电机学 第2章直流电机2.5-2.7

(P2) I a
2.5.3 他励直流发电机的运行特性


决定直流发电机的运行特性的物理量 是：电枢端电压U、负载电流I、励磁 电流If以及转速n。 在保持电机转速为额定转速的基础上， 令电枢端电压U、负载电流I、励磁电 流If三者中的一个保持额定值，分析 另外两物理量的变化曲线关系，即为 分析直流发电机的运行特性。
补充：注意事项
他励发电机在额定励磁下短路 短路电流： E0 Ik Ra

由于Ra很小，短路电流大， 可为额定电流的20-30倍，故 他励发电机不允许在额定励 磁下发生持续短路。
（3）调节特性

E a C en
调节特性是指原动机的转速n=nN，保持端 电压U=UN时，励磁电流与负载电流之间的 关系，即If=ƒ(I)。
2)效率特性与并励直流电 动机的效率特性基本相似
2.6.4 并励直流电动机的机械特性
当电源电压为常值、气隙每极磁通量为常 值以及电枢回路电阻为常值时，电动机的 转速n和电磁转矩Te之间的关系曲线。
固有机械特性：电枢电压和磁通为额定值， 其电枢回路不串电阻情况下的机械特性； 机械特性 人为机械特性：人为改变电枢电压、磁通或 在电枢回路串上外接电阻时的机械特性；
（1）空载特性

Ea U I a Ra

空载试验时，调节励磁电流应单 方向调节，这样作出上升与下降 两条曲线取其平均值作为空载特 性曲线。 当励磁电流＝0时，磁路中还会 有剩磁，由此感应的电动势为剩 磁感应电动势，其值约为额定电 压的2％～4％。
（2）外特性

外特性是指原动机的转速n=nN，励磁电流 If=IfN时，电枢端电压与负载电流之间的关 系，即：U=ƒ(I)。
（3）杂散损耗

又称附加损耗。主要是由于电枢有齿槽存在，当 电枢转动时，气隙磁通在主极和电枢铁心中产生 脉振损耗以及在主极表面左右摆动而引起的表面 损耗加上其它额外损耗等。
（4）铜损耗

铜损耗包括电枢回路铜耗和励磁回路铜耗
（5）输出功率

输出功率等于直流发电机电刷两端输出电 压与电流的乘积
（6）电磁功率

复励与他励、并励外特性的比较
2.6 直流电动机
2.6.1 电机的可逆原理 同一台电机即可作发电机运行，又可作电动 机运行，这就是电机的可逆原理，无论直流 电机或交流电机中都适用。 无论发电机或电动机，电枢电动势和电磁转 矩是同时存在的。当Ea﹥U，Te与n反向时为 发电机运行状态；当Ea﹤U，Te与n同向时为 电动机运行状态。
（3）功率平衡方程

对于并励电动机（从电功率方面分析）：
+ 若忽略电刷两端压降： U 代入 I Ia
M
If
U Ea I a ra
方程两边同时乘以Ia：
－
上页推出的结果
（3）功率平衡方程

对于并励电动机（从机械功率方面分析）
空载损耗
转矩平衡方程式： 两边同时乘以电枢机械角速度Ω：
若计及杂散损耗
2. 转矩平衡方程式
3. 功率平衡方程式
空载损耗
杂散损耗（按0.5-1%P2）计算
（1）输入功率
P1 T1

输入功率等于原动机的转矩与电枢的机械 角速度的乘积
（2）空载损耗 p0 p Fe ＋ p


铁损耗是指电枢铁心在磁场中旋转时，硅钢片中 的磁滞损耗和涡流损耗。这两种损耗与磁通密度 的大小以及磁通交变的频率有关； 机械损耗包括电机各种摩擦损耗，与转速有关；
并励发电机的外特性有以下三个特点：
3)稳态短路（端电压等于零）时，电流较小;
Er Ik Ra
2.5.6 复励直流发电机的外特性
复励直流发电机具有并励和 串励两套励磁绕组： 1)并励绕组和串励绕组均安装 在主磁极上。并励绕组并接 在电枢绕组两端，励磁电流 较小，但匝数较多； 2)串励绕组与电枢绕组串联， 其电流等于电枢电流，一般 只有几匝。
增加：转速上升，飞车事故！
（1）并励直流电动机的工作特性
U＝UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，
转矩特性：
当气隙每极磁通为常值时，电磁转 矩与电枢电流成正比； 考虑电枢反应去磁作用，则随着的 增大，要略微减小。
（1）并励直流电动机的工作特性
U＝UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，
并励电动机的断励磁的后果：

在并励电动机运行时，励磁绕组决不能断开！ 励磁绕组断开时，If=0，主磁通只为剩磁。
E a C en
Ea 但外部负载不变， U=Ea+IaRa Ea=0 U Ia Ra Ia
减少：电机停车
Te CTI a
由U E a I a Ra
时间一长， 绕组烧毁！


在复励直流发电机中，若串励磁动势与并 励磁动势方向相同，称为积复励；若两者 方向相反，称为差复励。 积复励情况下：并励绕组起主要作用，使 发电机空载时能达到额定电压；串励绕组 则用以补偿负载时电枢回路的电阻压降和 电枢反应的去磁作用。

若串励绕组的补偿作用使 得 I = IN 时的 U = UN ， 这种情况称为平复励； 若补偿不足，则外特性略 有下降，称为欠复励； 若补偿有余，则外特性略 向上拱，称为过复励。
电机学
第2章 直流电机 2
2.5 直流发电机
2.5.1 直流发电机的基本方程式 （1）电压平衡方程式 （2）转矩平衡方程式 （3）功率平衡方程式

下面以并励直流发电机为例分别予以讨论。
1. 电压平衡方程式
U I a Ra
ΔU为每一电刷的接触电压降,通常假定为常数，当用 石墨电刷或碳石墨电刷时，取为1V Ra称为为电枢回路总电阻，此时 它已将电刷接触电阻包含在内

因此串励直流电动机的转 速特性为反比例曲线。
串励直流电动机也可能存在飞车现象！

当电机轻载运行时，电枢电流和主磁通都 很小，则转速将非常高，容易产生“飞速” 现象，十分危险。
注意：串励直流电动机绝对不允许在空载或很轻的负载 下运行，否则将发生“飞速”现象而使电枢遭到破坏。
串励直流电动机的转速调整率

2.6.2 直流电动机的基本方程式

（1）电压平衡方程式
在并励直流电动机中，励磁电流If 由电网供给 + U I Ia
M
If
－
（2）转矩平衡方程

电动机轴上的转矩有三个：一是起驱动作 用的电磁转矩；二是电动机轴上的输出转 矩；三是电动机的空载转矩；

在电力拖动系统中，往往把直流电动机的 空载转矩加上轴上输出转矩，称之为负载 转矩，用TL表示。
效率特性：
p P2 100% 100% 1－ P1 P1
2 p ＋p Fe＋UI f ＋I a Ra＋p ＝1－ 100% U（I a＋I f ） 电枢电流从零开始增大时，效率逐渐增大；
当可变损耗等于不变损耗时，效率达到最 大值。当效率达到最大值之后，随着电枢 电流的增大，效率又逐渐减小了。
引起端电压下降的主要因素是：
1）电枢回路电阻上的电压 降随负载电流的增大而增 大，使端电压下降。 2）负载增大时，电枢反应 的去磁作用引起每极磁通 量减少，从而使相应的电 枢电动势减小。
U E a I a Ra
电压变化率的定义：
U 0－U N U 100% UN

电压变化率要求越小越好，一般他励直流 发电机的电压变化率约为5％～10％，可以 认为是恒压源。
2.5.5 并励直流发电机的运行特性
并励直流发电机的运行特性包括空载 特性、外特性、调节特性等，除外特 性外，其他特性与他励直流发电机的 特性相类似。 现将与他励直流发电机不同的外特性 进行分析。

并励直流发电机的外特性

并励发电机的外特性是指n=nN，Rf=常值 时，发电机的端电压与负载电流间的关系
注意区别：Ea U I a Ra
电磁功率还有一种机械功率的表 示方法：
功率平衡方程式：

（1）从机械功率的角度

（2）从电功率的角度
在电压平衡方程 E a U I a Ra 两边同乘以电枢电流 Ia 结合
得到总的： 功率平衡方程式
空载损耗
杂散损耗（按0.5-1%P2）计算
2.5.2 直流发电机的效率特性
2.6.5 串励直流电动机的机械特性
串励电动机特点： If
Ia
此处Ra包含了 串励绕组电阻
代入
Te Ia Fra Baidu bibliotek CT
串励直流电动机的机械特性

串励直流电动机的机械特 性方程式表示的曲线是一 条双曲线，特性较软。 因此，串励电动机适合 低速重载场合，启动转 矩大，过载能力强！
U f I
并励发电机的外特性有以下三个特点：
U I RL
1)负载增大时，端电压下降较快; 2)外特性有拐弯现象: 当负载电阻减小，负载电流增大， 端电压下降到一定值时，磁路将处于 不饱和状态，此时若进一步减小，端 电压的下降使励磁电流下降，而励磁 电流的下降将导致气隙磁通和感应电 动势较大幅度的下降，结果使端电压 的下降比负载电阻减小得更快，于是 外特性就出现“拐弯”现象，即端电 压下降，负载电流亦下降。

（1）电枢回路串接电阻时的人为机械特性
空载速度不变； 随着电阻的增加，转速降落增加； 特性变软
3. 人为机械特性

（2）改变电枢电压时的人为机械特性
空载理想速度随着U的减小而减小；
转速降落不变；
3. 人为机械特性

（3）减弱磁通时的人为机械特性
理想空载转速随磁通的改变而变化； 转速降随磁通的改变而变化。 见书P54例2-3
下面我们分别介绍并励、串励两种直流 电动机的3种工作特性，并分析其特性 曲线的变化趋势。
（1）并励直流电动机的工作特性
U＝UN，电枢回路不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，
转速特性： n f (Ia )
影响电动机转速的因素有两个： （1）电枢回路的电阻压降； （2）电枢反应去磁的影响。 转速调整率： 并励直流电动机的转速调整率 约为3％～8％，基本上是一种 恒速电动机
1. 机械特性的一般表达式

考虑在直流电动机电枢回路串入调节电阻Raj
代入
2. 固有机械特性

即U=UN、If=IfN、电枢回路不串调节电阻 时的机械特性。
并励直流电动机和他励直流 电动机一般用于拖动要求转 速变化不大的生产机械，如 金属切削机床、通风机、鼓 风机、印刷及印染机械等。
3. 人为机械特性
（2）串励直流电动机的工作特性
分析：电枢电压U=UN时，电枢 电流与转速、转矩、效率之间 的特性曲线关系； 串励电动机特点：
串励电动机 试验接线图
I f Ia
所以主磁通随电枢电流Ia的变 化而变化，但同时又要考虑Ia 较大时的磁饱和的非线性问题
串励直流电动机转速特性：
电枢电压U＝UN时
串励电动机 试验接线图
在负载电流变化时，若 保持端电压不变，必须改变 励磁电流，补偿电枢反应及 电枢回路电阻压降对输出端 电压的影响。
2.5.4 并励直流发电机的自励
并励直流发电机的自励过程
并励直流发电机的自励条件 :
（1）电机的铁心中必须有剩磁。 （2）励磁绕组接到电枢绕组的连接方法与 电枢旋转方向必须正确配合，以使励磁电 流产生的磁场方向与剩磁方向一致，而起 增磁作用。 （3）励磁回路的电阻应小于与发电机运行 转速相对应的临界电阻。
结合：
并励直流电动机功率流程图
直流电动机的效率：
p P2 P1－ p 1 P1 P1 P2 p
并励直流电动机总损耗：
他励直流电动机总损耗：
见书P49例2-2
2.6.3 直流电动机的工作特性

直流电机的工作特性是指U＝UN，电枢回路 不串入附加电阻，励磁电流为额定值时，
p P2 P1－ p 1 P1 P1 P2 p
不变损耗：如机械损耗、铁耗、励磁绕组的铜耗 可变损耗：如电枢回路总铜耗，与电流的平方成正比
注意：当可变损耗等于不变损耗 时，电机效率可达到最大值
设计电机时Pmax=(3/4～1）PN
当负载较小时，不变损耗占 η 主要部分，负载增加时，输 η 出功率将正比增加，故效率 迅速上升； 在负载电流超过额定电流后， 可变损耗所占比重超过不变 0 损耗，可变损耗起主要作用， 效率反而下降；

鉴于上述原因，串励直流电动机的输出功 率一般不小于额定功率的1/4，所以串励直 流电动机的转速调整率定义为：
n 1－n N n
4
nN
100%
串励电动机的转矩和效率特性
电枢电压U＝UN时
Te CTI a 且 I a 所以 Te I
2 a
1)串励电动机转矩特性为 一条二次曲线;