2.5 直流串励电动机

第 2 章直流电动机的电力拖动

2.1

2.5 直流串励电动机一、直流串励电动机的接线与特点

串励电动机的接线图如图 2.13所示。在串励电动机中，励磁电流与电枢电流相等，因此气隙磁通是随电枢电流而变化的，这是串励电动机的主要特点，它决定了串励电动机的主要性能。图 2.13 直流串励电动机的接线图二、串励电动机的特性

1. 转矩特性在串励电动机中，由于励磁电流就是电枢电流，因此。如果不考虑饱和效应， K = 常数。当考虑饱和效应时， K 是一个变数。随着电流的增加， K 值逐渐减少。参考式 (2.17) ，得到串励电动机的电磁转矩表达式为 aKI

2T a T aT C I C KI (2.34)


2.2

可见，串励电动机的电磁转矩与电枢电流的平方成正比，转矩特性为一抛物线。实际上，当负载电流较大时，铁心已饱和，虽然励磁电流随负载电流增大而增大，但此时每极磁通 Φ 变化不大，电磁转矩 T 大致与负载电流成正比变化。其转矩特性曲线如图 2.14 所示。 2. 转速特性当负载很小时，。参照式 (2.19) ，得串励电动机的速度特性表达式为

2.5 直流串励电动机

图 2.14 串励电动机的转矩和转速特性 aKI

a K f

e a e

r R rUnC KI C K

(2.35)

由此可见，串励电动机的转速与电枢电流成反比，转速特性为一双曲线。当负载电流较大时，磁路已饱和，每极磁通 Φ 变化不大。又因为，所以转速 n 将随电流的增加而略为下降。其转速特性曲线如图 2.14 所示。 a a K f( )I r R r U


2.3

2.5 直流串励电动机 3. 机械特性串励电动机在电枢电路的电压平衡关系及电磁转矩、反电动势的形式上仍服从基本定律，其形式与式 (2.1) 、式 (2.16) 、式 (2.17) 相同。但由于串励电动机有其自身的特点，因此在个别规律上有所差异。从电磁转矩上看，随着电枢电流的增加，主磁通 Φ 也增加，所以电磁转矩 T 比直流他励电动机有较大增加。从反电动势上看，当转速 n 增加时，反电动势暂时增加，电枢电流随反电动势增加而下降，于是磁通 Φ减小，反电动势也随之又小下来一些。由此可见，在串励电动机中，反电动势并不和转速n 成比例，而只是随 n 的增加有较小的增加。从上述 3 个基本关系式也可以求出和直流他励电动机形式相同的机械特性方程式

aI

aE

a K f

e a e

r R rUnC KI C K

(2.36)

按上式作出的串励电动机的机械特性曲线如图 2.15 所示，也为一双曲线。当附加电阻时，所得的机械特性称为自然机械特性。 K 0R


2.4

2.5 直流串励电动机从式 (2.17) 可知，随着转矩的增加，电枢电流增加。但在串励电动机中，电枢电流增加的同时，转速急剧下降。这可以从式 (2.36)看出：由于第一项的原因，随着电枢电流的增加，主磁通大量增加，分母变大，因而转速下降；由于第二项的原因，电枢电流增加时，电阻压降增加，分子变大，因而使得转速更加降低。因此，串励电动机机械特性的特点是：随着转矩的增加，电流增加，转速急剧下降 ( 图2.15) ，特性变软。图 2.15 串励电动机的机械特性当轻载时，直流串励电动机的转矩很小，因此电枢电流及主磁通也很小。此时串励电动机的转速会上升到危险的高值，电动机的机械强度往往不能承受这样大的离心力而受损坏。所以串励电动机绝对不允许空载启动及空载运行。对一般串励电动机而言，工作的最低负载不应小于额定值的 25% ～ 30% 。串励电动机的转矩，而并励电动机的转矩则为。因此，如果不考虑饱和效应，在串励电动机中，转矩正比于电流的平方。而在

2T aT C KI T aT C I


2.5

2.5 直流串励电动机并励电动机中，转矩正比于电流的一次方。即同样大的启动电流，串励电动机能产生较大的启动转矩，这是串励电动机性能上一个可贵的特点，因此启动较困难的地方常用串励电动机，例如启动闸门等处。由于输出功率，并励电动机的转速基本不变，因此输出功率将随着转矩正比例变化。但在串励电动机中，由于转矩增加的同时转速在减少，故功率增加较慢。因此串励电动机不至于因为负载转矩增大而过载，常用在负载转矩经常大幅度变化的场所，例如用于电车及吊车等设备中。

222 TP

2 2 2P T


2.6

2.6 直流发电机的特性直流发电机由原动机拖动，转速是恒定的，所以，外部可测的变量只有 3个：端电压 U ，负载电流，励磁电流。直流发电机的特性就是在正常运行时，外部各个可测物理量之间的变化关系。发电机的特性曲线将随着发电机的励磁方式的不同而不同，由于直流他励发电机与并励发电机的励磁方式的不同，因此在这里仅以直流他励发电机与并励发电机为例介绍相关特性。关于直流串励发电机的相关特性请读者参考相关书籍。

LI fi

一、直流他励发电机的接线与特点直流他励发电机的接线图在形式上与直流电动机的接线相同，可参考图2.8 。其励磁回路与电枢回路不相连接，分别由独立的电源供电。在电磁转矩与反电动势的形式上，直流他励发电机也与直流他励电动机相同。但在电枢回路的电压平衡关系上，它与直流他励电动机正好相反。参照 2.2.1 的内容，可得直流他励发电机的电压平衡关系式为

a a a s2U E I R u (2.40) 式中 ——电枢电流； ——电枢回路的总电阻； —— 正负电刷的接触电压降落。在额定负载时，一般情况下取

aI

aI aRs2 u s2 2Vu


2.7

二、直流他励发电机的特性 2.6 直流发电机的特性

1. 空载特性当转速 n＝常数，负载电流 I ＝ 0 时，端电压 U 随励磁电流 If 而变化的关系称为空载特性，即 U=f(If) 曲线。在负载电流为零时，电枢回路的电阻电压降落等于零。因此据式 (2.40) 可知，空载时发电动机端电压 U 等于感应电势 Ea (忽略电刷接触电压降 ) ，即由于 n 等于常数，所以 U0 正比于 Φ 。而同时励磁电流又正比于励磁磁动势 Ff 。所以空载特性曲线 U=f(If) 与电动机的磁化曲线 Φ=f(Ff) 在形状上完全相同。空载特性曲线的形状如图 2.16 所示。当励磁电流从向变化时，端电压沿着曲线 1 从 +U向－ U 变化。如果励磁电流在从向变化，端电压便沿着曲线 2 从－ U 向 +U 变化。曲线 1 和曲线 2 所组成的回路与磁滞回线相对应，它由磁路材料的性质所决定。因此根据发电机的空载特性曲线可以了解电动机磁路的性质。当时，端电压并不等于零，这是由发电机内部的剩磁所感应的，称为剩磁电压，通常它约为额定电压的 2% ～ 4%左右。实际上，总是取曲线 1 和曲线 2 之间的平均值 ( 曲线 3) 来代表空载特性。

a eU E C n

fI fIfIfI

f 0I


2.8

从空载特性可以判断出发电机在额定电压下磁路的饱和程度。一般情况下，额定电压位于空载特性开始弯曲的部分 ( 称为膝点 ) ，如图2.16 中的 A点。如果额定电压在 A点以下，说明磁路未饱和，铁心没有充分利用，不经济；同时，励磁电流稍微变化。

2.6 直流发电机的特性

图 2.16 直流他励发电机空载特性 2. 外特性他励发电机的电枢电流 Ia 和供给负载的电流 IL 相等。由电压平衡方程式可知，当有负载电流流通时，将有两种因素影响到端电压：一是在电枢回路中引起的电压降，它包括电枢绕组本身的电阻压降及电刷接触电压降 2U ；二是电枢反应的去磁作用，它将使每极磁通略微减少，因而使感应电动势略微降低。

a aI r


2.9

2.6 直流发电机的特性他励发电机的外特性是下降的，即当负载电流增加时端电压将下降。这是因为：根据电枢回路的电动势平衡方程式可知随着电流 Ia的增加，电枢回路的电阻电压降上升，因而使端电压下降；根据发电动机的反电动势表达式可知，因电阻压降和电枢反应的影响不大，端电压的变化也不大，故他励发电机基本上是恒压的，如图 2.17 所示。

a a a s2U E I R u

图 2.17 直流他励发电机外特性图 2.18 直流他励发电机调节特性


2.10

2.6 直流发电机的特性设表示空载时的端电压，表示满载时的端电压，依定义，电压变化率为

电压变化率即为当发电机自额定满载状态卸去负载后电压上升的数值与额定电压的比值。他励机通常约为 0.05 ～ 0.1 。 3. 调节特性前以述及，当有负载电流流过时，有二种因素会引起端电压下降。为要维持端电压不变，随着负载电流的增大，励磁电流也应略微增大，反应此过程的特性曲线即为他励机的调节特性。特性曲线如图 2.18 所示。他励发电机的电压变化率很小，且其励磁电流能在相当大的范围内调节。因此，他励方式适用于需要大幅度调压的大型发电机。工业上应用的6 ～ 24V 的低压直流发电机和超过 600V 的高压直流发电机也采用他励。

0U NU

0 N

N

100%U UU

电压变化率＝


2.11

2.6 直流发电机的特性三、直流并励发电机

并励和复励直流发电机都是一种自励发电机，它们不需要外部直流电机供给励磁电流。所以一般情况下，这种自励发电机的运行首先是在空载时建立电压即所谓自励，然后才能加以负载。下面以并励发电机为例来讨论发电机的空载自励。 1. 并励直流发电机自励的条件并励发电机接线图如图 2.19(a) 所示，图中刀开关打开，电机处于空载状态。为使并励发电机能建立电压，电机内部必须有剩磁。当电枢旋转时，由剩磁产生一个不大的剩磁电动势，如果励磁绕组与电枢两端并联的极性正确，使得励磁绕组中通过的电流所建立的磁通势与剩磁方向一致，则气隙磁场得到加强，电枢绕组中的电动势增加，励磁电流也相应增长，这样电压就建立起来了，但电压建立起来以后，最后稳定到什么数值，还须作进一步分析。

0rE


2.12


(a) (b) 图 2.19 并励与复励发电机接线图

在图 2.20 中，画出发电机的空载特性。因为励磁绕组中的电压下降与励磁电流成正比，可画出伏安特性为一条直线，也称为励磁绕组的电阻线。如果不计电枢电阻 Ra 上的电压降以及电枢反应，则励磁绕组的端电压 Uf 与励磁电流 If ，从电机磁路关系上考虑要满足空载特性，即

00 f( )U f I

00 f fU I r0fI

00 f( )U f I (2.37)

而且从电路关系上观察，又必须遵循伏安特性，即 , 在稳态下，Uf必须等于 U0 ，则 0f f fU I r

00 f fU I r (2.38)

由此可知， U0 、必须同时满足式 (2.37) 与式 (2.38) 。所以 U0 与之值就是表示上述两种特性的曲线交点 A的坐标。亦即并励发电机自励建立电压以后，电压会稳定在 A点。电压建立的过程是这样的：当并励发电机中由剩磁电动势 E0r 加到励磁绕组上，则产生一个不大的励磁电流，由于增加

0fI 0fI

01fI 01fI


2.13

2.6 直流发电机的特性了气隙磁场，使电动势增大为 E01 ，再 E01 由去增大励磁电流，使它由变为，再增强气隙磁场和电动势等。这种过程一直继续进行到 A点为止。01fI

02fI

图 2.20 并励发电机的自励发电特性 1— 空载特性 2— 励磁电阻线 3— 临界电阻线

总的来说，并励发电机自励发电的条件为： (1) 电机必须由剩磁，如果电机已失磁，可用其他直流电源激励一次，以获得剩磁。 (2) 励磁绕组并联到电枢的极性必须正确，否则在励磁绕组接通以后，电枢绕组中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。这两种措施都可以改变励磁绕组两端的极性，即改变励磁电流的方向。 (3) 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，如图 2.20 中直线 3 与空载特性相切，亦无交点，此时励磁回路的电阻值称为临界值。所以要使电机能顺利地自励建压，还必须使励磁电阻 rf＜。

00 f fU I r

LJfr

LJfr


2.14

2. 负载运行无论是并励还是复励发电机建立电压以后，在 n=nN 的条件下，加上负载，发电机的端电压会发生变化。一般情况下，端电压都是下降的。负载越大，端电压越低。这种发电机端电压随负载变化的特性可用如下方法测取。当 n=nN= 常数时，调节励磁回路中的电阻使电机在额定电压 UN 下有额定电流 IN ，然后保持 Rf 不变 ( ， rΩ 为外加电阻 ) ，逐步减少负载到零，测取 U及 I，然后画曲线 U=f(If) ，这种特性称为发电机的外特性。在图 2.21 中，表示了他励、并励和复励 (积复励 ) 发电机的外特性。


f fR r r 图 2.21 直流发电机的外特性 1— 积复励发电机的外特性 2— 他发电机的外特性 3— 并励发电机的外特性


2.15

2.6 直流发电机的特性发电机端电压随负载电流变化的原因，可从电动势方程式 U=Ea-IaRa= Cen-IaRf 中看出。以负载增加为例，可见： (1) 负载增加。去磁性质的电枢反应引起气隙合成磁通的减小，从而使相应的感应电动势下降。 (2) 此时电枢回路的电阻压降和电刷接触压降均增大。以上两个因素都促使发电机端电压下降，与他励发电机中一样。但在并励发电机中，除上述两个主要因素外，还有一个因素将促使端电压进一步降低，即当端电压下降时，励磁电流 If 将减少 ( 因为 If=U/Rf) ，而 If 的减小，将引起气隙磁通以及感应电动势进一步减小，所以并励发电机的外特性比他励发电机要低。如果复励发电机的串励磁通势与并励磁通势方向一致，是积复励的话，当负载电流增加，串励磁通势随之增大，使电机总磁通势增强，可以增大感应电动势以补偿电枢反应的去磁作用和电枢回路中的电压降，使发电机端电压在一定范围内基本上保持恒定。串励发电机因其励磁磁通势直接随负载电流变化而变化，端电压极不稳定，故很少应用。若要求发电机具有很好的恒压性能，则励磁电流 If必须随负载电流 Ia 的变化而及时加以调节，这种调节作用可由自动装置来完成。


2.16

本章小结 (1) 直流电动机按励磁方式不同可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。 (2) 直流电动机运行时， T 与 n 方向相同， T起拖动作用， Ea 与 Ia 方向相反，为反电动势，且有 U>Ea 。其工作过程中存在的基本平衡关系有

(3) 并励电动机的工作特性是指当 U=UN ，，时，电动机的 n、 T和 η 分别随输出功率 P2 而变化的关系，即曲线。 (4) 生产机械运行的负载通常按其性质分为恒转距负载和恒功率负载。负载转矩特性是指 n 与 TL 之间的关系，即曲线。 (5) 电动机的机械特性是当均为常数时， n 与 T 之间的关系，即n=f(T) 曲线。其速度特性与机械特性的方程式分别为

机械特性分为固有机械特性和人为机械特性两种。固有机械特性是指 U＝ UN ， Φ＝ , 时的机械特性。人为机械特性可以通过保持其中两个参数不变，而人为改变另一个参数而获得，对应有 3种人为机械特性。

a a a s 1 2 2 02 , ,U E I R u P P p T T T

f fNI I a aR r

2, , ( )n T f P

L( )n f Ta, ,U R

a aa 2

e e e e T

,R RU Un I n T

C C C C C

NΦ a aR r


2.17

对于任何一台电动机而言，固有机械特性曲线只有一条，而人为机械特性曲线则可以有无限多条。固有机械特性曲线与人为机械特性曲线都可以根据求得曲线上的两个特殊点进行绘制。 (6) 直流串励电动机的转矩特性和转速特性分别反映了T 与 n 随而变化的规律。机械特性曲线则反映了 n 随 T 而变化的规律，其特性是软特性。串励电动机有很大的启动转矩和过载能力，具有广泛的应用。但在应用中必须特别注意：串励电动机不允许空载运行。 (7) 直流发电动机的特性就是在正常运行时，外部 3 个可测物理量：端电压 U 、负载电流 IL ，和励磁电流之间的变化关系。直流他励发电动机的以上 3 个变量之间的相互关系分别反映了发电动机的开路特性、外特性和调节特性。

a( )T f I a( )n f I

aI ( )n f T

fi

本章小结


2.18

思考题与习题 2-1 如何改变他励、并励、串励和复励电动机的转向？2-2 如何判断直流电动机运行于发电机状态还是电动机状态？它们的U 、 T 、 n 、 Ea 、 Ia 的方向有何不同？能量转换关系如何？2-3 直流并励电动机在能量转换过程中有哪些损耗？电动机产生最高效率的条件是什么？2-4 电动机的电磁转矩是驱动转矩，当电磁转矩增加时转速似乎应该上升。但从直流电动机的转矩及转速特性上看，电磁转矩增加时转速反而下降，这是什么原因？2-5 为什么在直流他励电动机电枢回路串联附加电阻不影响 n0 ？为什么串入电阻越大，机械特性越软？2-6 为什么直流他励电机降低电源电压时获得人工机械特性的斜率不变而 n0却降低？2-7 直流串励电机有哪些特点？为什么电动机的机械特性是软特性？直流串励电动机在使用中应注意哪些问题？2-8 一台直流他励发电机保持励磁电流不变而将其转速提高 20% ，其空载电压回升高多少？而并励发电机保持励磁回路总电阻不变，将其转速升高 20% 时，其空载电压比他励时升高得多还是少？


2.19

思考题与习题 2-9 一台直流他励电动机，额定功率，额定电压，额定电流，额定转速，电枢回路总电阻。试求：(1) 额定负载时的电磁功率和电磁转矩；(2) 忽略电枢反应，且保持额定时励磁电流及总负载转矩不变，而端电压降为190V ，则稳定后的电枢电流与转速为多少？2-10 一台并励电动机铭牌数据为：额定功率，额定电压，额定电流，额定转速；且已知。额定负载时突然在电枢电路中串入 0.5Ω 的电阻，当不计电枢电路中的电感并略去电枢反应的影响时，试计算瞬间的：(1) 电枢反电动势；(2) 电枢电流；(3) 电磁转矩；(4) 当总制动转矩不变时，试求达到稳定状态的转速。

N 5.5kWP N 220VU

N 10AI N 1500r / minn a 0.5R

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a f0.15 , 138r r


2.20

2-11 已知直流他励电动机铭牌数据为：额定功率，额定电压额定电流，额定转速。(1) 绘制并计算固有机械特性；(2) 绘制并计算电枢电压时的人为机械特性；(3) 当及电枢不串附加电阻时，绘制的人为机械特性。 2-12 直流他励电动机的铭牌数据为：额定功率，额定电压额定电流，额定转速，负载转矩为 80% 额定负载。求(1) 在固有特性上的稳定转速；(2) 在电枢回路中串入的电阻为 20Ω ，求电动机的稳定转速；(3) 电枢电压降到 100V 时，求降压瞬间电动机的电枢电流及稳定转速；(4) 当时，求电动机的稳定转速。2-13 一台直流并励发电机，额定功率，额定电压，额定转速，磁极数 2p=4 ，电枢回路总电阻 ( 包括电刷接触电阻 ) 励磁回路电阻。试求(1) 在额定运行情况下的电磁功率；(2) 在额定运行情况下的电磁转矩。

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思考题与习题

2.5 直流串励电动机

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