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直流电机基本原理

  直流电机基本原理 李小鹏 副教授 天津工程师范学院 第二章 直流电机基本原理 主要内容 ? 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 ? 2.2 直流电机的电枢绕组 ? 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 ? 2.4 感应电动势和电磁转矩 ? 2.5 直流发电机及其运行特性 ? 2.6 直流电动机及其运行特性 ? 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 ? 2.8 换向 共8节 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.1.1 直流电机的基本工作原理 1、直流电机的构成 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.1.1 直流电机的基本工作原理 2、直流发电机的基本工作原理 右图为直流发电机的物理模型, N、S为定子磁极,abcd是固定在 可旋转导磁圆柱体上的线圈,线圈 连同导磁圆柱体称为电机的转子或 电枢。线圈的首末端a、d连接到两 个相互绝缘并可随线圈一同旋转的 换向片上。转子线圈与外电路的连 接是通过放置在换向片上固定不动 的电刷进行的。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2、直流发电机的基本工作原理 当原动机驱动电机转子逆时针 旋转 1800 后 ,如右图。 导体ab在S极下,a点低电 位,b点高电位;导体cd在N极 下,c点低电位,d点高电位; 电刷A极性仍为正,电刷B极性 仍为负。 可见,和电刷A接触的导体总 是位于N极下,和电刷B接触的导 体总是位于S极下, 英国:法拉第 比利时:格拉姆(实用化) 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 ωt=0°时,A端为☉,与之相接触 的电刷B1为+,X端为⊕,与之相 接触的电刷B2为-;当电枢旋转了 90°后,即ωt=90°时,X端旋转 到N极下,X端为☉,A端旋转到S 极下,A端为⊕。 线圈AX地感应电势波形图 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 换向器作用 从分析中可得出: N极下导体电势指向纸外,电 刷B1总为+;S极下导体电势指向纸 内,电刷B2总为-,不难看出,线圈 中的电势是交流电势,而通过换向 器的作用,使电刷间的电势为直流 电势。 电刷B1与B2间的电动势波形图 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2、直流发电机的基本工作原理 英国:锂琦 换向器和电刷作用 ? 换向器和电刷的共同作用:①将线圈中的交流 电势整流成刷间的直流电势;②把转动的电路 与外面不转的电路连接。 线圈AX地感应电势波形图 电刷B1与B2间的电动势波形图 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2、直流发电机的基本工作原理 换向器和电刷作用 从刷间电势波形看,电势脉动很大,为了减小电势的 脉动程度,实际电机采用很多元件组成电枢线圈, 均匀分布在电枢表面,并按一定规律连接,刷间串 联元件数增多,脉动减小,就得到所需的直流电。 线圈AX地感应电势波形图 电刷B1与B2间的电动势波形图 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 3、直流电动机的基本工作原理 直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。 在磁场作用下,N极性下导体 ab受力方向从右向左,S 极下导体 cd受力方向从左向右。该电磁力形 成逆时针方向的电磁转矩。当电磁 转矩大于阻转矩时,电机转子逆时 针方向旋转。 把电刷A、B接到直流电源上, 电刷A接正极,电刷B接负极。此时 电枢线圈中将电流流过。如右图。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 3、直流电动机的基本工作原理 当电枢旋转到右图所示位置时 原N极性下导体ab转到S极下, 受力方向从左向右,原S 极下导体 cd转到N极下,受力方向从右向左。 该电磁力形成逆时针方向的电磁转 矩。线圈在该电磁力形成的电磁转 矩作用下继续逆时针方向旋转。 同直流发电机相同,实际的 直流电动机的电枢并非单一线圈, 磁极也并非一对。 俄国:雅克比 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 3、直流电动机的基本工作原理 换向器和电刷的作用 ? ①将刷间的直流电逆变成线圈中的交流电; ? ②把外面不转的电路与转动的电路连接。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.1.2 直流电机的基本结构 直流电机结构图 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 主磁极 换向磁极 电刷装置 机座 端盖 电枢铁心 电枢绕组 换向器 转轴 轴承 定子 直 流 电 机 转子 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 1、定子 ? ? 定子由主磁极、换向极、电刷装置、机座等组成。 主磁极由主极铁芯和励磁绕组组成,铁芯用1~1.5mm 的钢板冲片叠成,外套励磁绕组。主磁极的作用是 建立主磁场,它总是成对出现,N、S极交替排列。 换向极也由铁芯和绕组组成,铁芯一般是由整块钢 组成,换向极安放在相邻两主磁极之间,它的作用 是改善电机的换向。 电刷装置由电刷、刷握、刷杆、压紧弹簧等组成, 它的作用是连接转动和静止之间的电路。 机座作用是固定主磁极等部件,同时也是磁路的一 部分。 美国:爱迪生 ? ? ? 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 主磁极、换向极、电刷装置示意图 主磁极与换向极示意图 电刷装置图 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2、转子(电枢) ? 转子由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等 组成。 ? 电枢铁芯一般用0.5mm涂过绝缘漆的硅钢片叠 压而成,作用是嵌放电枢绕组,同时它又是电 机主磁路的一部分。 ? 电枢绕组由绝缘导线绕制成的线圈(又称绕组元件) 按一定规律联接组成,每个元件两个有效边分别嵌 放在电枢铁芯表面的槽内,元件的两个出线端分别 与两个换向片相连。电枢绕组的作用是产生感应电 势和电磁转矩,是实现机电能量转换的枢纽。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 换向器由许多相互绝缘的换向片组成,作用是将 电枢绕组中的交流电整流成刷间的直流电或将刷间 的直流电逆变成电枢绕组中的交流电。 德国:西门子公司(铜) 美国:福布斯(石墨) 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 3、气隙 为了使电机能够运转,定子和转子之间 要 留有一定大小的间隙,此间隙称为气隙,它 是主磁路的一部分。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.1.3 励磁方式 直流电机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的 方式。除永磁式微直流电机外,直流电机的磁场都是 通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不 同可分为四种:他励、并励、串励和复励。 英国:希奥斯(他) 1、他励 励磁绕组接在独立的电源上,与电枢绕组无关。 2、并励 英国:怀尔德 励磁绕组与电枢绕组并联。 3、串励 励磁绕组与电枢绕组串联。 4、复励 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 直流发电机的励磁方式 1、他励:直流电机的励磁电流 由其它直流电源单独供给。如图 所示。 他励直流发电机的电枢电流 和负载电流相同,即: ? I ? Ia U G ? I ? Ia If F ? U ? 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2、并励:发电机的励磁绕组与电 3、串励:励磁绕组与电枢绕组 枢绕组并联。且满足 I a ? I ? I f 。 串联。满足 I a ? I f ? I 。 ? U G ? I ? U ? I Ia If Ia G F F If 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 4、复励:并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组, 一个与电枢绕组串联,一个与电枢绕组并联。 ? U ? ? I U G ? I Ia I f1 G Ia I f1 F If2 F If2 F 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.1.4 直流电机的额定数据(铭牌数据) 额定值 是制造厂对各种电气 设备(本章指直流电机)在指定 工作条件下运行时所规定的一些 量值。在额定状态下运行时,可 以保证各电气设备长期可靠地工 作。并具有优良的性能。额定值 也是制造厂和用户进行产品设计 或试验的依据。额定值通常标在 各电气的铭牌上,故又叫铭牌值。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 为使用户正确使用电机,电机制造厂在每台电机的机座上都 钉一块金属牌,上面标有电机的工作条件和根据国标制定的额定 数据(又称额定值),该标牌称为铭牌,如图所示。 直流电动机 型 号 Z2-72 产品编号 7001 结构类型 ____ 励磁方式 他励 功 率 22kW 励磁电压 220V 电 压 220V 工作方式 连续 电 流 116.3A 绝缘等级 B级 转 速 1500r/min 重 量 __kg 标准编号 JB1104-68 出厂日期 __年__月 直流电机铭牌 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.1.4 直流电机的额定数据(铭牌数据) 额定功率PN:电机在铭牌规定的额定状态下运行时,电机的输 出功率,以Kw表示; 发电机——额定功率指线端输出的电功率; 电动机——轴上输出功率; 额定电压UN: 电机在额定状态下电枢线端电压,以V表示; 额定电流IN: 电机在额定电压运行,输出功率为额定功率时, 电机线电流,以A表示; 额定转速nN: 电机在额定状态下转子的转速,以r/min表示; 额定励磁电流IfN: 电机在额定电压运行,输出功率为额定功率 时,励磁绕组线端电流,以A表示; 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2.1.4 直流电机的额定数据(铭牌数据) 电机使用时注意事项(1) 在实际运行时,电机各物理量在额定值时的运行, 称为额定运行。电机处于额定运行状态,具有良好的 性 能,工作可靠。当电机电流小于额定电流时的运行,称 为欠载运行,电机长期欠载,效率不高,造成浪费;当 电机电流大于额定电流时的运行,称为过载运行,长期 过载,使电机过热,降低使用寿命甚至损坏电机。所以 额定值是选择电机的依据,应根据实际使用情况,合理 选择电机容量,使电机工作在额定运行状态。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 国产电机主要系列 国产直流电机的系列产品代号采用大写汉语拼音字母 表示,型号采用汉语拼音字母和阿拉伯数字组合表示,例 如:“Z2-72”表示直流电动机、第二次改进设计型,“7” 表示机座号,7后面的2表示长铁芯(2号表示长铁芯,1号 表示短铁芯)。 国产直流电机的主要系列说明如下: 1)Z2系列是普通中小型直流电机。该系列直流电机有发电 机、调压发电机、电动机等。其工作方式为连续的。电机 仅用于正常的使用条件,即非湿热地区,非多尘或无有害 气体场所,非严重过载或无冲击性过载要求的情况下。系 列容量范围从0.4~220kW,采用E级和B级绝缘。新设计的 Z4系列电动机,可以取代Z2、Z3系列直流电动机。 2.1 直流电机的工作原理和基本结构 2)ZZJ系列 ZZJ系列是一种冶金起重辅助传动直流电动机, 适用于轧钢机、起重机、升降机、电铲等。该系列 电动机的传动惯量低、过载能力大,速度反应快。 因而能经受快速而频繁的起动、制动与反转。 其它系列的直流电机型号、技术数据可从产品 目录或相关的手册中查到。 2.2 直流电机的电枢绕组 转子绕组也称为电枢,是直流电机进行能量转换的核心部件。 无论是在发电机还是电动机,它们的电枢绕组在电机磁场中旋转, 都会产生感应电动势。当电枢绕组中有电流时,会产生电枢磁通势, 它与气隙磁场相互作用,产生电磁转矩。电动势与电流的乘积为电 机功率,电磁转矩与电枢旋转机械角速度的乘积为机械功率。可见 能量转换的过程中,电枢绕组起着重要的作用。 2.2.1直流枢绕组基本知识 元件:构成绕组的线圈称为绕组元件,分单匝和多匝两种。 有效部分 端部部分 2.2 直流电机的电枢绕组 元件的首末端:每一个元件均引出两根线与换向片相连,其 中一根称为首端,另一根称为末端。 第一节距 y1 :一个元件的两个有效边在电枢表面跨过的距离。 第二节距 y2 :连至同一换向片上的两个元件中第一个元件的 下层边与第二个元件的上层边间的距离。 2.2 直流电机的电枢绕组 合成节距 y :连接同一换向片上的两个元件对应边之间的距离。 换向节距:同一元件首末端连接的换向片之间的距离。 ? 极距:相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间的距离,用 表示。 ?? ?D 2p 2.2 直流电机的电枢绕组 2.2.2单叠绕组 单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节 y 距均为1,即: ? yk ? 1 。 单叠绕组的的特点: 1) 同一主磁极下的元件串联成一条支路,主磁极数与支路 数相同。 2)电刷数等于主磁极数,电刷位置应使感应电动势最大,电 刷间电动势等于并联支路电动势。 3)电枢电流等于各支路电流之和。 2.2 直流电机的电枢绕组 2.2 直流电机的电枢绕组 美国:爱迪生 2.2 直流电机的电枢绕组 单叠绕组的的特点: 1) 同一主磁极下的元件串联成一条支路,主磁极数与支路数相同。 2)电刷数等于主磁极数,电刷位置应使感应电动势最大,电刷间 电动势等于并联支路电动势。 3)电枢电流等于各支路电流之和。 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 直流电机工作中,主磁极产生主磁极磁动势,电枢电流产生 电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势的影响称为 电枢反应。 2.3.1直流电机的空载磁场 直流电机空载是指电机对外无功率输出、不带负载空转的一种 状态。直流电机空载时,励磁绕组内有励磁电流,电动机电枢电流 很小可忽略而发电机电枢电流为零,这时电机的磁场由励磁电流单 独建立。 右图为一台四极直 流电机空载时的磁场示 意图。 当励磁绕组的串联匝数 为 N f ,流过电流为 I f , 每极的励磁磁动势为: Ff ? I f N f 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 主磁通 漏磁通 磁力线由N极出来,经气隙、 直流电机中,主磁通是主要的,它能在电枢绕组中感应 磁力线不进入电枢铁心, 电枢齿部、电枢铁心的铁轭、 电动势或产生电磁转矩,而漏磁通没有这个作用,它只是增 直接经过气隙、相邻磁极 电枢齿部、气隙进入S极,再 加主磁极磁路的饱和程度。在数量上,漏磁通比主磁通小得 或定子铁轭形成闭合回路 经定子铁轭回到N极 多,大约是主磁通的20%。 主磁路 漏磁路 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 2.3.1直流电机的空载磁场 如果不考虑电枢表面齿槽效应,假设电枢表面是光滑的, 根据磁路定律可推出气隙磁密反比于气隙长度,即有Bδ∝1/δ。 主磁极下的气隙小,而且均匀,气隙磁密分布均匀;在主磁 极极靴尖,气隙增大,磁阻增大,磁密下降;在极靴尖外, 气隙迅速增大,气隙磁密急剧下降,在相邻两极的空间分界 线上,磁密降为零。我们称气隙磁密沿电枢表面空间分布的 波形为平顶波,也可称之为钟形曲线 直流电机空载和负载时的磁场 2.3.1直流电机的空载磁场 为了感应电动势或产生电磁转 矩,直流电机气隙中需要有一定量 的每极磁通 ? 0 ,空载时,气隙磁 通 ? 0 与空载磁动势F f 0 或空载励磁 电流 I f 0 的关系,称为直流电机的空 载磁化特性。如右图所示。 ?0 ?N A 为了经济、合理地利用材料, 一般直流电机额定运行时,额定磁 通? N 设定在图中A点,即在磁化特 性曲线开始进入饱和区的位置。 0 I fN If0 If F f 0 IN 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 2.3.2 负载时直流电机的磁场 直流电机负载运行时,电枢电流Ia不为零,气隙中的磁势由励 磁电流If产生的励磁磁势Ff和电枢电流Ia产生的电枢磁势Fa共同建立。 右图表示由电枢电流单独产生的电 枢磁场,根据电枢电流方向和右手螺旋 定则,可判断电枢磁势的轴线与电刷轴 线(也是几何中心线)重合,并与主磁 极轴线正交,故电刷位于几何中心线上 时的电枢磁势也是交轴电枢磁势。 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 如果认为直流电机电枢上 有无穷多整距元件分布,则电 枢磁动势在气隙圆周方向空间 分布呈三角波,如图中 Fax 所 示。 由于主磁极下气隙长度基 本不变,而两个主磁极之间, 气隙长度增加得很快,致使电 枢磁动势产生的气隙磁通密度 为对称的马鞍型,如图中Bax 所示。 Bax Fax 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 图b表示仅由励磁电流产生的空载磁场。假设电机磁路不 饱和,可利用叠加原理,得到负载时气隙磁场如图c所示。 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 当励磁绕组中有励磁电 流,电机带上负载后,气隙 中的磁场是励磁磁动势与电 枢磁动势共同作用的结果。 电枢磁场对气隙磁场的影响 称为电枢反应。电枢反应与 电刷的位置有关。 1、当电刷在几何中性线上 时,将主磁场分布和电枢 磁场分布叠加,可得到负 载后电机的磁场分布情况, 如图所示。 德国:楞次 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 电枢磁场磁通 密度分布曲线 B?x 主磁场的 磁通密度 分布曲线 两条曲线逐点叠加后得 到负载时气隙磁场的磁 通密度分布曲线 直流电机空载和负载时的磁场 由图可知,电刷在几何中性线时的电枢反应的特点: 1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢 反应的影响,每一个磁极下,一半磁场被增强,一半被削弱,物理 中性线偏离几何中性线 ? 角,磁通密度的曲线)、对主磁场起去磁作用 磁路不饱和时,主磁场被削弱的数量等于加强的数量,因此每 极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部,主 磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高,铁心磁阻增大,增加的 磁通少些,因此负载时每极磁通略为减少。即电刷在几何中性线时 的电枢反应为交轴去磁性质。 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 当电刷不在几何中性线上时 电刷从几何中性线偏 移? 角,电枢磁动势 轴线也随之移动 ? 角,如图(a)(b)所示。 这时电枢磁动势可以分 解为两个垂直分量:交 轴电枢磁动势 Faq 和直 轴电枢磁动势 Fad 。如 图(a)(b)所示。 2.3 直流电机空载和负载时的磁场 电刷不在几何中性线时的电枢反应可用下列表格说明 电刷顺转向偏移 电刷逆转向偏移 发电机 电动机 交轴和直轴去磁 交轴和直轴助磁 交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁 2.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 无论是在发电机还是电动机,它们的电枢绕组在电机磁场中旋 转,都会产生感应电动势。当电枢绕组中有电流时,会产生电枢磁 通势,它与气隙磁场相互作用,产生电磁转矩。电动势与电流的乘 积为电机功率,电磁转矩与电枢旋转机械角速度的乘积为机械功率。 2.4.1 直流电机的电枢电动势 产生:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电 枢电动势。 直流电机电枢绕组的感应电势是指从一对正负电刷之间引 出的电势,也称为电枢电势,记作Ea。 2.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 如果设N为电枢绕组的总导体数,a为并联支路对数, Bav为一个磁极内的平均磁密,l为导体的有效长度,v为导 体切割磁场的速度,则电枢电势为: N E ? B lv 2a a av B?x Bax B0 x Bav:一个磁极内的 平均磁密 BaV 2.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 ? n N 将式 B ? 和 v ? 2 p? 代入 E ? B lv ?l 60 2a N? n pN l ? 2 p? ? ?n 得: E ? 2a ?l 60 60a av a av a pN 令: C ? 60a e 称为电势常数,它是与电机结构有 关的参数。 e 得: E ? C ?n a 可见,直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速 有关。 性质: 发电机——电源电势(与电枢电流同方向); 电动机——反电势(与电枢电流反方向)。 2.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 2.4.2 直流电机的电磁转矩 产生:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用, 该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。 大小: 直流电机的电磁转矩是指电枢上所有载流导体在磁场中 受力所形成的转矩的总和。设D为电枢直径,N为电枢总 导体数,fav每根导体平均所受的力,则电磁转矩为: T ? f av D D ? I a 2 p? pN N ? Bav lia N ? l N? ? I a ? CT ? I a 2 2 ?l 2a 2? 2?a 2.4 直流电机的电枢电动势和电磁转矩 即有: T em pN 称为转矩常数, ? CT?I a 式中 CT ? 2?a 它也是与电机结构有关的参数。 结论: 制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。 性质: 发电机——制动(与转速方向相反); 电动机——驱动(与转速方向相同)。 电势常数与转矩常数之间的关系式: pN CT 2?a ? 60 ? 9.55 ? pN 2? Ce 60a 即: CT=9.55Ce 2.5 直流发电机及其运行特性 直流发电机是将原动机输入的机械能转变为直流电能的电气 设备,即有:机械能→直流电能。 2.5.1 直流发电机稳态运行时的基本方程式 直流发电机的基本方程式与励磁方式有关,励磁方式不同, 基本方程式略有差别。下面以他励直流发电机为例,介绍其基 本方程式。我们以发电机惯例,规定直流发电机各物理量正方 向如图所示。 他励直流发电机惯例 2.5 直流发电机及其运行特性 2.5.1 直流发电机稳态运行时的基本方程式 1、电枢电动势和电动势平衡方程 电枢电动势:Ea ? Ce ?n ? U ? 刷与换向器表面的接触压降。则电动势平 衡方程为: Ra为电枢回路总电阻, ?Ub 为正负电 2 Ia T1 n E ? U ? I R ? 2?U ? U ? I R a a a b a ? G ? I f Ea T0 Tem a 从方程式可见,直流发电机 Ea ?U ? Uf ? 2.5 直流发电机及其运行特性 2、电磁转矩和转矩平衡方程 电磁转矩: Tem ? CT ?I a 直流发电机轴上有三个转矩:原动机输入给发电机的驱动转 矩 T1 、电磁转矩 Tem 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩T0 。平衡 方程为: T1 ? Tem ? T0 3、励磁特性公式 直流发电机的励磁电流 每极气隙磁通 U If ? Rf ? ? f (I a , I f ) 2.5 直流发电机及其运行特性 2.5.2 功率关系 从原动机输入的机械功率为: P1=Pem+P0 式中:P1为输入的机械功率; Pem为电磁功率; P0为空载损耗。 空载损耗等于铁损pFe、机械摩擦损耗pm、附加损耗pad, 即:p0=pFe+pm+pad 其中附加损耗又称杂散损耗,一般难以精确计算。靠 经验估算约为额定功率PN的0.5%~1%。 2.5 直流发电机及其运行特性 2.5.2 功率关系 电磁功率为: pN 2? pN Pem ? T ? ? ? CT ?I a ? ?I a n? ?nI a ? E a I a 2?a 60 60 a 电磁功率一方面代表电动势为Ea的电源输出电流 I a 时发出的电 功率,具有电功率性质,一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所 消耗的机械功率,具有机械功率性质。所以电磁功率是机电能量转 换的桥梁。 输出的电功率 P ? P ? P 2 em Cua P :电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜 Cua 损耗 2.5 直流发电机及其运行特性 2.5.2 功率关系 他励直流发电机功率流程图: 他励直流发电机功率流程图 2.5 直流发电机及其运行特性 他励直流发电机的总损耗为 Σp=pFe+pm+pad+pCua,即: Σp=p0+pCua P2 P1 ? ? p ?p ? 1? 效率为: ? ? ? P1 P1 P2 ? ? p ,即有: ?p ? ? 1? P ??p 2 2.5.3 他励直流发电机的运行特性 发电机的运行特性是指发电机运行时,端电压U、负载电 流I、励磁电流If这三个基本物理量之间的函数关系。一般保持 其中一个物理量不变,讨论剩余两个量之间的关系,这种函数 关系就是运行特性。 2.5 直流发电机及其运行特性 1、空载特性 I U 定义:当 n ? C1 、 ? 0 时, ? f ( I f ) 空载时,U ? Ea 。由于 Ea ? Ce?n, 因此空载特性实质上就是 Ea ? f ( I f ) 。由 于 Ea 正比于 ? ,所以空载特性曲线的形 状与空载磁化特性曲线相同。 直流发电机的空载特性是非线性的 的,上升与下降的过程是不相同的。实 际中通常取平均特性曲线作为空载特性 曲线。 空载特性曲线上升分支 U 平均空载特性曲线 If 空载特性曲线 直流发电机及其运行特性 空载特性可以由实验测出,实验接线图如所示。 实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据,在测取的数 据中应包含额定点,电压可测取到U0=±(1.1~1.3)UN为止,线性 部分测取的数据可稀疏一些,非线性部分测取的数据可密集一些, 这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线,一般取 平均值作为空载特性曲线,如图中虚线所示。另外,特性曲线与转 速有关,实验时一定要保持额定转速。 2.5 直流发电机及其运行特性 2、外特性 U 定义:当n ? nN 、I f ? I fN 时, ? f (I ) U 外特性曲线 并励 由曲线可见,负载电流增大时,端电压 有所下降。 0 I 根据 U ? Ce?n ? I a Ra 可知,端电压下降有两个原因:一是 在励磁电流一定情况下,负载电流增大,电枢反应的去磁作用使 每极磁通量减少,使电动势减少;另一个原因是电枢回路上的电 阻压降随负载电流增大而增加,使端电压下降。 2.5 直流发电机及其运行特性 电压变化率 发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率(或称电 压调整率)表示。电压变化率是指发电机从额定负载(U=UN, I=IN)过渡到空载(U=U0,I=0)时,电压升高的数值与额定电压 的百分比,即: U ?U ?U % ? 0 N UN ? 100% 通常他励直流发电机的电压变化率ΔU%约为(5~10)%。 3、调节特性 I 定义:当 n ? C1 、U ? C2 时, f ? f (I ) 外特性曲线如图所示 If 由曲线可见,在负载电流变化时,若保持 端电压不变,必须改变励磁电流,补偿电枢反 应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。 0 I 2.5 直流发电机及其运行特性 2.5.4 并励直流发电机的运行特性 并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的,而端电压是在励 磁电流作用下建立的,这一点与他励发电机不同。并励发电机建立 电压的过程称为自励过程,满足建压的条件称为自励条件。 自励条件 曲线为空载特性曲线为励磁回路总电阻R f 特性曲线, 也称场阻线 U ? ? I f R f 。 f U R 增大R f ,场阻线时, f 称为 临界电阻 Rcr 。如图所示。 U0 3 2 A 1 若再增加励磁回路电阻,发电机将 不能自励。 0 If0 If 2.5 直流发电机及其运行特性 并励 直流 发电 机接 线图 原动机带动发电机旋转时,如果主磁 U 极有剩磁,则电枢绕组切割剩磁通感应电 动势。在电动势作用下励磁回路产生 。 U0 If 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确, 产 If 生与剩磁方向相同的磁通,使主磁路磁通 If 增加,电动势增大, 增加。如此不断增 长,直到励磁绕组两端电压与 相等时, I f Rf 0 达到稳定的平衡工作点A。 3 2 A 1 If0 If 2.5 直流发电机及其运行特性 可见,并励直流发电机的自励条件有: (1)电机的主磁路有剩磁 (2)并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确 (3)励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻 实际应用中,并励直流发电机自励而电压未能建立时,应先 减小励磁回路的外串电阻,看电压是否能建立,不行再改变励磁 绕组与电枢绕组连接的极性,若电压还不能建立,则应考虑可能 没有剩磁,充磁后,再进行自励发电。 2.6 直流电动机及其运行特性 2.6.1 直流电机可逆原理 直流电机的运行是可逆的,同一台电机既可在一定条件下作 发电机运行,又可在另一条件下作电动机运行,如在原动机的拖 动下,可作为发电机,将输入的机械能转变为电能;如在电枢两 端输入直流电能,可作为电动机,将输入的电能转变为机械能。 以他励电机为例说明可逆原理: 把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行, 保持不变。 U 保持发电机的U 不变,减少原动机的输出功率,发电机的转 速下降。当 n下降到一定程度时,使得Ea ? U ,此时I ? 0,发 P 电机输出的电功率 2 ? 0 ,原动机输入的机械功率仅仅用来补偿 电机的空载损耗。继续降低原动机的 n ,将有 Ea ? U , I a 反向, 这时电网向电机输入电功率,电机进入电动机状态运行。同理, 上述的物理过程也可以反过来,电机从电动机状态转变到发电机 状态。 一台电机既可作为发电机运行,又可作为电动机运行,这 就是直流电机的可逆原理。 2.6 直流电动机及其运行特性 2.6.2 直流电动机的基本方程式 直流电动机是将输入的直流电能转变为机械能的电气设备, 即有:直流电能→机械能。 他励(并励)直流电动机方向性惯例 2.6 直流电动机及其运行特性 2.6.2 直流电动机的基本方程式 如图规定各物理量的参考方向 电机的基本方程如下: ? U ? Ea ? Ce?n U ? Ea ? I a Ra ? 2?Ub ? Ea ? I a Ra Ea ? U Tem ? CT ?I a Ia Tem ? M ? I f Ea n T0 T2 Tem ? T2 ? T0 P ? P ? P ? Tem? ? Ea I a em 1 Cua P ? P ? P ? P ? (P ? P ? P ) 2 em 0 em mec Fe ad ? Uf ? 2.6 直流电动机及其运行特性 他励直流电动机的功率流程图 并励直流电动机功率流程图 2.6 直流电动机及其运行特性 2.6.3 直流电动机的工作特性 直流电动机工作特性是指在U=UN,If=IfN,电枢回路不外串电 阻的条件下,转速n、转矩T、效率η与输出功率P2之间的关系曲线。 实际运行中,电枢电流Ia是随P2增大而增大,又便于测量,故也可 把转速n、转矩T、效率η与电枢电流Ia之间的关系曲线、转速特性 n 定义:当 U ? U N 、 ? I fN 时, ? f ( I a ) I UN Ra ? Ia 由方程式可得 n ? Ce ? Ce ? n n 忽略电枢反应的去磁作用,转 速与负载电流按线性关系变化。如 图所示。 0 I 2.6 直流电动机及其运行特性 2、转矩特性 T n Tem T2 T I 定义:当 U ? U N 、 ? I fN 时,em ? f ( I a ) 转矩表达式 Tem ? CT ? N I a 考虑电枢反应的作用,转矩上升的速度 T0 比电流上升的慢。如图所示。 3、效率特性 n 0 Ia ? 定义:当 U ? U N 、 ? I fN 时, ? f ( I a ) I 由方程式可得 n? P ??P 1 P 1 2 P ? Ra I a ? 1? 0 U N Ia 2.6 直流电动机及其运行特性 空载损耗为不变损耗,不随 负载电流变化,当负载电流较小 时效率较低,输入功率大部分消 耗在空载损耗上;负载电流增大, 效率也增大,输入的功率大部分 消耗在机械负载上;但当负载电 流增大到一定程度时铜损快速增 大此时效率又变小。如图所示。 ? ? 0 Ia 如果不变损耗等于可变损耗时,效率最高,效率特性的这个 特点,对其它电机、变压器也适用,具有普遍意义。 2.6 直流电动机及其运行特性 4、串励直流电动机的工作特 性 当负载电流较小时,电机磁路不饱和,每极气隙磁通与励磁 电流呈线性关系。即: ? ? k f I f ? k f Ia 转速特性 Ra ? R f UN Ra I a UN n? ? ? ? Ce ? Ce ? k f Ce I a k f Ce ? n Tem ? Tem 当负载电流为零时,电机转速趋于无穷大, 所以串励电动机不宜轻载或空载运行。 2 转矩特性 Tem ? CT ?I a ? k f CT I a n Ia 0 当负载电流较大时,磁路饱和,串励电动机的工作特性与他 励电动机相同。曲线 直流电动机的固有特性和人为特性 在电动机的运行中,转速与转矩之间的关系最为重要,我们 把它称为机械特性,即n=?(T)。 2.7.1 固有机械特性 他励直流电动机的固有机械特性是指:在电源电压U=UN, 气隙磁通Ф=ФN,电枢外串电阻RΩ=0时,n=?(T)的固有机械特 性。 其数学表达式为: UN Ra n? ? T ? n0 ? ? N ? T ? n0 ? ?n N 2 Ce? N Ce CT ? N 式中 Ra ?N ? 2 Ce CT ? N 称为斜率,ΔnN为额定负载时的转速降。 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 他励直流电动机固有机械特性 他励直流电动机固有机械特性是一条过理想空载点 (n=n0,T=0)斜率很小的硬特性曲线时, 实际空载转速为n0。 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 2.7.2 人为机械特性 每台电动机只有一条固有机械特性,当改变电气参数如变 电源电压、或变气隙磁通、或变电枢外串电阻时,所得到的机 械特性,称为人为机械特性。 1、电枢回路串电阻时的人为机械特性 电枢回路串电阻时的人为机械特性是指:在电源电压U=UN, 气隙磁通Ф=ФN,改变电枢外串电阻RΩ时,n=?(T)的机械特性, 其数学表达式为: UN Ra ? R? n? ? T ? n0 ? ? ? T ? n0 ? ?n 2 Ce? N Ce CT ? N 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 Ra ? R? 式中: ? ? 2 Ce CT ? N 称为人为特性的斜率,当改变外串电阻RΩ的大小,可得 到一簇人为特性曲线,如图所示。 ? 电枢回路 串电阻时 的人为机 械特性 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 特性的特点是: ①理想空载点n0与固有机械特性的相同; ②斜率β随外串电阻RΩ的增大而增大,使特性变软。电枢回路 串电阻时的人为机械特性可用于电机起动和调速。 2、改变电枢电源电压时的人为机械特性 改变电枢电源电压时的人为机械特性是指:在气隙磁 通Ф=ФN,电枢外串电阻RΩ=0,改变电枢端电压时, n=?(T)的机械特性,其数学表达式为: Ra U U n? ? T? ? ? NT 2 Ce? N Ce CT ? N C e? N 式中UUN。 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 Ra U U n? ? T? ? ? NT 2 Ce? N Ce CT ? N C e? N 改变电枢电源电压时的人为机械特性 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 特性的特点是: ①与固有机械特性比斜率β没变,即特性硬度没变; ②特性的理想空载点n0随电压的下降而变小,是一簇平行特 性。改变电枢电源电压时的人为机械特性可用于调速。 3、减少气隙磁通时的人为机械特性 减少气隙磁通时的人为机械特性是指:在电源电压U=UN, 电枢外串电阻RΩ=0,改变气隙磁通Ф时,n=?(T)的机械特性,其 数学表达式为: UN Ra n? ? T 2 Ce? Ce CT ? 式中气隙磁通ФФN。 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 减小气隙磁通时的人为机械特性 特性的特点是: ①与固有机械特性比斜率β随磁通Ф减少而变大,特性变软; ②特性的理想空载点n0随气隙磁通Ф减少而变大,故特性上移。 减少气隙磁通时的人为机械特性也可用于调速。 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 2.7.3 根据铭牌数据估算机械特性 直流电动机的固有机械特性可通过实验测得,也可根据铭 牌数据估算求得。其它各种人为机械特性则可根据固有机械特 性求得。 由于固有机械特性是一条直线,一般通过求取两个特殊 点(理想空载点和额定工作点),再将这两点连成直线便可 得到固有机械特性。 ①求理想空载点(n0,0) UN 计算理想空载转速公式为: n0 ? Ce? N 式中 E aN U N ? I N ? Ra C e? N ? ? nN nN 2.7 直流电动机的固有特性和人为特性 电枢回路电阻Ra,可实测或根据经验公式估算。一般 直流电动机额定运行时的铜损约占总损耗的一半至三分之 二,则Ra的估算式为: 1 2 U N I N ? PN ? 103 Ra ? ( ~ ) (?) 2 2 3 IN 根据上述公式可计算出理想空载转速n0。 ②求额定工作点(nN,棋牌。TN) 根据铭牌数据可得额定转速nN,而计算电磁转矩公式为: TN ? CT ? N I N ? 9.55Ce? N I N 2.8 换向 从前面分析直流电机工作原理可知,直流电机电枢绕组里的电 势和电流是交变的。电机运行时,元件会随电枢的运转从一条之路 经过电刷换到另一条之路,元件电流改变方向,这一过程称为换向, 换向也是直流电机特有的问题,换向的好坏,直接影响直流电机的 运行性能。 换向过程 2.8 换向 换向之中:如图(b)所示,电刷与换向片1、2同时接触,1号元 换向之前:如图(a)所示,电刷与换向片1接触,1号元件中的 换向之后:如图(c)所示,电刷与换向片2接触,1号元件中的电 电枢上的每个元件在经过电刷时都要换向,元件的换向时 件被短接,元件中的电流正从+ia向-ia变化。 间称为换向周期,记作:Tk。 流ia从上层边流向下层边,电流为-ia,元件处于左支路。 电流ia从下层边流向上层边,设为+ia,元件处于右支路。 2.8 换向 直线换向 如果当换向元件中各种电动势为零,被电刷短接的闭合回路就 不会出现环流,元件中的电流大小由电刷与相邻两换向片的接触面 积决定,电流随时间均匀变化,即有:i=?(t),我们把这种换向称为 直线换向,如图曲线所示,直线换向是理想换向,电机不会出现 火花。 换向元件中 的电流变化 2.8 换向 换向元件的感应电势 实际电机换向时,换向元件中Σe≠0。换向元件中存在以下电 动势: (1)自感电动势eL di 换向元件中电流变化时产生的自感电动势 e L ? L dt (2)互感电动势eM 同时换向的几个元件中相互产生的互感电动势, e M di ?M dt 通常把自感电动势eL与互感电动势eM之和称为电抗电动势er, 即:er ? eL ? eM di ? Lr dt 。电抗电动势总是阻碍换向元件中 的电流变化的,er方向应与换向前元件的电流方向一致。 2.8 换向 电枢反应电动势ea 换向元件处在几何中心线上,主磁场在此区域磁同密度Φ0=0, 但电枢磁密Φa≠0,在刷位正常时最大,换向元件切割电枢磁场产生 电枢反应电动势ea,其方向与er相同,也是阻碍换向元件中的电流 变化的。 改善换相的方法 由于换向元件中的Σe=ea+er≠0,则在被电刷短接的闭合回路中 就有环流ik产生,设闭合回路的总电阻为ΣR,环流为: ?e ea ? er ik ? ? ?R ?R 环流的存在使换向元件在换向过程中电流不随时间直线变化, 电流的变化比直线所示,这种换向称为延迟换 向。延迟换向使电刷电流密度不均匀,电刷后部电流密度比前部大, 因此在电刷后部出现火花。 2.8 换向 为了改善换向,应使ik=0,想办法产生ek,使ek大小等于ea+er, 方向与ea+er的方向相反,则Σe=0。如果ek作用大于ea+er,则电流 变化如图曲线所示,这种换向称为超前换向,超前换向使电刷前 部出现火花。 改善换向的方法是加装换向磁极。在几何中心线处加装换向磁 极,换向绕组与电枢绕组串联,使Bk∝Ia,换向磁极的极性与电枢 磁场极性相反,以抵消ea+er的作用。小容量的电机,因为体积有限, 无换向磁极,一般用移刷的方法来改善换向。 2.8 换向 加装换向磁极的极性与电路 2.8 换向 环火原因和克服环火的方法 由前面介绍的直流电机电枢反应内容可知,电枢反应使 气隙磁密发生畸变,使位于Bδmax处的元件所连接的两换向片 之间的电压增大,此电压超过一定限度,可能出现环火,即 在正、负电刷之间出现电弧,环火能使电机在很短时间内损 坏。为了防止环火,可在主磁极的极靴中加装与电枢绕组串 联的补偿绕组,它所产生的磁势应与电枢磁势相反。 谢谢观看,再见!

时间:2020-06-08 14:38