文档介绍：第2章直流电动机的电力拖动
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直流电动机基本的平衡方程式
直流电动机的工作特性
生产机械的负载转矩特性
直流电动机的机械特性
直流串励电动机
直流发电机的特性
本章小结
习题与思考题
本章内容
直流电动机基本的平衡方程式
直流电动机基本的平衡方程式是指直流电动机稳定运行时,电路系统的电压平衡方程式、能量转换过程中的功率平衡方程式和机械系统的转矩平衡方程式。
一、电压平衡方程式
(a)是直流电动机工作原理的示意图。
(a) 电动机
(b) 发电动机
直流电动机中电势、电流和电磁转矩的方向
直流电动机并联在电网上工作,由外接电源向电动机供电。设极下的导体电枢电流为流出纸面,根据左手定则可知,电磁转矩为逆时针方向。在电磁转矩作用下,电枢将逆时针方向旋转。电枢导体切割主磁通而产生感应电动势,根据右手定则可知,极下的感应电动势方向为流入纸面,与电枢电流方向相反。由于电动机中的感应电动势有阻止电流流入电枢绕组的作用,因此称它为反电动势。
为了使电流能够从电网流入电枢绕组,电动机的端电压应该大于反电动势,即。根据基尔霍夫第二定律,可以写出电枢回路的电势平衡方程式为
直流电动机基本的平衡方程式
()
式中——电枢电流;
——电枢回路的电阻;
——正负电刷的接触电压降落。在额定负载时,一般情况下取
在电动机运行状态下,由于,电流从电网流入电枢绕组,成为电动机运行的电能。同样,在电动机运行状态下,电枢会产生电磁转矩,电磁转矩的方向与转向相同,成为驱动转矩。
直流电动机基本的平衡方程式
若电动机在原动机拖动下工作,电枢逆时针旋转,则电枢导体切割主磁通而产生感应电动势。根据右手定则可知,极下的导体电动势方向为流出纸面。在感应电动势的作用下,电枢导体中会有电流产生,此时的电枢电流应该与感应电动势同方向。电枢电流与主磁极磁场相作用而产生与电枢旋转方向相反的电磁转矩,为制动转矩。(b)所示。电动机在原动机拖动转矩作用下,克服电磁转矩的制动作用向外输送电流,此时电动机为发电动机运行,具体工作原理及电动势平衡关系请读者自行分析。
由此可见,同一台电动机既可作为电动机运行,又可作为发电动机运行,只是各有异同。在两种运行状态下,电枢绕组中均产生感应电动势。如果端电压U大于感应电动势Ea,即,电流从电网流入电枢绕组,成为电动机运行;反之,如果,则电枢绕组向外输送电流,成为发电动机运行。同样,在这两种运行状态下,电枢均产生电磁转矩。在电动机中,电磁转矩与转向同方向,成为驱动转矩;而在发电动机中,电磁转矩与转向相反,使之成为制动转矩。
直流电动机基本的平衡方程式
二、功率平衡方程式
为了更好地理解直流电动机中的功率平衡关系,先简要介绍涉及到的几种电动机损耗。
1. 机械损耗
机械损耗包括轴承和电刷的摩擦损耗及通风损耗,它们都与转速有关。。电刷摩擦损耗由电刷牌号以及电刷和换向器表面的接触情况来决定。通风损耗与风扇外缘直径的平方成正比。在转速变化不大的电动机里,可认为机械损耗是不变的。机械损耗用Pm来表示。
2. 铁耗
是指电动机的主磁通在磁路的铁磁材料中交变时所产生的损耗。对直流电动机来说,铁耗是由电枢铁心在气隙磁场中旋转而切割磁力线引起的。它包括涡流损耗和磁滞损耗两部分。一般认为铁心损耗和磁通密度B的平方成正比,~。由于涡流损耗正比硅钢片厚度的平方,铁心采用的硅钢片越薄,铁心损耗越小。铁心损耗用PFe来表示。
直流电动机基本的平衡方程式
3. 铜耗
是指电流流过电动机中相关绕组所产生的损耗,包括电枢回路(包括电枢绕组、串励绕组、换向极绕组等)的铜耗Pa、电刷与换向器表面的接触压降损耗Pb以及励磁回路中的铜耗Pf。其中电枢回路的铜耗Pa的计算公式为
在式()中,正负电刷的接触电压降落为2△Us电刷接触压降而引起的损耗Pb
()
()
励磁绕组中的输入功率全部为铜损耗,它由下式所决定
式中 Uf 励磁绕组两端的电压;
If 励磁绕组中的电流;
Rf 励磁回路的总电阻。
()
直流电动机基本的平衡方程式
4. 杂散损耗
上述四种损耗是直流电动机中的基本损耗,此外还有少量难于准确测定及计算的损耗。这种损耗是由于电枢铁心上有齿槽存在,是气隙磁通大小脉振和左右摇摆在铁心中引起的损耗,电枢反应使磁场畸变引起的额外电枢铁损耗和换向电流产生的铜损耗等。这些损耗难以精确计算和测量,一般认为取为输出功率P25%~1%,即
()
下面以并励电动机为例来进一步论述电动机内部的功率平衡