qg15-华中科技大学_电机学__第二章_直流电机-重点复习2
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dTem dTL dn dn
即负载机械特性曲线的切线斜率要大于电动机机械特 性曲线的切线斜率。
直流电机的起动
➢电动机起动问题的引出
机械系统：电动机产生足够大的电磁转矩克服机组的静止摩擦转 矩、惯性转矩以及负载转矩。
电气系统：起动瞬间 n=0，E=0，Ra很小，因此起动电流很大。
I st
UN E Ra
Rj n
增加电枢回路损耗 ，效率低，只适合 降速调节。
2、改变励磁电流调速
I f n ；I f n
几乎不影响电动机效率， 但只适合升速调节。
3、改变端电压调速
U n ；U n
转速既可上升也可下降 ，配合励磁调节，调速 范围更宽，是一种普遍 应用的调速方式。
η
P2
100%
PN
n nN
100%
P1
PN N
N
n nN
100%
0.83 500 100% 41.5% 1000
例 同上例中的电机，在满载运行时，突然在电枢回路中串入 1.0Ω电阻。不计电枢回路电感，忽略电枢反应影响，仍设TL恒定 ，试计算串入电阻瞬间的：(1)电枢电动势；(2)电枢电流；(3)电 磁转矩；(4)稳定运行转速。
感应电动势 E C E n 0 .2 0 2 9 8 5 0 0 1 0 1 .4 9 V
所串的调节电阻为
Rj
UN
E Ia
2ΔU b
ra
220
101.49 53.07
2
0.283
1.912
Ω
(2)因负载转矩恒定，输出功率与转速成正比，而电枢电流不变
，输入功率不变，故调速后的效率为
A
11.71 A
(3)电磁转矩变为
Tem
E I a 2πnN
202.98 11.71 30 N m 22.70 N m 1000π
60
(4) 由于负载转矩衡定，稳定后，电磁转矩等于调速前的转矩， 故电枢电流等于调速前的电枢电流
电磁转矩 空载损耗
Tem
Pem 2πnN
5840.7 2π 1450
38.47 N m
60
60
p0 Pem P2 Pem PN 5840.7 5500 340.7 W
例 一台并励直流电动机，PN=10kW，UN=220V，N = 83%，
nηN N=1000r/min， ra=0.283Ω，2Ub=2V，IfN=1.7A。设负载总转矩 TL恒定，在电枢回路中串入一电阻使转速减到500r/min，试求： (1)额定运行时的感应电动势、电枢电流和电磁转矩；(2)电枢回路
U CEΦ
Ra Rj CECTΦ 2
Tem
➢ Rj为串入电枢回路的调节电阻，用于改变机械特性的斜率。 ➢ U=UN，If=IfN，Rj =0 时为自然机械特性。 ➢ 三者中只要有一个改变，则为人为机械特性。
1、并励电动机
n
U
Ia (Ra C EΦ
Rj)
U C EΦ
Ra Rj C ECTΦ 2
U Ra
(1 0 ~
20)I N
起动电流大将导致：电网电压突然降低；电机本身遭受巨大 电磁力的冲击。因此，电动机起动时限制起动电流非常必要。
直流电机的起动
➢电动机起动方法
直接起动：直接将电枢投入UN 起动。
Ist
Ia
U E Ra
U Ra
电枢回路串电阻起动：通过增大电枢回路电阻达到降低
J
d
dt
Tem
TL
Tem TL
Tem TL
d 0 dt
d 0 dt
系统加速 系统减速
电力传动系统基础
➢稳定运行条件 稳定运行：电机与生产机械组成的拖动机组已运行
于某一转速，若外界短时扰动（负载突变）使转速产 生的变化在扰动消失后能随之消失，即机组能自行恢 复到原来的速度，则称机组的运行是稳定的，否则为 不稳定运行。
rj
If A
Rst
rf
IS +
VU
（2）转矩特性——Tem = f ( P2 )
Tem
T2
T0
P2 Ω
T0
n,T,
n0
（3）效率特性—— = f ( P2 )
当不变损耗等于可变损
耗时，电机的效率最高。 T0 O
Tem=f (P2) T2
PN
A
-
n=f (P2)
=f (P2)
P2
串励电动机工作特性 ( If = Ia )
U = UN
（1）速率特性——n = f ( P2 )
n U IaRa CEΦ
Rst M
IS +
VU
A
-
（2）转矩特性——Tem = f ( P2 )n,η,T
T em
Ia
I
2 a
（3）效率特性—— = f ( P2 )
当不变损耗等于可变损 耗时，电机的效率最高。
o
η Tem n P2
调节电阻；(3)调速后电动机的效率。
解
(1)额定电流
IN
PN U NηN
10 103 A
220 0.83
54.77A
额定电枢电流 I aN I N I fN ( 5 4 .7 7 1 .7 ) A 5 3 .0 7 A
额定运行时感应电动势
E N U N I aN ra 2 U b 2 2 0 5 3 .0 7 0 .2 8 3 2 2 0 2 .9 8 V
例 一台四极并励直流电动机的额定数据为： PN=5.5 kW，
UN=220V，nN=1450r/min，N=82%。电枢回路电阻Ra=0.68Ω（
包括电刷接触电阻），励磁回路电阻Rf= 168Ω。试求额定负载下
的感应电动势、电磁功率、电磁转矩和空载损耗。
解：额定电流
励磁电流 额定电枢电流
IN
PN U NηN
电解，在换向器表面形成氧化亚铜薄膜,有利于换向。
三、改善换向的方法
改善换向一般采用的方法：装设换向磁极
位置：位于几何中性线处；
换向绕组：与电枢绕组串联；
极性：对发电机来说，换向极的极性与 顺电枢旋转方向看去下一个主磁极的极 性相同；电动机反之。
NS SN
例 2.6 一台四极直流发电机，电枢绕组是单波绕组，电枢绕
解：(1)串入电阻瞬间，由于机械惯性，转速不突变，即n=nN，而 励磁回路不受影响，且不计电枢回路电感和电枢反应作用，即Φ
不变，所以 此瞬间感应电动势不变 E′＝EN＝202.98 V
(2)电枢电流则突变为
I a
UN
E 2Ub ra R j
220 202.98 2 0.283 1.0
最经济的制动方法。
➢ 直流电机的换向
一、换向过程
直流电机的某一个元件经过电刷串接，从一条支路换到另 一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。
换向元件在换向周期 Tk 内，电流从 ia 过零变为 –ia 。
换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火 花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电 机不能正常工作。
起动电流的目的，完成起动后将起动电阻切除。
Ist
U Ra
Rst
降压起动：抑制起动电流最为有效，同时可节约能量。
U < UN
直流电机的调速
➢常见的调速方式：
n
U CEΦ
Leabharlann Baidu
Ra Rj CECTΦ 2
Tem
① 电枢回路串电阻 Rj调速 ② 改变励磁电流 If 调速 ③ 改变电压 U 调速
1.电枢回路串电阻调速
T
n
（3）减弱励磁电流的人为特性 n0
n UN Ce
Ra CeCT
2T
1 4
3
1－自然机械特性
2
2－电枢串电阻的人为特性
3－降低电枢电压的人为特性 4－减弱励磁的人为特性
0
T
2、串励电动机
设磁路不饱和
Φ I f I a Tem C T Φ I a Φ 2 Φ Tem
5.5 103 220 0.82
30.49A
If
UN Rf
220 168
1.31 A
IaN I N If 30.49 1.31 29.18 A
感应电动势 电磁功率
EN U N IaN Ra 220 29.18 0.68 200.16 V Pem E N I aN 200.16 29.18 5840.7 W
C E
EN nN
202.98 1000
0.20298
额定运行时电磁转矩
Tem
CT IaN
30 π
C E I aN
30 π
0.20298 53.07
102.87
N
m
(2) 由于负载转矩衡定，因此，调速前后电磁转矩不变，即电枢
η电N 流不变
Ia IaN 53 .07 A
二、影响换向的原因
（1）电磁角度（经典换向理论） 换向时，换向元件中的总电势（电抗电势+旋转电势）不
为零。总电势大于零，延迟换向，小于零，超越换向。
（2）物理角度 当电流密度较小时，点接触导电。 当电流较大时，离子导电为主，易产生火花和电弧。
（3）化学角度 由于空气中含有水蒸气，电刷和换向器之间的水发生
电枢电动势 E C E Φ n 2 1 . 6 0 . 0 0 5 1 1 4 5 0 1 5 9 . 7 3 V
例 2.7 一台四极他励直流电动机，铭牌数据：PN=100kW，
UN=330V，nN=730r/min，N=91.5%，电枢绕组为单波绕组，电
枢总导体数=186，额定运行时气隙每极磁通Φ=0.0698Wb，求额
组的元件数S=162，每个元件匝数Ny=2，每极磁通Φ=0.0051Wb ，转速n=1450r/min，求电枢电动势。
解 电枢总导体数
N a 2N yS 2 2 162 648
极对数p=2，支路对数a=1(单波绕组)
电动势常数
CE
pN a 60a
648 2 60
21.6
Tem
n n 0 k jT em
n0
U CEΦ
称为理想空载转速
并励电动机的自然机械特性 接近于一水平线，称为硬特性。
6
人为机械特性 （1）电枢串电阻的机械特性
n
UN C e
Ra R C eCT 2
T
（2）降低电枢电压的人为机械特性
n
U Ce N
Ra CeCT
N
2
Ia
UN E Ra RL
➢ 制动电流大，制动时间短。
➢ 制动效果强烈，可使电动机迅速停车或反转。
直流电机的制动
3、回馈制动
电机通过运行状态的改变，即电动机状态变为发电 机状态，使电枢电流方向发生改变，从而使驱动性质的 电磁转矩变为制动性质的电磁转矩，同时能量回馈至电 网，即为回馈制动。
定电磁转矩。
解 p=2，a=1，Na=186，则转矩常数
CT
pN a 2πa
2 186 2π 1
5 9 .2
额定电枢电流
I aN I N
额定电磁转矩
PN U NηN
100 103 A
330 0.915
331.18A
T emN C T Φ I aN 5 9 .2 1 0 .0 6 9 8 3 3 1 .1 8 N m 1 3 6 8 .7 2 N m
直流电动机工作特性
工作特性—电动机运行时转速n、电磁转矩Tem和
效率与负载P2的关系曲线。
（1）速率特性——n = f ( P2 ) （2）转矩特性——Tem = f ( P2 )
（3）效率特性—— = f ( P2 )
并励电动机工作特性
U = UN，If = IfN
（1）速率特性——n = f ( P2 ) n U I a R a CEΦ
直流电机的制动
➢ 在电力拖动机组中，电机停转、由高速进入低速 运行，都需要对电动机进行制动，即强行减速
✓ 能耗制动 ✓ 反接制动 ✓ 回馈制动
直流电机的制动
1、能耗制动
并励电动 机能耗制 动接线图
Ia
Ia + E -
Ia
Ra
E RL
操作简便，制动时间长。
直流电机的制动
2、反接制动
并励电动 机反接制 动接线图
复励电动机工作特性
速率特性介于并励电动机速率特
性与串励直流电动机的速率特性
之间。
rj
串励 速率特性比较
If
I
A
A
Rst
rf
S +
VU -
并励
直流电动机机械特性
直流电动机机械特性：在U=UN=常值时，转速n与电磁 转矩Tem之间的关系曲线 n=f (Tem)。
n
U
Ia (Ra CEΦ
Rj)
令 Φ C Tem
n
C 1U Tem
C2(Ra Rj)
C1
1 CECφ
,C2
1 CECTCφ2
为比例系数
串励直流电动机具有软特性
电力传动系统基础
➢ 电力传动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生 产机械，产生运动，电力传动也称为电力拖动。直 流电力传动是由直流电动机来实现的。
➢运动方程：变速运行时，考虑机组轴系转动惯量作用
即负载机械特性曲线的切线斜率要大于电动机机械特 性曲线的切线斜率。
直流电机的起动
➢电动机起动问题的引出
机械系统：电动机产生足够大的电磁转矩克服机组的静止摩擦转 矩、惯性转矩以及负载转矩。
电气系统：起动瞬间 n=0，E=0，Ra很小，因此起动电流很大。
I st
UN E Ra
Rj n
增加电枢回路损耗 ，效率低，只适合 降速调节。
2、改变励磁电流调速
I f n ；I f n
几乎不影响电动机效率， 但只适合升速调节。
3、改变端电压调速
U n ；U n
转速既可上升也可下降 ，配合励磁调节，调速 范围更宽，是一种普遍 应用的调速方式。
η
P2
100%
PN
n nN
100%
P1
PN N
N
n nN
100%
0.83 500 100% 41.5% 1000
例 同上例中的电机，在满载运行时，突然在电枢回路中串入 1.0Ω电阻。不计电枢回路电感，忽略电枢反应影响，仍设TL恒定 ，试计算串入电阻瞬间的：(1)电枢电动势；(2)电枢电流；(3)电 磁转矩；(4)稳定运行转速。
感应电动势 E C E n 0 .2 0 2 9 8 5 0 0 1 0 1 .4 9 V
所串的调节电阻为
Rj
UN
E Ia
2ΔU b
ra
220
101.49 53.07
2
0.283
1.912
Ω
(2)因负载转矩恒定，输出功率与转速成正比，而电枢电流不变
，输入功率不变，故调速后的效率为
A
11.71 A
(3)电磁转矩变为
Tem
E I a 2πnN
202.98 11.71 30 N m 22.70 N m 1000π
60
(4) 由于负载转矩衡定，稳定后，电磁转矩等于调速前的转矩， 故电枢电流等于调速前的电枢电流
电磁转矩 空载损耗
Tem
Pem 2πnN
5840.7 2π 1450
38.47 N m
60
60
p0 Pem P2 Pem PN 5840.7 5500 340.7 W
例 一台并励直流电动机，PN=10kW，UN=220V，N = 83%，
nηN N=1000r/min， ra=0.283Ω，2Ub=2V，IfN=1.7A。设负载总转矩 TL恒定，在电枢回路中串入一电阻使转速减到500r/min，试求： (1)额定运行时的感应电动势、电枢电流和电磁转矩；(2)电枢回路
U CEΦ
Ra Rj CECTΦ 2
Tem
➢ Rj为串入电枢回路的调节电阻，用于改变机械特性的斜率。 ➢ U=UN，If=IfN，Rj =0 时为自然机械特性。 ➢ 三者中只要有一个改变，则为人为机械特性。
1、并励电动机
n
U
Ia (Ra C EΦ
Rj)
U C EΦ
Ra Rj C ECTΦ 2
U Ra
(1 0 ~
20)I N
起动电流大将导致：电网电压突然降低；电机本身遭受巨大 电磁力的冲击。因此，电动机起动时限制起动电流非常必要。
直流电机的起动
➢电动机起动方法
直接起动：直接将电枢投入UN 起动。
Ist
Ia
U E Ra
U Ra
电枢回路串电阻起动：通过增大电枢回路电阻达到降低
J
d
dt
Tem
TL
Tem TL
Tem TL
d 0 dt
d 0 dt
系统加速 系统减速
电力传动系统基础
➢稳定运行条件 稳定运行：电机与生产机械组成的拖动机组已运行
于某一转速，若外界短时扰动（负载突变）使转速产 生的变化在扰动消失后能随之消失，即机组能自行恢 复到原来的速度，则称机组的运行是稳定的，否则为 不稳定运行。
rj
If A
Rst
rf
IS +
VU
（2）转矩特性——Tem = f ( P2 )
Tem
T2
T0
P2 Ω
T0
n,T,
n0
（3）效率特性—— = f ( P2 )
当不变损耗等于可变损
耗时，电机的效率最高。 T0 O
Tem=f (P2) T2
PN
A
-
n=f (P2)
=f (P2)
P2
串励电动机工作特性 ( If = Ia )
U = UN
（1）速率特性——n = f ( P2 )
n U IaRa CEΦ
Rst M
IS +
VU
A
-
（2）转矩特性——Tem = f ( P2 )n,η,T
T em
Ia
I
2 a
（3）效率特性—— = f ( P2 )
当不变损耗等于可变损 耗时，电机的效率最高。
o
η Tem n P2
调节电阻；(3)调速后电动机的效率。
解
(1)额定电流
IN
PN U NηN
10 103 A
220 0.83
54.77A
额定电枢电流 I aN I N I fN ( 5 4 .7 7 1 .7 ) A 5 3 .0 7 A
额定运行时感应电动势
E N U N I aN ra 2 U b 2 2 0 5 3 .0 7 0 .2 8 3 2 2 0 2 .9 8 V
例 一台四极并励直流电动机的额定数据为： PN=5.5 kW，
UN=220V，nN=1450r/min，N=82%。电枢回路电阻Ra=0.68Ω（
包括电刷接触电阻），励磁回路电阻Rf= 168Ω。试求额定负载下
的感应电动势、电磁功率、电磁转矩和空载损耗。
解：额定电流
励磁电流 额定电枢电流
IN
PN U NηN
电解，在换向器表面形成氧化亚铜薄膜,有利于换向。
三、改善换向的方法
改善换向一般采用的方法：装设换向磁极
位置：位于几何中性线处；
换向绕组：与电枢绕组串联；
极性：对发电机来说，换向极的极性与 顺电枢旋转方向看去下一个主磁极的极 性相同；电动机反之。
NS SN
例 2.6 一台四极直流发电机，电枢绕组是单波绕组，电枢绕
解：(1)串入电阻瞬间，由于机械惯性，转速不突变，即n=nN，而 励磁回路不受影响，且不计电枢回路电感和电枢反应作用，即Φ
不变，所以 此瞬间感应电动势不变 E′＝EN＝202.98 V
(2)电枢电流则突变为
I a
UN
E 2Ub ra R j
220 202.98 2 0.283 1.0
最经济的制动方法。
➢ 直流电机的换向
一、换向过程
直流电机的某一个元件经过电刷串接，从一条支路换到另 一条支路时,元件里的电流方向改变，即换向。
换向元件在换向周期 Tk 内，电流从 ia 过零变为 –ia 。
换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火 花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电 机不能正常工作。
起动电流的目的，完成起动后将起动电阻切除。
Ist
U Ra
Rst
降压起动：抑制起动电流最为有效，同时可节约能量。
U < UN
直流电机的调速
➢常见的调速方式：
n
U CEΦ
Leabharlann Baidu
Ra Rj CECTΦ 2
Tem
① 电枢回路串电阻 Rj调速 ② 改变励磁电流 If 调速 ③ 改变电压 U 调速
1.电枢回路串电阻调速
T
n
（3）减弱励磁电流的人为特性 n0
n UN Ce
Ra CeCT
2T
1 4
3
1－自然机械特性
2
2－电枢串电阻的人为特性
3－降低电枢电压的人为特性 4－减弱励磁的人为特性
0
T
2、串励电动机
设磁路不饱和
Φ I f I a Tem C T Φ I a Φ 2 Φ Tem
5.5 103 220 0.82
30.49A
If
UN Rf
220 168
1.31 A
IaN I N If 30.49 1.31 29.18 A
感应电动势 电磁功率
EN U N IaN Ra 220 29.18 0.68 200.16 V Pem E N I aN 200.16 29.18 5840.7 W
C E
EN nN
202.98 1000
0.20298
额定运行时电磁转矩
Tem
CT IaN
30 π
C E I aN
30 π
0.20298 53.07
102.87
N
m
(2) 由于负载转矩衡定，因此，调速前后电磁转矩不变，即电枢
η电N 流不变
Ia IaN 53 .07 A
二、影响换向的原因
（1）电磁角度（经典换向理论） 换向时，换向元件中的总电势（电抗电势+旋转电势）不
为零。总电势大于零，延迟换向，小于零，超越换向。
（2）物理角度 当电流密度较小时，点接触导电。 当电流较大时，离子导电为主，易产生火花和电弧。
（3）化学角度 由于空气中含有水蒸气，电刷和换向器之间的水发生
电枢电动势 E C E Φ n 2 1 . 6 0 . 0 0 5 1 1 4 5 0 1 5 9 . 7 3 V
例 2.7 一台四极他励直流电动机，铭牌数据：PN=100kW，
UN=330V，nN=730r/min，N=91.5%，电枢绕组为单波绕组，电
枢总导体数=186，额定运行时气隙每极磁通Φ=0.0698Wb，求额
组的元件数S=162，每个元件匝数Ny=2，每极磁通Φ=0.0051Wb ，转速n=1450r/min，求电枢电动势。
解 电枢总导体数
N a 2N yS 2 2 162 648
极对数p=2，支路对数a=1(单波绕组)
电动势常数
CE
pN a 60a
648 2 60
21.6
Tem
n n 0 k jT em
n0
U CEΦ
称为理想空载转速
并励电动机的自然机械特性 接近于一水平线，称为硬特性。
6
人为机械特性 （1）电枢串电阻的机械特性
n
UN C e
Ra R C eCT 2
T
（2）降低电枢电压的人为机械特性
n
U Ce N
Ra CeCT
N
2
Ia
UN E Ra RL
➢ 制动电流大，制动时间短。
➢ 制动效果强烈，可使电动机迅速停车或反转。
直流电机的制动
3、回馈制动
电机通过运行状态的改变，即电动机状态变为发电 机状态，使电枢电流方向发生改变，从而使驱动性质的 电磁转矩变为制动性质的电磁转矩，同时能量回馈至电 网，即为回馈制动。
定电磁转矩。
解 p=2，a=1，Na=186，则转矩常数
CT
pN a 2πa
2 186 2π 1
5 9 .2
额定电枢电流
I aN I N
额定电磁转矩
PN U NηN
100 103 A
330 0.915
331.18A
T emN C T Φ I aN 5 9 .2 1 0 .0 6 9 8 3 3 1 .1 8 N m 1 3 6 8 .7 2 N m
直流电动机工作特性
工作特性—电动机运行时转速n、电磁转矩Tem和
效率与负载P2的关系曲线。
（1）速率特性——n = f ( P2 ) （2）转矩特性——Tem = f ( P2 )
（3）效率特性—— = f ( P2 )
并励电动机工作特性
U = UN，If = IfN
（1）速率特性——n = f ( P2 ) n U I a R a CEΦ
直流电机的制动
➢ 在电力拖动机组中，电机停转、由高速进入低速 运行，都需要对电动机进行制动，即强行减速
✓ 能耗制动 ✓ 反接制动 ✓ 回馈制动
直流电机的制动
1、能耗制动
并励电动 机能耗制 动接线图
Ia
Ia + E -
Ia
Ra
E RL
操作简便，制动时间长。
直流电机的制动
2、反接制动
并励电动 机反接制 动接线图
复励电动机工作特性
速率特性介于并励电动机速率特
性与串励直流电动机的速率特性
之间。
rj
串励 速率特性比较
If
I
A
A
Rst
rf
S +
VU -
并励
直流电动机机械特性
直流电动机机械特性：在U=UN=常值时，转速n与电磁 转矩Tem之间的关系曲线 n=f (Tem)。
n
U
Ia (Ra CEΦ
Rj)
令 Φ C Tem
n
C 1U Tem
C2(Ra Rj)
C1
1 CECφ
,C2
1 CECTCφ2
为比例系数
串励直流电动机具有软特性
电力传动系统基础
➢ 电力传动的定义：用各种电动机作为原动机拖动生 产机械，产生运动，电力传动也称为电力拖动。直 流电力传动是由直流电动机来实现的。
➢运动方程：变速运行时，考虑机组轴系转动惯量作用