電機(jī)與拖動(dòng)第2章直流電機(jī)的建模與特性(第2部分)cai

1、(1)電刷是電流的分界線電刷是電流的分界線;每條支路即正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢(shì)為：aeEC n總電磁轉(zhuǎn)矩為：總電磁轉(zhuǎn)矩為： aTaavemICIaNppTT22001( )22( ) 22602( )60aaoaNEe x dxaDNpnbx ldxaDNpnbx ldxa微元dx上的導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為： ldxxbaNIdxDNDlaIxbdxDNxTdaaaaaemem)(422)()(每極下的電磁轉(zhuǎn)矩為： aNIldxbaNITdTaxaemav4400電磁功率為：aaaaaTememIEInaNpInaNpICTP606022a、電壓平衡方程式、電壓平衡方程式aaa afffUER

2、 IUR Ib b、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式20emTTT( )( )( )( )( )aaaa aafff ffditUetR itLdtditUR itLdtdttdJTTTem)(02( )( )( )( )( )( )aaaaaafff ffditUtetRitLdtditUR itLdt直流發(fā)電機(jī)的暫（動(dòng)）態(tài)電壓平衡方程式變?yōu)椋?(1111faIIUIUPemscuacufasaaafaaaaafaPpppEUIrIIUEIRIIUP)2()(1ema aemPE ITmecFeememppPpPTTTP2020211PT2122 2222 222FemecfaaFemecfa

3、 a asFemeccufcuasPppU IU IR IppU II r IU IU IpppppP 22 22emema aaafPTE IU IR IU I 1100emememFemecPTTTPpPpp (1)電刷是電流的分界線電刷是電流的分界線;A、1 1、空載特性、空載特性定義： 在 、 條件下，正負(fù)電刷之間的空載端電壓與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線 ，即為空載特性。Nnn 0aI)(00fIfU mmBllFNiHlRS 2、外特性、外特性定義： 在 、 條件下，端部輸出電壓與輸出電流之間的關(guān)系曲線 ，即為外特性。Nnn fNfII)(22IfU 對(duì)于他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，外特性可通過(guò)電壓

4、方程式（3-37）獲得： aaeaaaaIRnCIREUU1（3-37）結(jié)論結(jié)論: : 對(duì)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，影響端部電壓隨負(fù)載增加而下降對(duì)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，影響端部電壓隨負(fù)載增加而下降的因素：的因素：u 負(fù)載電流增加，電阻壓降增加；負(fù)載電流增加，電阻壓降增加；u 電樞反應(yīng)的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應(yīng)電電樞反應(yīng)的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應(yīng)電勢(shì)下降。勢(shì)下降。 aaeaaaaIRnCIREUU1定義定義:電壓變化率電壓變化率 ： 在 ， 的條件下，%1000NNUUUU（2-38）Nnn fNfII式中， 為直流發(fā)電機(jī)的空載端電壓。 0U圖2.33 中，顯然，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率大

5、于他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)。主要原因?yàn)椋?負(fù)載電流增加，電阻壓降增加；負(fù)載電流增加，電阻壓降增加； 電樞反應(yīng)的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應(yīng)電電樞反應(yīng)的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應(yīng)電勢(shì)下降；勢(shì)下降； 隨著電樞電壓下降，勵(lì)磁電流減少，引起每極磁通和隨著電樞電壓下降，勵(lì)磁電流減少，引起每極磁通和相應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)的進(jìn)一步下降；相應(yīng)感應(yīng)電勢(shì)的進(jìn)一步下降；aaeaaaaIRnCIREUU11)串勵(lì)繞組的勵(lì)磁磁勢(shì)補(bǔ)償負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)去磁作用2)使電樞電勢(shì)升高，抵消了電樞回路的電阻壓降。3 3、調(diào)節(jié)特性、調(diào)節(jié)特性定義： 在 、 條件下，負(fù)載輸出電流與勵(lì)磁電流之間的關(guān)系曲線 ,即為調(diào)節(jié)特性。Nnn NUU 2)(2

6、IfIf4 4、效率特性、效率特性定義： 電機(jī)的效率定義為輸出功率 與輸入功率 之比，即：1P2P%100)1 (%100)(%10011112PpPpPPP（2-39）式中，總損耗為：mecFeascuappIUpp2（2-40）其中，不變損耗即不變損耗即空載損耗為： 00TpppmecFeasaaIUrIp22可變損耗可變損耗為： 典型直流發(fā)電機(jī)的效率曲線如圖2.35所示。空載特性空載特性外特性外特性調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性效率特性效率特性B、定義： 并勵(lì)或復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)空載電壓的建立過(guò)程又稱(chēng)為發(fā)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程電機(jī)的自勵(lì)過(guò)程。 圖2.36a為并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的接線圖。圖2.36b給出了并勵(lì)直流發(fā)電

7、機(jī)建壓過(guò)程的曲線解釋。 圖2.36b中，曲線1代表直流發(fā)電機(jī)的空載曲線： ；曲線2為勵(lì)磁回路的伏-安特性 ，又稱(chēng)為磁場(chǎng)電阻線磁場(chǎng)電阻線，其表達(dá)式為： ；曲線3為臨界磁場(chǎng)電阻線，其對(duì)應(yīng)的臨界電阻臨界電阻為： 。)(0fIfU0fUR IcrR并勵(lì)（或復(fù)勵(lì)）直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)建壓需滿足下列三個(gè)條件：并勵(lì)（或復(fù)勵(lì)）直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)建壓需滿足下列三個(gè)條件： 電機(jī)主磁路須有剩磁。 勵(lì)磁回路與電樞回路的接線須正確配合。 勵(lì)磁回路的總電阻不能超過(guò)臨界電阻值。2.8.1 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性定義： 直流電動(dòng)機(jī)的工作特性定義為： ， ，且電樞回路無(wú)外接電阻條件下， 或 的關(guān)系曲線。 NUU 1fNfII)(2Pf

8、Tnem，)(aemIfTn，A、轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)速特性 定義： 在 ， 條件下，轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關(guān)系曲線： 定義為轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性。NUU 1fNfII)(aIfn aaNeaNeNNeaaNeaInICRCUCIRUCEn01（2-41）其中， 為理想空載轉(zhuǎn)速理想空載轉(zhuǎn)速； 為轉(zhuǎn)速特性的斜率。 NeNCUn0NeaCR根據(jù)上式繪出轉(zhuǎn)速特性曲線如圖2.37所示。結(jié)論：結(jié)論： 隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的因隨著負(fù)載的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的因素有兩個(gè)：素有兩個(gè)：（1 1）電樞的電阻壓降；）電樞的電阻壓降；（2 2）電樞反應(yīng)的去磁作用。）電樞反應(yīng)的去磁作用。 通常，直流

9、電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速變化用轉(zhuǎn)速變化率轉(zhuǎn)速變化率來(lái)描述。轉(zhuǎn)速變化率定義為：空載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值占額定轉(zhuǎn)速的百分比，即：（2-42）結(jié)論：結(jié)論： 在運(yùn)行過(guò)程中，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不能失磁亦即勵(lì)磁繞在運(yùn)行過(guò)程中，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不能失磁亦即勵(lì)磁繞組不能開(kāi)路，否則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成所謂的組不能開(kāi)路，否則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成所謂的“飛飛車(chē)車(chē)” ” 現(xiàn)象?，F(xiàn)象。 B B、轉(zhuǎn)矩特性、轉(zhuǎn)矩特性定義： 在 ， 條件下，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關(guān)系曲線： 即為轉(zhuǎn)矩特性。 NUU 1fNfII)(aemIfT由轉(zhuǎn)矩表達(dá)式（2-16）得轉(zhuǎn)矩特性為：aaNTemKIICT（2-43）式中， NTCK%1000NNNnn

10、nn根據(jù)上式繪出轉(zhuǎn)矩特性如圖2.37所示（見(jiàn)前面）。 C C、效率特性、效率特性其定義和計(jì)算過(guò)程與直流發(fā)電機(jī)基本相同，見(jiàn)圖2.37。2.8.2 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性定義： 在 ， ，且電樞回路未串任何電阻條件下， 的關(guān)系曲線定義為機(jī)械特性機(jī)械特性。 NUU 1fNfII)(emTfn 根據(jù)直流電動(dòng)機(jī)的基本關(guān)系式： ， ，以及 得他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：nCEeaaTemICTaaaIREU1ememNTeaNeNeaTnTCCRCUCEn02（2-44）根據(jù)上式繪出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線如圖2.38所示。圖2.38 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性由圖2.38可見(jiàn)，隨著轉(zhuǎn)矩的增大，電機(jī)轉(zhuǎn)

11、速有所下降。故此，機(jī)械特性可進(jìn)一步表示為：nnTnnem00（2-45） 其中，轉(zhuǎn)速降 。 越小，轉(zhuǎn)速變化越小，稱(chēng)電動(dòng)機(jī)具有較硬硬的機(jī)械特性的機(jī)械特性；反之，稱(chēng)電動(dòng)機(jī)具有較軟的機(jī)械特性軟的機(jī)械特性。ememNTeaTTCCRn2圖圖2.382.38中，需注意：中，需注意： 電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速電機(jī)的理想空載轉(zhuǎn)速 與實(shí)際空載轉(zhuǎn)速與實(shí)際空載轉(zhuǎn)速 的區(qū)別；的區(qū)別； 重載時(shí)由于電樞反應(yīng)的去磁作用造成機(jī)械特性的上翹。重載時(shí)由于電樞反應(yīng)的去磁作用造成機(jī)械特性的上翹。 0n0n2.8.3 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性定義: 在額定電壓、額定勵(lì)磁且電樞回路未串任何電阻條件下的機(jī)械特性又稱(chēng)為固有（或自然）機(jī)械特性

12、固有（或自然）機(jī)械特性。而把通過(guò)人工改變控制量或參數(shù)所獲得的機(jī)械特性稱(chēng)為人工機(jī)械特性人工機(jī)械特性。A、電樞回路外串電阻的人工機(jī)械特性、電樞回路外串電阻的人工機(jī)械特性 當(dāng) ， 時(shí)，電樞回路的總電阻為 （即電樞回路的外串電阻為 ）時(shí)，利用類(lèi)似于式（2-44）的推導(dǎo)，得他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性為： NUU 1fNfIIRRRaemNTeaNeNTCCRRCUn2）（2-46）上式可用圖2.39所示曲線表示之。R圖2.39 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串電阻時(shí)的人工機(jī)械特性B、改變外加電樞電壓的人工機(jī)械特性、改變外加電樞電壓的人工機(jī)械特性當(dāng) ， 時(shí)，僅改變電樞電壓時(shí)的人工機(jī)械特性由下式給出： fNfII

13、0RemNTeaNeTCCRCUn21（2-47）式（2-47）可用圖2.40所示的曲線表示之。emNTeaNeNTCCRRCUn2）（圖2.40 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)改變電樞電壓的人工機(jī)械特性C、弱磁時(shí)的人工機(jī)械特性、弱磁時(shí)的人工機(jī)械特性當(dāng) ， 時(shí)，僅改變勵(lì)磁時(shí)的人工機(jī)械特性為： NUU 10RemTeaeNTCCRCUn2（2-48） 為了方便于起見(jiàn)，先繪出弱磁時(shí)的轉(zhuǎn)速特性 ，然后在再繪出相應(yīng)的人工機(jī)械特性。)(aIfn 于是有：aeaeNICRCUn（2-49）根據(jù)上式，繪出弱磁條件下的轉(zhuǎn)速特性如圖2.41a所示。圖中， 為起動(dòng)電流（對(duì)應(yīng)于 ）。又根據(jù) ，得弱磁條件下的人工機(jī)械特性如圖2.41

14、b所示。 stTstICTaNstRUI/0noaIscI12NN120n01n02nn(a) 轉(zhuǎn)速特性 (b) 機(jī)械特性圖2.41 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)弱磁時(shí)的人工機(jī)械特性D、機(jī)械特性的人工繪制、機(jī)械特性的人工繪制根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)，便可以繪制他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。具體方法是：（1）求出理想空載點(diǎn) ；（2）求出額定運(yùn)行點(diǎn) 。通過(guò)上述兩點(diǎn)繪制直線即可獲得固有機(jī)械特性。)0 ,(0n),(NNTn對(duì)于理想空載轉(zhuǎn)速： ，其中，NeNCUn0NNaNNNNenIRUnEC0（2-50）式中，電樞回路的總電阻可根據(jù)下式估算：2)()3221(NNNNaIPIUR（2-51）對(duì)于額定運(yùn)行點(diǎn)處的額定轉(zhuǎn)矩，可由

15、下式給出：9.55NTN NeN NTCICI同樣的方法可求出控制參數(shù)改變后的人工機(jī)械特性。aaNeaNeNNeaaNeaInICRCUCIRUCEn01aaNTemKIICTememNTeaNeNeaTnTCCRCUCEn02忽略T0，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)額定負(fù)載時(shí)，要求把轉(zhuǎn)速降到1000r/min，計(jì)算：（1）采用電樞串電阻調(diào)速需要串入的電阻值？（2）采用降低電源電壓調(diào)速需把電源電壓降到多少？（3）上述兩種調(diào)速情況下，電動(dòng)機(jī)的輸入功率與輸出功率（輸入功率不計(jì)勵(lì)磁回路之功率)某臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)額定參數(shù)：22,220 ,115 ,1500 / min,0.1NNNNaPkW UV IA nrR并勵(lì)（或復(fù)

16、勵(lì)）直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)建壓需滿足下列三個(gè)條件：并勵(lì)（或復(fù)勵(lì)）直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)建壓需滿足下列三個(gè)條件： 電機(jī)主磁路須有剩磁。 勵(lì)磁回路與電樞回路的接線須正確配合。 勵(lì)磁回路的總電阻不能超過(guò)臨界電阻值。emNTeaNeNTCCRRCUn2）（2.9.1 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性圖2.43 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線圖 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路接線如圖2.43 所示，其特點(diǎn)是： 。機(jī)械特性的表達(dá)式如他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)基本相同，即： 1IIIsaemTesaeNTCCRRCUn2當(dāng)負(fù)載較輕、磁路未飽和時(shí)，由式（2-18）得： 。于是： ffIK2aTaffTaTemICIIKCICT（2-54）則機(jī)械特性變?yōu)椋?es

17、aemfesaafeemTesaeCRRTKUKCRRIKCUTCCRRCUn1121)(（2-56）圖2.44 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性值得一提的是：當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，由式（2-56）可見(jiàn)，隨著 ，轉(zhuǎn)速 。 0emTn結(jié)論：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不允許輕載或空載運(yùn)行結(jié)論：串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)不允許輕載或空載運(yùn)行。 當(dāng)負(fù)載較重、磁路飽和時(shí)，近似不變。此時(shí)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加當(dāng)負(fù)載較重、磁路飽和時(shí)，近似不變。此時(shí)，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加線性下降。線性下降。2.9.1 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性通過(guò)改變下列控制參數(shù)和控制量便可獲得各種情況下的人工機(jī)械特性： 電樞回路串電阻；電樞回路串電阻； 降低電源電壓；降低電源電壓；

18、在串勵(lì)繞組兩端并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)弱磁；在串勵(lì)繞組兩端并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)弱磁； 在電樞兩端并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)增磁；在電樞兩端并聯(lián)電阻實(shí)現(xiàn)增磁；下圖給出了各種情況下串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性。圖2.45 串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的人工機(jī)械特性。1-固有機(jī)械特性 2-電樞回路串電阻時(shí)的人工機(jī)械特性3-勵(lì)磁繞組并聯(lián)電阻時(shí)的人工機(jī)械特性 4-電樞回路并聯(lián)電阻時(shí)的人工機(jī)械特性 emTesaeTCCRRCUn21圖2.46 復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的接線圖 積復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性介于并勵(lì)（或他勵(lì)）和串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)之間，如圖2.47所示。為便于比較，圖2.47還同時(shí)繪出了并勵(lì)和串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性曲線。圖2.47 復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性1并勵(lì) 2串勵(lì) 3復(fù)勵(lì)定義定義: 換向換向是指：電樞元件在經(jīng)過(guò)電刷前后其中的電流方向的改變。理想的換向被稱(chēng)為線性（或直線）換向線性（或直線）換向，如圖2.49所示。但由于電磁和機(jī)械等方面的原因，實(shí)際直流電機(jī)很難達(dá)到線性換向。換向不良會(huì)帶來(lái)?yè)Q向問(wèn)題，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起電位差火花電位差火花，甚至環(huán)火環(huán)火。圖2.49 理想換向時(shí)電樞元件中的電流波形為解決換向問(wèn)題，主要采取如下兩種方法