电机与拖动第7章直流电机的基本理论5-

例：设一台S-261 直流电动机， 其电枢电压 Ua=110 V， Ra=50 Ω， 空载时的电枢电流Ia0 =0.062 A， 负载后， 当Ia=0.4 A时其转速n=3600 r/min。 若励磁回路断开后剩磁下降为正常磁通的 0.04， 问励磁回路断开后将会产生什么后果?
1) 当电机带负载时断线(设断线前后负载转矩不变) T=CTΦIa=CTΦ′I′a 这样， 励磁回路断开后的电枢电流应为：
即电机的转速n′=9n=9×3600=32 400 r/min。
转速大大超过额定值的现象，称为飞车。 “飞车”的危害： • 发出尖锐的噪音； • 使电机受到很大的机械损伤(特别是换向器)； • 由于电枢电流大大超过额定值而使电机绕组和 换向器损坏。 结论：直流电动机在运行过程中， 要绝对避免励磁回路断线。
第7 章
直流电机的基本理论
Pe e = P1－ PCu = E Ia 推导： U I = U( Ia＋If ) = UaIa＋UfIf = ( E＋Ra Ia ) Ia＋Rf If2 P1 = E Ia＋Ra Ia2＋Rf If2 Pe Pe = E Ia = CEΦ n Ia 电功率 PCU 2π = CTΦ n Ia = TΩ 60 机械功率
【例7.6.1】 一并励电动机，UN = 110 V， IN =
解： 6.28 2π ×6.8×1 500 W = 1 067.6 W TLn = P2 = 60 60 6.28 2π ×0.9×1 500 W = 143.3 W T0n = P0= 60 60 Pe = P2＋P0 = (1 067.6＋143.3) W = 1 208.9 W P1 = UN IN = 110×12.5 W = 1 375 W Pal = P1－P2 = (1 375－1 067.6) W = 307.4 W P2 1 067.6 η= ×100% = ×100% = 77.64% 1 375 P1
• 如果启动前励磁回路已断开：电机不能启动。 • 如果在运转过程中断开： 将发生危险的事故。 励磁电路断电的后果 当 If = 0，Φ =Φr 很小， n 不能突变，E 很小 →Ia ↑↑ →T = CTΦr Ia 仍有一定数值。
(1) 若 T ＞TL →n ↑↑ →飞车！(发生在空载轻载) (2) T ＜TL →n ↓↓ →n = 0 → 闷车！（发生在重载满载）
7.5 直流电动机的运行分析
3. 转向 取决于电磁转矩 T 的方向。 T 的方向取决于 Φ 和 Ia 的方向。
+ Ia M If
－
Uf +
+ Ua
Ia
M
If + Uf
Ua
－ －
Ua + Ia M
磁 场 反 向 电 枢 反 向
－
－
If + Uf
－
7.5 直流电动机的运行分析
二、并励电动机
并励与他励的区别: 1. 输入电压 U = Ua = Uf 2. 输入电流 I = I a + If 3. 输入功率 P1 = UI = UIa + UIf
O 软特性
T
7.5 直流电动机的运行分析
(3) 重载时：当T 很大时，Ia 很大， Ra + Rf 磁路已饱和，Φ≈常数， n= C Φ － C Φ E E U 转速和电枢电流是线性关系 T ↑ → Ia ↑ →Φ 基本不变→ n下降较少。 5. 应用 (1) 特别适用于起重机 和电气机车等运输机械。 (2) 不能在轻载或空载下运行。 (3) 不能用皮带轮传动。
－
电动机惯例
第7 章
直流电机的基本理论
1. 电压平衡方程式 励磁电路： Uf = Rf If
励磁回路的电 阻，比较大 励磁电流的调 节方式
+ Ua
Ia
+ E M −
If + Uf
－
－
电枢电路： Ua = E + Ra Ia 从方程式可见，直流电动机
+ Ua –
Ra Ia
M
+ E –
Ua > E
稳态电枢电流 Ia 由谁确定？ T = CTΦ Ia ， Ua = E + Ra Ia 例如：负载不变 ( T 不变)，Ua (Ra) 变化时， Ia 变化否（设Φ 不变）？ Ua↓ (或Ra↑) ↓ Ia不变← T = TL← T ↑ ← Ia ↑ ← E ↓ ← n ↓
7.5 直流电动机的运行分析
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ΔT ， Δ Ia 小。 (2) 对应于允许的 Iamax ，能够产生的 T 大， Tst 和 Tmax 较大。 4. 转速 U－(Ra + Rf ) Ia = n= CEΦ CEΦ Ra + Rf U － = CECTΦ2 T CEΦ E
+ U I Ia
M
If
－
7.5 直流电动机的运行分析
【例7.5.1】 某并励直流电动机，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 Ω， Ra = 0.41 Ω。求该电机在额定状态下运行时的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) T 。 解： (1) 励磁电流 If Uf 220 If = = A = 0.35A 628 Rf (2) 电枢电流 Ia Ia = IN－ If = (12.5－0.35) A = 12.15 A (2) 电动势 E E = UN－ Ra Ia = (220－0.41×12.15) V = 215 V
转换成
7.6 直流电动机的功率和转矩
(4) 空载损耗 P0 P0 = PFe＋Pme＋Pad (5) 输出功率P2 P2 = Pe－ P0 2π T2n = T2Ω = 60
P1
功率流程图
Pe P0
P2
PCu
(6) 总损耗 Pal = PCu＋ PFe＋Pme＋Pad (7) 功率平衡方程式 P1－ P2 = Pal (8) 效率 P2 η= ×100% P1
−
三、串励电动机
1. 电压 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I I = I a = If T U－E = = Ra+ Rf CTΦ
－
－
2. 电流
If大，Rf小；Ф随着Ia变化
3. 转矩
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 。
CTΦ 1 ′= Ia = Ia × 0.4 = 10 A CTΦ ′ 0.04
但这台电机所能产生的最大电枢电流为：
堵转电流
U a 110 Ia = = = 2.2 A < 10 A Ra 50
电磁转矩小于负载转矩， 因而电机停转，称为堵转状态。
2) 当电机空载时发生断线 励磁回路断开前后电磁转矩应相等， 即 CTΦIa0 =CTΦ′I′a0 这样， 励磁回路断开后的空载电枢电流：
负载自适应能力:转矩平衡过程 当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动 机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自 动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。
例：设外加电枢电压 U 一定，忽略空载转距， T=TL ， 此时，若TL突然增加，则调整过程为 TL ↑ T↑
T2 −TL = J dΩ dt
n
Ia
n下降 较少
O T 串励电动机的机械特性
7.5 直流电动机的运行分析
串励励磁绕组匝数 少，导线粗，电阻小 I
并励励磁绕组匝数 多，导线细，电阻大 Ia
M
四、复励电动机
1. 积复励、差复励。
两个励磁绕 组磁动势方 向相同 两个励磁绕 组磁动势方 向相反 + U If
－
n
2. 机械特性 (1) 有较大的Tst 。 (2) 可以空载运行。
n↓
E a = C E Φn
U − Ea Ia = Ra
Ea↓
T = K T ΦI a
Ia ↑
达到新的平衡点(Ia ↑、 P1↑) 。 Ua和Φ的不变时：
TL↓—T↓—Ia↓—n↑ TL↑—T↑—Ia↑—n↓
7.6 直流电动机的功率和转矩
12.5 A， nN = 1 500 r/min ，TL= 6.8 N·m，T0 = 0.9 N·m。 求该电机的 P2 、Pe、P1 、Pal 和 η 。
7.5 直流电动机的运行分析
一、他励电动机
励磁电压 Uf →If →Φ ↓ 电枢电压 Ua →Ia →T →n →E
如图规定各物理量的参考方向
• Ua和Ia的方向一致(从电枢外部看)； • Ea与Ia方向相反； 触电阻
+ Ua
Ia
+ E M −
If + Uf
• 电枢内阻Ra包括电枢绕组的电阻和接 －
思考：输出转距T2是否就是电磁转矩T呢?
T2=T－T0 =TL 或 T = T2 ＋T0
电动机的稳态转矩平衡方程式 wk.baidu.com载： T = T0 负载: T = T0 + T2 或 T2=T－T0 =TL
可见： 当电机稳态运行时， 输出转矩的大小由负载阻转矩决定： 当输出转矩等于负载阻转矩时， 电机达到匀速旋转的稳定状态
CTΦ 1 ′ = I ao I ao = × 0.062 = 1.55 A CTΦ ′ 0.04
励磁回路断开后的转速对断开前的负载转速之比为:
E′ ′Φ (U a − I a ′ 0 Ra )Φ (110 − 1.55 × 50) × 1 n′ CeΦ ′ Ea = = = =9 = Ea EaΦ ′ (U a − I a Ra )Φ ′ (110 − 0.4 × 50) × 0.04 n CeΦ
电机的电 磁转矩和 转速间的 关系
Ua Ra n = − Ia CEΦ CEΦ
T = CT ΦI a
他励直流电动机的机械特性
Ra U n= T − 2 C E Φ C ECT Φ
Ua Ra n= − T = n0 − γT 2 C E Φ C E CT Φ
Ua n0 = Ce Φ
n
理想空载转速
n0 Ra
Ra γ= 2 机械特性的斜率 CeCT Φ
当T ↑ 时， n 下降不多 —— 硬特性。
T
使用中必须注意的问题 1. 启动时要使励磁磁通最大
• 目的：为了获得大的启动转矩； • 实现：启动时， 励磁回路的调节电阻必须短接， 并在励磁绕组两端加上额定励磁电压。
直流电动机启动线路
启动线路的错误接法
2. 切勿使励磁回路断开
O
并励 复励 串励 T
第7 章
直流电机的基本理论
7.6 直流电动机的功率和转矩 一、直流电动机的功率 1. 功率平衡方程式
(1) 输入功率 P1 (2) 铜损耗 PCu (3) 电磁功率 Pe P1 = U I
+ U I Ia
M
If
－
PCu = Ra Ia2＋Rf If2 Pe = P1－ PCu = E Ia
瞬间 n 不变 Ia ↓ →T ↓→ T＜TL E 不变
结论：Ia 的大小取决于负载的大小。 当 Ia= IaN 时为满载，当 Ia＞IaN 时为过载。
※ 规定短时过载的最大电枢电流：
Iamax =(1.5 ~ 2)IaN =αMC IaN
2. 转速
U a − I a Ra E n= = CE Φ CE Φ
7.5 直流电动机的运行分析
(4) 电磁转矩 E 215 CEΦ = = = 0.071 7 nN 3 000 CTΦ = 9.55 CEΦ = 0.685 T = CTΦ Ia = 0.685×12.15 N·m = 8.32 N·m
7.5 直流电动机的运行分析
I + U
If ＋ Uf － Ia ＋ + E M Ua
7.5 直流电动机的运行分析
Ra + Rf － n= CEΦ CEΦ U U CEΦ
Ia
(1) 理想空载时：T = 0 时，Ia = If = 0，Φ =Φr， n=n0 = = (5 ~ 6) nN。
串励电动机绝对不允许空载轻载运行！ (2) 轻载时：T 很小时，Ia 很小， 磁路未饱和， Ra + Rf U － Φ∝Ia， Φ=kIa， n= CEk n CEkIa T ↑→ Ia ↑ →Φ ↑ → n 迅速下降。 转速和电枢电流是非线性关系
电机与拖动
第7章
7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 7.6 7.7 7.8
whh 制作
直流电机的基本理论
直流电机的工作原理 直流电机的基本结构 直流电机的电枢反应 电流电机的电磁转矩和电动势 直流电动机的运行分析 直流电动机的功率和转矩 直流发电机的运行分析 直流发电机的功率和转矩
第7 章
直流电机的基本理论
二、直流电动机的转矩
电磁转矩T: 输出转矩T2 : 负载转矩TL : 驱动转矩，使电动机旋转; 电动机的输出转矩
Ia
T
n
+
U
−
T0 T L M
由于带负载，电动机轴上产生的阻力转距; 当电动机带着负载匀速旋转时， T2 ＝ TL 电机本身的机械摩擦和电枢铁心中的涡流、 磁滞损耗都要引起阻转矩;
空载转距T0 :