直流电机的基本方程式
直流电动机的方程式与机械特性
-
↓
电磁力与电枢铁心半径之积为电
磁转矩，电磁转矩是带动电枢旋
S
转的动力矩。
2.直流电动机的工作原理
图a
图b
图c
图d
直流电动机工作过程分解图
电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷流到电枢 线圈中的电流，却是交变的。
在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向 始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。
机械损耗和铁心损耗在“电动机空载运行时就存在”，二者 之和又称为“空载损耗”。
☆ 空载损耗P0： P0= Pm＋PFe
空载损耗产生空载转矩T0，T0与旋转方向相反，是制动转矩。
2.功率平衡方程式
☆附加损耗Ps：
附加损耗又称杂散损耗，其值很难计算和测定，通常取：
Ps =（0.5%~1%）PN。
总损耗：
实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁 转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。
二、直流电动机的电磁转矩
电磁转矩T是带动直流电动机旋转的动力矩，它是个 既有大小、又有方向的向量。 电磁转矩的方向由左手定则判断。
电磁转矩的大小为：
其中p为磁极对数，N为电枢绕组总导体数，a为单波绕组并联支 路对数，CT为转矩常数。这些参数只与电机的结构有关。
1.电动势平衡方程式（电路系统）
2.转矩平衡方程式（机械系统）
他励直流电动机电路图
3.功率平衡方程式（能量转换过程）
1.电动势平衡方程式
他励直流电动机的励磁电压Uf与电枢电压Ua彼此无关。
励磁电路： Uf →If →Φ 电枢电路：Ua → Ia→T → n →Ea
利用基尔霍夫电压定律，可得 电动势平衡方程式为：
直流电动机稳态运行时的基本方程式和功率关系
Ia
UN Ra
Ik
T CTN Ik Tst
n
⑥ n>n0时为发电机状态，此时 Ea>U, T与n反向，Ia反向，
n0 n’0 nN
nN
Ea与Ia同向， 向电网送出电
功率。
0 T0
TN T
2. 人为机械特性分析
根据转速、转矩公式
n
U
Ce
R
CeCT 2
T
人为地改变电动机参数U、R或得到的机械特性，称为 人为机械特性。
即人为特性比固有特性软。
n
n0
N’ N
人为
固有
N> N’
0
T
2.6.2 串励直流电动机的机械特性
不考虑磁路饱和，Φ＝kfIf=kfIa
n
U E I (R R ) C n I (R R )
a
a
a
f
e
a
a
f
C k I n I (R R )
efa
a
a
f
I [C k (R R )]
0
T T0 T2
PM p0 P2
PM T 为电磁功率
p0 T0 为空载损耗
P2 T2 为轴上输出的机械功率
空载损耗p0中包括铁损耗pFe和机械摩擦损耗pm，他励电动 机的励磁损耗pCuf由励磁电源供给，不包含在所分析的发电机损 耗中。
总损耗即为： p pCua pFe pm ps
有三种人为机械特性： （1）电枢回路串电阻的人为机械特性； （2）改变端电压时的人为机械特性； （3）减弱电动机主磁通时的人为机械特性；
电枢回路串电阻的人为机械特性
保持U＝UN 及＝ N 不变而在电枢回路中串入电 阻Rc，所得的n＝f（T）关系。
直流电机的基本方程式
直流电机的基本方程式一．直流发电机的基本方程式以并励机为例：（一）.电压平衡方程直流发电机发出的电势E a产生电流I a，I a在电枢回路总电阻R a（包括电枢绕组电阻及两个电刷的接触电阻）上产生压降I a R a，则输出电压U＝E a－I a R a，可见发电机E a>U。
电路如图：（二）.转矩平衡方程式直流发电机是把机械能转变为电能，因此由原动机输入的机械转矩T1是驱动转矩；电磁转矩T是制动转矩；即使电机空转也存在的、对应电机机械摩擦、铁损耗等的空载转矩T0一定是阻转矩，当驱动＝制动时，电机恒速旋转。
因此发电机稳定运行时的转矩平衡方程为：T1=T+ T0（三）功率平衡方程式其功率流程图如图：从原动机输入机械功率P1，扣除了机械方面的损耗p机，就是机转变为电的部分称为电磁功率P M，再扣除了电方面的损耗p电，就是输出的电功率P2＝UI，对并励发电机I＝I a－I f。
额定时的P2就是P N=U N I N。
其中：p机是机械方面的损耗，它也是电机空载运行时就存在的损耗，故称空载损耗p，它包括了机械摩擦损耗mp、铁耗Fe p、附加损耗ad p（≈0.01~0.05P N），即:p 机＝0p ＝m p ＋Fe p ＋ad p ；p 电是电方面的损耗称为铜耗，它包括了电枢回路铜耗cua p ＝2a I R a 和励磁回路铜耗cuf p ＝UI 2fU R ＝2f I ＝f R ，即p 电＝cua p ＋cuf p 由功率流程图可列功率平衡方程：机械方面：10M P P p =+；电方面：2M cua P P p =-－cuf p ；把机械方面的功率平衡方程两边除以Ω，就得到了转矩平衡方程。
其中：T 1＝1P Ω；T 0＝0P Ω；T ＝M PΩ。
可见电磁功率M P ＝T Ω——这是用机械量表示的电磁功率。
把电压平衡方程U ＝E a －I a R a 的两边乘以I a ：UI a = E a I a －2a I R a ∵I a ＝I ＋I f ，则：UI a = U(I+I f )= E a I a －2a I R a ， ∴UI= E a I a －2a I R a －UI f ＝E a I a －cua p －cuf p其中：UI 就是P 2；对比电方面的功率平衡方程可知：E a I a 就是电磁功率P M 。
无刷直流电机常用计算公式
电机转速n （r/min ）；电枢表面线速度v （m/s ）； 电枢表面圆周速度Ω （rad/s ）；电枢直径D （m ）； 电机的极对数P ；频率f (Hz)； 每极总磁通Φ （Wb ）；a ：电枢绕组并联支路对数 电枢绕组每相有效匝数WA ； T U ∆：电压损耗（开关管损耗等） 电势系数e K ：是当电动机单位转速时在电枢绕组中所产生的感应电势平均值。
转矩系数T K ：(N.m/A) 是当电动机电枢绕组中通入单位电流时电动机所产生的平均电磁转矩值。
额定功率N P ：指电动机在额定运行时，其轴上输出的机械功率（W ）。
额定电压N U ：是指在额定运行情况下，直流电动机的励磁绕组和电枢绕组应加的电压值，（V ）。
额定电流a I ：是指电动机在额定电压下，负载达到额定功率时的电枢电流和励磁电流值，（A ）。
额定转速N n ：是指电动机在额定电压和额定功率时每分钟的转数，单位r/min.额定转矩N T 2：是指额定电压和额定功率时的输出转矩，单位N.m 。
电机成品的已知量：额定转速N n 、p 、a 、e K 、T K 、a R60pn f =n D v •=60π 6022n p f ⋅=⋅=Ωππ a n p C e ⋅⋅=60Φ⋅=e e C K e T C C ⋅=π260 Φ⋅=T T C KaT a a a R U E U I ∆−−= 功率P ：Ω=/P T机械特性：=n无刷直流电动机稳态特性的4个基本公式：电压平衡方程式：T a a a aU R I E U ∆+⋅+= 感应电势公式：n K E e a ⋅=转矩平衡方程式：20T T T em +=电磁转矩公式：a T emI K T ⋅=驱动器-电机系统实验数据结构：特性曲线：n-T P2-P1 P1、P2-I η-Iav机械特性曲线其中：n ：电机转速（r/min ）；T ：电机的输出转矩（N.m ）P1：电机的输入功率（W ） P2：电机的输出功率（W ） I ：系统母线电流（A ）η：效率 Iav ：输入电机的平均电流，电机n 相电流的平均值（A ）注意：n ：实际转可通过转速表直接测量；理论转速可以通过P f n ⋅=60计算得到（其中P 为电机极对数）；P1：av av I U P •=1； Uav 、Iav ：电机n 相电压电流的平均值，可通过直接测量各相电压电流然后计算得出；P2：Ω•=T P 2； T ：电机的输出转矩Ω：电枢表面圆周速度（rad/s ），可通过6022n p f ⋅=⋅=Ωππ求得； 电动机的功率与转矩--------------------------------------------电动机的功率，应根据生产机械所需要的功率来选择，尽量使电动机在额定负载下运行。
(完整版)直流电机的基本方程
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、电动势平衡方程式：
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：
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1%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：
C、并励发电机的功率方程式：。
第二十四章 直流电机的磁势、电势和基本方程式分析
➢直流电机空载时电机内部电磁关系 ➢直流电机负载时电机内部电磁关系 ➢稳态运行时直流电机的基本方程式 ➢直流电机的可逆性
1
24-1 直流电机空载时磁路及磁势
一、空载时的磁路
➢空载：发电机出线端没有电流输出，电动机轴 上不带机械负载，即电枢电流为零的状态 ➢空载时的磁场：这时的气隙磁场，只由主极的 励磁电流所建立，所以直流电机空载时的气隙磁 场，又称励磁磁场。由于励磁电流是直流，所以 气隙磁场是一不随时间变化的恒定磁场。
F
2 B
0
K
1.6B K
10 6
B ----气隙磁密，（特）
----气隙长度，（米）
K ----气隙系数，又叫卡特系数，是计及电枢有齿槽后
使气隙磁势增大的系数
7
直流电机空载磁化曲线
磁化曲线：表示空载主磁通Φ0与主极磁动势Ff之间 的关系曲线， Φ0＝f（ Ff）。通过实验或计算得到。
饱和部分
气隙磁场
励磁电流所建立的磁场 电枢电流所建立的磁场 12
一、电刷在几何中线上时的电枢磁势
电流是由电刷引入的、 电刷两边是不同支路， 电流方向不同，电刷是 电流的分界线。
电枢绕组中的电流产生 的磁场。
主磁极的中心线称为直 轴，相邻N极和S极的分 界线称为交轴。
一般情况下，直流电机 电枢磁场方向总是对准 交轴，称为交轴电枢反 应。
顺着发电机方向移
22
二、电刷不在几何中性线上
电刷逆着发电机旋转方向移
交轴电枢磁势产生的电枢反应与 前面相同，直轴电枢反应起去磁 作用 Faq：畸变 Fad：增磁 发电机：电枢逆n旋转方向偏移 电动机：电枢顺n旋转方向偏移
逆着发电机方向移
直流电机的的基本方程式和运行特性
+U -
电势方程: Ea U IaБайду номын сангаасa 2U
I
U
Ia
(ra
2U Ia
)
U
Ia Ra
U I f (rf r ) I f Rf
If
nT1
T T0
Ia Ea
式中: Ra －电枢电阻
Rf Φ
Rf rf r －励磁回路总电阻
rf －励磁绕组电阻
rΩ
并励发电机
r －励磁绕组调节电阻 注：发电机中必有 Ea>U
① 负载特性 n＝常数、I＝常数时，U=f(If)的关系。其中，当I＝0 时的特性U0=f(If)称为发电机的空载特性
② 外特性
n＝常数、If＝常数（并励时Rf＝常数）时，U=f(I) 的关系
③调节特性 n＝常数、U＝常数时，If=f(I)的关系
19.2.1 它励直流发电机的空载特性 + U
-
定义：n=常数，I=0时，U0=f(If)的关系
P2
其中 p pm pFe pad pCuf pCua
注：额定负载时，直流发电机的效率与容量有关。10kW以下的 小电机，效率为75％～88.5％；10～100kW的电机，效率为85 ％～90％；100～1000kW的电机效率为88％～93％
例 一台四极并励直流发电机的额定数据为：PN=6kW, UN=230V,
nN=1450r/min,电枢回路电阻ra=0.92Ω,励磁回路的电阻 Rf=177Ω,2ΔU=2V，损耗pFe＋pm＝295W。试求额定负载下的 电磁功率、电磁转矩及效率（杂散损耗取输出功率的1％）。
解：额定电流
IN
PN UN
直流电机的基本方程式
.直流电机的基本方程式一．直流发电机的基本方程式以并励机为例：（一）.电压平衡方程直流发电机发出的电势E产生电流I，I在电枢回路aaa总电阻R（包括电枢绕组电阻及两个电刷的接触电阻）上a产生压降IR，则输出电压U＝E－IR，可见发电机E>U。
aaaaaa电路如图：（二）.转矩平衡方程式直流发电机是把机械能转变为电能，因此由原动机输入的机械转矩T 是驱动转矩；1电磁转矩T是制动转矩；即使电机空转也存在的、对应电机机械摩擦、铁损耗等的空载转矩T一定是阻转矩，当驱动＝制动时，电机恒速旋转。
因此发电机稳定运行时的转矩0平衡方程为：T=T+ T 01（三）功率平衡方程式其功率流程图如图：从原动机输入机械功率P，扣除了机械方面的损耗，就是机转变为电的部分称为电磁p1机功率P，再扣除了电方面的损耗，就是输出的电功率P＝UI，对并励发电机p2M电I＝I－I。
额定时的P就是P=UI。
Na2fNN其中：是机械方面的损耗，它也是电机空载运行时就存在的损耗，故称空载损耗，pp0机它包括了机械摩擦损耗、铁耗、附加损耗（≈0.01~0.05P），即:ppp N adFem..＝＝＋＋；ppppp adFe0m机是电方面的损耗称为铜耗，它包括了电枢回路铜耗＝R和励磁回路铜耗2ppI a acua电2U＝UI，即＝＋pppp2R I＝＝cufcuacuf由功率流程图可列功率平衡方程：电ff R f机械方面：；电方面：－；pP?P?pP?P?p cuaM201Mcuf P；T＝把机械方面的功率平衡方程两边除以Ω，就得到了转矩平衡方程。
其中：11?PP TΩ——这是用机械量表示的电磁功率。
；T＝。
可见电磁功率＝＝T0M P0 M把电压平衡方程U＝E－IR的两边乘以I：UI= EI－R 2I aaaaaaaa a∵I ＝I＋I，则：UI = U(I+I)= EI－R，2I aaaaaff a∴UI= EI－R －UI＝EI－－其中：UI就是P；对比电方面的功率平衡方程可知：EI 2ppI afaaaa cuacufa就是电磁功率P。
直流电机的基本方程式
直流电机的基本方程式一．直流发电机的基本方程式以并励机为例：（一）.电压平衡方程直流发电机发出的电势E a产生电流I a，I a在电枢回路总电阻R a（包括电枢绕组电阻及两个电刷的接触电阻）上产生压降I a R a，则输出电压U＝E a－I a R a，可见发电机E a>U。
电路如图：（二）.转矩平衡方程式直流发电机是把机械能转变为电能，因此由原动机输入的机械转矩T1是驱动转矩；电磁转矩T是制动转矩；即使电机空转也存在的、对应电机机械摩擦、铁损耗等的空载转矩T0一定是阻转矩，当驱动＝制动时，电机恒速旋转。
因此发电机稳定运行时的转矩平衡方程为：T1=T+ T0（三）功率平衡方程式其功率流程图如图：从原动机输入机械功率P1，扣除了机械方面的损耗p机，就是机转变为电的部分称为电磁功率P M，再扣除了电方面的损耗p电，就是输出的电功率P2＝UI，对并励发电机I＝I a－I f。
额定时的P2就是P N=U N I N。
其中：p机是机械方面的损耗，它也是电机空载运行时就存在的损耗，故称空载损耗p，它包括了机械摩擦损耗mp、铁耗Fe p、附加损耗ad p（≈0.01~0.05P N），即:p 机＝0p ＝m p ＋Fe p ＋ad p ；p 电是电方面的损耗称为铜耗，它包括了电枢回路铜耗cua p ＝2aI R a 和励磁回路铜耗 cuf p ＝UI 2fU R ＝2f I ＝f R ，即p 电＝cua p ＋cuf p 由功率流程图可列功率平衡方程：机械方面：10M P P p =+；电方面：2M cua PP p =-－cuf p ； 把机械方面的功率平衡方程两边除以Ω，就得到了转矩平衡方程。
其中：T 1＝1P Ω；T 0＝0P Ω；T ＝M PΩ。
可见电磁功率M P ＝T Ω——这是用机械量表示的电磁功率。
把电压平衡方程U ＝E a －I a R a 的两边乘以I a ：UI a = E a I a －2a I R a ∵I a ＝I ＋I f ，则：UI a = U(I+I f )= E a I a －2a I R a ， ∴UI= E a I a －2a I R a －UI f ＝E a I a －cua p －cuf p其中：UI 就是P 2；对比电方面的功率平衡方程可知：E a I a 就是电磁功率P M 。
他励直流电机的机械特性
定，负载确定电机的
电流与转速
7
他励直流电动机的功率关系
UIa EaIa Ia2Ra
T T2 T0
P1 PM pCua
PM P2 p0
P1 P2 pCua p0 P2 pCua pm pFe
p pCua pm pFe ps
n0
U
Ce
n0 T
直线！
: 理想空载转速
Ra R CeCT 2
:
机械特性的斜率
10
固有机械特性
U=UN，If=IfN, R=0 时的机械特性，也称自然
n T 机械特性
UN
CeN
Ra
CeCTN 2
11
特点：
• 电磁转矩越大，转速越低
• T=0：理想空载转速
+ U RL
-
N
n
T
正方向
Ia
Ea
T0
S
T1
原动机
1
1、他励直流发电机电压平衡关系式：
电枢回路： U Ea Ia Ra
+
U RL N
-
Ea Cen
n
T
T CtIa
U Ea Ia Ra Ia RL Ia
Ea
T0
S
励磁回路：
T1
U f I f rf f (I f , Ia )
PM T Ea Ia
机电能量转换！ 3
P1 PM p0 P2 p0 pcu P2 pm pFe pcu
p pcu pf pm pFe ps
效率： P2 P2
5直流电动机
电机与拖动
吸收能量。电磁转矩的方向也改变，与转速方向一致即变成 拖动性转矩，当转速下降到某一值时，电磁转矩与空载转矩 相同，这时转速不再下降维持恒速运行。 同样，上述物理过程可以反过来，这就是直流电机可逆原理。
电机与拖动
第二节直 流 电 动 机 的 基 本 方 程
从电路、力学和能量守恒 等方面可以得到电动机的 三个稳态的平衡方程。 • • • • • • 电枢回路方程式：U Ea I a Ra n Ia 电枢电动势： Ea CeI a T CT I a 电磁转矩 稳态运行转矩关系式： T T2 T0 Uf 他励发电机的励磁电流 I f Rf 气隙每极磁通 f (I f , I a )
电机与拖动
第 五 章
直 流 电 动 机
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电机与拖动
第五章
直
流
电
动
机
本 章 要 求：
掌握直流电机的可逆原理，并能正确判断 直流电机的运行状态。 熟练掌握直流电动机的基本方程，并能正确 使用。
掌握直流电动机的转速特性、转矩特性以 及效率特性。 熟练掌握直流电动机的机械特性，并能灵 活应用。
第一节 直 流 电 机 的 可 逆 原 理
对应于不同的R可以得到一簇斜率不同射线。 （2）改变电枢电压的人为机械特性
UN Ra R n T 2 Ce N C e CT N
Ra U n T 2 Ce N C e CT N
斜率不变，理想空载转速n0不同的一 簇平行线。(U<UN)
电机与拖动
（3）减少电动机气隙磁通的人为机械特性
电机与拖动
电机可逆原理：从原理上讲一台电机在某一种条件下作为发电机， 在另一种情况下可做电动机运行，这两种状态可以相互转换。
2024年直流电动机ppt
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的关系为转速特性。
根据转速公式，可得
n0： 理想空载转速
转速下降不多， 考虑电枢发应， 有可能升高。
Ia
Mem
并励（他励）电动机转矩特性
根据转矩公式：
或者
考虑去磁， 曲线有所下降。
并励（他励）电动机效率特性
当U＝UN， If＝IfN时，
的关系叫效率特性。
其中，
为不变损耗
为可变损耗
并励（他励）电动机效率特性
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5-直流电机的运行原理与换向--注册电气工程师供配电专业
－
－
3. 转矩
=
U－E
Ra+ Rf
=
T CTΦ
T = CTΦ Ia (1)当 Ia 较小、磁路未饱和时，Φ∝Ia →T ∝Ia2
(2)当 Ia 较大、磁路已饱和时，Φ≈常数 →T ∝Ia
即 T∝Iam (1＜m＜2)
◆ 与并励电动机比较，有如下特点：
① 对应于相同的△T ，△Ia 小； ② 对应于允许的 Iamax ，能够产生的 T 大，
Tst 和 Tmax 较大。
T
◆ 转矩特性：
U = UN 时， T = f (Ia )
O
Ia
4. 转速 n= E
= U－(Ra + Rf ) Ia
CEΦ
CEΦ
=
U －Ra + Rf
CEΦ CECTΦ2
T
(1) 当T = 0 时，Ia = If = 0，Φ =Φr ，
n 很大，n = (5 ~ 6) nN (2) 当T 很小时，Ia 很小，磁路未饱和，
T↑→ Ia↑ →Φ↑ → n 迅速下降； (3) 当T 很大时，Ia 很大，磁路已饱和，
T↑→ Ia↑ →Φ 基本不变 → n下降较少；
n
n
O
T
O
Ia
◆ 转速特性： n = f (Ia )| UN= U
n=
U－
CEΦ
Ra + Rf CEΦ
Ia
=
U－
CE' Ia
Ra + Rf CE'
5. 应用
(1) 特别适用于起重机和电气机车等运输机械;
T = CTΦN Ia
O
Ia
= CT' Ia
直流电 波动方程
直流电波动方程
直流电波动方程主要涉及到直流电动机和直流发电机的基本方程。
以下是他励直流电动机和直流发电机的基本方程：
1. 他励直流电动机：
电压平衡方程式：
U = Ea + IaRa + Ir
其中，U为电枢电压，Ea为电枢绕组感应电动势，Ia为电枢电流，Ra为电枢绕组电阻，Ir为电刷电阻压降。
转矩平衡方程式：
T = Tem - T0
其中，T为电磁转矩，Tem为电动机输出转矩，T0为空载转矩。
2. 直流发电机：
电压方程式（他励式）：
Uf = If * Rf
其中，Uf为励磁电压，If为励磁电流，Rf为励磁电阻。
电枢回路电压方程式：
Ea = UIa * Ra / 2Lambda Ub
其中，Ea为电枢绕组感应电动势，U为电枢电压，Ia为电枢电流，Ra为电枢绕组电阻，2Lambda Ub为电刷的电阻压降。
转矩方程式：
T1 = Tem = T0
其中，T1为电磁转矩，Tem为电动机输出转矩，T0为空载转矩。
这些方程描述了直流电动机和直流发电机在稳定运行时的电磁过程和机电过程。
在实际应用中，根据具体情况进行参数调整和控制，可以实现直流电的稳定输出。
电机第八章 直流发电机
P
If 继续增加，最后发电 机可自励地建立稳定电压U0。 在P点， U0 = if Rcr ，
Lf di f dt 0
ifRcr
0
If
P点是稳定点，U=U0
U0 Rcr4
4
1
3 2 nN n<n N
左图各场阻线对应的励磁 电阻 Rcr2<Rcr3<Rcr4
Rcr4 是转速为 nN 的空载特 性对应的临界电阻。 临界电阻场阻线与对应空 载特性的稳定点建立的电压略
一、他励发电机运行特性 二、并励发电机运行特性
三、复励发电机运行特性
一 他励发电机运行特性
1、空载特性 2、 外特性
3、调节特性
1、空载特性
怎样测取空载特性? 空载特性测取目的
1、空载特性
n nN
怎样测取空载特性?
实验线路怎样连接？
I 0
U f (I f )
需要什么仪表？
U E a I a Ra
4 E3 E
E0
r
↓E
r
E1
0
If0
If1
If2 If3
If
剩磁 r→ Er → If0 1 E1 →If1 助磁 2 E2 →If2 3
3、励磁回路的总电阻 Rf 应小于与发电机运行 转速相对应的临界电阻。
U0 = if Rcr + L
Lf di f dt 0
di f
f
dt
U0
lf di f dt
T pz 2 a pz 60 a
I a
2 n 60
T1 T T 0
nI a
EaIa
P1 T p 0
直流电动机四大方程调速方法和动态模型
30 π
C e。
Tl
L R
2
Tm
GD R 375 C e C m
U d0 RI d E
Te C m I d E Cen
Te T L
n0 n
2
n— 转速（r/min） U— 电枢电压（V） I— 电枢电流（A） ； ； ； R— 电枢回路总电阻（） — 励磁磁通（Wb） ； ； Ke— 由电机结构决定的电动势常数。 2 直流调速方法
直流调速电源
G-M 系统工作 原理
G-M 系统特性
1.1 三种常用的可控直流电源 旋转变流机组 静止式可控整流器 直流斩波器或脉宽调制变换器 据前，调压调速是直流调速系统的主要方法，而调节电枢电压需要有专门向电动 机供电的可控直流电源。本节介绍三种常用的可控直流电源。 1.1.1 旋转变流机组（for G-M 系统） --用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压 图 1-1 旋转变流机组和由它供电的直流调速系统（G-M 系统）原理图 由原动机（柴油机、交流异步或同步电动机）拖动直流发电机 G 实现变流，由 G 给需要调速的直流电动机 M 供电。 调节 G 的励磁电流 if 即可改变其输出电压 U，从而调节电动机的转速 n 。 这样的调速系统简称 G-M 系统，国际上通称 Ward-Leonard 系统。 图 1-2 G-M 系统中电动机可逆运行的机械特性 1.1.2 静止式可控整流器（for V-M 系统） ——用静止式的可控整流器获得可调的直流电压。 图 1-3 晶闸管-电动机调速系统（V-M 系统）原理图 晶闸管-电动机调速系统（简称 V-M 系统，又称静止的 Ward-Leonard 系统） ，图中 VT 是晶闸管可控整流器，通过调节触发装置 GT 的控制电压 Uc 来移动触发脉冲的相 位，即可改变整流电压 Ud ，从而实现平滑调速。 晶闸管整流装置 经济可靠性有很大提高，技术性能有较大优越性。 晶闸管可控整流器的功率放大倍数在 104 以上， 其门极电流可以直接用晶体管来控 制，不再像直流发电机那样需要较大功率的放大器。 控制作用的快速性，大大提高系统的动态性能。 变流机组是秒级，而晶闸管整流器是毫秒级 可逆 由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。
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直流电机的基本方程式
一．直流发电机的基本方程式
以并励机为例：
（一）.电压平衡方程
直流发电机发出的电势E a产生电流I a，I a在电枢回路
总电阻R a（包括电枢绕组电阻及两个电刷的接触电阻）上
产生压降I a R a，则输出电压U＝E a－I a R a，可见发电机E a>U。
电路如图：
（二）.转矩平衡方程式
直流发电机是把机械能转变为电能，因此由原动机输入的机械转矩T1是驱动转矩；电磁转矩T是制动转矩；即使电机空转也存在的、对应电机机械摩擦、铁损耗等的空载转矩T0一定是阻转矩，当驱动＝制动时，电机恒速旋转。
因此发电机稳定运行时的转矩平衡方程为：T1=T+ T0
（三）功率平衡方程式
其功率流程图如图：
从原动机输入机械功率P1，扣除了机械方面的损耗p
机
，就是机转变为电的部分称为电磁
功率P M，再扣除了电方面的损耗p
电
，就是输出的电功率P2＝UI，对并励发电机
I＝I a－I f。
额定时的P2就是P N=U N I N。
其中：p
机是机械方面的损耗，它也是电机空载运行时就存在的损耗，故称空载损耗
p，
它包括了机械摩擦损耗
m
p、铁耗Fe p、附加损耗ad p（≈0.01~0.05P N），即:
p 机＝0p ＝m p ＋Fe p ＋ad p ；
p 电是电方面的损耗称为铜耗，它包括了电枢回路铜耗cua p ＝2a I R a 和励磁回路铜耗
cuf p ＝UI 2f
U R ＝2f I ＝f R ，即p 电＝cua p ＋cuf p 由功率流程图可列功率平衡方程：
机械方面：10M P P p =+；电方面：2M cua P P p =-－cuf p ；
把机械方面的功率平衡方程两边除以Ω，就得到了转矩平衡方程。
其中：T 1＝1
P Ω
；T 0＝
0P Ω；T ＝M P
Ω。
可见电磁功率M P ＝T Ω——这是用机械量表示的电磁功率。
把电压平衡方程U ＝E a －I a R a 的两边乘以I a ：UI a = E a I a －2a I R a ∵I a ＝I ＋I f ，则：UI a = U(I+I f )= E a I a －2a I R a ， ∴UI= E a I a －2a I R a －UI f ＝E a I a －cua p －cuf p
其中：UI 就是P 2；对比电方面的功率平衡方程可知：E a I a 就是电磁功率P M 。
P M ＝E a I a ——这是用电量表示的电磁功率。
那么，E a I a 是否等于T Ω呢？据Ω＝
260
n
π，则： M P ＝T Ω＝T C a
I φ260n π＝2pN a πa I φ260
n
π＝60pN a a I φn =e C φn a I =a E a I 由此可得结论：
1）从机械方面的功率平衡方程除以Ω可得到转矩平衡方程；从电方面的功率平衡方程除以I a 可得到电势平衡方程。
2）由于电磁功率M P 是从机转变到电的那部分功率，因此它必然既可以用机械量T Ω表示，也可以用电量a E a I 表示。
三．直流电动机的基本方程式 同样以并励机为例： （一）.电压平衡方程
电网电压U 产生电流I ，因为并励，I ＝I a ＋I f ，I a 在磁场中 受电磁力作用使电机旋转，电枢导体切割磁力线感生反电势 E a ，I a 在电枢回路总电阻R a （包括电枢绕组电阻及两个电刷的 接触电阻）上产生压降I a R a ，因此：E a ＝U －I a R a ，电路如图： （二）.转矩平衡方程式
电动机是把电能转变为机械能，因此所有电动机的电磁转矩T 都是驱动转矩；输出的机械转矩T 2一定是制动转矩；即使电机空转也存在的、对应电机机械摩擦、铁损耗等的空载转矩T 0一定是阻转矩。
因此电动机稳定运行时的转矩平衡方程一定为：T = T 2+ T 0。
（三）功率平衡方程式
电动机是把电能转变为机械能，其功率流程图如图：
从直流电网输入电功率P 1＝UI ，扣除了电方面的损耗p 电，就是电转变为机的部分，称为电磁功率P M ，再扣除了机械方面的损耗p 机，就是输出的机械功率P 2，额定时的P 2就是P N 。
其中：p 机是机械方面的损耗，是电机空转时就存在的损耗，故称空载损耗0p ，与直流发电机一样0p ＝m p ＋Fe p ＋ad p ；电方面的损耗称为铜耗，也与直流发电机一样，
p 电＝cua p ＋cuf p 。
可见直流电动机功率流程图的功率传递方向刚好与发电机相反。
同样由功率流程图可列电方面和机械方面的功率平衡方程： 电方面：1M cua cuf P P p p =＋＋；机械方面：20M P P p =+；
把机械方面的功率平衡方程两边除以Ω，就得到了转矩平衡方程。
其中：T 2＝
2
P Ω
；
T 0＝
0P Ω；T ＝M P
Ω
与发电机一样。
据电方面的功率平衡方程：UI=E a I a ＋2a I R a ＋UI f 移项：U(I －I f )= UI a = E a I a ＋2a I R a 方程两边除以I a ，就得到了电势平衡方程： U ＝E a ＋I a R a 。
可见电动机U> E a 。
四．直流电机的可逆性
从直流电机工作原理和结构已知：一台直流电机可作发电机运行、也可作电动机运行，只是能量的传递方向不同，称为电机的可逆性原理。
在讨论感应电势和电磁转矩时也讲过：发电机E a >U ；E a 与I a 同向；T 与n 反向 电动机E a <U ；E a 与I a 反向；T 与n 同向 如今我们可以通过平衡方程式进一步分析电机的可逆性原理：
设一台他励（Φ不变）直流发电机由原动机拖动以速度n 旋转，向直流电网供电，电网电压U 是不变的。
发电机E a ＝U ＋I a R a ，E a >U ，电流I a 与E a 同向，T 与n 反向。
若把原动机的转速下降，据E a ＝e C φn 可知， E a ↓，U 不变故I a ↓，当I a ↓＝0发电机空载运行。
若继续把原动机转速下降，则E a ↓<U ，I a 反向变成由电网U 提供，据T ＝T C a I φ， T 也反向，n 方向并没有变，故T 与n 同向，该电机便成了电动机运行。
原动机反被电动机拖着转，成了电动机的机械负载了。
这就是直流电机的可逆性原理。
原动机n →发电E a ＝e C φn →E a >U ，E a ＝U ＋I a R a →I a 与E a 同向、T 与n 反向 降低n →E a ↓→U 不变，I a ↓→至I a ＝0，E a ＝U 发电机空载
继续降低n →E a <U →I a 由U 提供，与E a 反向→T ＝T C a I φ反向→n 方向没变，T 与n 同向→电动运行，原动机成为机械负载。