的一次方比例增大。在同样大小的起动电流 下，串励电动机的 大于并励电动机的。C、效率特性：与并励电动机类似。,并励电动机与串励电动机工作特性比较：A、串励电机的 随 增大而迅速下降。B、串励电动机不允许空载或轻负载运行。C、在同样大小的起动电流 下，串励电动机的 大于并励电动机的。,串励,并励,3、复励直流电
5、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，电枢电流，励磁电流，转速 等。有四种特性曲线：,空载特性,负载特性,外特性,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 时，调节使发电机空载端电压，然后使 逐渐回到零，测取空载端电压 与 关系曲线 即为空载特性曲线。分析：A、空载特性表明电机磁路的性质。即：当 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 的方向，可测出反方向的 空
6、载特性曲线。C、改变电机转速，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。,空载特性曲线：,2、负载特性：当，时，端电压 曲线。与空载特性比较：当 上升时，两曲线都上升。当 一定时，两特性的电压不同。空载 负载,3、外特性：当，时，端电压 曲线。当负载电流及电枢电流增大时，曲线略为下垂。积复励 他励 并励,4、调节特性：当，时，端电压 曲线。当电枢电流增大时，曲线往上翘。,(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
7、阻小于临界电阻。,电机有剩磁，极性正确,气隙磁场得到加强,电枢绕组电势增加,励磁电流增加,电枢端电压建立起来,如何稳定呢？,临界电阻线 励磁电阻线,空载特性,空载电压建立能否稳定？励磁绕组端电压 与励磁电流：在磁路上满足空载特性，在电路上满足伏安特性。当 时，达稳定点A。即两曲线的交点。,(三)、并励、复励直流发电机负载运行：当，建立自励电压后，保持，接入负载，逐渐减小，测取 与 的曲线。下垂原因：电枢反应；积复励 电枢绕组压降；他励 并励直流电机随 并励 的减小，电枢感应电势 大大减小；串励电机 随负载变化，使 不稳定，可安自动装置。,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
8、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：,一、换向的电磁现象：,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，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，电枢反应电势。(一)、
9、电抗电势：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。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：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。其作用是阻碍换向。（三）、和 均使电流换向延时。1、被电刷短路的换向元件瞬时断开时，附加电流不为零，储能以弧光放电转化为热能，产生火花。2、均与电枢电流和转速成正比。大电流，高转速电机换向更困难。,二、改善换向的方法：从减小和消除附加电流 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
10、线处的作用；剩余部分产生附加磁场，抵消。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。,三、补偿绕组：在主极极靴上冲出一些均匀分布的槽，放置补偿绕组。补偿绕组与电枢绕组串联。磁势与电枢磁势方向相反，其作用是减小电枢反应引起磁场畸变，防止环火。结构复杂，成本较高，一般不采用。环火产生原因：电枢反应磁场畸变，元件切割极尖下增磁区的 时感应出很大的电势，使处于该处换向片间的电位差很大，当此电位差值超过一定限制，就发生换向片间电位差火花。该火
11、花延伸到片间电压较大处，在正负电刷间形成电弧连通，使换向器周围发生环火。,作业：9月29日1、一台P对极的直流电机，电枢绕组为单迭绕组，其电枢绕组电阻为，电枢电流为。若改接为单波绕组，并保持支路电流不变，问电枢绕组电阻和电枢电流将为多少？2、一台并励直流电动机在 的条件下运行，电枢绕组电阻为，励磁绕组电阻为额定负载时效率 求：额定输入功率；额定输出功率；总损耗；电枢回路铜耗；励磁回路铜耗；电刷接触损耗；附加损耗；机械损耗与铁耗之和。,3、一台并励电动机，1)、电动机的额定输出转矩；2)、在额定电流时的电磁转矩；3)、当电枢电流 时，电机的转速；4)、在总制动转矩不变时，当电枢中串入一电阻0.1
12、欧，电机稳定时的转速。,4、一台并励电动机，忽略电枢反应作用，试求：1)、当电枢电流 时，电机的转速；2)、当电枢电流 安 时，电动机的转速；3)、若保持负载转矩不变，当磁通减少15时，电机稳定时的电枢电流和转速。,直流电机小结,1、直流电机的工作原理电和磁相互作用。电机外电路中电压、电流、电动势为直流性质；每个绕组元件中的为交流性质。,4、电枢绕组直流电机的心脏，主要电路。由许多完全相同的绕组元件以一定的规律连接起来的闭合绕组。叠绕组、波绕组。并联支路对数。,2、结构静止的磁极、旋转的电枢、气隙。,3、额定值,5、磁场空载、负载时气隙磁密波形。电枢反应。,电机旋转,气隙磁通变化,电路磁链变化
13、,气隙储能变化,电气系统反应，产生E。E与I作用，输入或输出电能,机械系统反应，产生T。T与n作用，输入或输出机械能,标志机电能量转换的功率。,6、能量转换电气系统（电枢绕组）、机械系统（转轴）、联系两系统的耦合介质（磁场）。,7、基本方程式电势、转矩、功率平衡方程式。分析电机的运行特性、工作特性。,8、并励直流电动机恒速电动机，T与I成正比。串励直流电动机转速变化大，T与I平方成正比。复励直流电动机介于两者之间。,9、直流发电机特性端电压的建立、变化及调 节。励磁方式不同特性不同。,10、换向几种电动势阻碍换向。换向不良引起环火。补偿绕组。,思考题：1、在直流电机中，换向器起什么作用？2、在
14、下列情况下，直流发电机电刷两端电压的性质？1)、磁极固定，电刷与电枢同时旋转。2)、电枢固定，电刷与磁极同时旋转。3、下列哪种情况可以使连接在电网上的直流电机逆变为发电机？1)、加大励磁电流，使磁通增加，并使。2)、在电机轴上外加一转矩，使其转速上升，并使。4、并励直流发电机正转时能自励，反转能否自励？为什么?应如何处理？,5、如何判断直流电机是运行于发电状态还是电动状态？它们的电磁转矩、转速、电枢感应电势、电枢电流和端电压的方向有何不同？能量转换关系有何不同？6、一台他励直流电动机拖动一台他励直流发电机，当发电机电枢电流增加时，电动机的电枢电流如何变化？试分析其变化过程。7、直流电动机的电磁
15、转矩是驱动转矩，当电枢电流增大，即电磁转矩增大时，转速似乎应该上升，但从其转速特性看，其转速随电磁转矩的增大而减小，为什么？8、串励直流电机不能在空载下起动和运行，而并励和复励直流电机就可以，为什么？,9、要改变他励、并励、串励、复励直流电动机的旋转方向，应采取什么措施？10、并励直流电机正常运行时，其电枢电流由谁决定？其在起动时，起动电流由谁决定？11、并励直流发电机自励建立电压的条件是什么？12、分析电枢反应对并励直流电动机转速特性和转矩特性的影响？13、哪些因素决定电磁转矩的大小？电磁转矩的方向与电机运行方式有何关系？14、若直流电机电枢绕组元件不对称，电刷应放置在换向器上的什么位置？,
16、例题：1、为什么电枢铁芯用硅钢片迭压而成、而磁轭用铸钢或钢板、磁极用钢片迭压而成？2、直流电机的主磁路包括哪几部分？3、一台直流发电机，6极，单迭绕组。正常运行时有3对电刷。若保持额定运行时转速及磁通不变，当去掉相邻一对电刷时，不计电枢反应，分析此时发电机能发出的最大功率？4、四极单叠绕组主流发电机，带有50额定负载运行，突然有一线圈断线，能否继续运行？当带100的额定负载时呢？5、一台四极单波绕组发电机、运行时突然有一线圈断线，有什么现象？若电机有两对电刷，运行时突然有一只或相邻两只电刷跌落，有何现象？,6、有一4极，20KW，230V，2850r/min的直流发电机额定效率86.5，电枢34槽，每槽有10个导体，绕组为单波绕组。求：电机的额定电流？电机的额定输入转矩？若电机在额定运行时，电刷间的端电压为230V，电枢绕组中的压降为端电压的10，此时电机的每极磁通为多少？7、一台直流发电机额定功率10KW，额定电压115V，转速1500r/min，4极，电枢36槽，每元件4匝，每极磁通为0.0185Wb，单叠绕组，求：额定运行时电枢感应电势？额定运行时的电磁转矩？,
