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本章主要教学内容: 1. 直流发电机的运行原理 2. 直流电动机的运行原理 3. 直流电动机的机械特性 4. 串励和复励直流电动机,2.1 直流发电机的运行原理,2.1.1 直流发电机的基本方程式 电压平衡方程式、转矩平衡方程式和功率平衡方程式。,右图为并励直流发电机惯例 1.电压平衡方程式,2.转矩平衡方程式 3.功率平衡方程式 将转矩平衡方程式两边乘以电枢机械角速度 得,其中,,注意:如果是他励发电机则没有,并励直流发电机功率流图,直流发电机效率:,例2-1 一台额定功率 的并励直流发电机,额定电压 ,额定转速 ,电枢回路总电阻 ,励磁回路总电阻 。已知机械损耗和铁耗 ,附加损耗 ,求额定负载时各绕组的铜耗、电磁功率、总损耗、输入功率及效率各为多少?,解:先计算额定电流,励磁电流,电枢电流,电枢回路铜耗,励磁回路铜耗,电磁功率,总损耗,输入功率,效率,2.1.2 直流发电机的运行特性,直流发电机的运行特性指发电机的电枢端电压、励磁电流、负载电流或电枢电流这三个基本物理量之间的关系。保持其中一个量不变,只研究其余两个量之间的关系就构成了一种运行特性。我们只研究端电压特性。,空载运行 (1)空载特性,(2)并励和复励直流发电机空载电压的建立 并励和复励直流发电机都是自励发电机,可不需要外部直流电源供给励磁电流,即可以自励。,右图为并励发电机接线图,下图为自励分析曲线。,自励的三个条件 电机必须有剩磁,如果电机无剩磁,可用其他直流电源激励一次,以获得剩磁。 励磁绕组并联到电枢的极性必须正确,否则励磁绕组接通以后,电枢电动势不但不会增大,反而会下降,如有这种现象,可将励磁绕组与电枢出线端的连接对调,或者将电枢反转。 励磁回路电阻必须小于临界电阻值。如果励磁回路中电阻很大,则伏安特性很陡,与空载特性交点很低或无交点,也不能建立电压,如上页左图中直线3与空载特性相切,此时励磁回路的电阻值称为临界电阻值。,2. 负载运行 (1) 外特性:保持 , 不变,端电压与负载电流之间的关系曲线。,1积复励;2他励;3并励,右图为直流发电机外特性曲线。,思考:为什么并励直流发电机的外特性下降最多?,(2) 调节特性:保持端电压恒定,励磁电流与负载电流之间的关系曲线。 (3) 效率特性:发电机的效率与负载电流之间的关系曲线。,下图分别为他励直流发电机的调节特性和效率特性,调节特性,效率特性,2.2 直流电动机的运行原理,2.2.1 直流电机的可逆原理 以并励发电机为例说明,发电机运行:,保持 不变,撤去原动机,,为阻转矩,变为驱动转矩,当 时稳速运行 变为电动机运行。,上述电机可逆运行的原理说明: 发电机与电动机在一定条件下可以相互转换,关键取决于加在电机轴上转矩的性质和大小。如能使 升高,并使 ,则电机运行在发电机状态,反之则运行在电动机状态。,电动机运行:只要在电机轴上接上原动机,向电机输入机械功率,转速 和电枢电动势 就会上升。如果使得 大于电网电压 ,电枢电流将反向,电机的电磁转矩 也反向,与电机的转向相反,变成制动性转矩。此时电机向电网输送电功率,变成发电机运行。,2.2.2 直流电动机的基本方程式,右图为并励直流电动机惯例,1. 电压平衡方程式,2. 转矩平衡方程式,3. 功率平衡方程式,下图为并励直流电动机的功率流图,电动机的效率:,例2-2 一台四极他励直流电机,电枢采用单波绕组,电枢总导体数 ,电枢回路总电阻 。当此电机运行在电源电压 ,电机的转速 ,气隙每极磁通 时,电机的铁耗 ,机械摩擦损耗 (忽略附加损耗)。求: 该电机运行在发电机状态还是电动机状态? 电磁转矩为多少? 输入功率和效率各为多少?,解: 先计算电枢电动势,由于 ,故此电机运行在电动机状态。, 电枢电流为,电磁转矩为, 输入功率为,输出功率为,总损耗为,效率为,例2-3 一台并励直流电动机,额定功率 ,额定电压 ,额定电流 ,额定转速 ,电枢回路总电阻 ,额定励磁电流为 ,忽略电枢反应的影响。求: 额定输出转矩为多少? 在额定电流时的电磁转矩为多少?,解: 额定输出转矩为, 额定电流时的电枢电流为,2.2.3 直流电动机的工作特性,直流电动机的工作特性:指当 , ,电枢回路不外串电阻时,转速、电磁转矩、效率随输出功率变化的关系。,1. 转速特性,2. 转矩特性,3. 效率特性,电动机工作特性曲线,2.3 直流电动机的机械特性,2.3.1 机械特性的一般表达式,2.3.2 固有机械特性 指 , 且电枢回路不外串电阻时的机械特性。,固有机械特性曲线,例2-4 一台他励直流电动机额定功率为96KW,额定电压为440V,额定电流为250A,额定转速 ,电枢回路总电阻为 ,忽略电枢反应的影响,求: 理想空载转速 ; 固有机械特性斜率 ; 画出固有机械特性曲线。,解: 由电动机的电压平衡方程式得,固有机械特性的斜率, 固有机械特性,2.3.2 人为机械特性,固有机械特性的条件有三个: ,改变其中任何一个条件即可改变其特性,故人为机械特性可分为三种。,1.电枢回路串电阻的人为机械特性,特点: (1)为过理想空载转速点的一组放射形直线; (2)特性斜率随外串电阻的增大而增大,即机械特性的硬度随,外串电阻的增大而降低。,2.降低电枢电压的人为机械特性,特点: (1) 为一组斜率相同的平行线; (2)在负载转矩一定时,降低电枢电压,转速 下降,但转速降 不变。,3.减弱磁通的人为机械特性,特点: (1) 是既不平行也不呈放射形的一组直线; (2)在负载转矩一定时,一般情况下减弱磁通会使转速升高,转速降也会增大。但在负载很重或磁通很小时,再减弱磁通,转速反而会下降。,考虑电枢反应的机械特性,由于电枢反应的去磁效应,使机械特性出现一定的上翘现象,影响电动机的稳定运行,如图中虚线所示。,解决方法:小容量电机电枢反应不严重,一般可忽略;对大容量电动机,可在主磁极上加补偿绕组,补偿电枢反应的去磁效应,使电机的机械特性不出现上翘现象。,2.3.3 根据电机的铭牌数据估算机械特性,1. 理想空载转速点(0, )的求取,电机的铭牌数据通常有:, 根据经验估算额定电枢电动势, 根据所选直流电动机,实测它的电枢回路电阻, 根据经验公式估算电枢回路电阻,或,2. 额定运行点( , )的求取,例2-5 一台他励直流电动机的铭牌数据为: , , 。试计算其固有机械特性。,解: 估算额定电枢电动势,于是得到固有机械特性上的两个特殊点:理想空载转速点(0,1582.7),额定工作点(152.7,1500),通过这两点即可画出这台直流电动机的固有机械特性。,2.4 串励和复励直流电动机,2.4.1 串励直流电动机的机械特性 串励直流电动机的励磁绕组是串联在电机电枢回路里的。,串励直流电动机惯例如图所示。,如果电机的磁路不饱和,则气隙每极磁通 与励磁电流 呈线性关系。,代入电动机的机械特性方程,有,式中,,又,整理上述各式,得串励电动机机械特性方程式为:,机械特性的特点: (1) 它是一条非线性的软特性; (2) 当电磁转矩很小时,转速会很高; (3) 电磁转矩与电枢电流的平方成正比,因此启动转矩大,过载能力强。,思考:串励电动机能否空载运行?,1-并(他)励;2-复励;3-串励,2.4.2 复励直流电动机的机械特性,右图为复励电动机接线图,复励分为:积复励,差复励。 积复励的机械特性介于并励和串励电动机机械特性之间。,特点:积复励直流电动机具有串励直流电动机的启动转矩大,过载能力强的优点,但没有空载转速很高的缺点。,1-并(他)励;2-复励;3-串励,补充题:一台他励直流电动机,额定数据为:PN=10KW, UN=220V,IN=53.2A, nN=1000r/min, 电枢回路总电阻Ra=0.393欧。保持额定负载转矩不变,且不计电枢反应影响,求 (1)若电枢回路中突然串入1.5欧的电阻,电阻接入瞬间的电枢电流(假定转子与负载的惯性很大)以及稳定后的电枢电流与转速。 (2)若仅在励磁回路中突然串电阻,使磁通减少15%,磁通突然减少时瞬间的电枢电流以及稳定后的电枢电流与转速。 答案: (1)11.o4A,53.2A,599.2r/min (2)129.16A,62.6A,1155r/min,课堂讨论 1.他励直流电动机在运行过程中失磁会出现什么情况?并励、复励电动机呢? 2.电枢回路总电阻包括哪几部分电阻? 3.本章所列直流电机的电压平衡方程式与转矩平衡方程式是稳态的还是暂态的? 4.能否画出直流电机的等效电路?,
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