【華中科技大學】《電機學》（國家級精品課） P13 - 13. 13-教學錄像-直流電機（九）

上一期課我們講了直流電動機的基本方程 首先我們是建立它的數學模型 在此基礎上根據這個電路的模型我們推出它的方程式 然後分析了它的功率平衡 以及直流電動機中間的損耗 再就是它的轉矩平衡 直流電動機的工作特性 就是指直流電動機輸出功率發生變化的時候 它的效率轉速電磁轉矩效率變化的這樣一個關係 這是一個實驗的電路圖 這個實驗我們要做 我們下面是以一個並立的電動機爲例 這是它的實驗結線 粒磁繞組和電束繞組並聯 這是外加一個直流電壓 這一邊在電束迴路我們要串一個電阻RST 這個電阻我們稱之爲啓動電阻 這是可調的 我們下面要講到 在粒磁迴路也要串一個調節電阻 可調電阻 這個電阻是來調節粒磁電流的大小的 啓動的時候 我們要把電束迴路所串的這個電阻調到最大 粒磁迴路這個電阻要調小 也就是說啓動的時候要使得粒磁電流比較大 電束迴路 看這個電阻就是限流的 限制它的啓動電流的 啓動完了之後 這個電束迴路外串的這個電阻要把它去掉 把它調到0 那麼做這個實驗 我們要測量這幾個 一個是轉速電磁轉矩 一個是效率 這三個量 然後輸出功率 這個軸上轉軸上帶一個機械負載 調節輸出的機械負載的大小 來測量這三個量 這兩個量可以直接測量 這個量效率是計算出來的 效率等於輸出 就P2比P1 P1是什麼呢 P1就是這裏頭的電壓乘電流 所以在做這個實驗的時候 我們這個粒磁電流 用多大的粒磁電流 那麼所以在這個實驗室 在粒磁電流保持一定 電輸的這個電壓 外加的這個電壓保持一定 這兩個前提條件下 然後改變輸出功率來測量的 這個粒磁電流要調到額定粒磁電流 這裏外加要加一個額定電壓 這個額定粒磁電流是怎麼 什麼是額定粒磁電流呢 就是指 這個時候直流電動機輸出額定功率 這個電流達到額定電流 這個時候 這個粒磁電流就叫做額定粒磁電流 所以做這個實驗的時候 首先把額定粒磁電流調出來 調好了之後 這個粒磁電流就不動了 因爲你這個電壓不變 然後你這裏頭的電阻不變 那麼這裏頭的粒磁電流是不變的 你再改變軸上的機械負載 將它體現出來的是什麼呢 就是這個裏頭的電束電流 這條直路里頭的電流會發生變化 那麼以前 我們這輸出的機械功率不好測 我們也用這個電束電流來代替它 電束電流因爲p2變化逼人 電束電流會變 所以也用安德魯跟這個電束電流的關係曲線來代替這個曲線 現在我們這個都可以測了 我們將來做實驗 這個轉軸上會有一個轉矩測量儀 它可以同時測它的轉速 測它的轉矩 以及它的功率 當然這個功率實際上是轉速跟轉矩一乘 那麼這個功率也出來了 這個是都可以直接測的 當然我們這個電磁轉矩不好測 我們測的實際上是p2輸出轉矩 那我們把這個扣掉之後就可以得到電磁轉矩 下面我們分析一下 我們實驗最後得到的這三條線 這個實驗你做出來了之後 我們可以發出這個曲線 這個三條曲線的形狀就是這樣一個形狀 轉速是一個略微下降的 電磁轉矩是從這樣一個近似趴物線上升的 而效率是開始增加 到某一個時候 某一個輸出某一個功率的時候 效率達到最大 然後它又會下降 這是我們做實驗之後就會得到這樣一個曲線 下面我們就要分析一下 根據我們現在已經學過的知識 你要分析爲什麼工作特性是這樣一個曲線的形狀 我們下面一條條地來分析 怎麼分析 根據你電機學過的知識 要來解釋你將來實驗中間出現的一些現象 這是我們電機學裏頭的一個基本的 要掌握的方法 首先我們你怎麼解釋 你還是離不開我們這幾個方程式 最重要的就是它的電壓的方程式 這個方程式是根據直流電機外加電壓 等於它的感應電路是C1Φn 加上電數軌的電阻壓加 根據這個公式出來的 那麼現在我們要分析轉速 跟輸出功率的變化 那麼我們首先把這個轉速 這個公式表達出來 就是上面的這個式子 電磁轉矩等於輸出轉矩 加上空載制動轉矩 這個T2就是軸上輸出的轉矩 T0就是空載制動轉矩 就是由鐵號機械省號附加省號 這幾個對應的一個制動轉矩 輸出轉矩又等於輸出功率除上角速度 所以這樣跟P2建立聯繫 那麼轉速怎麼跟P2建立聯繫呢 你看這幾個這個式子裏頭的這個電壓 我們前面講了 這個電壓是給一個不變的 你外加一個額定電壓上去 U不變 RA電輸迴路的總電阻也是不變 這是個常數 電路是常數 跟電機結構有關也是不變的 現在這個磁通變不變 阻磁通起進入什麼 阻要起進入什麼 力次電流 如果是力次電流不變 但是這個能不能說它 這個電輸電流肯定是要變 然後這個磁通電輸電流變成磁通變不變 爲什麼變呢 由於電輸這個電輸電流要產生電輸反應磁場 電輸反應磁場它有去磁的作用 但是它也就是說它的變化會引起它的很小的變化 但是不會很大 所以讓我們來看 所以說P2變 我們上幾個講了P2變 爲什麼IA就變了 還記不記得 P2變了之後 爲什麼電輸電流就變 不要忘了啊 P2變輸出功率變 輸出功率如果是增加 輸入功率必然是增加 這功率要從輸入來 輸入功率啊 那就是U乘着I就會增加 這個I裏頭包括粒子電流和電輸電流 那麼粒子電流是一個不變的 所以電輸電流必然增加 所以我們現在分析輸出功率從0開始上升 也就是輸出功率P2增加 IA就增加 IA增加 那麼通過轉速這個表達式分子就是要減小 IA增加 分子被減小 電輸回落的電阻壓降增加 所以分子要下降 分子要下降 那麼我們再看分母 分母的時候要考慮到電輸反應有一個去遲 這個電流增加了嗎 它的去遲作用就加強 所以會導致Phi會降低 但這個降低降低不多 那麼這樣來看 分子也下降 分母也下降 所以這個轉速就很難說了 那你就看哪個降的快一些 如果分子下降的快一些 那麼曲線就是下降的 如果分子下降慢一些 那麼反過來這個轉速會增大 這就值得你去想一想 你這種電機一般的輸出功率增加 它的轉速還有可能是上升的 就是你負載帶的越重 它反而跑得快了 這到底怎麼控制這個 這就靠你設計的時候來考慮了 你設計的時候 我們一般的爲了安全起見 通常要求這條線要它是下降的 就是輸出功率增加的時候 需要你的轉速要降低 這樣比較安全 否則的話你的輸出功率越大 它轉速反而越來越大 這從機械角度來講是不安全的 所以我們設計的時候要保證 也就是說這個電數反應 確實作用不能太強 你設計的時候不能太強 如果電數反應確實作用太強的話 就會造成這個轉速反過來上升 所以我們設計的時候保證 要保證這個分子要下降得快一點 分母要慢一點 所以這個曲線要保持一個下降的 但是總體上來說 並立直流電動機 它的轉速在輸出功率變化的時候 它的轉速變化不會太大 也就是說它基本上 它的轉速在輸出功率變化這個範圍內 變化很小 當然我們也有個衡量的 一個衡量怎麼衡量呢 一般的請額定功率這一點的轉速 講這一點的轉速 對應的就是額定轉速 P2等於0的時候 這個相當於空載轉速 這個轉速是N0 我們有一個指標就是 N0-NN 再比除以N 也就是利用這一點 這個之間的一個到底 也就是Delta N 就是N0-NN就是這一段 這一段比這個N來衡量 它的轉速的變化率 這個叫轉速的變化率 一般的直流電機的轉速變化率 是在3%到4% 就是並立電機 就是額定負載時的轉速 跟空載時候的轉速相比 它大約要下降3%到4% 這就是第一條特性 轉速爲什麼是這樣一個曲線 好第二條曲線 我們來看電磁轉矩 電磁轉矩根據這個表達式 這個表達式 現在電磁轉矩是兩項構成的 首先我們看這一項 這一項就是T2 T2就等於T2除以角速度 現在角速度在根據前面的分析 並立直流電機 電動機它在輸出功率變化的時候 它的轉速基本上是不變的 所以T2乘比例增加的時候 要是這個ω這個變化很小 那麼說明T2這條線就應該是 幾乎是一個線性的上升的 T2等於0的時候 T2大家看這個紅顏色的線 T2肯定就等於0 沒有輸出功率 所以它在負載的制動轉矩等於0 隨着T2的增加 所以T2幾乎是線性的 但是它不是完全的 因爲考慮到這個n有一點下降 所以它是一個比較小的 一個近似的拋物線這樣上升 那麼再看這個T0 這個T0我們前面討論過了 這個T0就是由 這個T0就是由於鐵號 機械省號加上副駕省號 再除以一個角式度 這三個省號我們前面分析了 鐵號和機械省號主要是跟什麼有關呢 體積是什麼 上一節課分析了 體積與轉速 機械省號是包括通風和軸上的摩擦 所以你轉得越快 這個省號就越大 鐵號是跟轉子鐵芯中間磁場交變的頻率 那麼轉子鐵芯中磁場交變頻率又是 那就起進入轉速了 你轉速轉得快 那麼鐵芯裏的交變得越快 所以這兩個省號都是跟轉速有關的 那麼病理電機在轉速 在T2變化的中間 這個轉速變化很小 所以這個量基本上是不變的 T0基本上不變 T0再加上T2就得到的是電磁斬矩 所以電磁斬矩相當於把T2這條線把它往上平移了一個T0 這就是電磁斬矩的曲線 這個分析大家一定要學習怎麼分析 所以這裏頭你看大家都不是很嚴格 你如果說定量的計算 因爲這裏頭我們都說你是哪些量 是大致的是一個多少的一個範圍 你說這個T0完全變不變 也不是完全不變 但是我們在定性的分析中間 就可以分析出來 這就要求大家對電機學的基礎知識 你掌握的怎麼樣 這就反映出來 所以這個我們要在平時課堂 包括我們的練習中間慢慢地體會 我們再來看第三條曲線就是效率 這個效率我們怎麼來看 效率等於輸出比輸入 你單純從這個式子上來看 不好比較 P2在變 這個P怎麼變呢 不好比 但是我們首先看P2等於0的時候 這個效率怎麼樣 肯定是等於0的 所以效率的起點肯定是0 那麼P2上升的時候 我們說P2上升P1也要上升 那怎麼比 所以我們下面再來把它感化一下 P1減去所有的省號 輸入功率減去所有的省號 這個省號包括幾項 五項 同號 同號包括電速回落的同號 力速回落的同號 並列電機 再就是鐵號機械省號附加省號 那麼這樣就得到1減去一個 這個又把它變成P2加上一個Sigma P 同號加上P0 而改成這個式子再來分析就好分析了 P2從0開始上升 這些省號變不變 我們再來分析一下 P0是叫轟載省號 就是鐵號加戒指加附加省號 剛纔我們已經分析了 在P2變化過程中間 就是轉速變化很小 所以這個叫不變省號 它在P2變化的過程中間 P0基本上是保持不變的 而同號是跟I的平方R 電阻的交而省號 它是跟電流的平方成正比的 P2上升過程中間 I會上升 所以電束迴路的電阻省號 就是跟它的平方關係上升 所以這個叫普變省號 P2上升意味着同號要上升 同號會快速的上升 轟載的時候P2等於0的時候 I也很小 它只需要很小的一點電束電流 來克服這個負載轉矩 所以同號很小 隨着P2的上升 那麼同號要迅速地增加 然後你再看這個式子來看 再看這個式子 這兩個分母它是交了這個 在P2比較小的時候 這兩個省號裏頭 P0是主要部分 P2比較小 電束電流比較小 同號比較小 所以總省號中間 普變省號P0 轟載省號是一個主要部分 P2它是一個主要部分 它佔的比例比較小 所以P2的 隨着P2的上升 這個式子應該是一個怎麼樣啊 應該是一個減小的 隨着P2的上升 這個量應該是減小的 所以這個效率 它減掉一個 不但減小的 所以這一個量 效率應該是上升的 隨着P2的上升 它應該上升 但是如果是達到一定的程度 當這一個同號 成爲一個主要部分的時候 它比這個P0還大 達到一定的程度 它成爲主要部分 再隨着P2的上升 那麼它是以 以電流的平方關係來上升 所以它分子將來會上升得快一些 上升快一些 那麼這個量就反過來就要增大 增大的結果 那這個效率就反過來就要下降 所以到一定的程度 這個效率會下降 我們可以分析 當同號等於鐵號的時候 當同號等於空載省號的時候 這兩個省號相等的時候 這個效率會達到最大 空載省號 也就是說 或者是叫不變省號跟可變省號相等 不變省號等於可變省號的時候 這個時候效率就達到最大 同號成爲主要部分 成爲省號中間的主要部分 這個時候P2上升 這個效率反過來下降 所以它的曲線就是一個 這樣一個一個拋物線 它有一個最大效率 這個最大效率 那麼我們設計的時候 通常要設計到額定點左右 也就是你在額定工作的時候 它的效率要是最好的 所以我們說電機額定值附近工作 它的性能要最好 它的效率是最大的 你如果是長期 你這個電機長期是在一個 比較不到額定負載工作 它的效率並不高 如果超過了 它的效率也不高 當然超過了之後 超過額定了之後 那麼其他的問題就來了 它的承受能力 導線 發熱會帶來這些問題 是不能夠長期運行的 這就是我們通過實驗 這個線我們要來分析 得出來工作特性 這個曲線的形狀 我們要能夠通過我們所學的知識 來進行理論上 來進行定性的分析 這是第一個工作特性 這是病理電機的 他理電機怎麼樣啊 他理電機的工作特性 跟病理電機是一樣的 他理電機就是粒子電流 跟這個沒關係嘛 那麼所以它跟病理電機是一樣 它的工作特性是一樣的 串理電機 下面我們看串理電機 這個裏頭 我們還有一個問題要給大家講一下 就是正在運行的病理直流電動機 如果是粒子迴路 這個運行的時候 這個粒子迴路如果是斷線了 有什麼原因 就是這個線 比方說這個接線這地方弄掉了 那麼它正在運行的時候 會出現什麼現象 這是可能出現的 我們以前做實驗的時候 也發生過 它原來這個接線很多啊 接線它就不小心 把這個地方這個線 接到這上的這個粒子之後 把它這個線拉掉了 那現在你來分析一下 正在運行的病理直流電動機 粒子迴路 斷線 想一想 你還是得通過有關的式子來分析 這個粒子迴路斷線 意味着什麼 實際上就是什麼 粒子電流 等於0 粒子電流等於0 那麼意味着 你通過這個式子來看 φ就怎麼樣 如果是φ等於0 那會什麼樣呢 你單純從這個式子來看 假設粒子電流等於0 那就φ等於0 那麼這個n不就是無窮大了嗎 但是我們現在來分析的時候 φ一般的來講 不會完全等於0 這個電機總會有甚次的 這個φ就會變得很小 我們在第一章裏頭不是講了 磁化曲線嗎 當你的極力爲0的時候 它的這個磁力並不爲0 有很小一點叫甚次 永磁材料這個甚次就非常大 但是一般的硅鋼片甚次會非常小 就是有很小一點 那也就是說 這個φ一下子變得下降了很多 那麼單純說 這個時代如果φ下降很多的話 那麼這個n也會變得很大 對不對 但是我們還要考慮一個問題 Ia會變 如果是這一下子變得很大 分子一減了之後也差不多爲0了 它比它 你這個變得很小 比如說變成燃料的5% φ一下子變成燃料的5% 但是我這個量一減了之後 也會變成燃料的5%的話 那麼會是比還更小的話 那麼這個展數有可能是下降的 但是也有可能上升 所以這個時候就看 看你燃來的電流 電數電流是多大 所以它有兩種可能的情況 一種可能的情況就是 如果是燃來的負載很輕 燃來如果是負載很輕 我們現在看轉速到底變不變 實際上是起究什麼 轉速到底變不變應該起究什麼 實際上是起究你的最後反應 真正反應的是你的轉矩 你的拖動轉矩跟負載的制動轉矩 轉速要發生變化 你的拖動轉矩就是電磁轉矩 跟總的制動轉矩 就是T2加T0 這個關係平衡關係要打破 根據牛頓運動定律 就是這個式子要打破 這是它的動態常運行 電磁轉矩跟負載轉矩相等 所以這個角加速度等於零 電極人數旋轉 你要是轉速發生變化 就是這個平衡被打破 電磁轉矩如果比負載轉矩大 它就要升速 它比它小它就減速 所以這個時候你要考慮到 真正是要考慮到這個裏頭 要考慮到電磁轉矩是等於這個量的 現在φ要單線的時候 φ會變得很小 變得很小 如果是這個Ia一下子變得很大 那麼這個時候你要分析了 所以負載很輕的時候 意味着什麼呢 負載原來很輕的 就是原來的這個Ia本身就比較小 那也就是說T2T0 這個整個素質比較小 比較小 現在你這個φ下降了 這個電流就要迅速上升 這個電流迅速上升 實際上你要根據這個式子來看 你還是根據這個式子來看 你這個電流應該是等於U減去一個C1φN除一個2A 現在這個磁通突然下降 轉速在這個審時 機械上肯定是來不及變化 那麼這個感應電動是C1φN就要迅速下降 所以電負電流就會迅速上升 迅速上升的結果 就是φ乘上Ia這個結果 它比原來還要 比原來這個平衡狀態還大 負載很輕 所以這個時候電磁轉矩會大於T2T0 所以這個轉速要上升 轉速上升 它一定要到什麼程度呢 轉速上升了之後 那麼這個C1φN它又會上升 上升的結果 這個電流又會下降 所以它可能到很高的轉速下達到平衡 就原來本來是1400 1500轉 像最後它轉速上升到3000多轉 它又達到平衡 那麼這種情況 實際上你是 理論上來說 在很高的轉速是可以達到新的平衡的 但實際上你本來是設計了1500的電機 最後它是跑到3000轉去了 那麼這個時候它機械上是受不了的 所以這個時候叫轉速上升的時候 我們把這種情況叫飛速 這個飛速的結果導致電機機械上損壞 一般的電機在設計的時候 機械上是按照1.5倍到2倍的速度來考覈的 但是你這種情況下超過這個速度 那麼馬上電機會損壞掉 所以這個一定我們要注意 逆時回落不能夠單線 這是負載比較輕的情況 當然還有一種可能 如果原來負載很重 那也就是T2加T0本身很大 你現在這一個突然單線的時候 造成電池電流上升 這個轉速增大 這個不一定增大了 這個它減小很多 它要上升 但是它上升的這兩個作用的結果 比原來這個T2加T0還小 達不到你這個大不了 那麼這個時候就會出現 負載很重的時候就會出現 這個電池轉矩小如T2加T0 所以這個時候的N就要下降 一直到下降到N等於0 就是停轉 電機停轉 但是電機停轉這個時候並不意味着 我電機就沒事 那麼這種的後果是什麼 線路燒掉了 因爲電輸電流很大 這個電輸電流很大 電輸電流很大 所以你這個時候 這個電流 那麼最後這個電輸電流 如果是電機停掉 電輸電流等於多少 U除以RA 對不對 電機一停掉之後 這個N等於0 所以這個電流 你看我們前面通過這個題目 我們看到一個220伏的電機 220伏 那麼CE5就是這個N 這個E佔了多少 一般的佔了200多伏 你現在這個220伏 全部加到這個電阻上 這個電阻只有零點幾毫米 我們前面舉了一個例子 所以這個電阻就非常非常大 它是額內電阻的幾十倍 那麼這個時候也把繞阻燒掉 電輸繞阻 所以這也是不允許的 不管是負載輕還是負載重 正在運行的電機 一定要避免力次迴路 淡電 負載輕的時候會導致飛速 那麼飛速的時候 不光是機械上損壞 還有一個安全性的問題 安全性 我們以前做實驗的時候 很早以前 那個時候我們那個節線都是 一個根的線去接 不像現在我們都是往上插的 這種比較好一點 那個時候發生過這種情況 這個聲音非常 非常刺耳的聲音尖叫起來 所以這個時候你們要注意 所以我們每個實驗臺上 有一個緊急按鈕 反正你這個最快的話 因爲保險有時候 一般我們有保險的 有保險的它應該把燒掉了 但是以前那個時候剛好 以前我們那個保險都是自己換 可能剛好它燃了燒掉之後 它自己換 它沒注意 它把那個保險 它搞了很粗的一個保險上去了 結果那個保險就燒不掉 燒不掉的時候 那麼一直到 一直到 非常高的速度 後來我們老是跑過去把它 整個電彈掉 因爲直流電機它還有個問題 就是你一發生這種情況 它這個電刷火 反向片這個地方一片火光 因爲我們說反向的 就是機械反向就這個問題 機械反向的時候 因爲你轉速很高 那麼它導體的電流在不停的 它每次經過這個反向片的時候 電刷的時候要反向 那麼這個時候dI dT很高 所以這個導致一片火光 這個發煙器這一塊 嚴重的情況下就形成一個緩火 就像它這樣燒起來 所以這個大家一定要注意 好 休息一下