第2章直流电机2.1基本要求1.了解直流电机的基本结构和励磁方式，掌握其额定值。2.掌握直流电机的工作原理。3.理解直流电机的电枢反应，了解电枢反应对换向的影响和改善换向的措施。4.掌握直流电机的电动势和电磁转矩。5.掌握他励和并励直流电动机的基本方程式和工作特性，理解电动机的功率流程图。6.理解串励和复励直流电动机的工作特性。7.掌握他励直流发电机的基本方程式和工作特性，理解发电机的功率流程图。8.理解并励直流发电机的自励过程与外特性。2.2学习指导1.直流电机的工作原理、基本组成和额定值直流电机按其能量转换方向的不同分为直流发电机和直流电动机，两者之间具有可逆性。对于直流电动机，当给电枢绕组通人直流电流时，通过电刷和换向器转换为交变电流，使处于主极磁场中绕组的线圈始终受到相同方向电磁转矩的作用，保证了电动机连续转动，从而实现电能到机械能的转换。对于直流发电机，当原动机拖动电枢转动时，电枢绕组的线圈切割主极磁场而产生交变感应电动势，再通过电刷和换向器转换为直流电动势，由电枢绕组输出直流电流，从而实现机械能到电能的转换。直流电机主要由定子和转子两大部分组成。其基本组成如图2-1所示。主极铁心主微极【励磁绕组换向极定子电刷机座直流电机端盖电枢铁心转子（电枢））电枢绕组换向器图2-1直流电机的基本组成转子称为电枢，它是能量转换的枢纽。电枢绕组构成了直流电机的主要电路，它是由很多元件按一定规律连接起来的闭合绕组。按元件的连接方式和端接形状分类，电枢绕组主要有叠绕组和波绕组两大类。换向器是直流电机所特有的部件，与电刷配合，实现电枢绕组端
第 2章 直 流 电 机 2.1 基 本要求 1,了 解直流电机的基本结构和励磁方式 ,掌 握其额定值 。 2.掌 握直流电机的工作原理 。 3.理 解直流电机的电枢反应 ,了 解 电枢反应对换 向的影响和改善换 向的措施 。 4,掌 握直流电机的电动势和电磁转矩 c 5,掌 握他励和并励直流电动机的基本方程式和工作特性 ,理 解 电动机的功率流程图。 6.理 解串励和复励直流电动机的工作特性 。 7.掌 握他励直流发 电机的基本方程式和工作特性 ,理 解发电机 的功率流程图。 8.理 解并励直流发电机的 自励过程与外特性 。 2.2 学 习指导 1.直 流 电机的工作原理、基本组成和额定值 直流电机按其能量转换方 向的不 同分为直流发 电机 和直流 电动机 ,两 者之 间具有可逆 转子称为电枢 ,它 是能量转换 的枢纽 。电枢绕组构成 了直流电机 的主要 电路 ,它 是 由很 多元件按一定规律连接起来 的闭合绕组 。按元件的连接方式和端接形状分类 ,电 枢绕组 主要 有叠绕组和波绕组两大类 。换 向器是直流电机所特有 的部件 ,与 电刷配合 ,实 现电枢绕组端 枢 始 ° 应 械 子 电 圈 换 感 机 转 给 线 转 变 现 和 当 的 的 交 实 子 ,组 能 生 而 定 机 绕 械 产 从 由 动 中 机 而 ’ 要 电 场 到 场 流 主 流 磁 能 磁 电 机 直 极 电 极 流 电 于 主 现 主 直 流 对 于 实 割 出 直 ° 处 而 切 输 性 使 从 圈 组
11第2章直流电机部的直流电流与电枢绕组内部的交变电流之间的转换，即在直流电动机中起到了“逆变器”的作用，在直流发电机中起到了“整流器”的作用。直流电机的额定值主要有额定电压、额定电流、额定功率和额定转速等。值得注意的是，各种电机的额定功率均是指输出功率的额定值。对于电动机，额定功率即为轴上输出的额定机械功率；对于发电机，额定功率即为输出的额定电功率。直流发电机按励磁方式可分为自励和他励两大类，其中，自励又可分为并励、串励和复励3种。直流电动机按励磁方式分为他励、并励、串励和复励4种。2.直流电机的磁场和电枢反应磁场是电机实现机电能量转换的耦合场。磁场能量主要储存在直流电机定、转子之间的气隙中。因此，气隙磁场的分布直接关系到感应电动势的产生和机电能量的转换。直流电机空载时，气隙磁场是由主极励磁磁动势单独产生，在几何中性线处径向磁通密度为零。直流电机负载时，气隙磁场是由主极励磁磁动势和电枢磁动势共同产生，几何中性线处径向磁通密度不为零，电枢表面径向磁通密度为零的连线物理中性线偏离了几何中性线一定的角度，即气隙磁场相对空载时发生了畸变，并使每极下的磁通量有所削弱。这就是直流电机的电枢反应。当电机负载发生变化时，电枢磁动势就会发生相应变化，电枢反应的轻重就有所不同。直流电机的电枢反应会对电机的换向造成不利影响。所谓换向是指电枢元件从一条支路转换到另一条支路时，元件中电流改变方向的过程。当电枢反应使气隙磁场发生畸变后，会在换向元件中产生感应电动势，该电动势阻碍电流变化（另外，还有元件本身具有的电感也阻碍电流变化），由此导致换向延迟，引起换向火花，严重时将烧坏电刷和换向器。可以善过加装换向极和移动电刷来改善换向。3.直流电机的感应电动势和电磁转矩直流电机的电枢旋转时，电枢绕组中将产生感应电动势E，其值为E=C.Φn，EI.即为机电能量相互转换的电磁功率P。。在直流电动机中，E为反电动势；在直流发电机中，E为电源电动势。电枢电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩T。，其值为T.=C.dl。T,2也是标志着机电能量相互转换的电磁功率P。，因此有关系P。=EI.=T.Q。在直流电动机中，T。为拖动性质的转矩，在直流发电机中，T为制动性质的转矩。4.直流电动机的基本方程式和工作特性在规定正方向的前提下，他励直流电动机的基本方程式为电压平衡方程：U=E+RI.转矩平衡方程：T,=T+T功率平衡方程：P= Pcu+P,=Pc+ P+ P=Pcu+ Pf+ Pre+P.d+P,直流电动机的基本方程式综合反映了电机内部的电磁关系和机电过程。运用这些基本方程式，可以分析其工作特性和机械特性（机械特性见第8章）。值得注意的是，对于不同的励磁方式，电压平衡方程式是不同的，而转矩平衡方程式和功率平衡方程式基本不变（只有Pc.内涵不同）。直流电动机的工作特性包括：转速特性：n = f(l,)
hrl﹁ L■ ■ 卩 第 2章 直 流 电 机 ∵J1 部的直流电流与电枢绕组 内部的交变电流之间的转换 ,即 在直流 电动机 中起到 了 “逆变器 ” 的作用 ,在 直流发电机 中起到了 “整流器 ” 的作用 c 直流电机的额定值 主要有额定 电压 、额定 电流 、额定功率 和额定转速等 。值得 注意 的 是 ,各 种 电机 的额定功率均是指输出功率的额定值 。对于电动机 ,额 定功率即为轴上输 出的 额定机械功率 ;对 于发 电机 ,额 定功率即为输 出的额定电功率 。 直流发电机按励磁方式可分为 自励和他励两大类 ,其 中,自 励又可分为并励 、串励和复 励 3种 c直 流电动机按励磁方式分为他励 、并励 、串励和复励 4种 。 2.直 流 电机的磁场和电枢反应 磁场是 电机实现机 电能量转换的耦合场 。磁场能量主要储存在直流电机定 、转子之 间的 气隙中。因此 ,气 隙磁场的分布直接关系到感应 电动势的产生和机电能量 的转换 。直流 电机 空载时 ,气 隙磁场是 由主极励磁磁动势单独产生 ,在 几何 中性线处径 向磁通密度为零 。直流 电机负载时 ,气 隙磁场是 由主极励磁磁动势和电枢磁动势共 同产生 ,几 何 中性线处径 向磁通 密度不为零 ,电 枢表面径 向磁通密度为零的连线物理 中性线偏离 了几何 中性线一定 的角度 , 即气隙磁场相对空载时发生了畸变 ,并 使每极下的磁通量有所削弱。这就是直流电机的电枢 反应 。当电机负载发生变化时 ,电 枢磁动势就会发生相应变化 ,电 枢反应 的轻重就有所 不 同。 直流电机的电枢反应会对 电机的换 向造成不利影响。所谓换 向是指 电枢元件从一条支路 转换到另一条支路时 ,元 件 中电流改变方 向的过程 。当电枢反应使气隙磁场发生畸变后 ,会 t换 向元件 中产生感应 电动势 ,该 电动势阻碍 电流变化 (另 外 ,还 有元件本 身具有 的电感 也阻碍电流变化 ),由 此导致换 向延迟 ,引 起换 向火花 ,严 重 时将烧坏 电刷和换 向器 。可 以 逞过加装换 向极和移动电刷来改善换 向。 3.直 流电机的感应 电动势和 电磁转矩 直流 电机的电枢旋转时 ,电 枢绕组 中将产生感应 电动势 E,其 值为 E=CE Φ 瓦,Efa即 为 机 电能量相互转换 的电磁功率 Pe。 在直流电动机 中,E为 反 电动势 ;在 直流发电机 中,E为 电源电动势 。 电枢 电流与气隙磁场相互作用产生电磁转矩 Tc,其 值为 rc=cTΦ ra。 ΓcΩ也是标志着机 电能量相互转换 的电磁功率 Pe,因 此有关系 Pc=Ⅱ a=rcO。 在直流电动机 中,re为 拖动性 质的转矩 ,在 直流发 电机 中,re为 制动性质的转矩 。 4.直 流 电动机的基本方程式和工作特性 在规定正方 向的前提下 ,他 励直流电动机的基本方程式为 电 压 平 衡 方 程 : σ 〓 E+RaJa 转矩平衡方程 : re=r2+民 功 率 平 衡 方 程 : P1=Pcu+Pe=Pcu+PO+P2=Pcu+Pfw+PFe+Pad+P2 直流电动机的基本方程式综合反映了电机 内部的电磁关系和机电过程 。运用这些基本方 程式 ,可 以分析其工作特性和机械特性 (机 械特性见第 8章 )。 值得注意的是 ,对 于不 同的 励磁方式 ,电 压平衡方程式是不 同的 ,而 转矩平衡方程式 和功率平衡方程式基本不变 (只 有 Pcu内 涵不 同)。 直流 电动机 的工作特性包括 : 转速特 性 : 屁 〓r(Ja)
12电机与拖动MATLAB仿真与学习指导转矩特性：T。 = f(1)效率特性：n=f(1.)不同励磁方式的电动机其工作特性有很大的差异，测试工作特性的条件也不尽相同。他励和并励直流电动机具有略微下倾的转速特性，电磁转矩与电枢电流呈线性关系。串励直流电动机的转速随电枢电流的增加下降很快，电磁转矩近似与电枢电流的平方成正比，具有起动转矩大、过载能力强、不能轻载和空载的特点。复励直流电动机的转速特性介于并励与串励之间。5.直流发电机的基本方程式和工作特性在规定正方向的前提下，他励直流发电机的基本方程式为E=U+RI电压平衡方程：转矩平衡方程：T =T,+To功率平衡方程：P=P.+P=P+P+P=P+P+Pd+P+P直流发电机的基本方程式综合反映了电机内部的电磁关系和机电过程，根据基本方程式，可以分析其工作特性。直流发电机的工作特性有空载特性U。=（I）、外特性U=f（I.)和调整特性I，=f（I.）。注意区分各种工作特性的测试条件。他励直流发电机的空载特性曲线就是电机的磁化特性曲线，其外特性是一条稍微下倾的直线，电压调整率约为（5~10）%。并励直流发电机是一种自励发电机，其自励发电必须满足以下3个条件：1有剩磁：②励磁电流所产生的磁场与剩余磁场方向相同：③励磁回路的电阻小于临界电阻。由于是自励发电，并励直流发电机的电压调整率大于他励直流发电机，约为20%；且具有拐弯的外特性，其短路电流值较小。2.3典型题分析【例2-1】一台并励直流电动机，已知其额定值为P=37kW，U%=440V，=95.4A，nz=1500r/min，R，=0.290，励磁功率P,=1200W，空载损耗P。=1935W。试求：（1）电动机的额定电流和额定效率；（2）额定运行时的电磁功率和输出转矩；（3）当电枢电流为额定值的50%时的电磁转矩、转速和效率。解（1）额定电枢铜损耗为Pcu=R/n=0.29×95.4W=2639.34W电动机的额定输人功率为Plx=P+Pcm.+P,+P。=（37×10+2639.34+1200+1935)W=42774.34W电动机的额定电流和额定效率为PIN_ 42774. 34A = 97.21AIN =UN440PN37×10N×100%=4×100%=86.5%IN=PiN42774.34（2）额定运行时的电磁功率和输出转矩为Pen=P+P。=(37×10+1935)W=38935W
12 电 机与拖动 MATLAB仿 真与学 习指导 转矩特性 : 效率特性 : re=∫ (Ja) ” =r(Ja) 不 同励磁方式的电动机其工作特性有很大的差异 ,测 试工作特性的条件也不尽相 同。他 励和并励直流电动机具有略微下倾 的转速特性 ,电 磁转矩与电枢 电流呈线性关系。串励直流 电动机的转速随电枢 电流的增加下降很快 ,电 磁转矩近似与电枢 电流的平方成正 比,具 有起 动转矩大 、过载能力强 、不能轻载和空载的特点。复励直流 电动机 的转速特性介于并励与 串 励之间。 5.直 流发电机的基本方程式和工作特性 在规定正方 向的前提下 ,他 励直流发电机的基本方程式为 电 压 平 衡 方 程 : E=〃 +Rafa 转矩平衡方程 : rl〓 rc+民 功 率 平 衡 方 程 : Pl〓 P° +Pe=PO+Pcv+P2=Prli+PFe+Pad+Pcu+P2 直流发电机的基本方程式综合反映 了电机 内部 的电磁关 系和机 电过程 ,根 据基本方程 式 ,可 以分析其工作特 性 。直 流 发 电机 的工作 特 性有 空 载 特性 y0=r(rf)、 外 特性 σ= F(ra)和 调整特性 ∫f=∫ (Ja)。 注意区分各种工作特性 的测试条件 。 他励直流发电机的空载特性 曲线就是 电机的磁化特性 曲线 ,其 外特性是一条稍微下倾 的 直线 ,电 压调整率约为 (5~10)%。 并励直流发 电机是一种 自励发 电机 ,其 自励发 电必须 满足 以下 3个 条件 :① 有剩磁 ;② 励磁 电流所产生的磁场与剩余磁场方 向相 同;③ 励磁 回路 的电阻小于临界 电阻。由于是 自励发 电,并 励直流发 电机 的电压调整率大于他励 直流发 电 机 ,约 为 ⒛%;且 具有拐弯的外特性 ,其 短路 电流值较小 。 2.3 典 型题分析 【 例 2-1】 一 台 并 励 直 流 电 动 机 ,已 知 其 额 定 值 为 P、 =37kW,yN=狃 0Ⅴ ,JaN= 9s.4A,nN=1500〃 min,Ra=0.29Ω ,励 磁 功 率 Pf=1200W,空 载 损 耗 PO=1935W。 试 求 : (1)电 动机的额定 电流和额定效率 ;(2)额 定运行时的电磁功率和输 出转矩 ;(3)当 电枢 电流为额定值 的 50%时 的电磁转矩 、转速和效率 。 解 (1)额 定 电枢铜损耗为 Pc屺 =Ra遂 N=0.29× 95.42W〓 2639,34W 电动机 的额定输人功率为 P1N =PN+Pcua+PF+PO =(37× 103+2639.34+1200+1935)W〓 42774,34硒 严 电动机的额定 电流和额定效率为 JN= =± 2;::志 |1± A=吻 A 37 × 103 10。 = 42774.34 × 彡历 = 86,5丐 汤 (2)额 定运行时的电磁功率和输 出转矩为 PeN =PN+PO 〓 (37× 103+1935)吊 厂 〓 38935环 厂 ‰ ~岷 叼 N=f专 × 100%
第2章直流电机137N = 9.5s P37×10= 9.55 ×m=235.6N·mN1500ns（3）当电枢电流为额定值的50%时，由T。=C.ΦI.可知电磁转矩也为额定值的50%（因为励磁没有改变），即T, = 0. 57.x = . 5 × 9. 5 Pm = 0. 5 × 9.55 ×38935sm=123.94Nm1500n电动势为Ew=Ux-R,/,=(440-0.29×95.4)V=412.3VE= U,-R,1.= (440-0.29×95.4×0.5)V= 426.2V转速为E426.2n=×1500r/min=1550.6r/minns:E412.3输入功率为P,=Ul,+P,=(440×95.4×0.5+1200)W=22188W电磁功率为P,=P-Pca-P,=[22188-0.29×(0.5×95.4)2-1200]W=20328.2WP.=2mnT2m×1550.6×123.94W=20125.2W或6060输出功率为P,=EI,=(426.2×95.4×0.5)W=20329.74WP,=P。-P。=(20328.2-1935)W=18393.2W效率为P218393.2× 100% =×100%=82.9%n=P22188【例2-2]一台并励直流电动机拖动一台他励直流发电机发电，已知电动机的额定值为P=22kW，U=220V，R,=0.1250，R,=57.60，n=1450r/min，m%=86%；发电机的额定值为P=19kW，U=230V，R，=0.20，n=1450r/min，nx=85%。若忽略空载损耗和电枢反应的影响，试求：（1）当发电机额定运行时，电动机的输人功率；（2）当发电机空载时，机组的转速和发电机的端电压（设各台电机的励磁始终保持额定励磁不变）。解（1）发电机的输人功率即为电动机的输出功率，故当发电机额定运行时电动机的输入功率为Pnc19×103PiMkW=26kW0.86×0.85TNMING（2）电动机的额定电枢电流为PxMUsM22×103220）I.NM =INM-IO=112.46AARMnnmUsm(0.86×22057.6)UsM - R.M'.NM2200.125×112.46-则Cedu= 0.142nNM1450电动机的空载转速为
第 2章 直 流 电 机 ∵冖 3 =9,55￡ ⊥ =9,55× 37× 103N。 m =235,6N· m r、 屁 N (3)当 电枢电流为额定值 的 50%时 ,由 Tc=CT Φ Ja可 知 电磁 转矩也 为额定值 的 50% (囚 为励磁没有改变 ), 即 〓 ⒍ 5× ⒐ 55呈 尘 =⒍ 5× ⒐ “ × 1斋 N.m=12⒊ 94N· m rc =o.5reN 屁 N 电动势为 3V EN =I/N-RaJa、 = (440-0.29× 95.4)Ⅴ =412 E=I/N-Ra′ a =(44o-0,29× 95,4× 0.5)Ⅴ =426,2V 转速为 屁 =贵 刀 N〓 第 铐 × 1500〃 min=1550.6r/min 输人功率为 Pl =I/N ra+Pf = (440× 95.4× 0.5+12oo)w=22188环 厂 电磁功率为 Pe=PI-Pcua-Pf=[22188-o.29× (0.5× 95.4)2~1200]W=203282W 或 凡 =辔 飞 =‰ × 1s⒑ 6× 阢 94w=2012⒌ 2w 输出功率为 P =EJa =(426.2× 95.4× o.5)邗 厂 =20329,74Ⅲ ' P2 =Pe~PO = (20328.2-1935)环 厂 =18393.2W 效率为 9P = 7T× 10°q3 = ⊥ ::;言 言 2 × 100q; = 82.9% 【例 ⒉2】 一 台并励直流电动机拖动一台他励直流发电机发电,已 知电动机的额定值 为 PN〓 22kW,I/N=22oV,Ra=o.125Ω ,Rf=57,6Ω ,屁 N〓 1450r/min,叼 N=86%;° 殳 电 +JL 的 额 定 值 为 〓85%。 若忽略空载损 PN=19kW,yx=23oV,Ra=0.2Ω ,屁 N=1450∥ 耐 n,叼 N 耗和电枢反应 的影响 , 试求 :(1)当 发 电机额定运行时 ,电 动机 的输人功率 ;(2)当 发 电 机空载时 ,机 组 的转速和发 电机的端 电压 (设 各 台电机 的励磁始终保持额定励磁不变 )。 解 (1)发 电机 的输人功率即为电动机 的输 出功率 ,故 当发 电机额定运行 时电动机 的 输入功率为 ‰ =褓 =5丁 ;;「;÷{;;虿歹 哪 勹 鲫 (2)电 动机的额定电枢 电流为 煸 =榀 -‰ =瓦 i:÷学TTˉ 钅社}=(σ 子台苔六扌::忑 ˉ 箅 )A=⒈ 1⒉46A =旦 ⊥坚 亏f}」 则 CE Φ M 1坐 = =⒍ ⑷ 电动机 的空载转速为
14电机与拖动MATLAB仿真与学习指导Usm-220s/min=1549.3r/minNom = C,ow"0.142"发电机的额定电枢电流为Pac=19×10A=82.61AIaG=ING=UNC=230Uxc + R.clsc 230 + 0.2 ×82. 61 = 0.17则CrΦG=1450nsc发电机的空载电压为Uoc=C,Φ.nax=0.17×1549.3V=263.4V2.4思考题与习题解答2-1在直流电机中，换向器和电刷的作用是什么？答：在直流电机中，电枢电路是旋转的，依靠换向器和电刷的作用，使构成每条支路的元件不停地轮流变换，而每条支路的元件数、位置和感应电动势的方向不变，支路电流产生的磁动势的空间位置也始终不变。因此，直流发电机的换向器和电刷起了整流器的作用，将电枢绕组产生的交流感应电动势和电流变换成直流引到外电路；直流电动机的换向器和电刷起了逆变器的作用，将外部直流电流变换成交流电流引人电枢绕组。2-2直流电机的磁化曲线和空载特性曲线有什么区别和联系？答：直流电机的磁化曲线是指电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线，即Φ。=厂（F。）；直流电机的空载特性是指电机在某一转速下，电动势（或空载电压）和励磁电流的关系，即E=f(I）或U。=f(I,）。由于电动势正比于主磁通，即EαΦ。，励磁磁动势正比于励磁电流即F。αI，故两种特性曲线相似。但是，同一台直流电机磁化曲线只有一条，而对应不同的转速有不同的空载特性曲线。2-3直流电机空载和负载运行时，气隙磁场各由什么磁动势建立？两种情况时的气隙磁场有什么不同？答：直流电机的空载气隙磁场由励磁磁动势建立，负载运行时的气隙磁场由励磁磁动势和电枢磁动势共同建立。电枢磁动势将产生交轴和直轴电枢反应，引起气隙磁场畸变并具有去磁或增磁的作用（取决于电刷移动方向）。2-4分析哪些因素影响直流电机的感应电动势；若一台直流发电机额定运行时的电动势为Ex，那么当励磁电流、磁通分别减少10%或者转速提高10%时的电动势为多少？答：根据直流电机感应电动势的公式E=C.Φn可知，电动势正比于磁通与转速的乘积，当磁通为常数时，电动势正比于转速，当转速为常数时，电动势正比于磁通。当励磁电流减少10%时，磁通将相应减少，此时的感应电动势将减小，但由于磁路饱和的影响，磁通减少不到10%，故0.9E、<E<E。当磁通减少10%时，感应电动势也将减小10%，即E=0.9E%。当转速提高10%时，感应电动势也将提高10%，即E=1.1E%。2-5直流电机中的损耗有哪些？产生这些损耗的原因是什么？哪些损耗与负载的大小有关？定子铁心和电枢铁心中是否均有损耗？为什么？
14 电机与拖动 MATLAB仿 真与学习指导 刀°M 发 电机 的额 定 电枢 电流 为 则 CE Φ c= 发电机 的空载电压为 I/0G = 〓 觏 =黠 ∥ 耐 n=鹇 h mn J沁 G=f№ =轩 =尘 气告革 苎 A=:⒉ 61A I/、 c+RaGJaNc 乃 、c 230 +0.2 × 82.61 1450 =0 17 Cr@*no, =0.l7 x1549.3Y =263.4Y 2.4 思 考题与习题解笞 2-1 在 直流电机 中,换 向器和电刷的作用是什么? 答 :在 直流电机 中,电 枢 电路是旋转的 ,依 靠换 向器和电刷的作用 ,使 构成每条支路 的 元件不停地轮流变换 ,而 每条支路 的元件数 、位置和感应 电动势的方 向不变 ,支 路 电流产生 的磁动势 的空间位置也始终不变。因此 ,直 流发电机的换 向器和电刷起 了整流器 的作用 ,将 电枢绕组产生的交流感应电动势和电流变换成直流引到外 电路 ;直 流电动机的换 向器和电刷 起 了逆变器的作用 ,将 外部直流电流变换成交流电流引入电枢绕组 。 29 直 流电机的磁化曲线和空载特性 曲线有什么区别和联系? 答 :直 流电机的磁化曲线是指 电机的主磁通与励磁磁动势的关系曲线 ,即 Φ0=r(F。 ); 直流电机的空载特性是指 电机在某一转速下 ,电 动势 (或 空载 电压 )和 励磁 电流 的关 系 , 即 E=只 ff)或 〃0=灭 J￡)。由于电动势正 比于主磁通 ,即 E∝ Φ°,励 磁磁动势正 比于励磁 电 流即 FO∝ Jf,故 两种特性 曲线相似 。但是 ,同 一台直流电机磁化曲线只有一条 ,而 对应不 同 的转速有不同的空载特性 曲线 。 2~s 直 流电机空载和负载运行 时 ,气 隙磁场各 由什么磁动势建立?两 种情况 时的气 隙 磁场有什么不 同? 答 :直 流电机的空载气隙磁场 由励磁磁动势建立 ,负 载运行时的气隙磁场 由励磁磁动势 和电枢磁动势共 同建立 。电枢磁动势将产生交轴和直轴 电枢反应 ,引 起气 隙磁场畸变并具有 去磁或增磁的作用 (取 决于电刷移动方 向)。 2zI 分 析哪些 因素影响直流电机 的感应 电动势 ;若 一 台直流发 电机额定运行 时的电动 势为 EN,那 么当励磁 电流 、磁通分别减少 10%或 者转速提高 10%时 的电动势为多少? 答 :根 据直流电机感应 电动势的公式 E=CE Φ 屁可知 ,电 动势正 比于磁通与转速 的乘积 , 当磁通为常数时 ,电 动势正 比于转速 ,当 转速为常数时 ,电 动势正 比于磁通 。 当励磁电流减少 10%时 ,磁 通将相应减 少 ,此 时的感应 电动势将减小 ,但 由于磁路饱 和的影响 ,磁 通减少不到 10%,故 0.9EN(E(EN。 当磁通减少 10%时 ,感 应 电动势也将减小 10%,即 E〓 0.9EN。 当转速提高 10%时 ,感 应 电动势也将提高 10%,即 E=11EN。 25 直 流电机中的损耗有哪些?产 生这些损耗 的原 因是什么?哪 些损耗 与负载 的大小 有关?定 子铁心和电枢铁心中是否均有损耗?为 什么?
第2章直流电机15答：直流电机中的损耗有铜损耗、铁损耗、机械损耗和附加损耗等。铜损耗包括电枢铜损耗和励磁损耗，电枢铜损耗由负载的大小决定，与电枢电流的平方成正比，属于可变损耗；励磁损耗即励磁回路的电阻损耗，若励磁电流和励磁回路总电阻不变，则励磁损耗为不变损耗。铁损耗是电枢铁心的损耗，其大小与铁心中的磁通密度和转速有关，与负载的大小基本无关，若磁通密度和转速不变，则铁损耗是不变损耗。机械损耗是由电枢旋转时的轴承摩擦、电剧摩擦和通风引起的，其大小与转速有关，当转速变化不大时，可以认为机械损耗是与负载大小无关的不变损耗。附加损耗又称为杂散损耗，其产生原因较多。例如，电枢旋转时电枢齿槽使气隙磁通脉动而在铁心中产生脉振损耗，电枢反应使气隙磁场畸变而引起的额外电枢铁损耗，换向电流产生的铜损耗，还有一些结构件中的铁损耗等。附加损耗所占的比例很小，一般当作不变损耗处理。铁损耗、机械损耗和附加损耗合称为空载损耗。在磁通密度和转速不变时，空载损耗为不变损耗。直流电机定子铁心中没有铁损耗。因为无论是励磁磁场还是电枢磁场均与定子铁心无相对运动（电枢虽然在旋转，但电枢磁动势的空间位置是固定不动的）。因此，直流电机的铁损耗就是电枢铁心的损耗。2-6他励直流发电机和并励直流发电机相比较，短路电流谁大？电压调整率谁大？答：他励直流发电机的短路电流远远大于并励直流发电机。因为他励直流发电机的励磁与电枢电压无关，发生短路时，电枢电流达到最大值；而并励直流发电机的励磁由电枢电压产生，发生短路时，励磁电流为零，故短路电流由剩磁产生的感应电动势决定，其值较小。并励直流发电机的电压调整率大于他励直流发电机。因为他励直流发电机电枢电压降低的原因只有电枢电阻压降和电枢反应的去磁作用两种，而并励直流发电机除了上述原因外，还有因电枢电压的降低引起励磁电流减小从而促使电枢电压进一步减小这一因素，故其电压调整率较大。2-7把他励直流发电机转速升高20%，此时空载端电压升高多少？如果是并励直流发电机，电压变化前者大还是后者大？答：根据U。=E=C，Φn可知，当他励直流发电机的转速升高20%时，U。也将升高20%。如果是并励直流发电机，U的升高将大于20%。因为并励直流发电机端电压的升高，使励磁电流增大，磁场增强，由此引起端电压进一步升高。2-8简述并励直流发电机自励的条件；若正转时能自励，试问反转能否自励？若在额定转速时能自励，试问降低转速后能否自励？答：并励直流发电机自励有如下3个条件：①要有剩磁；②由剩磁感应产生的励磁电流所产生的磁通方向与剩磁方向一致；③励磁回路的总电阻要小于临界电阻值。若正转时能自励，在不改变任何接线的情况下，反转是不能自励的。因为，如果不改变任何接线，反转时将破坏上述自励的第二个条件。要使反转时也能自励，必须在反转时交换励磁绕组的两端。若在额定转速时能自励，降低转速后可能就不能自励了。因为不同的转速对应不同的空载特性，相应的临界电阻值也就不同。直流发电机转速降低后，临界电阻值减小，当临界电阻值小于励磁回路的总电阻时，并励直流发电机便不能自励
第 2章 直 流 电 机 15 答 :直 流电机 中的损耗有铜损耗 、铁损耗 、机械损耗和附加损耗等。 铜损耗包括 电枢铜损耗和励磁损耗 ,电 枢铜损耗 由负载的大小决定 ,与 电枢 电流的平方 成正 比,属 于可变损耗 ;励 磁损耗即励磁 回路 的电阻损耗 ,若 励磁 电流和励磁 回路总电阻不 变 ,则 励磁损耗为不变损耗 。 铁损耗是 电枢铁心的损耗 ,其 大小与铁心 中的磁通密度和转速有关 ,与 负载的大小基本 无关 ,若 磁通密度和转速不变 ,则 铁损耗是不变损耗 。 机械损耗是 由电枢旋转时的轴承摩擦 、电刷摩擦和通风引起的 ,其 大小与转速有关 ,当 转速变化不大时 ,可 以认为机械损耗是与负载大小无关 的不变损耗 。 附加损耗又称为杂散损耗 ,其 产生原 因较多。例如 ,电 枢旋转时电枢齿槽使气隙磁通脉 动而在铁心 中产生脉振损耗 ,电 枢反应使气隙磁场畸变而引起 的额外 电枢铁损耗 ,换 向电流 产生的铜损耗 ,还 有一些结构件 中的铁损耗等 。附加损耗所 占的比例很小 ,一 般 当作不变损 耗处理 。铁损耗 、机械损耗和附加损耗合称为空载损耗 。在磁通密度和转速不变时 ,空 载损 耗为不变损耗 。 直流电机定子铁心 中没有铁损耗 。因为无论是励磁磁场还是电枢磁场均与定子铁心无相 对运动 (电 枢虽然在旋转 ,但 电枢磁动势 的空间位置是 固定不动 的)。 因此 ,直 流 电机 的铁 损耗就是 电枢铁心的损耗 。 2咱 他 励直流发 电机和并励直流发电机相 比较 ,短 路 电流谁大?电 压调整率谁大? 答 :他 励直流发电机 的短路 电流远远大于并励直流发 电机 。因为他励直流发 电机 的励磁 与电枢电压无关 ,发 生短路时 ,电 枢 电流达到最大值 ;而 并励直流发电机的励磁 由电枢 电压 产生 ,发 生短路时 ,励 磁 电流为零 ,故 短路 电流 由剩磁产生的感应 电动势决定 ,其 值较小 。 并励直流发电机的电压调整率大于他励直流发 电机 。因为他励直流发 电机 电枢 电压降低 的原因只有 电枢电阻压降和电枢反应的去磁作用两种 ,而 并励直流发 电机除了上述原 因外 , 还有 因电枢 电压的降低引起励磁 电流减小从而促使 电枢 电压进一步减小这一因素 ,故 其 电压 调整率较大。 2刀 把 他励直流发 电机转速升高 ⒛%,此 时空载端 电压升高多少?如 果是并励直流发 电机 ,电 压变化前者大还是后者大? 答 :根 据 σ。=E=CE Φ 瓦可知 ,当 他励 直 流发 电机 的转 速 升高 ⒛%时 ,〃 。也将 升 高 ⒛%。 如果是并励直流发电机 ,σ 0的 升高将大于 ⒛%。 因为并励直流发电机端 电压 的升高 , 使励磁 电流增大 ,磁 场增强 ,由 此引起端 电压进一步升高 。 2⒙ 简 述并励直流发电机 自励 的条件 ;若 正转 时能 自励 ,试 问反转 能否 自励?若 在额 定转速时能 自励 ,试 问降低转速后能否 自励? 答 :并 励直流发 电机 自励有如下 3个 条件 :① 要有剩磁 ;② 由剩磁感应产生的励磁 电流 所产生 的磁通方 向与剩磁方 向一致 ;③ 励磁 回路的总电阻要小于临界电阻值。 若正转时能 自励 ,在 不改变任何接线的情况下 ,反 转是不能 自励 的。因为 ,如 果不改变 任何接线 ,反 转时将破坏上述 自励 的第二个条件 。要使反转时也能 自励 ,必 须在反转时交换 励磁绕组 的两端 。 若在额定转速时能 自励 ,降 低转速后可能就不能 自励 了。因为不同的转速对应不 同的空 载特性 ,相 应的临界电阻值也就不 同。直流发电机转速降低后 ,临 界 电阻值减小 ,当 临界 电 阻值小于励磁 回路的总电阻时 ,并 励直流发 电机便不能 自励
电机与拖动MATLAB仿真与学习指导1612-9怎样改变并励、串励和积复励直流电动机的旋转方三答：直流电动机的旋转方向由电磁转矩的方向决定，而电驱转毛三通的方向和电枢电流的方向共同决定。改变磁通或者电枢电流的方向就可以改电连转毛方向，从而改变电动机的旋转方向。因此，交换并励直流电动机励磁绕组的两端，或者置电枢绕组的两端就可以改变其转向：串励直流电动机改变转向的方法与并励直流电：积复励直流电动机只要对调电枢绕组的两端，既改变了转向又保证了仍然为积复励2-10电动机的电磁转矩是驱动性质的转矩，为什么电磁转矩增加时.转速而下降呢？答：电动机电磁转矩的大小取决于负载的轻重，负载较重时，电磁转矩大：由T，=C,Φl.可知电枢电流也大，引起电枢电阻压降增加，使电动势减小，根据E=C.Φn可知转速会下降。2-11试比较串励直流电动机的机械特性与并励直流电动机有何不同；为什么传统电力机车大都采用串励直流电动机？答：并励直流电动机的机械特性是一条略向右下倾斜的直线，随着电磁转矩的增加，转速略有下降，其特性较硬；而串励直流电动机的机械特性是一条像双曲线一样的曲线，随着电磁转矩的增加，转速下降很快，其特性很软。当电力机车重载或上坡时，转矩加大，转速自动降低，既保证了安全，又使其输入、输出功率增加较少，电机不易过载。因此，电力机车均采用串励直流电动机。2-12试分析在下列情况下，直流电动机的电枢电流和转速与额定值比较如何变化（不计磁路饱和的影响)：（1）U.=0.5U，,=la，T,=T；（2）U,=0.5Ux，l,=IN，P,=P;(3)U,=UaN,1,=0.5IN,T,=Tx;(4)U.=Uax,I,=IN,T,=0.5Tno答：（1）根据T=C,l、T=T,=T可知，当I,=I，使Φ=Φ~时，电枢电流1,不变；因为U=0.5U.n，使n。=0.5ng，则n=0.5ng-△n（An不变），即转速比额定值的一半还小。（2）当输出功率不变时，输人功率基本不变，由于电枢电压幅度大大降低，电枢电流I，必定要增加，由此造成转速n下降。（3）假设磁路是线性的，当1,=0.51时，有Φ=0.5Φ。由（1）中的公式可知，I。=21.s，转速也将下降较多。（4）由（1）中的公式可知，1.=0.5I.s，转速将提高。2-13将一台额定功率为P的直流发电机改为电动机运行，其额定功率怎样变化？如果是将额定功率为P的电动机改为发电机运行，其额定功率又将怎样变化？答：将额定功率为P的直流发电机改为电动机运行时，原发电机的额定功率P（输出功率）即为该电动机的额定输人功率，故其额定功率（nP）将小于P。如果将额定功率为P的电动机改为发电机运行，原电动机的额定输人功率（Ps/m）即为该发电机的额定功率，故其额定功率将大于P。2-14一台并联在电网上的直流发电机，怎样使其转变为电动机状态运行？答：直流电机处于发电机运行状态时，电动势高于端电压，若使原动机的输人转矩为零，电机转速将下降，从而电动势减小，使得端电压高于电动势，发电机即转变为电动机运行状态了
16Ⅱ 电 机 与拖动 MATLAB仿 真 与学 习指 导 || 29 怎 样改变并励 、串励和积复励直流 电动机的旋转方 =∶ 答 :直 流电动机的旋转方 向由电磁转矩 的方 向决定 ,而 电乏拜乇∷Ⅰ=≡ ≡通的方 向和 电枢电流的方 向共 同决定 。改变磁通或者电枢 电流的方 向就可以莰Ι毛≡≡≡:∶方向,从 而 改变电动机的旋转方 向。因此 ,交 换并励直流电动机励磁绕组的两麦 .交 蓍i1ε 毛妪绕组 的 两端就可 以改变其转 向;串 励直流电动机改变转 向的方法与并励直流电麦F1茫 百:△ 复励直 流电动机只要对调 电枢绕组的两端 ,既 改变了转 向又保证 了仍然为积复励 : 2-10 电 动机的电磁转矩是驱动性质 的转矩 ,为 什 么 电磁转矩增加 时 ,转 逗 夏而下降 呢? 答 :电 动机 电磁转 矩 的大小 取决 于负载 的轻 重 ,负 载较 重 时 ,电 磁 转矩 大 .由 Γe= CT Φfa可 知电枢 电流也大 ,引 起 电枢 电阻压降增加 ,使 电动势减小 ,根 据 E=CE Φ n可 知转 速会下降。 ⒉11 试 比较 串励直流电动机的机械特性与并励直流电动机有何不 同;为 什么传统 电力 机车大都采用 串励直流电动机? 答 :并 励直流电动机的机械特性是一条略向右下倾斜的直线 ,随 着电磁转矩的增加 ,转 速略有下降 ,其 特性较硬 ;而 串励直流电动机的机械特性是一条像双 曲线一样的曲线 ,随 着 电磁转矩 的增加 ,转 速下降很快 ,其 特性很软 ⊙当电力机车重载或上坡时 ,转 矩加大 ,转 速 自动降低 ,既 保证 了安全 ,又 使其输人 、输 出功率增加较少 ,电 机不易过载 。因此 ,电 力机 车均采用 串励直流电动机。 2-12 试 分 析 在 下 列 情 况 下 ,直 流 电 动 机 的 电 枢 电 流 和 转 速 与 额 定 值 比 较 如 何 变 化 (不 计 磁 路 饱 和 的 影 响 ):(1)σ a=0· 5叽 N,rf〓 J仆 ,rL=rx; (2)〃 a=0· 5叽 N,Jf=JfN,P2= PN; (3) σ a=σ aN, Jf=0.5JⅨ , rL=rN; (4) I/a=IJaN, Jf=Jm, rL〓 0.5TN。 答 :(1)根 据 Te=cT Φ ra、 re〓 ⒎ 〓 rN可 知 ,当 rf〓 JⅨ ,使 Φ 〓 Φ N时 ,电 枢 电 流 ra不 变 ;因 为 σ a〓 0· 5σ aN,使 刀 ′ 0=0.5刀 。 ,则 刀 ′ =0.5屁 0-Δ 庀 N(Δ 屁 N不 变 ),即 转 速 比 额 定 值 的 一 半 还 小 。 (2)当 输 出功率不变时 ,输 人功率基本不变 ,由 于 电枢 电压 幅度大大降低 ,电 枢 电流 Ja必 定要增加 ,由 此造成转速 屁下降。 (3)假 设磁路是线性 的 ,当 rf=o.5`^时 ,有 Φ =05Φ N⊙ 由 (1)中 的公式可知 ,Ja= 2raN,转 速也将下降较多。 (4)由 (1)中 的公式可知 ,Ja=0.5faN,转 速将提高 。 ⒉13 将 一 台额定功率为 PN的 直流发 电机改为电动机运行 ,其 额定功率怎样变化?如 果是将额定功率为 PN的 电动机改为发电机运行 ,其 额定功率又将怎样变化? 答 :将 额定功率为 PN的 直流发电机改为电动机运行时 ,原 发 电机的额定功率 PN(输 出 功率 )即 为该 电动机的额定输人功率 ,故 其额定功率 (”PN)将 小于 Px。 如果将额定功率 为 PN的 电动机改为发 电机运行 ,原 电动机的额定输人功率 (PN/η )即 为该发 电机的额定功 率 ,故 其额定功率将大于 PN。 2-14 一 台并联在 电网上的直流发电机 ,怎 样使其转变为电动机状态运行? 答 :直 流电机处于发电机运行状态时 ,电 动势高于端 电压 ,若 使 原动机 的输入转矩 为 零 ,电 机转速将下降 ,从 而电动势减小 ,使 得端电压高于电动势 ,发 电机即转变为电动机运 行状态 了
17第2章直流电机2-15用一对完全相同的他励直流电机组成电动机-发电机机组，当其他条件不变时，只减小发电机的负载电阻，电动机的电枢电流和转速如何变化，为什么？答：电动机的电枢电流会随之增大，转速会随之降低。因为发电机负载电阻的减小，意味着负载加重（端电压变化很小），发电机的电枢电流也就增加了，相应的电磁转矩也会增大，稳定运行时，电动机的输出转矩相应增加，使得电动机的电磁转矩增大，故电枢电流要相应增大。当其他条件不变时，由电动机的机械特性可知，电动机的转速会降低。2-16某他励直流发电机，额定功率Pk=30kW，额定电压U=230V，额定转速nx=1500r/min，极对数2p=4，单叠绕组，电枢总导体数N=572，气隙每极磁通Φ=0.015Wb。求（1）额定运行时的电枢电动势E和电磁转矩T.（2）当转速为1200r/min时的电枢电动势。解单叠绕组的支路对数a等于极对数p，因此电动势常数和转矩常数分别为2 ×572Ce=PN=9.53360a60×2CT=PN2×572= 91.042Ta2寸×2电枢额定电流为Pk-30×10IaN =A=130.4AUN230（1）电枢电动势和电磁转矩分别为E=C,Φns=9.533×0.015×1500V=214.5VT.= C.@lax=91.04×0.015×130.4N·m =178.1Nm（2）因为电动势与转速成正比，故转速为1200t/min时的电动势为E=1200x214.5V=171.6V15002-17一台他励直流电动机，已知其额定值为P%=2.2kW，U、=160V，nz=975r/min，m=73.5%，R，=1.4980。忽略电枢反应，试求转速为1100r/min和1250r/min时的电枢电流，并分析电机的运行状态是电动机还是发电机？解由已知额定值可得额定电枢电流为PN.-.2.2 × 103Iax==18.71AmU、-0.735x160UN-R.LN-160-1.498×18.71=0.13536CpN:975ns（1）当转速为1100r/min时的电动势和电枢电流分别为E=C,@,n=0.13536×1100V=148.9VUN-E160 - 148.9A = 7.41A=R.1.498由于电枢电压（160V）高于电动势（148.9V），故电机在1100r/min运行时为电动机状态。（2）当转速为1250r/min时的电动势和电枢电流分别为E=C,Φ~n=0.13536×1250V=169.2V
第 2章 直 流 电 机 ∵冖 7 ∷∷ 2-15 用 一对完全相 同的他励 直 流 电机组 成 电动机-发 电机机组 ,当 其他 条件不 变 时 , 只减小发 电机 的负载 电阻 ,电 动机 的电枢电流和转速如何变化 ,为 什么? 答 :电 动机 的电枢 电流会随之增大 ,转 速会随之降低 。因为发 电机负载电阻的减小 ,意 味着负载加重 (端 电压变化很小 ),发 电机的电枢 电流也就增加 了,相 应 的电磁转矩也会增 大 ,稳 定运行时 ,电 动机 的输 出转矩相应增加 ,使 得 电动机 的电磁转矩增大 ,故 电枢 电流要 相应增大 。当其他条件不变时 ,由 电动机 的机械特性可知 ,电 动机的转速会降低 。 2-16 某 他 励 直 流 发 电 机 ,额 定 功 率 PN=30kW,额 定 电 压 σ N=z~s0Ⅴ ,额 定 转 速 h= | 氵01∶ ;m∶;黥 蝥饪营予ξ帚堂于爹舳詈|詈晏曩兮1丨2;5彗缶豆蛋号1I1卩:虏l早子∫;扌:￡丨:查 动势。 解 单 叠绕组 的支路对数 c等 于极对数 P,因 此 电动势常数和转矩常数分别为 cE〓 畿 =‰ 晋 =⒐ 533 cT=携 =钎 苈 =91· ⒄ 电枢额定 电流为 f洲 =各 〓 栈 淠 苎 A=130· 4A (1)电 枢 电动势和电磁转矩分别为 E = CE Φ 刀、 =9.533 × 0.015 × 1500V 〓 214 5Ⅴ re =CTΦ faN =91.04× 0.015× 130.4N· m=178,1N· m (2)因 为电动势与转速成正 比,故 转速为 1200r/min时 的电动势为 E =1200× 214.5Ⅴ =171,6Ⅴ 1500 2-17 一 台 他 励 直 流 电 动 机 ,已 知 其 额 定 值 为 PN=2,2kW,y、 〓 160Ⅴ ,屁 N=975r/min, ” N=73.5%,Ra=1.498Ω 。 忽 略 电 枢 反 应 ,试 求 转 速 为 11001/min和 1250〃 耐 n时 的 电 枢 电流 ,并 分析 电机 的运行状态是 电动机还是发 电机? 解 由 已知额定值可得额定 电枢 电流为 烁 =瓦 {l)T=严 锰 枭 〓 ⒔ Ⅱ A 吆 〓 砾 ˉ 凡 标 = =⒍ 凼 6 屁 、 (1)当 转速为 l10Or/min时 的电动势和电枢电流分别为 E 〓 CE Φ N,I =0,13536× 1100Ⅴ =148.9Ⅴ 几 =I二 讠言:」 E=⊥ 至￡ ∵;1;∮甘 ⊥」⒉AJ翊 A 由于电枢 电压 (160V)高 于电动势 (148,9Ⅴ ),故 电机在 1100∥ min运 行时为电动机状态。 (2)当 转速为 1250r/lllln时 的电动势和电枢 电流分别为 E =CEΦ N屁 =0,13536× 1250Ⅴ =169.2V
18电机与拖动MATLAB仿真与学习指导U~ - E_ 160 - 169.2A = - 6.14AI.=R.1.498由于电枢电压（160V）低于电动势（169.2V），故电机在1250r/min运行时为发电机状态。2-18台他励直流发电机，已知其额定值为P=6kW，U、=230V：n、=1450r/min，R，=0.61Q。忽略电枢反应的影响。（1）当该发电机工作在额定转速时，试求空载电压和额定电压调整率；（2）若发电机的转速升高为额定转速的1.1倍时，在负载为11.50时，要保证230V的输出电压，则励磁电流应该怎样调节？解（1）由已知额定值可得P-6×10°Ix=UA=26.1A230当忽略电枢反应的影响时，空载与负载运行时的磁通不变，则空载电压为U=E=U+R,I.=(230+0.61×26.1)V=245.92V电压调整率为U,- UN245.92-230VRN=×100%=x100%=6.92%U230（2）负载为11.50时的电枢电流为UN230A=20A1.=R=1.5A电动势应该为E=U~+RI.=(230+0.61×20)V=233.2V根据关系E=C,Φn可知，当发电机的转速提高为额定转速的1.1倍时，若磁通不变，则电动势也会提高到额定转速时的1.1倍，因此，磁通须相应减小，即Eno=1233.2@=XΦ=0.862@ENn245.921.1忽略磁路饱和的影响时，励磁电流应该减小为I,=0.8621N。2-19一台并励直流发电机，已知其额定值为Px=82kW，U=230V，n=970r/min，电枢回路电阻R，=0.03142，励磁回路电阻R，=26.5Q。铁损耗和机械损耗为4.3kW，附加损耗按额定功率的0.5%计。试求该发电机额定运行时的电磁功率、电磁转矩，输入功率和效率。解额定电流和励磁电流分别为P-82×10I=41=356.52AUN230UR-230Ix==8.68A26.5R,-额定电枢电流为IN=I+I=(356.52+8.68)A=365.2A额定电枢电动势为E,=U+R.I.x=(230+0.0314×365.2)V=241.47V
18∷ 电 机与拖动 MATLAB仿 真与学习指导 几 =乌 〓 △ 罟 社 A— m 由于电枢 电压 (160Ⅴ )低 于电动势 (169.2Ⅴ ),故 电机在 1250″ min运 行时为发 电机状 态 。 2-18 一 台他励直流发 电机 ,已 知其额定值 为 Px=6kW,y、 〓230`,″ 、=1450r/m血 , Ra〓 0.61Ω 。忽略电枢反应 的影响。(1)当 该发 电机工作在额定转速时 ,试 求空载 电压和额 定 电压调整率 ;(2)若 发 电机 的转速升高为额定转速 的 1.1倍 时 ,在 负载为 1l,5Ω 时 ,要 保证 230Ⅴ 的输 出电压 ,则 励磁 电流应该怎样调节? 解 (1)由 已知额定值可得 r沁 =缶 =鱼 T言;:卩 二A〓 26.1A 当忽略电枢反应 的影响时 ,空 载与负载运行时的磁通不变 ,则 空载 电压为 r//。 =EN =I/N+RaraN =(230+0.61× 26,1)Ⅴ =245.92Ⅴ 电压调整率为 yRN = 三 1|ji÷ Z⊥ × 100q; = 唧 30 × 100%; = 6.92% (2)负 载为 11.5Ω 时的电枢 电流为 几 哿 〓 吴 嘿 虍 =⒛ A 电动势应该为 E=yN+Rafa =(230+0.61× 20)Ⅴ =233.2V 根据关系 E〓 CE Φ刀可知 ,当 发 电机 的转速提高为额定转速 的 1.1倍 时 ,若 磁通不变 , 则 电动势也会提高到额定转速时的 1.1倍 ,因 此 ,磁 通须相应减小 ,即 Φ =旦 斧 Φ N〓 23⒊ 2× 击 × 。 N=⒍ :62Φ N 忽略磁路饱和的影响时 ,励 磁 电流应该减小为 `f〓0.862JΛ 。 2ˉ 19 一 台 并 励 直 流 发 电 机 ,已 知 其 额 定 值 为 PN〓 82kW,〃 N〓 230Ⅴ ,乃 N〓 970r/耐 n, 电 枢 回 路 电 阻 Ra=0· O314Ω ,励 磁 回 路 电 阻 Rf=26.5Ω 。 铁 损 耗 和 机 械 损 耗 为 4.3kW,附 ,Jr 损耗按额定功率 的 0.5%计 。试求该发电机额定运行 时的电磁功率 、电磁转矩 、输人功率和 效率 。 解 额 定 电流和励磁电流分别为 f、 〓 轩 = 昱 ⒉ ∶昔扌 卫二A = 356.52A JΛ = 箐 〓 f莒 ÷;A = :· 6:A 哪 定 电 枢 电 流 为 JaN〓 Jx+r仆 =(356,52+8.68)A〓 365,2A 额定 电枢 电动势为 E、 =I/`+RaraN 〓 (230+0.0314× 3652)Ⅴ 〓 241.47Ⅴ
第2章直流电机19额定电磁功率为P.x=EI.=241.47×365.2W=88184W额定电磁转矩为Pax88184,T.x = 9. 55 =9.55×m=868.2N.m970nN额定输入功率为Pix=Pe+Pr+P+Pa=(88184+4300+0.005×82000)W=92894W发电机的额定效率为Px82000×100%x100%=88.3%mN=TPiN928942-20一台并励直流发电机，已知其额定值为U、=230V，I、=200A，n=1000r/min，电枢回路电阻R，=0.0685Q，励磁回路电阻R，=302，不计磁路饱和的影响，现将其改为并励电动机运行，并联于220V电网上。若保持电枢电流为发电机额定运行时的电枢电流，试求：（1）电动机的转速；（2）发电机额定运行时的电磁转矩：（3）电动机的电磁转矩。解（1）额定励磁电流为U230IN=R=30AA=7.667A颈定电枢电流为IN=I、+I=(200+7.667)A=207.667A专电机和电动机的电动势分别为E=Uxc+R,/.=(230+0.0685×207.667)V= 244.225VEm=U-R.lax= (220-0.0685×207.667)V=205.775V发电机和电动机的转速分别为EcEMnx =Ceoe.n=CedM因为两种运行状态的励磁电压不同，故其磁通不相等，取以上两式的比值，有EMGEulcEMUIGnEpMEIoE.UMny故电动机运行状态时的转速为EMU205.7755230n=nx:×1000r/min=880.86r/minE.UM244.225220（2）发电机额定运行时的电磁转矩为sPs = .5sEedls = 9.5 5 × 24225 ×207.67TN=9.55FN.m=484.35Nm1000nxnN（3）电动机的电磁转矩为. -9.554-9.55EMLN205.775×207.667N·m= 463.3N ·m=9.55x2880.86n2-21—台并励直流电动机，已知其额定值为Pk=15kW、U~=400V，nk=1360r/min，m%=81.2%，电枢回路电阻R，=0.811Q，励磁回路电阻R=219.22。试求额定运行时：（1）输人电流、励磁电流和电枢电流；（2）电动势和电磁转矩
第 2章 直 流 电 机 ∷冖 9 额定 电磁功率为 Pc、 〓 E、Ja、 =241,47× 365.2环 厂 =88184环 厂 额 定 电磁 转 矩 为 reIx =⒐ 55呈 尘 =⒐ 55× ::1:4N。 m 〓 86⒏ 2N· m Pl N 额定输人功率为 P1N =PeN+PFe+Ph+Pad =(88184+4300+0,005× 82000)W=92894W 发电机的额定效率为 叼 N=￡ ÷ × 100%=羰 罢 × 100%=:⒏ 3% 2-20 一 台并励直流发 电机 ,已 知其额定 值为 〃、〓230V,rx=⒛ oA,屁 N=1000〃 min, 电枢 回路 电阻 Ra=0.“ 85Ω ,励 磁 回路 电阻 Rf=30Ω ,不 计磁路饱和的影 响 ,现 将其改为并 励电动机运行 ,并 联于 220Ⅴ 电网上 。若保持 电枢 电流为发 电机额定运行时的电枢 电流 ,试 求 :(1)电 动机的转速 ;(2)发 电机额定运行时的电磁转矩 ;(3)电 动机的电磁转矩 。 解 (1)额 定励磁 电流为 JfN = 哿 = 1早 ;A = 7· 667A 颈定电枢 电流为 Ja、 =f、 +JfN 〓 (200+7,667)A =207.667A 支电机和电动机的电动势分别为 Ec 〓 r/NG+RaJa、 =(230+0.0685× 207.667)V=244.225Ⅴ EM =I/-RaJaN = (220-0,0685× 207.667)Ⅴ =205.775Ⅴ 友电机和电动机的转速分别为 Ec EM 屁 、 =CE Φ G’ 屁 =CEΦ M 因为两种运行状态的励磁 电压不 同,故 其磁通不相等 ,取 以上两式的比值 ,有 屁 EM Φ G EM`fG EM I/℃ 屁 N Ec Φ M Ec JfM Ec I/洫 故 电动机运行状态时的转速为 刀 =哿 舞 刀 N〓 ::;|i;::× 锘 × 1000∥ 洫 〓 :⒑ 86r俪 n (2)发 电机额定运行时的电磁转矩为 r灬 =⒐ 55呈 ￡ =⒐ 55旦 望 L二 =⒐ 55× 244· 225× 207.667N。 m=4:4.35N· m 屁 N Pz N (3)电 动 机 的 电磁 转 矩 为 rc =⒐ 55h=⒐ 55EMr灬 =⒐ 55× 2°5·775× 207.667N。 m 〓 46⒊ 3N· m 刀 刀 2-21 一 台 并 励 直 流 电 动 机 ,已 知 其 额 定 值 为 P、 〓 15kW,σ N=们 0V,屁 N=13ω r/而 n, 叼 N=81.2%,电 枢 回 路 电 阻 Ra=0· 811Ω ,励 磁 回 路 电 阻 R￡ =219.2Ω 。 试 求 额 定 运 行 时 : (1)输 人 电 流 、 励 磁 电 流 和 电 枢 电 流 ;(2)电 动 势 和 电 磁 转 矩