1、電機及拖動基礎電機及拖動基礎第二章第二章 直流電機直流電機電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院2上一節課的主要內容：上一節課的主要內容：(1) 感應電動勢和電磁轉矩的計算感應電動勢和電磁轉矩的計算重點重點 電角度、機械角速度、轉速的概念電角度、機械角速度、轉速的概念(2) 直流電機的運行原理直流電機的運行原理重點重點 直流電機的基本方程式（直流電機的數學模型）直流電機的基本方程式（直流電機的數學模型）電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院3602afefGC KfafffeIGnIKCnCEea其中其中 ； 為機械角速度，單位為機械角速度，單位rad/s。感應電動勢感應電動勢的計算公式為

2、：的計算公式為：電磁轉矩電磁轉矩的計算公式為：的計算公式為：eTaTCIeTCC55. 9aaeE IT電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院4直流電機的基本方程式：直流電機的基本方程式：20edTTTJdtaaaaUER IfffUR I,aaaafffEUR IUR IdtdJTTTe01直直流流電電動動機機直直流流發發電電機機電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院5本節課的主要內容：本節課的主要內容：(1) 直流電機的功率平衡關系直流電機的功率平衡關系重點重點 以并勵直流電機為例以并勵直流電機為例(2) 直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性重點重點 并勵并勵、串勵串勵、復勵直流電

3、動機工作特性、復勵直流電動機工作特性(3) 直流發電機的工作特性直流發電機的工作特性重點重點 空載運行空載運行、負載運行負載運行(4) 直流電機的換向直流電機的換向了解了解電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院6第二章第二章 直流電機直流電機2-1 直流電機的工作原理及結構直流電機的工作原理及結構2-2 直流電機的銘牌數據直流電機的銘牌數據2-3 直流電機的繞組直流電機的繞組2-4 直流電機的勵磁方式及磁場直流電機的勵磁方式及磁場2-5 感應電動勢和電磁轉矩的計算感應電動勢和電磁轉矩的計算2-6 直流電機的運行原理直流電機的運行原理2-7 直流電機的換向直流電機的換向7( (三三) ) 功率

4、平衡關系功率平衡關系輸入輸入電功電功率率P1勵磁損耗勵磁損耗PCuf電樞銅耗電樞銅耗PCua電刷接觸損耗電刷接觸損耗Pc電電磁磁功功率率Pe機械損耗機械損耗Pmech鐵心損耗鐵心損耗PFe機機械械功功率率P2并勵并勵電動機情形電動機情形21PPPPPPPFemechcCuaCuf直流電動機電磁功率直流電動機電磁功率Pe ,Pe = EaIaPeTe交變的電動勢交變的電動勢8并勵發電機情形并勵發電機情形輸入輸入機械機械功率功率P1鐵心損耗鐵心損耗PFe機械損耗機械損耗Pmech電樞銅耗電樞銅耗PCu電電磁磁功功率率Pe電刷接觸損耗電刷接觸損耗Pc勵磁損耗勵磁損耗PCuf電電功功率率P221PPP

5、PPPPcCuaCufFemech直流發電機電磁功率直流發電機電磁功率Pe ,Pe = EaIaPeTe電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院9二、直流電動機工作特性二、直流電動機工作特性由于由于電樞電流便于測量電樞電流便于測量，因此往往將工作特性表示為：，因此往往將工作特性表示為：)(),(),(222PfPfTPfne條件條件: U=UN, If=IfN，電樞回路無外加電阻。，電樞回路無外加電阻。工作特性指工作特性指: 轉速轉速n，轉矩，轉矩Te，效率，效率和輸出功率和輸出功率P2的關系。的關系。轉速特性轉速特性轉矩特性轉矩特性效率特性效率特性)(),(),(aaeaIfIfTIfn穩態

6、穩態工作特性工作特性電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院10( (一一) ) 并勵直流電動機的工作特性并勵直流電動機的工作特性1. 轉速特性轉速特性()anf IaaaaIREUnCEeaaeaeaICRCUn理想轉速特性理想轉速特性實際轉速特性實際轉速特性理想轉速特性和實際轉理想轉速特性和實際轉速特性為什么不一致？速特性為什么不一致？思考naIOaNI電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院110n理想轉速特性理想轉速特性實際轉速特性實際轉速特性naIOaNIaeaeaICRCUn提示：提示：1. 從參數變化的角度思考？從參數變化的角度思考？2. 什么原因導致了什么原因導致了的變化？的變

7、化？當電機電流較大時，當電機電流較大時，電樞反應電樞反應表現出明顯的表現出明顯的去磁特去磁特性性，從而使，從而使減小。減小。(1) 理想空載轉速理想空載轉速n0略微上升，略微上升，(2) 使使轉速曲線斜率轉速曲線斜率減小。減小。轉速曲線斜率的轉速曲線斜率的絕對值絕對值增大增大電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院122. 轉矩特性轉矩特性當當U=UN, If=IfN時，時，Te=f(Ia)的關系曲線的關系曲線aTaTeICICTTTCC0TaIeTaNI理想轉矩特性理想轉矩特性實際轉矩特性實際轉矩特性20eTTTT0為電機空載轉矩；為電機空載轉矩；T2為負載制動轉矩；為負載制動轉矩；思考：思

8、考：理想轉矩特性與理想轉矩特性與實際轉矩特性為什么不實際轉矩特性為什么不同？同？電樞反應的去磁作用電樞反應的去磁作用電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院133. 效率特性效率特性當當U=UN , ,If=IfN時時，=f(Ia)的關系曲線的關系曲線電機效率為輸出功率電機效率為輸出功率P2與輸入功率與輸入功率P1之比的百分數之比的百分數)(21%100212facaaaCufmecFeIIUUIRIpppPPaIaNI主磁通在電樞鐵磁材料中交變主磁通在電樞鐵磁材料中交變所產生的損耗，分為磁滯損耗所產生的損耗，分為磁滯損耗和渦流損耗。和渦流損耗。當電機主磁通和轉速變化不大當電機主磁通和轉速變化

9、不大時，鐵耗近似不變，因此這部時，鐵耗近似不變，因此這部分損耗也被稱為不變損耗。分損耗也被稱為不變損耗。機械損耗包括軸承及電刷的摩機械損耗包括軸承及電刷的摩擦損耗、電機通風散熱引起的擦損耗、電機通風散熱引起的風阻損耗。在電機轉速不變時，風阻損耗。在電機轉速不變時，機械損耗也是大致不變的。機械損耗也是大致不變的。勵磁回路銅耗，電流流過導體，勵磁回路銅耗，電流流過導體，消耗在電阻上的損耗，一般可消耗在電阻上的損耗，一般可以忽略不計。以忽略不計。電樞繞組銅耗，當電樞繞組有電樞繞組銅耗，當電樞繞組有電流流過時，產生的發熱損耗。電流流過時，產生的發熱損耗。這一部分損耗是隨著電樞電流這一部分損耗是隨著電樞

10、電流變化的，或者說輸出功率變化變化的，或者說輸出功率變化的，因此也被稱為可變損耗。的，因此也被稱為可變損耗。電刷接觸損耗。電刷接觸損耗。當電機可變損耗等于不變損耗時，當電機可變損耗等于不變損耗時，電機的效率達到最高。電機的效率達到最高。一般電機的最高效率點出現在一般電機的最高效率點出現在80左右的負載時左右的負載時(額定功率附近額定功率附近)。2FemecCufaapppI R求函數極值的方法得到求函數極值的方法得到電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院14( (二二) ) 串勵直流電動機的工作特性串勵直流電動機的工作特性串勵直流電機中，串勵直流電機中，IfIa氣隙主磁通氣隙主磁通隨隨Ia而

11、變化而變化電動勢平衡方程式電動勢平衡方程式)(fcaaeRRInCU電動勢公式電動勢公式aeafECnC I n 轉矩平衡方程式轉矩平衡方程式20eTTT轉矩公式轉矩公式eTaTafTCIC I I其中，其中，Rfc為串勵繞組電阻，為串勵繞組電阻，aefCC K fTTKCC aafcRRR 電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院15串勵直流電機當在負載很小時，串勵直流電機當在負載很小時，電機的轉速將會很高，容易導致電機的轉速將會很高，容易導致轉子出現機械損壞，因此串勵直轉子出現機械損壞，因此串勵直流電機不允許輕載運行。流電機不允許輕載運行。串勵直流電機在啟動時，轉速串勵直流電機在啟動時，轉

12、速很低，端電壓基本上靠勵磁繞很低，端電壓基本上靠勵磁繞組和電樞繞組的電阻壓降平衡，組和電樞繞組的電阻壓降平衡，此時電樞電流很大。磁路飽和，此時電樞電流很大。磁路飽和，因此磁通因此磁通接近不變。根據接近不變。根據TeCT Ia，可知串勵直流電機，可知串勵直流電機帶載帶載啟動能力很強啟動能力很強。1aaaaUnRC IC轉速特性轉速特性 由曲線可知，串勵電動機的轉速隨輸由曲線可知，串勵電動機的轉速隨輸出功率出功率P2的增加而迅速減小。的增加而迅速減小。電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院162200602ePTTTTn轉矩特性轉矩特性由曲線可知，電磁轉矩由曲線可知，電磁轉矩Te隨著隨著P2的的

13、增大、增大、n的下降而迅速增大。的下降而迅速增大。定量分析電磁轉矩定量分析電磁轉矩Te增大的原因。增大的原因。當磁路不飽和時，當磁路不飽和時，fffaK IK I eTaTCI2eTfaTC K I當磁路飽和時，當磁路飽和時，接近不變，接近不變，eTaTCI即即Te正比于正比于Ia串勵電動機具有串勵電動機具有更大的起動轉矩更大的起動轉矩。電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院17( (三三) ) 復勵直流電動機的工作特性復勵直流電動機的工作特性1-并勵電動機轉速特性；并勵電動機轉速特性；2-積復勵電動機轉速特性；積復勵電動機轉速特性；3-串勵電動機轉速特性；串勵電動機轉速特性；電氣與自動化工

14、程學院電氣與自動化工程學院18V750NU例例2-1 一臺他勵直流電動機的額定數據為：一臺他勵直流電動機的額定數據為：kW1325NPA1930NImin/r200Nn電樞繞組的電阻電樞繞組的電阻電刷接觸壓降電刷接觸壓降0161. 0aRV22cU設電動機原來在額定轉速和額定負載下運行，在負載的總設電動機原來在額定轉速和額定負載下運行，在負載的總制動轉矩（包括損耗轉矩）保持不變的情況下，試求制動轉矩（包括損耗轉矩）保持不變的情況下，試求(1) 在電樞回路中突然串入電阻在電樞回路中突然串入電阻R=0.0743，求串入電阻，求串入電阻最初瞬間和達到穩定時的電樞電流和轉速分別是多少？最初瞬間和達到穩

15、定時的電樞電流和轉速分別是多少？(2) 減少電動機的勵磁電流，使磁通減少電動機的勵磁電流，使磁通 減少減少10%，當達到，當達到穩定時的電樞電流和轉速分別是多少？穩定時的電樞電流和轉速分別是多少？電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院19解：解：(1) 電樞回路中突然串入電阻電樞回路中突然串入電阻R最初瞬間，電機轉速不發生變最初瞬間，電機轉速不發生變化，但電流發生變化?；?，但電流發生變化。2(750 1930 0.0161 2)717aaacEUI RUVV VEa717AARRUEUIacaa3430743. 00161. 027177502進入新的穩態時，由于負載轉矩未發生變化，認為電磁

16、轉矩不進入新的穩態時，由于負載轉矩未發生變化，認為電磁轉矩不發生變化發生變化AIICTaaTe1930,VVURRIUEcaaa5742)0743. 00161. 0(19307502)(min/160min/)717574200(rrEEnnaa額定運行時電機的反電動勢為：額定運行時電機的反電動勢為：aeECn實現了實現了調速調速串入的電阻越大，轉速降串入的電阻越大，轉速降低越多。低越多。電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院20(2) 磁通磁通減少為原來的減少為原來的0.91930 121450.9aaIIAA VVURIUEcaaa713)20161. 02145750(2min/22

17、1min/9 . 01717713200rrEEnnaa由于負載轉矩不變，電磁轉矩不會發生變化。由于負載轉矩不變，電磁轉矩不會發生變化。aTaTeICICTaeaeECnECn 實現了實現了調速調速轉速變化與磁通成轉速變化與磁通成反比反比電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院21三、直流發電機的工作特性三、直流發電機的工作特性他勵直流發電機他勵直流發電機 并勵直流發電機并勵直流發電機 復勵直流發電機復勵直流發電機電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院22( (一一) ) 空載運行空載運行1. 空載特性空載特性當當他勵直流發電機他勵直流發電機被原動機拖動，被原動機拖動，n=nN 時，勵磁繞組

18、端加上時，勵磁繞組端加上勵磁電壓勵磁電壓Uf ,調節勵磁電流調節勵磁電流If0 ,得出空載特性曲線得出空載特性曲線U0=f(I0)。aeECnBHBFefIH 所以他勵發電機的空載特性與電所以他勵發電機的空載特性與電機的磁化特性非常一致。機的磁化特性非常一致。電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院232. 并勵和復勵直流發電機空載電壓的建立并勵和復勵直流發電機空載電壓的建立 并勵和復勵直流發電機均是一種自勵發電機，它們并勵和復勵直流發電機均是一種自勵發電機，它們不需要外部直流電源供給勵磁電流。不需要外部直流電源供給勵磁電流。 一般情況下，這種自勵發電機的運行首先是在空載一般情況下，這種自勵發

19、電機的運行首先是在空載時建立電壓，即所謂時建立電壓，即所謂自勵自勵，在建立額定電壓后，才能加，在建立額定電壓后，才能加以負載。以負載。 并勵和復勵直流發電機的這種空載電壓是如何建立并勵和復勵直流發電機的這種空載電壓是如何建立的？的？電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院24并勵和復勵直流發電機空載電壓的建立并勵和復勵直流發電機空載電壓的建立(1) 原動機拖動發電機旋轉。由于電機原動機拖動發電機旋轉。由于電機剩剩磁磁的作用，產生一個不大的電動勢的作用，產生一個不大的電動勢E0r(2) 閉合勵磁回路閉合勵磁回路，E0r產生勵磁電流，該電產生勵磁電流，該電流將使電機內部的磁場進一步增強（可能流將使

20、電機內部的磁場進一步增強（可能出現該電流產生的磁場與剩磁相反，兩者出現該電流產生的磁場與剩磁相反，兩者互相抵消）?；ハ嗟窒?。電機必須有剩磁。電機必須有剩磁。(3) 若勵磁繞組回路的電阻較大，則建立起的電樞電壓若勵磁繞組回路的電阻較大，則建立起的電樞電壓無法產生足夠的勵磁電流，因此必須將無法產生足夠的勵磁電流，因此必須將勵磁回路電阻勵磁回路電阻限限定在一定范圍內。定在一定范圍內。勵磁繞組并聯到電樞勵磁繞組并聯到電樞兩端的極性必須正確兩端的極性必須正確勵磁回路電阻應小于臨界電阻勵磁回路電阻應小于臨界電阻電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院25( (二二) ) 負載運行負載運行無論他勵、并勵還

21、是復勵發電機，建立電壓以后，在無論他勵、并勵還是復勵發電機，建立電壓以后，在n=nN 的條件下，加上負載后，的條件下，加上負載后，發電機的端電壓都將發生變化發電機的端電壓都將發生變化。1積復勵發電機外特性；積復勵發電機外特性；2他勵發電機外特性；他勵發電機外特性；3并勵發電機外特性；并勵發電機外特性；他勵發電機負載增加：他勵發電機負載增加：（1）電樞反應加劇，去磁作用變大；）電樞反應加劇，去磁作用變大；（2）電樞繞組電阻壓降和電刷接觸壓降變大。）電樞繞組電阻壓降和電刷接觸壓降變大。并勵發電機負載增加，除了以上兩個原因外，還有并勵發電機負載增加，除了以上兩個原因外，還有電機電樞端電壓降低，導致勵

22、磁電壓減小，磁場進一步電機電樞端電壓降低，導致勵磁電壓減小，磁場進一步減弱。減弱。積復勵發電機中的串勵繞組，在負載加大時，能夠提供積復勵發電機中的串勵繞組，在負載加大時，能夠提供更大的磁場，從而補償磁通減小和電樞繞組壓降，可以更大的磁場，從而補償磁通減小和電樞繞組壓降，可以做到空載到負載沒有壓降做到空載到負載沒有壓降。aaaeaaUEI RC nI R為什么？為什么？電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院26第二章第二章 直流電機直流電機2-1 直流電機的工作原理及結構直流電機的工作原理及結構2-2 直流電機的銘牌數據直流電機的銘牌數據2-3 直流電機的繞組直流電機的繞組2-4 直流電機的勵

23、磁方式及磁場直流電機的勵磁方式及磁場2-5 感應電動勢和電磁轉矩的計算感應電動勢和電磁轉矩的計算2-6 直流電機的運行原理直流電機的運行原理2-7 直流電機的換向直流電機的換向電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院27 換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。面，使電機不能正常工作。 產生火花的原因很多，除了產生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過

24、程還伴隨著電化學和電熱學等現象。化學和電熱學等現象。一、換向的電磁現象一、換向的電磁現象1. 電抗電動勢電抗電動勢如何產生？如何產生？ 換向時，換向元件中所通過的電流由換向時，換向元件中所通過的電流由+ia變為變為-ia，由于，由于換向元件本身是一個線圈，線圈必有自感作用。另外，被換向元件本身是一個線圈，線圈必有自感作用。另外，被電刷短路的換向元件不止一個，它們之間又有互感。電刷短路的換向元件不止一個，它們之間又有互感。電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院28 換向元件中必然出現由自感與互感作用所引起的感應換向元件中必然出現由自感與互感作用所引起的感應電動勢，這個合成電動勢稱為電抗電動勢。

25、電動勢，這個合成電動勢稱為電抗電動勢。2. 電樞反應電動勢電樞反應電動勢 由于電刷放置在磁極軸線下的換向器上，在幾何中心由于電刷放置在磁極軸線下的換向器上，在幾何中心線處，雖然線處，雖然主磁場的磁密等于零主磁場的磁密等于零，可是，可是電樞磁場的磁密不電樞磁場的磁密不為零為零。因此，換向元件切割電樞磁場，產生一種電動勢，。因此，換向元件切割電樞磁場，產生一種電動勢，稱為電樞反應電動勢。稱為電樞反應電動勢。電氣與自動化工程學院電氣與自動化工程學院29 裝設換向磁極裝設換向磁極位于幾何中性線處裝換向磁極。位于幾何中性線處裝換向磁極。換向繞組與電樞繞組串聯，在換向元件處產生換向繞組與電樞繞組串聯，在換向元件處產生換向磁動換向磁動勢勢抵消抵消電樞反應磁動勢，電樞反應磁動勢，另外另外剩余部分剩余部分產生一個附加磁產生一個附加磁場，使換向元件切割該磁場產生換向極電動勢，其方向場，使換向元件切割該磁場產生換向極電動勢，其方向與電抗電動勢相反。與電抗電動勢相反。 大型直流電機在主磁極極靴內大型直流電機在主磁極極靴內安裝補償繞組安裝補償繞組，補償繞，補償繞組與電樞繞組串聯，產生的磁動勢抵消組與電樞繞組串聯，產生的磁動勢抵消電樞反應磁動勢電樞反應磁動勢。二、改善換向的方法二、改善換向的方法電氣與自動化工