1、電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 1 第第 一一 章章 直直 流流 電電 機機電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 2本章教學基本要求本章教學基本要求1.了解直流電機主要結構，注意了解直流電機主要結構，注意換向器和電刷換向器和電刷的作用；的作用；2.熟悉直流發電機和直流電動機基本熟悉直流發電機和直流電動機基本工作原理工作原理，理解，理解感應電動勢感應電動勢和和電磁轉矩電磁轉矩這兩個機電能量這兩個機電能量轉換要素轉換要素的物的物理意義，掌握求解它們的計算方法；理意義，掌握求解它們的計算方法；3.掌握直流電機的運行原理，電動勢、轉矩平

2、衡方程掌握直流電機的運行原理，電動勢、轉矩平衡方程式以及不同勵磁方式的直流電機的工作特性；式以及不同勵磁方式的直流電機的工作特性；4.了解直流電機的換向。了解直流電機的換向。重點：重點：直流電機的直流電機的基本平衡方程式和工作特性基本平衡方程式和工作特性。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 3直流電機（直流電機（dc machinesdc machines） 是將機械能轉換為直流電能或將直流電能轉換為機械能的一種裝置。是將機械能轉換為直流電能或將直流電能轉換為機械能的一種裝置。n把機械能轉換為電能的直流電機稱為直流發電機把機械能轉換為電能的直流電機稱為直流發電

3、機，把電能轉換為機械能，把電能轉換為機械能的直流電機稱為直流電動機。它們的直流電機稱為直流電動機。它們在理論上是可逆的在理論上是可逆的。在電機的發展史在電機的發展史上，直流電機發明得較早。后來才出現了交流電機。當發明了三相交流上，直流電機發明得較早。后來才出現了交流電機。當發明了三相交流電以后，交流電機得到迅速的發展。但是，電以后，交流電機得到迅速的發展。但是，迄今為止，工業領域里仍使迄今為止，工業領域里仍使用直流電動機用直流電動機，n這是由于直流電動機具有以下突出的優點：這是由于直流電動機具有以下突出的優點：n(1)調速范圍廣，易于平滑調速；調速范圍廣，易于平滑調速；n(2)起動、制動和過載

4、轉矩大；起動、制動和過載轉矩大；n(3)易于控制，可靠性較高。易于控制，可靠性較高。n直流電動機多用于對調速要求直流電動機多用于對調速要求較高較高的生產機械上，比如紡織機械等等。的生產機械上，比如紡織機械等等。n直流發電機可用來作為直流電動機以及交流發電機的勵磁直流電源。直流發電機可用來作為直流電動機以及交流發電機的勵磁直流電源。n直流電機的主要缺點是直流電機的主要缺點是換向問題換向問題，它限制了直流電機的極限容量，增加，它限制了直流電機的極限容量，增加了維護的工作量。交流電動機的調速也取得了一定的效果，在某些調速了維護的工作量。交流電動機的調速也取得了一定的效果，在某些調速場合可以代替直流電

5、動機。由于目前使用可控硅整流電源，直流電動機場合可以代替直流電動機。由于目前使用可控硅整流電源，直流電動機的應用場合還是很多的。的應用場合還是很多的。電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 4直流直流發電機發電機的基本工作原理的基本工作原理 電樞逆時針旋轉時，導體切割磁力線，根據電磁感應定律導體內產生感應電動勢，大小為e=Bxlv感應電動勢方向由右感應電動勢方向由右手定則判定，伸開右手定則判定，伸開右手使大拇指與四指呈手使大拇指與四指呈90，當磁力線指，當磁力線指向手心，大拇指指向向手心，大拇指指向導體運動方向，則四導體運動方向，則四指的指向為導體中感指的指向為導體

6、中感應電動勢方向。應電動勢方向。在圖中在圖中t=0t=0時，時，A A端為端為，與之相接觸，與之相接觸的電刷的電刷B1B1為為“+”+”，X X端為端為，與之相接觸，與之相接觸的電刷的電刷B2B2為為“-”-” 當電樞旋轉了當電樞旋轉了180180后，在圖后，在圖(b)(b)中中t=180t=180時，時，X X端端旋轉到旋轉到N N極下，極下，X X端為端為，A A端旋轉到端旋轉到S S極下，極下，A A端為端為其波形如下其波形如下圖所示。圖所示。N N極下導體電動勢極下導體電動勢指向紙外，電刷指向紙外，電刷B1B1總為總為“+”+”；S S極下導體電動勢極下導體電動勢指向紙內，電刷指向紙內

7、，電刷B2B2總為總為“-”-”，不難看出，線圈中不難看出，線圈中的電動勢是的電動勢是交流交流電電動勢，而通過換向動勢，而通過換向器的作用，使電刷器的作用，使電刷間的電動勢為間的電動勢為直流直流電動勢。電動勢。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 5氣隙磁蜜分布波形氣隙磁蜜分布波形在直流發電機中，換向器和電刷的共同作用：在直流發電機中，換向器和電刷的共同作用：將線圈中的將線圈中的交流交流電動勢整流成刷間的電動勢整流成刷間的直流直流電動勢；電動勢；把轉動的電路與外面不轉的電路聯接。把轉動的電路與外面不轉的電路聯接。從刷間電動勢波形看，電動勢脈動很大，為了減小電動勢

8、的脈動從刷間電動勢波形看，電動勢脈動很大，為了減小電動勢的脈動程度，實際電機采用程度，實際電機采用很多元件（線圈）很多元件（線圈）組成電樞線圈，均勻分布組成電樞線圈，均勻分布在電樞鐵芯上，并按一定規律聯接，構成電樞繞組，刷間在電樞鐵芯上，并按一定規律聯接，構成電樞繞組，刷間串聯元串聯元件數件數增多，脈動減小，可在電刷增多，脈動減小，可在電刷A A、B B兩端獲得恒定的直流電動勢。兩端獲得恒定的直流電動勢。 實質上是一臺裝有換向裝置的交流發電機；實質上是一臺裝有換向裝置的交流發電機；電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 6直流電動機的基本工作原理直流電動機的基本工作

9、原理 將直流電加到電刷將直流電加到電刷上（上（B1B1為為+ +、B2B2為為- -），線圈），線圈AXAX上就有上就有電流通過（電流通過（A A端為端為、X X端為端為），根據電），根據電磁力定律，載流導磁力定律，載流導體在磁場中要受力，體在磁場中要受力，大小為：大小為：f=Bxlif=Bxli（N N），方向），方向由由左左手定則確定。手定則確定。載流導體受力方向載流導體受力方向的確定：伸開左手的確定：伸開左手使大拇指與四指呈使大拇指與四指呈9090，當磁力線指，當磁力線指向手心四指的指向向手心四指的指向為導體中電流方向，為導體中電流方向，則大拇指指向導體則大拇指指向導體受力方向在圖受力方

10、向在圖1-51-5中中A A受向左的切向力，受向左的切向力，X X受向右的切向力，受向右的切向力，這一對力形成了力這一對力形成了力矩矩T(T(稱電磁轉矩稱電磁轉矩) )，使電樞按逆時針方使電樞按逆時針方向旋轉。向旋轉。 在直流電動機中，換向在直流電動機中，換向器和電刷的共同作用：器和電刷的共同作用：將刷間的直流電將刷間的直流電逆變逆變成線圈中的交流電；成線圈中的交流電；把外面不轉的電路與把外面不轉的電路與轉動的電路聯接。轉動的電路聯接。 實質上是一臺裝有換向實質上是一臺裝有換向裝置的交流電動機；裝置的交流電動機； 帶電導體在磁場中受到電帶電導體在磁場中受到電磁力的作用并形成電磁轉磁力的作用并形

11、成電磁轉矩，推動轉子轉動起來矩，推動轉子轉動起來電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 7n外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷和換外加電壓并非直接加于線圈，而是通過電刷和換向器再加到線圈向器再加到線圈n電樞導體中的電流隨其所處磁極極性的改變方向電樞導體中的電流隨其所處磁極極性的改變方向，從而使電磁轉矩的方向不變。，從而使電磁轉矩的方向不變。n電樞電動勢電樞電動勢反電勢（與反電勢（與I I反向）；電磁轉矩反向）；電磁轉矩驅動轉矩（與驅動轉矩（與n n同向）同向）n說明：直流電機是可逆的，它們實質上是具有換說明：直流電機是可逆的，它們實質上是具有換向裝置的交流電機。

12、向裝置的交流電機。直流電動機的基本工作原理直流電動機的基本工作原理 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 8直流電機的主要結構直流電機的主要結構 要實現機電能量變換，電路和磁路之間必須有相對運動，所以要實現機電能量變換，電路和磁路之間必須有相對運動，所以旋轉電機具備靜止和轉動的兩大部分，即直流電機由兩大部旋轉電機具備靜止和轉動的兩大部分，即直流電機由兩大部分組成：分組成： 定子（靜止部分）和轉子（轉動部分或稱電樞）定子（靜止部分）和轉子（轉動部分或稱電樞） 定子由主磁極、定子由主磁極、換向極、電刷裝換向極、電刷裝置、機座等組成。置、機座等組成。 主磁極：由主極鐵心

13、主磁極：由主極鐵心和勵磁繞組組成，鐵和勵磁繞組組成，鐵心用心用11.5mm11.5mm的鋼板沖的鋼板沖片疊成，外套勵磁繞片疊成，外套勵磁繞組。主磁極的作用是組。主磁極的作用是建立主磁場，它總是建立主磁場，它總是成對出現，成對出現，N N、S S極交極交替排列。替排列。 換向極：由鐵心和繞換向極：由鐵心和繞組組成，鐵心一般是組組成，鐵心一般是由整塊鋼組成換向極由整塊鋼組成換向極安放在相鄰兩主磁極安放在相鄰兩主磁極之間，它的作用是改之間，它的作用是改善電機的換向。善電機的換向。 電刷裝置：由電刷、電刷裝置：由電刷、刷握、刷桿、壓緊彈刷握、刷桿、壓緊彈簧等組成，它的作用簧等組成，它的作用是聯接轉動和

14、靜止之是聯接轉動和靜止之間的電路。間的電路。機座：作用是固定主機座：作用是固定主磁極等部件，同時也磁極等部件，同時也是磁路的一部分。是磁路的一部分。 轉子由電樞鐵心、電轉子由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉樞繞組、換向器、轉軸等組成。軸等組成。電樞鐵心：一般用電樞鐵心：一般用0.5mm0.5mm涂過絕緣漆的涂過絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，硅鋼片疊壓而成，作用是嵌放電樞繞作用是嵌放電樞繞組，同時它又是電組，同時它又是電機主磁路的一部分。機主磁路的一部分。 電樞繞組：由絕緣電樞繞組：由絕緣導線繞制成的線圈導線繞制成的線圈（又稱繞組元件）（又稱繞組元件）按一定規律聯接組按一定規律聯接組成，每個元件兩個成，

15、每個元件兩個有效邊分別嵌放電有效邊分別嵌放電樞鐵心表面的槽內，樞鐵心表面的槽內，元件的兩個出線端元件的兩個出線端分別與兩個換向片分別與兩個換向片相連。電樞繞組的相連。電樞繞組的作用是產生感應電作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，動勢和電磁轉矩，是實現機電能量轉是實現機電能量轉換的樞紐。換的樞紐。 換向器：由許多相互換向器：由許多相互絕緣的換向片組成，絕緣的換向片組成，作用是將電樞繞組中作用是將電樞繞組中的交流電整流成刷間的交流電整流成刷間的直流電或將刷間的的直流電或將刷間的直流電逆變成電樞繞直流電逆變成電樞繞組中的交流電。組中的交流電。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機P

16、age 9直流電樞繞組直流電樞繞組 匝數為匝數為1 1的是單匝元件，匝數大于的是單匝元件，匝數大于1 1的是多匝元件。直流電機電的是多匝元件。直流電機電樞繞組的基本形式是樞繞組的基本形式是單疊單疊和和單波單波（以兩匝元件為例）。（以兩匝元件為例）。 由于工藝等原因，電樞不宜開太由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實際的槽中，上、多的槽，在一實際的槽中，上、下層嵌放多個下層嵌放多個(設為設為u個個)元件邊，元件邊，將一個上層邊和一個下層邊在槽將一個上層邊和一個下層邊在槽內所占的空間稱為一個虛槽。若內所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則邊，則

17、總元件數總元件數S等于實槽數等于實槽數Q；若每槽的上、下層各有若每槽的上、下層各有u個元件邊個元件邊時，則有：時，則有：S=u.Q=QuQu為虛槽數。為虛槽數。對于一般的小型電機，每一槽中僅有一個上層邊和一個下層邊；對于一般的小型電機，每一槽中僅有一個上層邊和一個下層邊；在大型電機中，需要產生更大的電磁轉矩和感應電動勢，必須在大型電機中，需要產生更大的電磁轉矩和感應電動勢，必須增加元件數，增加元件數，電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 10直流電樞繞組直流電樞繞組極距極距：在直流電機中，把相鄰兩個主磁極軸線之間的距離稱作：在直流電機中，把相鄰兩個主磁極軸線之間的

18、距離稱作極距，記作極距，記作t，一般用槽數表示，即有：，一般用槽數表示，即有：式中式中p為主磁極的極對數。為主磁極的極對數。 pQu2元件：元件：電樞繞組是由許多個形狀完全一樣電樞繞組是由許多個形狀完全一樣的元件以一定的規律聯接起來的。一個繞組的元件以一定的規律聯接起來的。一個繞組元件也就是一個線圈。也就是說元件也就是一個線圈。也就是說組成電樞繞組成電樞繞組的基本單元稱為元件組的基本單元稱為元件。元件的個數用。元件的個數用S表示。表示。一個元件的尾端按照一定規律和另一元件一個元件的尾端按照一定規律和另一元件的首端相連，接到同一換向片上，所有元件的首端相連，接到同一換向片上，所有元件依次串聯，最

19、后使整個電樞繞組通過換向片依次串聯，最后使整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路，這是直流電樞繞組的一連成一個閉合回路，這是直流電樞繞組的一個特點，也是直流電樞繞組構成的原則。個特點，也是直流電樞繞組構成的原則。電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 11直流電樞繞組直流電樞繞組直流電機中，各元件在電樞表面的幾何關系一般用元件的直流電機中，各元件在電樞表面的幾何關系一般用元件的節距節距表示。表示。是指被聯接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離，以是指被聯接起來的兩個元件邊或換向片之間的距離，以所跨過的元件邊數或虛槽數或換向片數來表示，所跨過的元件邊數或虛槽數或換向片數

20、來表示， 第一節距第一節距y1一一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離。 第二節距第二節距y2連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離。 合成節距合成節距y連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離。 換相器節距換相器節距yk同一同一元件首末端連接的換向元件首末端連接的換向片之間的距離。片之間的距離。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 12直流電樞繞組直流電樞繞組1、第一節距、第一節距y1 指同一元件的二個有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數指同一元件的二個有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數表示。其表達式為：表示。其表達式為：

21、式中式中為把為把y1湊整的小于湊整的小于1的分數。的分數。 當當=0，y1=t稱為整距元件；當稱為整距元件；當0稱為長距元件；當稱為長距元件；當T，故電磁轉矩為制動，故電磁轉矩為制動轉矩，是阻礙原動機的阻力矩。轉矩，是阻礙原動機的阻力矩。 01TTT電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 35功率平衡關系功率平衡關系 從原動機輸入的機械功率為從原動機輸入的機械功率為P1=Pem+ p0 式中，式中，P1為輸為輸入的機械功率；入的機械功率；Pem為電磁功率；為電磁功率；p0為空載損耗。為空載損耗。 空載損耗等于鐵損空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗、機械摩擦損耗pm

22、、附加損耗、附加損耗pad，即有即有 p0=pFe+pm+pad 其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計算。靠經驗估算約為額定功率以精確計算。靠經驗估算約為額定功率P的的0.5%1%。 功率平衡關系功率平衡關系 電磁功率為電磁功率為 從中可見電磁功率可表示為從中可見電磁功率可表示為Pem=T 說明電磁功率具有說明電磁功率具有機械功機械功率率性質。性質。電磁功率又可表示為電磁功率又可表示為Pem=EaIa 此表達式說明電磁功率又具有此表達式說明電磁功率又具有電功率電功率性質，所以電磁功率是性質，所以電磁功率是機電能量轉換的橋梁。機電能量轉換的橋梁。 aaaaaT

23、emIEnIapNnIapNnICTPFFF606022602角速度角速度電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 36功率平衡關系功率平衡關系 發電機輸出的電功率為發電機輸出的電功率為P2=Pem-pCua 式中式中pCua為為電樞回路銅電樞回路銅耗耗；P2為輸出的電功率，同時輸出功率又可表示為為輸出的電功率，同時輸出功率又可表示為P2=UIa 電磁功率電磁功率電磁功率電磁功率輸入的機輸入的機械功率械功率空載損耗空載損耗等于鐵損等于鐵損pFe、機械摩擦損、機械摩擦損耗耗pm、附加損耗、附加損耗pad（風阻）（風阻）他勵直流發電機的總損耗為他勵直流發電機的總損耗為p=

24、pFe+pm+pad+pCua 即即p=p0+pCua電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 37效率效率 他勵直流發電機的總損耗為他勵直流發電機的總損耗為p=pFe+pm+pad+pCua 即即p=p0+pCua效率為效率為 即有即有pPpPpPPP211121hpPp21h運行特性運行特性 發電機的運行特性是指發電機運行時，發電機的運行特性是指發電機運行時，端電壓端電壓U、負載電流負載電流I、勵磁電流勵磁電流If這三個基本物理量之間的函數關系。這三個基本物理量之間的函數關系。 一般保持其中一個物理量不變，討論剩余兩個量之間的關系，一般保持其中一個物理量不變，討論

25、剩余兩個量之間的關系，這種函數關系就是運行特性。這種函數關系就是運行特性。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 38運行特性運行特性1空載特性空載特性 空載特性是指原動機的轉速空載特性是指原動機的轉速n=nN，輸出端開路，負載，輸出端開路，負載電流電流I=0時，電樞時，電樞端電壓端電壓與與勵磁電流勵磁電流之間的關系，即：之間的關系，即：U0=E0=（If）。）。 空載特性由實驗測出空載特性由實驗測出（保持額定轉速）：（保持額定轉速）：可測出上下兩個分支曲線，一般取平均值可測出上下兩個分支曲線，一般取平均值作為作為空載特性空載特性電力拖動與控制電力拖動與控制第一章

26、第一章 直流電機直流電機Page 39運行特性運行特性2外特性外特性是指原動機的轉速是指原動機的轉速n=nN，勵磁，勵磁電流電流If=IfN時，電樞端電壓與時，電樞端電壓與負載電流之間的關系，即：負載電流之間的關系，即：U=（I），），從空載到負載電壓下降從空載到負載電壓下降是一條略微下斜的曲線。是一條略微下斜的曲線。 從空載到負載電壓下降的原因是：從空載到負載電壓下降的原因是：負載增大，電樞電流增大，使電樞回路電阻壓降增大，則端電壓下降；負載增大，電樞電流增大，使電樞回路電阻壓降增大，則端電壓下降；電樞電流增大，使電樞反應的去磁作用增強，端電壓進一步下降。電樞電流增大，使電樞反應的去磁作用增

27、強，端電壓進一步下降。電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 40電壓變化率電壓變化率 發電機的端電壓隨負載的變化程度可用電壓變化率（或稱發電機的端電壓隨負載的變化程度可用電壓變化率（或稱電壓調整率）表示。電壓變化率是指發電機從額定負載（電壓調整率）表示。電壓變化率是指發電機從額定負載（U=UN，I=IN）過渡到空載（）過渡到空載（U=U0 I=0）時，電壓升高數值）時，電壓升高數值與額定電壓的百分比，即：與額定電壓的百分比，即： 通常他勵直流發電機的電壓變化率通常他勵直流發電機的電壓變化率U%約為約為（510）%。%100%0NNUUUU并勵直流發電機并勵直流發電

28、機 1自勵過程自勵過程 當發電機以額定轉速當發電機以額定轉速nN運轉時，在有運轉時，在有剩磁剩磁條件下，電樞繞組切割剩磁，則電樞繞組中條件下，電樞繞組切割剩磁，則電樞繞組中產生感應電動勢產生感應電動勢Er（約為（約為25%UN），從而），從而在電樞兩端建立在電樞兩端建立剩磁電壓剩磁電壓Ur，Ur作用下，產作用下，產生不大的勵磁電流生不大的勵磁電流If，此勵磁電流通過勵磁，此勵磁電流通過勵磁勵磁繞組導線細匝數多，勵磁繞組導線細匝數多，電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 41并勵直流發電機并勵直流發電機1自勵過程自勵過程繞組會產生磁場，磁場的方向若與繞組會產生磁場，

29、磁場的方向若與剩磁剩磁方向一致，則主磁通得方向一致，則主磁通得以加強，使電樞端電壓進一步提高，端電壓的升高，又使勵以加強，使電樞端電壓進一步提高，端電壓的升高，又使勵磁電流增大，主磁通更加強，如此反復，最終使電樞端電壓磁電流增大，主磁通更加強，如此反復，最終使電樞端電壓建立建立。（自勵是一個過程）。（自勵是一個過程） 自勵條件：自勵條件：電機必電機必須有須有剩磁剩磁，否則應利用其，否則應利用其它直流電源對其充磁；它直流電源對其充磁； 勵磁繞組與電樞繞組勵磁繞組與電樞繞組的接法要正確，即使勵磁的接法要正確，即使勵磁電流產生的磁通方向與剩電流產生的磁通方向與剩磁方向一致，否則應改變磁方向一致，否則

30、應改變并勵繞組極性；曲線并勵繞組極性；曲線4 勵磁回路總電阻應小勵磁回路總電阻應小于該轉速下的臨界電阻。于該轉速下的臨界電阻。 場阻線與空載特性相切，發場阻線與空載特性相切，發動機也不能自勵動機也不能自勵電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 42并勵直流發電機并勵直流發電機2外特性外特性 并勵直流發電機的勵磁繞并勵直流發電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯，當發電機組與電樞繞組并聯，當發電機端電壓下降，勵磁電流減少，端電壓下降，勵磁電流減少，使磁通變弱，則電樞電動勢降使磁通變弱，則電樞電動勢降低，從而使端電壓進一步下降低，從而使端電壓進一步下降它的外特性要比他勵直流發電它

31、的外特性要比他勵直流發電機下垂。它的電壓變化率機下垂。它的電壓變化率U%約為（約為（2030）%。電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 43【例【例1-31-3】 一臺一臺并勵并勵直流發電機數據為直流發電機數據為PN=82kW UN=230V nN=970r/min，電樞繞組總電，電樞繞組總電阻阻Ra=0.0259，并勵繞組內阻，并勵繞組內阻rf=22.8，額定負載時，并勵，額定負載時，并勵回路串入的調節電阻回路串入的調節電阻Rf=3.5，一對電刷壓降，一對電刷壓降2U=2V，pFe+pm=2.5kW，附加損耗，附加損耗pad=0.005PN，試求額定負載時，試求

32、額定負載時，發電機的，發電機的輸入功率輸入功率P1、電磁、電磁功率功率Pem、電磁轉矩和效率、電磁轉矩和效率。fNaIIIURIUEaaNa2電樞電動勢aaemIEPadmFeempppPP1電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 44【例【例1-31-3】解：（解：（1）求電磁功率）求電磁功率勵磁電流為勵磁電流為 額定負載電流為額定負載電流為 電樞電流為電樞電流為 ARrUIffNf75. 85 . 38 .22230AUPINNN52.35623010823AIIIfNa27.36575. 852.356電樞電動勢為電樞電動勢為 電磁功率為電磁功率為 （2）求輸

33、入功率）求輸入功率（3）求電磁轉矩）求電磁轉矩（4）求效率）求效率VURIUEaaNa5 .2412029. 027.3652302kWIEPaaem2 .8827.3655 .241kWpppPPadmFeem9182005. 05 . 22 .881mNnPTNem4 .868970102 .8855. 955. 93%1 .90%1009182%10012PPh電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 45直流電動機直流電動機 直流電動機是將輸入的直流直流電動機是將輸入的直流電能轉變為機械能的電氣設備電能轉變為機械能的電氣設備，即有：，即有： 直流電能直流電能機

34、械能。機械能。 他勵時有：他勵時有：I=Ia；并勵時有：并勵時有：I=Ia+If。電樞回路電壓方程式為電樞回路電壓方程式為U=Ea+IaRa其中反電動勢其中反電動勢Ea=Cen，若，若為并勵時，還存在為并勵時，還存在U=If（rf+Rfad）=IfRf 由于由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反小，電源電壓大部分降落在反電動勢電動勢Ea上。上。電動機空載時，電動機空載時，軸上輸出轉矩軸上輸出轉矩T2=0，則有，則有T=T0當負載轉矩為當負載轉矩為TL，軸上輸出有，軸上輸出有T2=TL，電動機勻速穩定運行時有，電動機勻速穩定運行時有T=T2+T0其

35、中其中電磁轉矩為拖動性質轉矩電磁轉矩為拖動性質轉矩，可用公式，可用公式T=CTIa計算，計算，（T2+T0）為總的阻轉矩，方向與）為總的阻轉矩，方向與T相反。相反。轉矩方程式轉矩方程式 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 46功率平衡關系功率平衡關系 他勵直流電動機輸入功率為他勵直流電動機輸入功率為P1=UI=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra P1=Pem+pCua 式中電磁功率式中電磁功率Pem的功率性質為電功率，的功率性質為電功率，pCua=Ia2Ra為電樞回路為電樞回路上的銅耗。上的銅耗。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流

36、電機直流電機Page 47功率平衡關系功率平衡關系 在轉矩平衡方程式在轉矩平衡方程式T=T2+T0兩邊同乘以角速度兩邊同乘以角速度可得可得T=T2+T0，則有，則有Pem=P2+p0 也可表示為也可表示為P2=Pem-p0式中電磁功率式中電磁功率Pem的功率性質為機械功率，空載損耗為：的功率性質為機械功率，空載損耗為：p0=pFe+pm+pad空載損耗空載損耗等于鐵損等于鐵損pFe、機械摩擦損耗、機械摩擦損耗pm、附加損耗附加損耗pad電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 48【例【例1-41-4】 已知一臺已知一臺永磁永磁直流電動機的電樞電阻直流電動機的電樞電阻

37、Ra=1.03當在當在50V直直流電源供電下空載運行時，電機轉速為流電源供電下空載運行時，電機轉速為2100r/min，吸收電流，吸收電流是是1.25A。試計算：。試計算：（1）轉矩常數）轉矩常數CT（CT= CTF F）（2）電動機的空載損耗）電動機的空載損耗p0；（3）當轉速為）當轉速為1700r/min以及電源電壓為以及電源電壓為48V時，電動機的輸出時，電動機的輸出功率功率P2。 解：（解：（1）求轉矩常數）求轉矩常數CT感應反電動勢為感應反電動勢為轉矩常數為轉矩常數為VRIUEaaa7 .4803. 125. 150rVnECaTmin/221. 021007 .4855. 955.

38、 9nCEeaF電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 49【例【例1-41-4】（3）求輸出功率）求輸出功率在轉速為在轉速為1700r/min時，感應電動勢為時，感應電動勢為電樞電流為電樞電流為電磁功率為電磁功率為輸出功率為輸出功率為VnCEea44.3917000232. 0AREUIaaa31. 803. 144.3948WIEPaaem32831. 844.39WpPPem2676132802（2）求空載損耗）求空載損耗空載損耗為空載損耗為WIEpaa6125. 17 .480電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 50直流電動機

39、的工作特性直流電動機的工作特性其表達式為其表達式為 若忽略電樞反應，電樞電阻又較小，若忽略電樞反應，電樞電阻又較小，轉速特性是一條略微向下傾斜的直轉速特性是一條略微向下傾斜的直線（實線所示）；考慮電樞反應的線（實線所示）；考慮電樞反應的祛磁作用如虛線所示。祛磁作用如虛線所示。aeaaeaeNICRnICRCUnFFF0n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)圖136 他勵(并勵)直流電動機工作特性 轉速特性轉速特性是指當是指當U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻，電樞回路外串電阻R=0時時， n=(Ia) 的關系。的關系。 直流電動機工作特性是指在直流電動機工作特

40、性是指在U=UN，If=IfN，電樞回路不外串電阻的條件，電樞回路不外串電阻的條件下，下，轉速轉速n、轉矩、轉矩T、效率、效率h h與輸出功率與輸出功率P2之間的關系曲線之間的關系曲線。實際運行中，。實際運行中，電樞電流電樞電流Ia是隨是隨P2增大而增大，又便于測量，故也可把轉速增大而增大，又便于測量，故也可把轉速n、轉矩、轉矩T、效、效率率h h與電樞電流與電樞電流Ia之間的關系曲線稱為工作特性。之間的關系曲線稱為工作特性。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 51直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性 轉矩特性轉矩特性是指當是指當U=UN，If=IfN，電

41、樞回路外串電阻，電樞回路外串電阻R=0時，時，T=(Ia)的關系。的關系。 根據轉矩公式根據轉矩公式T=CTIa，忽略電樞反應，忽略電樞反應，轉矩特性是一條過原點的直線（實線所示）?？紤]電樞反，轉矩特性是一條過原點的直線（實線所示）?？紤]電樞反應的祛磁作用，轉矩特性如圖虛線所示。應的祛磁作用，轉矩特性如圖虛線所示。n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)圖136 他勵(并勵)直流電動機工作特性電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 52直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性式中總損耗為式中總損耗為 其中空載損耗其中空載損耗p0與負載電流變

42、化與負載電流變化無關，稱為不變損耗無關，稱為不變損耗,電樞銅耗電樞銅耗pCua隨負載電流平方倍變化，隨負載電流平方倍變化，又稱可變損耗又稱可變損耗aIUpPP112haaadFemCuaRIpppppp20 當負載電流從零逐漸增大時當負載電流從零逐漸增大時，效率也隨之增大，當負載電流，效率也隨之增大，當負載電流增大到一定程度，效率達最大之增大到一定程度，效率達最大之后隨負載電流的繼續增大，效率后隨負載電流的繼續增大，效率反而減，如圖所示。反而減，如圖所示。n，T，hIa(P2)0n=f(Ia)h=f(Ia)T=f(Ia)圖136 他勵(并勵)直流電動機工作特性效率特性效率特性是指當是指當U=U

43、N，If=IfN，電樞回路外串電阻，電樞回路外串電阻R=0時，時，h h ( (I Ia a)的關系。的關系。 根據效率的定義可得根據效率的定義可得 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 53直流電動機的工作特性直流電動機的工作特性 如果令如果令 dh h/ /dI Ia a00，可得：，可得：說明不變損耗等于可變損耗時，效率最高，效率特性的這個特點說明不變損耗等于可變損耗時，效率最高，效率特性的這個特點，對其他電機、變壓器也適用，具有普遍意義。，對其他電機、變壓器也適用，具有普遍意義。Cuapp 0【例例1-51-5】 有一有一他勵他勵直流電動機接在額定電壓為直

44、流電動機接在額定電壓為220V的電網的電網上額定運行時，電動機的額定電樞電流上額定運行時，電動機的額定電樞電流Ia=15A，電樞回路總電，電樞回路總電阻阻Ra=0.7，（，（1）求電動機額定運行時的反電動勢；（）求電動機額定運行時的反電動勢；（2）若）若因某種原因，使電網電壓下降至因某種原因，使電網電壓下降至195V，但勵磁電流和負載轉矩，但勵磁電流和負載轉矩均未發生變化，求在達到新平衡點后電動機的反電動勢。均未發生變化，求在達到新平衡點后電動機的反電動勢。解：解：1）額定運行時的反電動勢）額定運行時的反電動勢2）新平衡點時的反電動勢）新平衡點時的反電動勢 VRIUEaaNaN5 .2097

45、. 015220VRIUEaaa5 .1847 . 015195電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 54他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 （1）固有機械特性）固有機械特性:他勵直流電動機的固有機械特性是指：他勵直流電動機的固有機械特性是指：在電源電壓在電源電壓U=UN，氣隙磁通，氣隙磁通=N，電樞外串電阻，電樞外串電阻R=0時時，n=(T)的機械特性，其數學表達式為的機械特性，其數學表達式為 NNNTeaNeNnnTnTCCRCUn002式中式中b稱為斜率，稱為斜率，nN為額為額定負載時的定負載時的轉速降轉速降。 他勵直流電動機固有機械特性他勵直

46、流電動機固有機械特性是一條過理想空載點（是一條過理想空載點（n=n0，T=0）斜率很小的硬特性曲線。）斜率很小的硬特性曲線。當空載轉矩為當空載轉矩為T0時，實際空載轉時，實際空載轉速為速為n0。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 55他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性求理想空載點（求理想空載點（n0，0） 計算理想空載轉速公式為計算理想空載轉速公式為式中式中NeNCUn0NaNNNaNNenRIUnEC（2） 根據銘牌數據估算機械特性根據銘牌數據估算機械特性 直流電動機的固有機械特性可通過實驗測得，也可根據直流電動機的固有機械特性可通過實驗測得，

47、也可根據銘牌數據估算求得。銘牌數據估算求得。 由于固有機械特性是一條直線，一般通過求取兩個特殊由于固有機械特性是一條直線，一般通過求取兩個特殊點（理想空載點和額定工作點），再將這兩點連成直線便點（理想空載點和額定工作點），再將這兩點連成直線便可得到固有機械特性?？傻玫焦逃袡C械特性。電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 56他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 電樞回路電阻電樞回路電阻Ra，可實測或根據經驗公式估算。一般直流，可實測或根據經驗公式估算。一般直流電動機額定運行時的銅損約占電動機額定運行時的銅損約占總損耗總損耗的一半至三分之二，則的一半至三分

48、之二，則Ra的估算式為的估算式為 )(10)3221(23NNNNaIPIUR求額定工作點（求額定工作點（nN，TN） 根據銘牌數據可得額定轉速根據銘牌數據可得額定轉速nN，而計算電磁轉矩公式為，而計算電磁轉矩公式為 NNeNNTNICICT55. 9電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 57【例【例1-61-6】 一臺他勵直流電動機額定數據為一臺他勵直流電動機額定數據為PN=100kW，UN=220V，IN=517A，nN=1200r/min，電樞回路電阻，電樞回路電阻Ra=0.044，試求：，試求：1）固有機械特性方程式；）固有機械特性方程式；2）額定負載時的

49、電樞電動勢和額定電）額定負載時的電樞電動勢和額定電磁轉矩；磁轉矩；3）額定輸出轉矩和空載轉矩；）額定輸出轉矩和空載轉矩；4）理想空載轉速和實）理想空載轉速和實際空載轉速；際空載轉速；5）電機額定運行，分別求電樞回路外串電阻）電機額定運行，分別求電樞回路外串電阻Ra=0.206時的轉速、電壓時的轉速、電壓U=50V時的轉速和磁通時的轉速和磁通F F=75%F FN時的轉速。時的轉速。 解：（解：（1）求固有機械特性方程式）求固有機械特性方程式164. 01200044. 0517220NaNNNenRIUCTTTCCRCUnNTeaNeN17. 01341164. 055. 9044. 0164

50、. 022022電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 58【例【例1-61-6】（3）額定輸出轉矩和空載轉矩）額定輸出轉矩和空載轉矩輸出轉矩為輸出轉矩為 空載轉矩為空載轉矩為 （4）求理想空載轉矩和實際空載轉矩）求理想空載轉矩和實際空載轉矩理想空載轉速為理想空載轉速為 實際空載轉速為實際空載轉速為 mNnPTNNN8 .79512001010055. 955. 932mNTTTN9 .138 .7957 .80920min/13410rCUnNeNmin/6 .13389 .1317. 0134117. 0134100rTn（2）求電樞電動勢和電磁轉矩）求電樞電動

51、勢和電磁轉矩電樞電動勢為電樞電動勢為 電磁轉矩為電磁轉矩為 VnCENNea8 .1961200164. 0mNICTaNe7 .809517164. 055. 955. 9電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 59【例【例1-61-6】（5）電樞回路外串電阻）電樞回路外串電阻Ra=0.206時的轉速時的轉速（6）電壓）電壓U=50V時的轉速時的轉速 （7）磁通）磁通F F75%75%F FN N時的轉速時的轉速 min/5537 .809164. 055. 9206. 0044. 01341)(55. 9134122rTCRRnNeaamin/1667 .809

52、164. 055. 9044. 0164. 050)(55. 922rTCRCUnNeaNemin/1542)%75(55. 9%752rTCRCUnNeaNeN電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 60Page 60他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 式中式中為為T=0 時的轉速時的轉速， 稱為理想空載轉速；稱為理想空載轉速； 2FTeaCCRR 是機械特性的斜率。是機械特性的斜率。 FeCUn0 表達式表達式 TnTCCRRCUCRRIUnTeaeeaaFFF02)( 他勵直流電動機的轉速他勵直流電動機的轉速n隨轉矩隨轉矩T的增大而降低。即負載時

53、的增大而降低。即負載時轉速低于理想空載轉速轉速低于理想空載轉速n0，負載時轉速下降的數值稱為負載時轉速下降的數值稱為轉速降轉速降，用用n表示為表示為Tnnn0定義：在電動機的運行中轉速與轉矩之間的關系稱為機械特性定義：在電動機的運行中轉速與轉矩之間的關系稱為機械特性 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 61Page 61他勵直流電動機固有機械特性他勵直流電動機固有機械特性 當電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞當電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時，回路不串電阻時，即即 , , , , 這種情況下的機械特性，稱為固有機械特性

54、。其表達式為這種情況下的機械特性，稱為固有機械特性。其表達式為NUU ， ， ， NFF 0R TCCRCUnNTeaNeN2FF 顯然，顯然，n與與成正比，當成正比，當越大，越大，n就越大。通常稱就越大。通常稱值大的機械特性為軟特值大的機械特性為軟特性，即在電力拖動系統中，如系統受外界性，即在電力拖動系統中，如系統受外界干擾導致負載轉矩增大或減小，對系統轉干擾導致負載轉矩增大或減小，對系統轉速速 產生影響大，那么系統抗干擾能力弱；產生影響大，那么系統抗干擾能力弱； 值小的機械特性為硬特性，即在電力拖值小的機械特性為硬特性，即在電力拖動系統中，如系統受外界干擾導致負載轉動系統中，如系統受外界干

55、擾導致負載轉矩增大或減小，對系統轉速矩增大或減小，對系統轉速 產生影響小，產生影響小，那么系統抗干擾能力強。對于一個恒速運那么系統抗干擾能力強。對于一個恒速運行的系統，我們總希望值行的系統，我們總希望值越小越好。越小越好。 是一條下斜直線，特性較硬。機械特性只是一條下斜直線，特性較硬。機械特性只表征電動機電磁轉矩和轉速之間的函數關表征電動機電磁轉矩和轉速之間的函數關系，是電動機本身的能力體現，系，是電動機本身的能力體現，電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 62Page 62人為機械特性人為機械特性 圖圖3- -2電樞串電阻人為機械特性電樞串電阻人為機械特性 他勵

56、直流電動機的參數如電壓、勵磁電流、電樞回路電阻他勵直流電動機的參數如電壓、勵磁電流、電樞回路電阻大小等改變后，其機械特性稱為人為機械特性。主要人為機械大小等改變后，其機械特性稱為人為機械特性。主要人為機械特性有三種。特性有三種。 1 1. .電樞回路串電阻的人為機械特性電樞回路串電阻的人為機械特性TCCRRCUnNTeaNeN2FF 電樞加額定電壓電樞加額定電壓UN，每極磁通每極磁通為額定值為額定值N，電樞回路串入電阻電樞回路串入電阻R后，機械特性表達式為后，機械特性表達式為電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 63Page 63人為機械特性人為機械特性圖圖3-3

57、 改變電樞電壓人為機械特性改變電樞電壓人為機械特性 2 2改變電樞電壓的人為機械特性改變電樞電壓的人為機械特性TCCRCUnNTeaNe2FF 保持每極磁通為額定值不變，保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻，只改變電電樞回路不串電阻，只改變電樞電壓時，機械特性表達式為樞電壓時，機械特性表達式為電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 64Page 64人為機械特性人為機械特性圖圖3-43-4減少每極磁通人為機械特性減少每極磁通人為機械特性 3 3 . .減少氣隙磁通量的人為機械特性減少氣隙磁通量的人為機械特性 電樞電壓為額定值不變，電樞電壓為額定值不變，電樞回路

58、不串電阻時，僅電樞回路不串電阻時，僅改變每極磁通的人為機械改變每極磁通的人為機械特性表達式為特性表達式為TCCRCUnTeaeN2FF 一般他勵直流電動機在額定磁通下運行時，電機已接近于飽和，增大每極磁通是難以做到的。因此，改變磁通實際上只能減少磁通。我們通過改變勵磁回路串接電阻或降低勵磁電壓來改變勵磁電流，從來調節磁通的大小。電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 65Page 65人為機械特性人為機械特性圖圖3- -5電樞反應有去磁效應時的機械特性電樞反應有去磁效應時的機械特性以上分析直流電機的固有機械特性或人為機械特性時，都忽以上分析直流電機的固有機械特性或人

59、為機械特性時，都忽略了電樞反應的影響。實際上，由于電樞反應表現為去磁效略了電樞反應的影響。實際上，由于電樞反應表現為去磁效應，使機械特性出現上翹現象，將對電動機的穩定運行產生應，使機械特性出現上翹現象，將對電動機的穩定運行產生不良影響。不良影響。為了避免機械特性的上翹，對容量較大的直流電機，為了補償電摳反應去磁效應，在主極上加上一個繞組，稱穩定繞組，繞組里流的是電樞電流，產生的磁通補償了電樞反應的去磁部分，使電機的機械特性不出現上翹現象。電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機Page 66Page 66根據電機的銘牌數據繪制機械特性根據電機的銘牌數據繪制機械特性 1.1.固

60、有機械特性的繪制固有機械特性的繪制(1)(1)估算估算EaN或實測或實測Ra；(2)(2)計算計算CeN；(3)(3)求求n0；(4)(4)計算計算TN 。在坐標紙上標出在坐標紙上標出(0, n0)，(TN , nN)兩點，過此兩點聯成直線，兩點，過此兩點聯成直線，即為該直流電動機的固有機械特性。即為該直流電動機的固有機械特性。2.2.人為機械特性的繪制人為機械特性的繪制 各種人為機械特性的計算較為簡單，只要把相應的參數各種人為機械特性的計算較為簡單，只要把相應的參數代入相應的人為機械特性方程式即可。代入相應的人為機械特性方程式即可。 電力拖動與控制電力拖動與控制第一章第一章 直流電機直流電機