电机与拖动基础教案

学期授课计划说明课时本已本本学期课时分配课讲期本其中余程授教学讲实测考机小（时缺计学学期）划时周总授践试核动计学时学时641864568考试264教学大纲名称《电机与拖动基础》教学大纲或版本选用教材主要参考书——自编《电机与拖动基础》《电机与电力拖动》（西安交通大学出名称及版本版社）所需实验（实习）器电动机实训装置材及设备实验（习）场地电机实训室备注绪论0．1电机及电力拖动系统概述一、电机《电机与拖动基础》是把电机学和电力拖动基础两门课程有机结合而成的一门课程。电机是以电磁感应和电磁力定律为基本工作原理进行电能的传递或机电能量转换的机械装置。电能易于转换、传输、分配和控制，是现代能源的主要形式。发电机把机械能转化为电能。而电能的生产集中在火力、水力、核能和风力发电厂进行。为了减少输电中的能量损失，远距离输电均采用高电压形式：电厂发出的电能经变压器升压，然后经高压输电线路送达目的地后，再经变压器降压供给用户。电能转换为机械能主要由电动机完成。电动机拖动生产机械运转的方式称为电力拖动。由于电动机的效率高、种类和规格多、具有各种良好的特性，电力拖动易于操作和控制，可以实现自动控制和远距离控制，因此，电力拖动广泛应用于国民经济各领域。例如各种机床、轧制生产线、电力机车、风机、水泵、电动工具乃至家用电器等，数不胜数。为了能建立一个感性认识，对电机进行简单的分类如下：

电机的分类从能量转换的角度分从旋转与否的角度分从电能的性质分控直流电电机机交流发电动电变制旋转电机（发电机静止电机（变压器）压机机器电机电动机）在电力拖动自动控制系统中，大量应用控制电机。控制电机是一种在自动控制、自动调节、随动系统、远距离测量及计算装置中作为执行元件、检测元件的小型电机。这部分内容将在另外的教材中涉及。在工业自动化专业与电气工程及自动化专业中，电机与拖动是一门十分重要的专业基础课或技术基础课，它在整个专业教学计划中起着承前启后的作用，是后续课程《自动控制原理》、《电力拖动自动控制系统》、《电力电子技术》等课程的重要基础。主要研究电机拖动系统的基本理论问题，分析研究直流电机、变压器、异步电动机和同步电动机的简单结构、原理、基本电磁关系和运行特性；并初步联系生产实际，从生产机械工作的要求出，发重点介绍交运行特性，为学习自动控制系统等后续专业课打下坚实基础。因此，课程既具有较强的基础性，二、电力拖动简单的电力拖动系统由电源、电动机、传动机构、负载制装置等部分组成，见图和控制系统所需的电能；电动机完成电能向机械能的转换；传动机于传递动力，并实现运转方式和运转速度的转换，以满足不同负载的要求；自动控制装置则控制电动机拖动负载按照设定的工作方式运行，完成规定的生产任务。直流拖动系统的动静态又带有专业性。和自动控1.1。电源提供电动机构用电源自动控制装置电动机传动机构负载图1.1电力拖动系统的组成0.2电气控制电气化、信息化时代，在性能、可靠性及容量等方面，对电机提出了更高的要求。交流变频调速系统及变频电机、大功率无刷直流电机、永磁同步无刷电机等得到了很大发展。同时，随着新兴行业的发展，微电机亦成为电机行业发展的亮点，重点产品。稀土永磁电机，无轴承新动向。与此相适应，电机拖动也有了新的发展，对拖动系统的要求，如要求提高加工的是我国电工电器行业(电机)发展的电机也是电机技术发展的又提出更高精度和工作的速度，要求快速启动、制动和逆转，实现很宽范围内的调速及整个生产过程的自动化等，这就需要有一整套自动控制设备组成自动化的电力拖动系统。而这些高要求的拖动系统随着自动控制理的论不断发展，半导体器件和电力电子技采用，以及数控技术和计算机技术的发展与采用，正在不断地完善和提高。术的综上所述，电力拖动技术发展至今，它具有许多其他拖动方式无法比拟的优点。它启动、制动、反转和调速的控制简单、方便、快速且效率高；电动机的类型多，且具有各种不同的运行特性来满足各种类型生产机械的要求；整个系统各参数的检测和信号的变换与传送方便，易于实现最优控制。因此，电力拖动已成为国民经济电气的基础。自动化0.3本课程的性质、任务和内容《电机与拖动基础》是电气自动化技术专业的一门专业基础课。它的主要任务是使学生掌握常用的交直流电机、变压器、控制电机等的基本结构与工作原理，电力拖动系统的运行性能、分析计算，电机容量选择及试验方法等，为学习《工厂电气控制设备》、《自动控制原理》、《交直流调速系统》等课程准备必要的基础知识。《电机与拖动基础》是分析和解决电机与电力拖动系统的基本问题，主要包括直流电机及拖动、变压器、异步电机及拖动、同步电动机、控制电机和电动机容量的选择等内容。课程学完后学生应达到下列要求：1．掌握常用交、直流电机及变压器的基本理论（电磁关系、能量关系）。2．掌握控制电机的工作原理、主要性能及用途。3．掌握分析电动机机械特性及各种运转状态的基本理论。4．掌握电力拖动系统中电动机调速方法的基本原理和技术经济指标。5．掌握选择电动机的原则和方法。6．掌握电机的基本试验方法及技能，并具有熟练的运算能力。7．了解电机与电力拖动今后的发展方向。0.4课程目标《电机与拖动基础》课程在于通过电机的理论、应用、电气控制方法、电气控制系统的构成和设计方法的学习，让学生成为一名电机及控制技术方面的应用型技术人才。

一、特点：本课程的特点是理论性强、实践性也强。分析电机与电力拖动的工作原理要用电学、磁学和动力学的基础理论，既要有时间概念，又要有空间概念，所以理论性较强；而用理论分析各种电机和电力拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构、采用工程观点和工程分析方法，除要掌握基本理论以外，还应注意培养实验操作技能和计算能力，所以实践性也较强。因此，学习本门课程应该特别注意理论联系实际。第一章直流电机§1.1直流电机的结构与工作原理直流电机是由静止的定子部分和转动的转子部分构成的，定、转子间之有一定大小的间隙（以后称为气隙）。1—换向器；2—电刷装置；3—机座；4—主磁极；5—换向极；6—端盖；7—风扇；8—电枢绕组；9—电枢铁心1.定子部分：直流电机定子部分主要由主磁极、换向极、机座和电刷装置等组成。（1）主磁极又称主极。在一般大中型直流电机中，主磁极是一种电磁铁。（2）换向极容量在1kw以上的直流电机，在相邻两主磁极之间要装上换向极。换向极又称附加极或间极，其作用为了改善直流电机的换向。（3）机座一般直流电机都用整体机座。所谓整体机座，就是一个机座同时起两方面的作用：一方面起导磁的作用，一方面起机械支撑的作用。（4）电刷装置电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。2、转子部分：直流电机转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。（1）电枢铁心电枢铁心作用有二，一个是作为主磁路的主要部分；另一个是嵌放电枢绕组。（2）电枢绕组它是直流电机的主要电路部分，是通过电流和感应产生电动势以实现机电能量转换。（3）换向器在直流发电机中，它的作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；在直流电动机中，它将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。二、直流电机的基本工作原理1.直流发电机的工作原理直流发电机的模型与直流电动机相同，不同的是电刷上不外加直流电压，而是利用原动机拖动电枢朝某一方向例如逆时针方向旋转，如图所abcd示。这时导体和分别切割N极和S极下的磁力线，产生感应电动势，电动势的方向用右手定则确定。图3.2直流发电机的工作原理abbacd在图示情况下，导体中电动势的方向由指向，导体中电动dc势的方向由指向，所以电刷A为正极性，电刷B为负极性。电枢cdcd旋转1800时，导体转至N极下，感应电动势的方向由指向，cdab电刷A与所连换向片接触，仍为正极性；导体转至S极下，感abab应电动势的方向变为指向，电刷B与所连换向片接触，仍为负极性。可见，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向是交变的，而通过换向器和电刷的作用，在电刷A和B两端输出的电动势是方向不变的直流电动势。这种作用称为整流作用。若在电刷A和B上负，载发电机就能向负载供给直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。同时应该注意到，带上负载以后，电枢导体成为载流导体，导体中的电流方向与电势方向相同，利用左手定则，还可以判断出由电磁力产生的电磁转矩方向与运动方向相反，起制动作用。根据上述原理分析，可以看出直流发电机有如下特点：（1）直流发电机将输入机械功率转换成电功率输出；（2）利用换向器和电刷，直流发电机将导体中的交变电势和电流整流成直流输出；（3）直流电动机导体中的电流与运动电势方向相同。（4）电磁转矩起制动作用。从以上分析可以看出：一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以作为发电机运行，取决于外界不同的条件。将直流电源外加于电刷，输入电能，电机能将电能转换为机械能，拖动生产机械旋转，作电动机运行；如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，输入机械能，电机能将机械能转换为直流电能，从电刷上引出直流电动势，作发电机运行。同一台电机，既能作为电动机运行，又能作发电机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。2.直流电动机的工作原理图1.1是一台最简单的直流电动机的模型，N和S是一对固定的磁极（一般是电磁铁，也可以是永久磁铁）。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一用个绝缘导体构abcd成的电枢线圈，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个弧形铜片上，弧形铜片称为换向片，它们的组合体称为换向器。在换向器上放abcd置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B，线圈通过换向器和电刷接通外电路。电枢铁心、电枢线圈和换向器构成的整体称为

电枢。此模型作为直流电动机运行时，将直流电源加于电刷A和B，例源正极加于电刷A，电源负极加于电刷B，则线圈abcd中流过ababcdc电流。在导体中，电流由流向，在导体中，电流由流向的作用。电磁力的方向用左手定则确定，可知这一对电磁力形成一个转矩，称为电磁转矩，转矩的方向为逆时针方向，使整个电枢逆时针cd流仍从电刷A流入，使中的电流变为由作用，变为电枢线圈中的交变电流，这种将直流电流变为交变电流的作用称之为逆变。由于电枢线圈所处的磁极也是同时交变的，从而使电枢产生的电磁转矩的方向恒定不变，确保直流电动机朝确定的方向同时可以看到，一旦电枢旋转，电枢导体就会切割磁力线，产生运动电势。在图1.1()所示时刻，可以判断出导体中的运动电势ba的电流和电势方向相反。图1.1直流电动机的基本工作原理实际的直流电动机，电枢圆周上均匀地嵌放许多线圈，相应地换向器由许多换向片组成，使电枢线圈所产生总的电磁转矩足够大并且比较均匀，电动机的转速也比较均匀。（3）利用换向器和电刷，直流电动机将输入的直流电流逆变成导体中的交变电流；3、直流电铭牌数据及主要系列是一台机座号为5、电枢铁心为短铁心2座号表示直流电机电枢铁心外直径径越大。枢铁心长度分为短铁心和长铁心两种，1表示短铁心，2表示长铁心。的大小，共有1-9个机座号，机座号数越大，直；直流发电机的额定功电动机轴上输出的额定转矩§1.3直流电机的电枢绕组电枢绕组是直流电机的一个重要部分，电机中机电能量的转换就枢。电枢绕枢绕组而实现的，所以直流电机的转子也称为电组是由许多个形状完全一样的单匝元件（当然也可以是多匝元件）以一定规律排列和联接起来的，用S表示元件数。1．绕组节距所谓节距，是指被联接起来的两个元件边或换向片之间的距离，以所跨过的元件边数或虚槽数或换向片数来表示。元件的上层边用实（1）第一节距同一元件的两个元件边在电枢周围上所跨的距离，用电枢表面相隔的槽数来表示，称为第一节距y。一个磁极在电枢圆周上所跨的距1离称为极距τ，当用槽数表示时，极距的表达式为Z2p式中，P为磁极对数。为使每个元件的感应电动势最大，第一节距y应尽量等于一个极1距τ，但τ不一定是整数，而y必须是整数，为此，一般取第一节距1Z整数y12p式中，ε为小于1的分数。绕组称为整距绕组；y的元件称为1y的元件为整距元件，1短距绕组；y的元件称为短距元件，绕组称为长距元件，其电磁1效果与y<ε的元件相近，但端接部分较长，耗铜多，一般不用。1（2）第二节距第一个元件的下层边与直接相连的第二个元件的上层边之间在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为第二节距y。2（3）合成节距直接相连的两个元件的对应边在电枢圆周上的距离，用槽数表示，称为合成节距y。（4）换向器节距每个元件的首、末两端所接的两片换向片在换向器圆周上所跨的距离，用换向片数表示，称为换向器节距y。由下图可见，换向器节k距y与合成节距y总是相等的，即k(a)单叠绕组(b)单波绕组2．单叠绕组的联接方法和特点下面通过一个实例来说明。设一台直流发电机2P=4，Z=S=K=16，联接成单叠右行绕组。（1）计算各节距第一节距y1Z1644y12p合成节距y和换向器节距yKyy1K第二节距y2yyy321所谓绕组展开图是假想将电枢及换向器沿某一齿的中间切开，并展开成平面的联接图。作图步骤如下。第一步，先画16根等长等距的实线，代表各槽上层元件边，再画16根等长等距的虚线，代表各槽下层元件边。让虚线与实线靠近一些。实际上一根实线和一根虚线代表一个槽（指虚槽），依次把槽编上号码。第二步，放置主磁极。让每个磁极的宽度大约等于0.7,4个磁极均匀放置在电枢槽之上，并标上N、S极性。假定N极的磁力线进入纸面，极的磁力线从纸面穿出。S第三步，画16个小方块代表换向片，并标上号码，为了作图方便，使换向片宽度等于槽与槽之间的距离。为了能联出形状对称的元件，换向片的编号应与槽的编号有一定对应关系（由第一节距来考虑）。第四步，联绕组。为了便于联接，将元件、槽和换向片按顺序编号。编号时把元件号码、元件上层边所在槽的号码以及元件上层边相样，即1号元件的上层边放在1号槽内并与1号换向片相联接。这样当1号元件的上层边放在1号槽（实线）并联接的换向片号码编得一与1号换向片相联后，因为y=4，则1号元件的下层边应放在第5号1yy1，所以1号元件的末端1y5槽（）的下层（虚线）；因1K1y2应联接在2号换向片上（）。一般应使元件左右对称，这样11号换向片与2号换向片的分界线正好与元件的中心线相重合。然后将2号元件的上层边放入2号槽的上层（1y2），下层边放在62y6号槽的下层（），2号元件的上层边联在2号换向片上，下1层边联在3号换向片上。按此规律排列与联接下去，一直把16个元件都联起来为止。校核第2节距：第1元件放在第5槽的下层边与放在第2槽第2元件y3的关系。其他元件也如此。的上层边，它们之间满足2第五步，确定每个元件边里导体感应电动势的方向。图3.13中，所考虑的是发电机，箭头表示电枢旋转方向，即自右向左运动，根据右手定则就可判定各元件边的感应电动势的方向，即在N极下的导体电动势是向下，在S极下是向上的。在图示这一瞬间，1、5、9、13四个元件正好位于两个主磁极的中间，该处气隙磁密为零，所以不感应电动势。第六步，放电刷。在直流电机里，电刷组数也就是刷杆的数目与主极的个数一样多。对本例来说，就是四组电刷A、B、A2、B2，11它们均匀地放在换向器表面圆周方向的位置。一个换每个电刷的宽度等于每一个换向片的宽度。放电刷的原则是，要求正、负电刷之间得到最大的感应电动势，所短路的元件中感应电动势最小，这两个要求实际上是一致的。在图1.3里，由于每个元件的几何形状对称，如果把电刷的中心线对准主极的中心线，就能满足上述要求。图1.2中，被电刷所短路的元件正好是1、5、9、13，这几个元件中的电动势恰为零。实际运行时，电刷是静止不动的，电枢在旋转，但是，被电刷所短路的元件，永远都是处于两个主磁极总结：对电枢绕组中的单叠绕组，有以下特点：（1）位于同一个磁极下的各元件串联起来组成了一条支路，即支路ap。对数等于极对数，（2）当元件的几何形状对称，电刷放在换向器表面上的位置对准主磁极中心线时，正、负电刷间感应电动势为最大，被电刷所短路的元件里感应电动势最小。（3）电刷杆数等于极数。§1.5直流电机电枢电动势和电磁转矩一、直流电电枢绕组的感应电动势机正负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组一条并联支路的电动势。电枢绕组元件边内的导通密度（尤其是机电枢绕组的感应电动势是指直流电体切割气隙合成磁场，产生感应电动势，由于气隙磁负载时气隙合成磁通密度）在便起见，可把磁通密度看成均匀分布的，取一个极下气隙磁通密度的平均值为B，从而可得一距范围内切割气隙磁通密—个极下的分布不均匀，为分析推导方根导体在一个极av度产生的电动势的平均值e，其表达式为aveBlavav式中，B为一个极下气隙磁通密度的平均值，称为平均气隙磁通密度；avl为电枢导体的有效长度（槽内部分）；为电枢表面的线速度。设电枢绕组总的导体数为N，则每一条并联支路总的串联导体数为，因N/2a

而电枢绕组的感应电动势ENeN2pnpNnCn2a2a6060aaave二、电枢绕组的电磁转矩电枢绕组中流过电枢电流I时，元件的导体中流过支路电流i，aa成为载流导体，在磁场中受到电磁力的作用。电磁力f的方向按左手定则确定，如图3.21所示。一根导体所受电磁力的大小为fBlixxa如果仍把气隙合成磁场看成是均匀的示，则每根导体所受电磁力的平均值为fBli，气隙磁通密度用平均值B表avaxaxa一根导体所受电磁力形成的电磁转矩，其大小为DTfavav2式中，D为电枢外径。由于不同极性磁极下的电枢导体中电流的方向不同，所以电枢所磁转矩方向都是一致的，因而电枢绕组的电磁转矩等总的导体数N，即有导体产生的电于一根导体电磁转矩的平均值T:乘以电枢绕组avl12pDpNICITNTNBliNla2l2a22aavavaaTa电枢电动势ECn和电磁转矩TCI是直流电机两个重要aeTa的公式。对于同一台直流电机，电动势常数C和转短常数C之间具eT有确定的关系C60aC9.55Ce2aTe§1.9直流电机的换向一、直流电机的换向直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一条支路经过电刷短路后进入另一条支路，元件中的电流随之改变方向的过程称为换向过程，简称换向。产生换向火花的原因有多种，最主要的是电磁原因。还有机械方面和化学方面的原因。1.机械原因产生换向火花的机械原因有很多，主要是换向器偏心、换向片间云母绝缘凸出、转子平衡不良、电刷在刷握中松动、电刷压力过大或过小、电刷与换向器的接触面研磨得不好因而接触不良等等。为使电机能正常工作，应经常进行检查、维护和保养。2.化学原因电机运行时，由于空气中氧气、水蒸气以及电流通过时热和电化学的综合作用，在换向器表面形一成层氧化亚铜薄膜，这层薄膜有较高的电阻值，能有效地限制换向元件中的附加换向电流i，有利于换k向。同时薄膜吸附的潮气和石墨粉能起润滑作用，使电刷与换向器之间保持良好而稳定的接触。电机运行时，由于电刷的摩擦作用，氧化亚铜薄膜经常遭到破坏。但是在正常使用环境中，新的氧化亚铜薄膜又能不断形，成对换向不会有影响。如果周围环境氧气稀薄、空气干燥或者电刷压力过大时，氧化亚铜薄膜难以生，成或者周围环境中存在化学腐蚀性气体能破坏氧化亚铜薄膜，都将使换向困难，火花变大。二、改善换向的方法改善换向的目的在于消除或削弱电刷下的火花。产生火花的原因

是多方面的，其中最主要的是电磁原因。消除或削弱电磁原因引起的电磁性火花的方法有：1.适用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻2.装设换向极3.装补偿绕组§1.8直流发电机根据励磁方式的不同，直流发电机可分为他励直流发电机、并励直流发电机、串励直流发电机和复励直流发电机。励磁方式不同，发电机的特性就不同。因为本书以电力拖动为主，重点讲述电动机的特性，因此本节只分析他励直流电动机的原理和特性。一、直流发电机稳态运行时的基本方程式图1.15为一台他励直流发电机的示意图。电枢旋转时，电枢绕组切割主磁通，产生电枢电动势E，如果外电路接有负载，则产生电a枢电流I，按发电机惯例，I的正方向与相同，如图1.15所示。Eaaa1.电动势平衡方程式根据图1.15中所示电枢回路各量正方向，用基尔霍夫电压定律，可以列出电动势平衡方程式为UERIaaa上式表明，直流发电机的端电压U等于电枢电动势E减去电枢回路内a部的电阻压降RI，所以电枢电动势E应大于端电压U。aaa2.转矩平衡方程式

直流发电机以转速n稳态运行时，作用在电机轴上的转矩有三个：一个是原动机的拖动转矩T，方向与n相同；一个是电磁转矩T，1方向与n相反，为制动性质的转矩；还有一个由电机的机械损耗及铁损耗引起的空载转矩T，也是制动性质的转矩。因此，可以写出稳态0运行时的转矩平衡方程式为TTT103.功率平衡方程式将上式乘以发电机的机械角速度Ω，得TTT10可以写成PPP01M式中，，为原动机输给发电机的机械功PT11率，即输入功率；，发电机的电磁功率；PTM，发电机的空载损耗功率。0PT0图3.22他励直流发电机电磁功率2PTpNIMnpNInEI2aa6060aaaa和直流电动机一样，直流发电机的电磁功率亦是既具有机械功率的性质，又具有电功率的性质，所以是机械能转换为电能的那一部分功率。直流发电机的空载损耗功率也是包括机械损耗，和铁损耗Pmec两部分。PFe上式表明：发电机输入功率，其中一小部分供给空载损耗，P1P0大部分为电磁功率，是由机械功率转换为电功率的。将式电动势平衡方程式两边乘以电枢电流I得aEIUIRIaa2aaa即PPPM2CuaPUI，为发电机输出的功率；RaIa2，为电枢回路铜损PCua式中，2a耗。上式可以写成如下形式PPPCua2M综合以上功率关系，可得功率平衡方程式PPPPPPPFe1M02Cuamec为更清楚地表示直流发电机的功率关系，可用下图所示的功率流程图。他励直流发电机的功率流程图一般情况下，直流发电机的总损耗PPPPPCuaCufFemec直流发电机的效率PP2100%1100%PP2P1faaf，时，端电压U与励磁电流I之间的关系Uf(I)称为0f0f空载特性。，n=常数时，，U0ae所以空载特性Uf(I)与电机的空载磁化特性f(I)相似，都是一0ff条饱和曲线。I比较小时，铁心不饱和，特性近似为直线；I较大时，fff图1.16他励直流发电机的空载特性图1.17他励直流发电机的外特性2外特性，I之间的关系称I时，端电压U与负载电流()UfIfNnnNIf为外特性。他励直流发电机的负载电流I（亦即电枢电流I）增大时，端电a压有所下降。从电动势方程式分析可以得知，UERICnRIaaaaae使端电压U下降的原因有两个：一是当增大时，电枢回路电阻上IIa压降增大，引起端电压下降；二是增大时，电枢磁动势增大，IRaIIaa电枢反应的去磁作用使每极磁通Ф减小，减小，从而引起端电压UEa下降。U是衡量发电机运行性能的一个重要数据，一般他励发电机的电压变化率约为10%。3.调节特性，U=常数时，励磁电流I与nnNf负载电流I之间的关系f(I)称为If调节特性。调节特性是随负载电流增大而上翘的。这是因为随着负载电流的增大，电压有下降趋，为维持电压图3.27他励直流发电机的调节特性不变，就必须增大励磁电流，以补偿电阻压降和电枢反应去磁作用的增加，由于电枢反应的去磁作用与负载电流的关系是非线性的，所以调节特性也不是直线。§1.6直流电动机一、直流电动机稳态运行的基本关系式图1.20为并励直流电动机的示意图。接通直流电源时，励磁绕组中流过励磁电流I，建立主磁场，电枢绕组流过电枢电流I，一方fa面形成电枢磁动势F，通过电枢反应使主磁场变为气隙合成磁场，另a一方面使电枢元件导体中流过支路电流i，与磁场作用产生电磁转矩aT，使电枢朝T的方向以转速n旋转。电枢旋转时，电枢导体又切割气隙合成磁场，产生电枢电动势E，在电动机中，此电动势的方向a与电枢电流I的方向相反，称为反电动势。当电动机稳态运行时，有a如下平衡关系，分别用方程式表示。1.电压平衡方程式根据图中用电动机惯例所设各量的正方向，可以列出电压平衡方程式和电流平衡方程式UERIaaIIIaaf式中，R为电枢回路电阻，其中包括电刷a和换向器之间的接触电阻。此式表明，直流电机在电动机运行状态下的电枢电动势E总小于端电压U。a2.转矩平衡方程式图3.33并励直流电动机稳态运行时，作用在电动机轴上的转矩有三个。一个是电磁转矩T，方向与转速n相同，为拖动转矩；一个是电动机空载损耗转矩T，0是电动机空载运行时的阻转矩，方向总与转速n相反，为制动转矩；还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩T，即电动机轴上的输出转2矩，一般亦为制动转矩。稳态运行时的转矩平衡关系式为拖动转矩等于总的制动转矩，即TTT203.功率平衡方程式电动机输入功率P为1PUIU(II)(ERI)IUI1afaaaafEIRIUIPpp2aaaafMcuacufPUI1PMPRI2，是电枢回路的Cua式中，；EI，为电磁功率；aaaaPUI，为励磁绕组的铜损耗。铜损耗；Cuff电磁功率2nTPEIpNnIpNI60a2a60aMaaa式中，械角速度，n2/60，电动机的机单位是rad/s。PEI可知，电磁功率可知，从上式中具有电功率性质；从PTMaaM电磁功率又具有机械功率性质，其实质是因为电磁功率是属于电动机由电能转换为机械能的那一部分功率。将转矩平衡方程式两边乘以机械角速度，得TTT20可写成PPpPpppsM202mfePT，轴上输出的机械功率；PT，空载损耗，式中，包括机2200械损耗P和铁损耗P。mecFe可以作出并励直流电动机的功率流程图，如下图（a）所示。图中PCuf为励磁绕组的铜损耗，称为励磁损耗。并励时，P由输入功率供PCuf1给；他励时，P由其他直流源供给，功率流程图如图（b）所示。Cuf并励直流电动机的功率平衡方程式CufCuaFe直流电动机功率流程图并励直流电动机的工作特性是指当电动机的端电压，励NII，电枢回路不串外加电阻时，转速f率η分别与电枢电流aa当、IIUUffNNnf(I)称为转速特性。a势公式ECn代入电aeUERI，可得转aaa速特性公式可见，如果忽略电枢反应的影响，N保持不变，则I增加时，转速图3.35并励电动机的工作特性a1.转速特性2.转矩特性3.效率特性nf(I)为一条稍an下降。但因R一般很小，所以转速n下降不多，a稍向下倾斜的直线，如图中的曲线1所示。如果考虑负载较重，I较a大时电枢反应去磁作用的影响，则随着I的增大，将减小，因而使a转速特性出现上翘现象，如图中的虚线所示。Tf(I)2.转矩特性a当、T与电枢电流()时，电磁转矩I之间的关系fNNaUUIIfNTf(I)a称为转矩特性。由TCI可知，不考虑电枢反应影响时，不变，T与成IaTaN正比，转矩特性为过原点的直线。如果考虑电枢反应的去磁作用，则当I增大时，转矩特性略为向下弯曲，如图中的曲线2所示。af(I)a3.效率特性当、II()时，效率η与电枢电流I的关系aUUffNNNf(I)称为效率特性。a并励直流电动机的效率PP1PPP1100%100%2100%P1FemecCua)P1(IUIaf式中，铁损耗P，是电机旋转时电枢铁心切割气隙磁场而引起的涡Fe流损耗与磁滞损耗之和，其大小决定于气隙磁通密度与转速；机械损耗P包括轴承及电刷的摩擦损耗和通风损耗，其大小主要决定于转mec速；励磁绕组的铜损耗PUI，当，不变，也不变。IPCufUUCufffN由此可出看，以上三种损耗都不随电枢电流变化，亦即不随负载变化的，通常将这三种损耗之和称为不变损耗。电枢回路的铜损耗PRI2与电枢电流的平方成正比，亦即随负载的变化明显变化，故Cuaaa称为可变损耗。I开始由零增大时，可变损耗增加缓慢，总损耗变化affad/dI0求得当a时，电动机的效率达到最高；再进一步增大时，可变损耗在总损耗Ia中所占的比例变大了，可变损耗和总损耗都将明显上升，使效率η反而略为下降。并励直流电动机的效率特性如图中的曲线3所示，一般电动机在负载为额定值的75%左右时效率最高。第六章直流电机的电力拖动§6.1电力拖动系统的运动方程式和负载转矩特性一、电力拖动系统运动方程图2—1为一单轴电力拖动系统，电动机在电力拖动系统中作旋转运动时，必须遵循下列基本的运动方程式。图6—1单轴电力拖动系统旋转运动的方程式为TTJddtemL（6—1）式中，T为电动机产生的拖动转矩(Nm)；T为负载转矩(Nm)；emLJd/dt为惯性转矩(或称动转矩)，J为转动惯量可用下式表示Jm2GD4g2（6—2）式中，m、G分别为旋转部分的质量(kg)与重量(N)；、D分别为转动惯性半径与直径(m)；g为重力加速度,g9.18m/s2；J的单位为kgm2。在实际计算中常用式（6—1）的另一种形式。即将角速度2n/60(的单位为，rad/sn的单位为r/min)代入式（6—1）得运动方程式实用形式：TTGD2dn375dtemL（6—3）式中，GD2为飞轮矩(Nm2)，GD4gJ；系数375是具有加速度量纲2的系数。电动机的工作状态可由运动方程式表示出来。分析式（6—3）可见dn（1）当TT0，，则常值，电力拖动系统处于稳定0dtnemL运转状态；dn（2）当TT0，，电力拖动系统处于加速过渡过程状态0dtemL中；dn(3)当，，电力拖动系统处于减速过渡过程状TT00dtemL态中。2.运动方程式中转矩的符号分析（1）拖动转矩与规定正向相同取正，相反取负；负载转矩TTemL与规定正向相同取负，相反取正。（2）负载转矩的方向与设定的旋转正方向相同时，负载转矩TLT前取负号，相反时则取正号。L二、负载转矩特性在运动方程式中，负载转矩与转速的关系Tf(n)称为负TLnL载转矩特性。负载转矩的大小和多种因素有关。以车床主轴为例，TL当车床切削工件时切削速度、切削量大小、工件直径、工件材料及刀具类型等都有密切关系。大多数生产机械的负载转矩特性可归纳为三种类型，恒转矩负载特性、恒功率负载特性和风机、泵类负载特性。1.恒转矩负载特性所谓恒转矩负载特性，就是指负载转矩与负载转速n无关的TL特性，当转速变化时，转矩保持常值。恒转矩负载特性多数是反抗TL性的，也有位能性的。反抗性恒转矩负载特性的特点是，恒值转矩总是与运动方向相TL反。根据第六章第一节中对正负符号的规定，当正转时为正，转TnL矩为反向，应取正号，即为（）；而反转时为负，转矩为TnTLLL正向，应变为（）；如图6—2所示。显然，反抗性恒转矩负载特TL性应在第一与第三象限内。皮带运输机、轧钢机、机床的刀架平移和行走机构等由摩擦力产生转矩的机械，都是反抗性恒转矩负载。不同，它由拖部件(如起重类型负载中的重物)造成。其特点是转矩具有固定的方向，改变。如图6—3不论重物被提升(n为正)或下放(n为负)，负载转矩T始终为动系统中TLL在第一与第四象限内，表示恒值特性的直线是TL图6—2反抗性恒转矩负载特性图6—3位能性恒转矩负载特性2、恒功率负载特性一些机床，如车床，在粗加工时，切削量大，切削阻力大，此时开低速；在精加工时，切削量小，切削力小，往往开高速。在不同转速下，负载转矩基本上与转速成反比，切削功率基本不变，即2n0.105TnK（6PTT60LLLL—4）式中，为常数；为负载(切削)功率()。KPWL可见，负载转矩与转速呈反比，切削功率基本不变，特性曲nTL线呈恒功率的性质。恒功率负载特性如图6—4所示。从图中可以看出A点所对应的阴影面积与B点所对应的相等。图2—4恒功率负载特性3风机、泵类负载特性风机、泵类负载的转矩与转速大小有关，基本上与转速的平方成正比（6TKn2L—5）式中，为比例常数。K风机、泵类负载特性如图6-5所示。属于通风机负载的生产机械有通风机、水泵、油泵等，其中空气、水、油等介质对机器叶片的阻力基本上和转速的平方成正比。图6—5风机、泵类负载特性图6—6实际风机、泵类负载特性实际生产机械的负载转矩特性可能是以上几种典型特性的综合。例如，实际通风机除了主要是通风机负载特性外，由于其轴承上还有一定的摩擦转矩T，因而实际通风机负载特性为，如图6TTKn200L—6所示。除了上述几种类型的生产机械外，还有一些生产机械具有各自的负载特性，如带曲柄连杆机构的生产机械，它们的负载转矩T随转角L而变化；而球磨机，碎石机等生产机械，其负载转矩则随时间作无规律的随机变化等等。6.2他励直流电动机的机械特性电动机的机械特性是指电动机的转速与电磁转矩T之间的nem关系，即nf(T)，机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与em运动方程式相联系，是分析电动机起动、调速、制动等问题的重要工具。他励直流电动机的机械特性方程式可从电动机的基本方程式导出。他励直流电动机的电路原理如图6-7所示。图6—7他励直流电动机的电路原理根据图6—7可以列出电动机的基本方程式为感应电动势方程：ECnae电磁转矩：TCIaemT电压平衡方程式：UIREdaa电枢总电阻:磁通:RRRaef(i)f励磁电流:iUffRf将E和T的表达式代入电压平衡方程式中，可得机械特性方程式的aemUR(6-6)nCCC2TdemeeT在机械特性方程式(6—6)中，当电源电压U、电枢总电阻R、磁d通为常数时,即可画出他励直流电动机的机械特性,如图6emnf(T)—8所示。图6—8他励直流电动机的机械特性由图6—8中的机械特性曲线可见,转速n随电磁转矩T的增大em而降低,是一条向下倾斜的直线。这说明:电动机加上负载，转速会随负载的增加而降低。下面讨论机械特性上的两个特殊点和机械特性直线的斜率。理想空载点A(0,n)0在方程式(6—6)中，当T0时，称为理想空载转nU/Cnde0em速，即U(6—7)n0dCe由式(6—7)可见，调节电源电压U或磁通，可以改变理想空载d转速n的大小。必须指出，电动机的实际空载转速'比n略低，如图n0006—8所示。这是因为，电动机在实际的空载状态下运行时，其输出转矩，但电磁转矩T不可能为零，必须克服空载阻力转矩T，即T02em0,所以实际空载转速n'为0TTem0URRCC2T(6—8)n'02TndCCCe000eTeT堵转点或起动点B(T，0)st在图6—8中，机械特性直线与横轴的交点B为堵转点或起动点。在堵转点,n0，因而E0,此时电枢电流称为堵转电流iU/Riadsta或起动电流。与堵转电流相对应的电磁转矩T称为堵转转矩或起动转st矩。机械特性直线的斜率方程式(6—6)中，右边第二项表示电动机带负载后的转速降，用n表示，则RTT(6—9)nCC2ememeTR式中，为机械特性直线的斜率，在同样的理想空载转速下,CC2eT越小，n越小，即转速随电磁转矩的变化较小，称此机械特性为硬特性。越大,n也越大，即转速随电磁转矩的变化较大，称此机械特性为软特性。将公式(6—7)及式(6—9)代人式(6—6)，得机械特性方程式的简化式为(6—10)nnT0em当他励电动机的电源电压UU、磁通、电枢回路中没有dN附加电阻，即时，电动机的机械特性称为固有机械特性。固有eUR(6—11)nTemNaCCCe2eNTN根据公式(6—11)可绘出他励—9所示。其中额定运行点。由于R较小，数值最大，所以特性的斜率最小，他励直流电动机的固有机械特性如图6D点为aN直流电动机的固有机械特性较硬。图6—9他励直流电动机的固有机械特三、人为机械特性改变固有机械特性方程式中的电源电压，气隙磁通和电枢回Ud路串附加电阻这三个参数中的任意一个、两个或三个参数，所得到Re的机械特性为人为机械特性。1、电枢回路串接电阻时的人为机械特性Re此时，，电枢串接电阻时的人为机械特UURRRRdNNaee性方程为URR(6—12)nTemNaeCCe2CeNTN与固有机械特性相比，电枢回路串接电阻R时的人为机械特性的e特点是:U1.理想空载点保持不变;n0NCeN2.斜率随R的增大而增大，使转速降n增大，特性变软。图6e—10所示是不同R时的一组人为机械特性，它是从理想空载点n发出e0的一组射线。3．对于相同的电磁转矩，转速n随R的增大而减小。（在图中标e出对应的转速点）图6—10不同R时的人为机械特性e2、改变电源电压U时的人为机械特性d当，电枢不串接电阻(R0)，改变电源电压U时的人Ned为机械特性方程式为UR(6—13)nTdaCCC2emeNeTN根据式6—13可以画出改变电源电压U时的人为机械特性如图6d—11所示。图6—11改变电源电压U时的人为机械特d性与固有机械特性相比，改变电源电压U时的人为机械恃性的特d点是:1、理想空载转速n随电源电压U的降低而成比例降低；0d2、斜率保持不变，特性的硬度不变。图6—11所示的是不同电压U时的一组人为机械特性，该特性为一组平行直线。d3.对于相同的电磁转矩，转速n随U的减小而减小。d应注意:由于受到绝缘强度的限制，电压只能从额定值U向下调N节。3、改变磁通时的人为机械特性一般他励直流电动机在额定磁通下运行时，电机已接近饱N和。改变磁通只能在额定磁通以下进行调节。此时UU，电枢不串dN接电阻(R0)、减弱磁通时的人为机械特性方程式为eUR(6—14)nT2NaCCCeemeT根据式6—14可以画出改变磁通时的人为机械特性如图6—12图6—12改变磁通时的人为机械特性与固有机械特性相比，减弱磁通时的人为机械特性的特点是:1.理想空载点随磁通减弱而升高；nU/C0Ne2.斜率与磁通成反比，减弱磁通，使斜率增大，特性变软。图6—12所示为弱磁时的一组人为机械特性，该特性随磁通的减弱，理想空载转速升高、曲线斜率变大。n0显然，在实际应用中，同时改变两个、甚至三个参数时，人为机械特性同样可根据特性方程式得到。§6.5他励直流电动机的启动一、他励直流电动机的起动电动机从接入电源开始转动，到达稳定运行的全部过程称为起动过程或起动。电动机在起动的瞬间，转速为零，此时的电枢电流称为起动电流，用表示。对应的电磁转矩称为起动转矩，用表示。ITstst直流电动机的起动性能指标:（1）起动转矩足够大)；(TTTststL（2）起动电流不可太大，一般限制在一定的允许范围之内，Ist一般为(1.5～2)I；N（3）起动时间短，符合生产机械的要求；（4）起动设备简单、经济、可靠、操作简便。直流电动机常用的起动方法有三种：1.直接起动直接起动就是将电动机直接投入到额定电压的电网上起动。他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场，而后加电枢电压，当T大st于拖动系统的总阻力转矩时，电动机开始转动并加速。随着转速升高，增大，使电枢电流下降,相应的电磁转矩也减小,但只要电磁转矩大于总阻力转矩，n仍能增加，直到电磁转矩降到与总阻力转矩电机达到稳定恒速运行，起动过程结束。优点:直接起动不需要起动设备，点是起动电流大(由上例可知)。过大的起动电流将引起电降，影响到其他用电设备的正常工作，对电机造成换向恶化、绕组发热严重，同时很大的起动转矩将损坏拖动系统的传动机构，所Ist相等时，直接起动的操作简单，起动转矩大，但严重的缺网电压的下自身会

以直接起动只限用于容量很小的直流电动机。一般直流电动机在起动时，都必须设法限制起动电流。为了限制起动电流，可以采用降低电源电压和电枢回路串联电阻的起动方法。2.降压起动降压起动,即起动前将施加在电动机电枢两端的电压降低，以限制起动电流，为了获得足够大的起动转矩。起动电流通常限制在(1.5～2)I，则起动电压应为N(6—15)UIR(1.5~2)IRaststaN因此在起动过程中，为保证有足够大的起动转矩，需使I保持在st(1.5～2)I范围内，电源电压必须不断升高，直到电压升至额定UNd电压，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。降压起动的优点是:在起动过程中能量损耗小，起动平稳，便于实现自动化，但需要一套可调节电压的直流电源，增加了设备投资。3.电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接起动电阻，达到限制起动电流的目的。电枢回路串电Rst阻起动时的起动电流为U(6—16)IstNRRast在电枢回路串电阻起动的过程中，应相应地将起动电阻逐级切，除这种起动方法称为电枢串电阻分级起动。因为在起动过程中，如果不切电除阻，随着转速的增加，电枢电势E增大。使起动电流下降，a相应的起动转矩也减小，转速上升缓慢，使起动过程时间延长，且起动后转速较低。如果把起动电阻一次全部切除，会引起过大的电流冲击。图6—13他励直流电机串电阻分级起动当合上开关，电动1机励磁回路通电后，合上开关，其他接触2QQ器触点（，，）断开，此时电枢和三段电阻R、R及Rst3KMKMKM123st1st2串联接上额定电压，起动电流为UIst1NRRRRst3ast1st2由起动电流产生起动转矩，如图6—14所示。图6—14同时表ITst1st1示了他励直流电动机分三级起动时的机械特性。图6—14他励直流电动机电枢串电阻分级起动的人为机械特性由图6—14可见，由于，电动机开始起动，转速上升，转矩TTst1L下降，电机的工作点从A点沿特性AB上移，加速逐步变小。为了得到较大的加速，到B点KM闭合，电阻R被切除，B点的电流I为3st3st2切换电流。电阻R切除后，电机的机械特性变成直线CDn。电阻切st30除瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，电势E也保持不变，因而电a流将随R的切除而突增，转矩也按比例增加，电机的工作点从B点st3过渡到特性CDn上的C点。如果电阻设计恰当，可以保证C点的电流0与I相等，电机产生的转矩T保证电机又获得较大的加速度。电机st1st1由C点加速到D点时，再闭合KM，切除R。运行点由D点过渡到特2st2性EFn上的E点，电动机的电流又从I回升到I，转矩由T增至T。0st2st1st2st1电机由E点加速到F点时，KM闭合，切除电阻R，运行点由F点过1st1渡到固有特性上的G点，电动机的电流再一次从I回升到I，转矩st2st1由T增至T，拖动系统继续加速到W点稳定运行，起动过程结束。st2st1必须指出，分级起动时使每一级的I（或T）与I(或T)大st2st2st1st1小一致，可以使电机有较均匀的加速度，并能改善电动机的换向，缓和转矩对传动机构与生产机械的有害冲击。一般取起动转矩，。相应的起动电流I、I也是额定电T(1.5~2)TT(1.1~1.3)Tst2st1NNst2st1流的相同倍数。电枢回路串电阻分级起动能有效地限制起动电流，起动设备简单及操作简便，广泛应用于各种中、小型直流电动机。但在起动过程中能量消耗大，不适用经常起动的大、中型直流电动机。二、他励直流电动机的反转——反向电动机运行他励直流电机作反向电动机运行时，必须改变电磁转矩的方向。根据左手定则，电磁转矩的方向由磁场方向和电枢电流的方向决定，所以，只要将磁通和电枢电流I中任意一个参数的方向改变，电磁a转矩即改变方向。所以他励直流电机作反向电动机运行时，其电磁转矩方向改变，即T0，n0，T与n仍为同方向，T仍然是动拖性ememem转矩。在直流动拖系统中，通常采用改变电枢电压极性，即将电枢绕组反接，而保持励磁绕组两端的电压极性不变的方法实现反向电动机运行。但在电动机容量很大时，对于反转速度要求不高的场合，则因励磁电路的电流和功率小，为了减小控制电器的容量，可采用改变励磁绕组极性的方法来实现电动机的反转。§6.6他励直流电动机的制动

对于一个拖动系统，制动的目的是使电力拖动系统停车(制停)，有时也为了限制拖动系统的转速(制动运行)，以确保设备和人身安全。制动的方法有自由停车、机械制动、电气制动。自由停车是指切断电源，系统就会在摩擦转矩的作用下转速逐渐降低，最后停车，这称为自由停车。自由停车是最简单的制动方法，但自由停车一般较慢，特别是空载自由停车，更需要较长的时间。机械制动就是靠机械装置所产生的机械摩擦转矩进行制动。这种制动方法虽然可以加快制动过程，但机械磨损严重，增加了维修工作量。电气制动是指通过电气的方法进行制动，对需要频繁快速起动、制动和反转的生产机械，一般采用电气制动。他励直流电动机的制动属于电气制动。这时电机的电磁转矩与被拖动的负载转向相反。电机的电磁转矩称为制动转矩。制动时，可以使能量回馈到电，网节约能源消耗。电气制动便于控制，容易实现自动化，比较经济。常用他励直流电动机的制动方法有能耗制动、反接制动、回馈制动(再生制动)。下面分别讨论三种电气制动的物理过程、特性及制动电阻的计算等问题。一、能耗制动能耗制动是把正在做电动运行的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻上构成闭合回路。图6—15为Rb他励直流电动机能耗制动的电路原理图。

（a）(b)图6—15他励直流电动机能耗制动的电路原理图（a）能耗制动的电路原理图；(b)发电机运行时的参考方向为了便于比较，在图6—15(a)中标出了电机在电动状态时各物理量的方向。制动时，保持磁通不变，接触器KM1常开触点断开，电枢切断电源，同时常闭触点闭合把电枢接到制动电阻R上，电动机b进入制动状态，如图6—15(b)所示。电动机开始制动瞬间，由于惯性，转速n仍保持与原电动状态相同的方向和大小，因此电枢电势E在此a瞬间的大小和方向也与电动状态时相同，此时E产生电流I，其I的aaa方向与E相同(I0)。能耗制动时根据电势平衡方程可得：aa(6—17)(6—18)0EI(RR)aaabEIaRRaab式中，电枢电流I为负值，其方向与电动状态时的正方向相反。由于a磁通保持不变，因此，电磁转矩反向，与转速方向相反，反抗由于惯性而继续维持的运动、起制动作用，使系统较快地减速。在制动过程中，电动机把拖动系统的动能转变成电能并消耗在电枢回路的电阻上，因此为称能耗起制动。能耗制动时的特点是:，，能耗制动机械特性方dabURTRR(6—19)nbT2daCCC2CCememeeTeT由式(6—19)可见，为正时，为负，时，，所以能耗制nTn0T0emem动时的机械特性曲线是一条过坐标原点的直线，如图6—16所示。图6—16能耗制动时的机械特性曲线[例]一台他励直流电动机额定数据如下:U220V，I116A，NN，,，用这台电动机来拖动升起P22kWR0.174n1500r/minNaN机构。求:(1)在额定负载下进行能耗制动，欲使制动电流等于2I，电枢N回路中应串接多大制动电阻?(2)在额定负载下进行能耗制动，如果电枢直接短接，制动电流应为多大?(3)当电动机轴上带有一半额定负载时，要求在能耗制动中以800r/min的稳定低速下放重物，求电枢回路中应串接多大制动电阻?解:(1)根据直流电机电压方程，额定负载时，电动机UEIRaNaN的电势EUIR2201160.174199.8(V)aNNa能耗制动时，电枢电路中应串入的制动电阻0EI(RR)E(2I)(RR)aaabaNab199.8ER2IR21160.1740.687()abaN(2)如果电枢直接短接，即，则制动电流R0bIEa10.11749.8688.5(A)Raa此电流约为额定电流的6倍，由此可见能耗制动时，不许直接将电枢短接，必须接入一定数值的制动电阻。(3)求稳定能耗制动运行时的制动电阻UEIRCnIRNaNaeNNNaCUIRa199.80.133NNn1500eNN因负载为额定负载的一半，则稳定运行时的电枢电流为，把已知条件代人直流电机能耗制动时的电势方程式，得I0.5IaN0EI(RR)Cn(0.5I)(RR)aaabeNNab00.133(800)(0.5I)(RR)NabR1.66()b二、反接制动过程1.电压反接制动反接制动就是将正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时电枢回路串入制动电阻来实现，如图6—17所示。Rb图6—17他励直流电动机的反接制动电路从图6—17可见，当接触器KM接通，KM断开时，电动机稳定12运行于电动状态。为使生产机械迅速停车或反转时，突然断开KM，1并同时接通KM，这时电枢电源反接，同时串入了制动电阻R。在电2b枢反接瞬间，由于转速n不能突变，电枢电势E不变，但电源电压Uad的方向改变，为负值，此时电势方程和电枢电流为(6UEI(RR)Naaab—20)IUEa(6—21)NaRRab从式(6—21)可见：反接制动时I为负值，说明制动时电枢电流与制a动前相反，电磁转矩也相反(负值)。由于制动时转速未变，电磁转矩与转速方向亦相反，起制动作用。电机处于制动状态，此时电枢被反接，故称为反接制动。拖动系统在电磁转矩和负载转矩的共同作用下，电机转速迅速下降。反接制动的电路特点是:UUd，。由此可得反接制RRRNab动时他励直流电机的机械特性方程式为TUembTURRR(6ndNaCCC2CCC2emeeTeeT—22)可画出机械特性曲线，如图6—18中BCED所示，是一条通过n点,0位于象限Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的直线。图6—18电枢电压反接的机械特性如果制动前电机运行于电动状态，如图6—18中的A点。在电枢电压反接瞬间，由于转速n不能突变，电动机的工作点从A点跳变至电枢反接制动机械特性的B点。此时，电磁转矩反向（与负载转矩同方向），在它们的共同作用下，电动机的转速迅速降低，工作点从B点沿特性下降到C点，此时n0，但T0，机械特性为第Ⅱ象限的BCem段，为电枢电压反接制动过程的恃性曲线。如果制动的目的是为了停车，则必须在转速到零以前，及时切断电源，否则系统有自行反转的可能性。从电压反接制动的机械特性可看出，在整个电压反向制动过程中，制动转矩都比较大，因此制动效果好。从能量关系看，在反接制动过程中，电动机一方面从电网吸取电能，另一方面将系统的动能或位能转换成电能，这些电能全部消耗在电枢回路的总电阻(RR)ab上，很不经济。图6—19他励直流电动机的倒拉反转制动电路图电动机提升重物时，接触器KM常开触点闭合，电动机运行在固1有机械特性的A点(电动状态)，如图6-20所示。图6—20他励直流电动机速度反向的机械特性下放重物时，将接触器常开触点打开，此时电枢回路内串入KM1了较大电阻，由于电机转速不能突变，工作点从点跳至对应的人RAb为机械特性点上，在点，由于，电机减速,工作点沿特性TTBBemL曲线下降至点。在点，但仍有，在负载重力转矩的作,n0TTCCemL用下，电动机接着反转，重物被下放，此时，由于反向(负值)，nEa也反向(负值)，电枢电流为(6—23)(6—24)UEI(RR)NaaabIUENaRRaab式中，电枢电流为正值，说明电磁转矩保持原方向，与转速方向相反，电动机运行在制动状态，由于n与n方向相反，即负载倒拉着电动机0转动，因而称为倒拉反转制动。这种反接制动状态是由位能性负载转矩拖动电动机反转而形成的。重物在下放的过程中，随着电机反向加速，E增大，I与T也aaem相应增大，直至点，，电动机在点以此速度匀速下放重物。TTDDemL倒拉反转制动的特点是:UU，，其机械特性方程式RRRdNab为URTnRR(6—25)nbTdaCCC2CC2em0emeeTeT倒拉反转制动运行时，由于电枢回路串入了大电阻，电动机的转速会变为负值，所以倒拉反转制动运行的机械特性在第IV象限CD段。电动机要进入倒拉反转制动状态必须满足两个条件:一是负载一定为位能性负载；二是电枢回路必须串入大电阻。倒拉反转制动的能量转换关系与反接制动时相同，区别仅在于机械能的来源不同。倒拉反转制动运行中的机械能来自负载的位能，因此制动方式不能用于停车，只可以用于下放重物。三、回馈制动他励直流电动机在电动状态下运行时，由于电源电压大于电枢Ud电势，电枢电流从电源流向电枢，电流与磁场作用产生拖动转矩，EIaa电源向电动机输入的电功率UI0；回馈制动是指，当电源电压小Udad于电枢电势，迫使改变方向，电磁转矩也随之改变方向成为EEIaaa制动转矩，此时由于与方向相反，从电枢流向电源。UI0，IIUdaada电动机向电源回馈电功率，所以把这种制动称为回馈制动。也就是说，回馈制动就是电动机工作在发电机状态。1.反接制动时的回馈制动电枢反接制动，当负载为位能性负载，在时，如不切除电n0源，电机便在电磁转矩和位能性负载转矩的作用下迅速反向加速；当时，电机进入反向回馈制动状态，此时因为负，，机nn0T0emn械特性位于第Ⅳ象限。反向回馈制动状态在高速下放重物的系统中应用较多。2.电车下时坡的回馈制动当电动车组车下时坡，虽然基本运行阻力转矩依然存在，但由电车重力所形成的坡道阻力为负值，并且坡道阻力转矩绝对值大于基本阻力转矩，则合成后的阻力转矩与同方向T（为负值），在和nTbb电磁转矩的共同作用下，电动机做加速运动，工作点沿固有机械特性(与同方向)，反向(与反方In0aaad向)，电动机运行在发电机状态，这就是正向回馈制动状态。随着转速的继续升高，起制动作用的电磁转矩在增大，当TT时，电动b这种制动的特点是：电动机的电源接线不变，但在正向回馈制动时，由于起制动作用的电磁转矩是负值，所以，特性曲线位0在降低电压的降速过程中，也会出现回馈制动。当突然降低电枢电压，感应电势还来不及变化时，就会发生EU的情况，即出现a了回馈制动状态。图6—21绘出了他励电动机降压调速中的回馈制动特性。当电压从U降到时，理想空载转速由降到，机械特性向下UnnN10将产生回馈制动，此时电流I将与正Aada故回馈制动特性在ITa图6—21降压调速回馈制动如果减速到时，不再降低电压，则转速将继续降低，但转速低n01于，则，电流且将恢复到正向电动机状态时的方向，电n01EUIada机恢复到电动状态下工作。如果想继续保持回馈制动状态，必须不断降低电压，以实现在回馈制动状态下系统的减速。回馈制动同样会出现在他励电动机增加磁通的调速过程中。在回馈制动过程中，电功率回馈给电网。因UIda此与能耗制动及反接制动相比，从电能消耗来看，回馈制动是经济的。§6.7他励直流电动机的调速绝大多数生产机械都有调速要求。他励直流电动机的机械特性为URnTdCCC2emeeT稳态时，电机的电磁转矩T由负载T决定，故要调节转速，可以改nemL变电压、改变电枢回路总电阻R、改变磁通三种方法。Ud一、降低电源电压调速降压调速的原理可用图6—22说明。设电动机拖动恒转矩负载T，L在额定电压下运UN6—22他励直流电动机的降压调速行于A点，转速为n，如图6—22中曲线1所示。现将电源电压降为U,A1忽略电磁惯性,电动机的机械特性如图6—22中曲线2所示。由于电机的转速不能突变，由特性1变为特性2，转速不变，于是，电动机的运行点由A点变为C点。在C点，对应的电磁转矩为T，TT，电动CCL机将减速。随着转速的下降,反电动势E减小,电流增加,电磁转矩亦a增大，减速过程沿特性2由C点至B点,到达B点以后,TT电动机BL进入新的稳态以转速n运行。B当将电源电压从U降为U，同理，电动机稳定后，在转速n下12D运行。从图6—22中可看出，当逐步降低电源电压时，稳态转速也依次降低。降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可实现转速的平滑调节，即无级调速。二、电枢回路串电阻调速电枢串电阻调速原理可用图6—23来说明。设电动机拖动恒转矩负载，运行于点，当电枢回路串入电阻，电动机的机械特性变为。ARnBe10由于电动机的转速不能突变，于是，电动机的运行点将由点变为AC点,C点所对应的电磁转矩为，显然，电动机将减速，在到达TTTCLC点以前，始终小于，故减速过程沿机械特性由点向点BTTnBCB0emL进行，在点进入新的稳态，于是电动机的转速由至。BTTnAnBBL图6—23他励直流电动机电枢串接电阻调速当电枢回路串入电阻变为，同理，电动机稳定后，在转速RRne1e2D下运行。从图6—23中可看出，当电枢回路串入电阻变大时，稳态转速也依次降低。这种调速方法在低速时电能损耗较大。对于恒转矩负载，调速前后稳态电流不变，故从电网吸收的功率不变，降低转速使输出功率减小，说明损耗增大。所以，串电阻调速在低速时电源提供的功率有较大部分转变为电阻损耗，从而使系统效率降低。从机械特性还可看出，当空载或轻载时，调速范围很小；而速度调的越低，特性越软，转速的稳定性较差。此外，这种调速方法只能调级速，平滑性较差。这种调速方法的优点是设备不太复杂，操作比较简单。图6—24他励直流电动机弱磁调速设电动机带恒转矩负载T，运行于固有特性1上的A点。弱磁后，L机械特性变为直线BC，因转速为C点。由于磁磁通减小，但由于电枢电流增加很多，使电磁到新的稳态运行点B点。使电机的转速大于固于升速。不能突变，电动机的运行点由A点变通减小，反电动势也减小，导致电枢电流增大。尽管转矩大于负载转矩，电动机将加速，一直加速有特性的理想空载转速，所以一般弱磁调速用弱磁调速是在励磁回路中调节，因电压较低，电流较小而较为方便，但调速范围一般较小。直流调速一般在额定转速以下用降压调速，而在额定转速以上用弱磁调速。第二章变压器变压器是通过磁路耦合作用传输交流电能和信号的变压变流设备，广泛应用于电力系统和电子线路之中。在输电方面，可以利用变压器提高输电电压。在输送相同电能的情况下，这不仅可以减小输电线的截面，节省材料，同时还可以减小线路损耗。因此交流输电都是用变压器将发电机发出的电压提高后再输送。在用电方面，为了保证安全和符合用电设备的电压要求，还需要利用变压器将电压降低。在电子线路中，除常用的电源变压器外，变压器还用来耦合或隔离电路，传递信号，实现阻抗匹配等。另外还有用于电焊、电炉及整流用的专用变压器、自耦变压器、互感器等等。变压器用途十分广泛，种类也十分繁多。一个小容量的变压器可能仅有几伏安，而大容量的变压器可达数十万伏安；电压低的仅有几伏，而高的可达数十万伏。虽然变压器结构各异，应用场合不同，但基本原理是相同的。§2.1变压器概述一、变压器的工作原理图2—1是一台单相双绕组变压器的示意图。它是由叠片组成的闭合铁心和环绕在铁心上的两个（或多个）绕组（线圈）组成，两个绕组匝数不同。其中一个绕组与电源相接，其电压由电源电压决定，接受电源电能，称为一次绕组（又称原边绕组或初级绕组），其匝数用N表示；另一个绕组与负载相接、其电压由变压器绕组匝数决定，1并向负载提供电能，称为二次绕组（又称副边绕组或次级绕组），其

图2—1单相双绕组变压器结构示意图当交流电压u加到一次绕组上，交流电流便i流入一次绕组，一1112如图2—2所示。图2—2单相双绕组变压器的电路与磁路根据电磁感应定律和右手螺旋定则，规定感应电动势和交变主磁通的正方向时有：一次侧感应电势为二次侧感应电势为d，dteN11d，dteN22式中：N和N分别为一、二次绕组匝数。各电量参考方向如图2—212所示。若二次绕组与负载接通，则电动势e在二次侧闭合电路内引起电2流i，i在负载上的压降即是变压器二次侧端电压u。这样，电源送222入一次侧的电能，通过一、二次绕组磁耦合的联系，使负载上获ui11得了电能。当然，二次侧是另一种等级的电压和电流。从而实现ui22了能量的传输。显然，一、二次感应电动势、之比等于一、二次绕组匝数N、1ee12N之比，即：2e1N1eN22为了表示变压器的这种特性，引入变压器变比K的概念。K的大小可由下式计算eN1eNK122由于，变压器一、二次感应电动势、与一、二次电压、的eeuu1212大小非常接近，因此1。可见，当电源电压确定时，u1KN/Nu/u212若改变匝数比，则可以获得不同数值的二次侧电压，以达到变N/N12压的目的。显然时、，此时变压器为降压变压器，反之为升NN1K1uu122压变压器。这种利用一、二次绕组匝数比变动而改变二次侧电压数值的原理，称为变压器的“变压”原理。二、变压器的基本结构变压器的种类繁多，结构各有特点，但铁心和绕组是组成变压器的两个主要部分。本节以油浸式电力变压器为例，简要介绍变压器的结构。各主要部分功能及结构分述如下：一、铁心为了减少交变磁通在铁心中引起的磁滞损耗和涡流损耗(合称铁耗)，低于数百赫兹运行的变压器铁心是由厚0.30—0