電機學第二章直流電機(完美解析).ppt

電機學ElectricMachinery,（第2章直流電機）,2.1概述,直流電機工作原理,直流電機額定值,直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,2.1.1直流電機工作原理,2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機整體結(jié)構(gòu),2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機主磁極與換向極,2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機機座,2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機電樞沖片和電樞繞組,2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機換向器,2.1.2直流電機的主要結(jié)構(gòu)部件,直流電機電刷裝置,2.1.3直流電機的額定值,額定功率：PN，單位W或kW額定電壓：UN，單位V額定電流：IN，單位A額定勵磁電壓：UfN，單位V額定勵磁電流：IfN，單位A額定轉(zhuǎn)速：nN，單位r/min額定效率：N額定轉(zhuǎn)矩：TN，單位Nm額定溫升：，單位,2.2直流電機電樞繞組,基本特點,單疊繞組,單波繞組,2.2.1電樞繞組基本特點,電樞繞組設(shè)計的基本要求電動勢大，波形好電流大，產(chǎn)生并承受的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩大結(jié)構(gòu)簡單，連接可靠便于維修換向性能好電樞繞組類型疊繞組：單疊繞組和復(fù)疊繞組波繞組：單波繞組和復(fù)波繞組蛙繞組：疊繞組與波繞組的組合,2.2.1電樞繞組基本特點,基本概念繞組元件：兩端分別與兩片換向片連接的單匝或多匝線圈。元件邊：放在槽中切割磁力線、感應(yīng)電動勢的有效邊。上（下）元件邊：放在某一槽上（下）層。端接：元件槽外的部分（前端接、后端接）。,2.2.1電樞繞組基本特點,基本概念槽內(nèi)每層元件邊數(shù)：u槽數(shù)Z與虛槽數(shù)Zi：Zi=uZ元件數(shù)S、換向片數(shù)K與虛槽數(shù)Zi：S=K=Zi,2.2.1電樞繞組基本特點,基本概念第一節(jié)距y1：兩個元件邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示極距：每個主磁極在電樞表面占據(jù)的距離，或相鄰兩主極間的距離，用弧長或虛槽數(shù)表示。y1應(yīng)接近一個極距，且為整數(shù)。整距：y1=短距：y1,2.2.1電樞繞組基本特點,基本概念第二節(jié)距y2：與同一換向器相連的兩個元件，第一個元件的下元件邊到第二個元件的上元件邊在電樞表面的跨距，也常用虛槽數(shù)表示。疊繞組，y20;合成節(jié)距y：串聯(lián)的兩個元件對應(yīng)邊在電樞表面的跨距，用虛槽數(shù)表示。y=y1+y2換向器節(jié)距yK：與每個元件相連的兩個換向器在換向器表面的跨距，用換向片數(shù)表示。y=yK,17,第一節(jié)距y1第二節(jié)距y2合成節(jié)距y換向節(jié)距yK,2.2.2單疊繞組,4極電機，Z=Zi=S=K=16單疊右行整距繞組,19,單疊繞組是把一個主極下的元件串聯(lián)成一條支路,20,并聯(lián)支路數(shù)等于極數(shù)，并聯(lián)支路對數(shù)a=2電刷放置,2.2.3單波繞組,4極電機Z=Zi=S=K=15單波左行短整距繞組,22,單波繞組：所有處于同極性下的元件串聯(lián)起來構(gòu)成一條支路,23,并聯(lián)支路數(shù)等于2，并聯(lián)支路對數(shù)a=1電刷放置位置,小結(jié),直流電機電樞繞組是無頭無尾的閉合繞組。直流電機電樞繞組至少有2條并聯(lián)支路。在直流電機中，通常用a表示并聯(lián)支路對數(shù)；單疊繞組，a=p，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于電機極對數(shù)；單波繞組，a=1，即并聯(lián)支路對數(shù)恒等于1。電刷放置的一般原則：確保空載時通過正、負電刷引出的電動勢最大；被電刷短路的元件中的電動勢為零；端接對稱的元件，電刷放置在主極軸線下的換向片上。,2.3直流電機的磁場,磁場是電機實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的媒介。主極磁場可由永久磁鐵產(chǎn)生主極磁場也可由勵磁繞組通入直流電流或由產(chǎn)生。,2.3.1直流電機按勵磁方式分類,他勵直流電機并勵直流電機串勵直流電機復(fù)勵直流電機,2.3.2直流電機的空載磁場,空載磁場（主磁場）：電樞電流Ia=0，僅由If建立的勵磁磁場。,2.3.2直流電機的空載磁場,磁通：空載是電機中的磁場是對稱分布的，分為兩部分主磁通：經(jīng)氣隙、電樞、相鄰主極下的氣隙、主極鐵芯、定子磁軛閉合。主磁通同時交鏈與勵磁繞組和電樞繞組；在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，實現(xiàn)機電能量交換；用0表示。漏磁通：經(jīng)主極間的空氣或定子磁軛閉合。不穿過氣隙；不參與機電能量交換；用表示?？偞磐ǎ簽橹鞔磐ㄅc漏磁通之和，用m表示。,2.3.2直流電機的空載磁場,磁通間的關(guān)系k主極漏磁系數(shù)，一般取值1.151.25,2.3.2直流電機的空載磁場,磁動勢F0每對極勵磁磁動勢Nf每極主極上的勵磁繞組匝數(shù)主磁路結(jié)構(gòu)五段式兩個氣隙兩個齒兩個主極一個定子軛一個轉(zhuǎn)子軛,2.3.2直流電機的空載磁場,主磁場分布氣隙磁密為平頂波,32,磁化曲線起始階段為直線其延長線為氣隙線鐵磁飽和導致磁化曲線的彎曲,2.3.3直流電機的電樞磁場,電樞繞組中的電流產(chǎn)生的磁場。主磁極的中心線稱為直軸，相鄰N極和S極的分界線稱為交軸。一般情況下，直流電機電樞磁場方向總是對準交軸，稱為交軸電樞反應(yīng)。,34,電刷位于幾何中性線上,35,電刷偏離幾何中性線,直軸電樞磁動勢,交軸電樞磁動勢,2.3.4直流電機的電樞反應(yīng),交軸電樞反應(yīng),交軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響使磁場的零點偏移；不飽和時，每極磁通量不變；飽和時，每極磁通量會減少。,38,直軸電樞反應(yīng),直軸電樞反應(yīng)對氣隙磁場的影響直軸電樞磁場軸線與主機軸線重合；直軸電樞磁場對勵磁磁場起去磁或助磁的作用；,2.3.5感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,感應(yīng)電動勢E：支路中各串聯(lián)元件感應(yīng)電動勢的代數(shù)和。電磁轉(zhuǎn)矩Tem：所有導體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的代數(shù)和。為每極磁通量，空載時由勵磁電流產(chǎn)生，負載時由勵磁電流和電樞電流共同產(chǎn)生。CE為電動勢常數(shù)CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)。,2.4直流發(fā)電機的基本特性,2.4.1基本方程,并勵發(fā)電機等效電路,2.4.1基本方程,1、電動勢平衡方程,電樞回路,Ub電刷接觸電阻電壓降，0.31V,勵磁回路,電流方程,2.4.1基本方程,2、功率平衡方程電磁功率：電樞繞組感應(yīng)電動勢E與電樞電流Ia的乘積,2.4.1基本方程,3、轉(zhuǎn)矩平衡方程轉(zhuǎn)矩平衡方程可由功率平衡方程得出,2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性,1、空載特性當n=常值、I=0時，U0=f(If)的關(guān)系曲線。,他勵發(fā)電機特性實驗接線圖,2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性,1、空載特性,他勵發(fā)電機空載特性曲線,空載特性本質(zhì)上就是通過實驗方法測定發(fā)電機實際的磁化曲線空載特性曲線測定均按他勵發(fā)電機接線方式，與電機的勵磁方式無關(guān),2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性,2、負載特性當n=常值、I=常值時，U=f(If)的關(guān)系曲線。,他勵發(fā)電機負載特性曲線,空載特性與負載特性之間存在一個特性三角形EAU。,2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性,3、外特性當n=常值、If=常值時，U=f(I)的關(guān)系曲線。,他勵發(fā)電機外特性曲線,外特性隨負載電流增大呈下降趨勢，是由電樞回路電阻壓降和電樞反應(yīng)去磁效應(yīng)引起的；機端電壓隨負載變化的程度用電壓調(diào)整率衡量,2.4.2他勵發(fā)電機的運行特性,4、調(diào)節(jié)特性當n=常值、U=常值時，If=f(I)的關(guān)系曲線。,勵磁電流隨負載電流增加而增加，以補償電樞反應(yīng)的去磁作用。鐵磁材料的飽和，使勵磁電流增加的速率還要高于負載電流。,他勵發(fā)電機調(diào)節(jié)特性曲線,2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性,1、自勵過程與條件,并勵發(fā)電機運行特性實驗接線,2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性,1、自勵過程與條件,并勵發(fā)電機自勵條件,電機有剩磁勵磁繞組連接正確勵磁回路電阻小于臨界電阻,不同轉(zhuǎn)速的臨界電阻,2.4.3并勵發(fā)電機的自勵條件和外特性,2、外特性當n=常值、If=常值時，U=f(I)的關(guān)系曲線。,并勵發(fā)電機外特性,外特性下降快，有“拐彎”電壓調(diào)整率可達20%穩(wěn)態(tài)短路電流小,2.4.3復(fù)勵發(fā)電機的特點,復(fù)勵發(fā)電機：勵磁繞中既含有并勵繞組，又含有串勵繞組的直流發(fā)電機，包括積復(fù)勵發(fā)電機（并勵繞組其主要作用）和差復(fù)勵發(fā)電機（串勵繞組其主要作用）,復(fù)勵發(fā)電機實驗接線,2.4.3復(fù)勵發(fā)電機的特點,復(fù)勵發(fā)電機外特性,復(fù)勵發(fā)電機外特性曲線,2.5直流電動機的基本特性,2.5.1基本方程,并勵電動機等效電路,2.5.1基本方程,1、電動勢平衡方程電樞回路電壓方程電樞繞組電勢Ra電樞回路總等效電阻,2.5.1基本方程,勵磁回路電壓方程Rf=rf+rj勵磁回路總電阻電流方程,2.5.1基本方程,動態(tài)情況下的電動勢平衡方程電樞回路勵磁回路,2.5.1基本方程,2、功率平衡方程電功率平衡方程電磁功率電樞銅耗勵磁繞組銅耗,2.5.1基本方程,3、轉(zhuǎn)矩平衡方程穩(wěn)態(tài)動態(tài),2.5.2工作特性,工作特性電動機運行時轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩Tem和效率與負載P2的關(guān)系曲線。直流電動機的工作特性因勵磁方式而異。工作特性通常用實驗方法確定。,2.5.2工作特性,1、并勵電動機工作特性實驗電路,2.5.2工作特性,（1）并勵電動機速率特性n=f(P2)（2）并勵電動機轉(zhuǎn)矩特性Tem=f(P2)（3）并勵電動機效率特性=f(P2)工作特性實驗電路,2.5.2工作特性,2、串勵電動機串勵電動機工作特性接線,2.5.2工作特性,2、串勵電動機串勵電動機工作特性,2.5.2工作特性,3、復(fù)勵電動機復(fù)勵電動機工作特性實驗電路,2.5.3機械特性,直流電動機機械特性：在U=UN=常值時，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem之間的關(guān)系曲線n=f(Tem)。并勵電動機,2.5.3機械特性,串勵電動機,2.6直流電力傳動,電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),直流電機的調(diào)速,直流電機的起動,直流電機的制動,2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),電力傳動的定義：用各種電動機作為原動機拖動生產(chǎn)機械，產(chǎn)生運動，電力傳動也稱為電力拖動。直流電力傳動是由直流電動機來實現(xiàn)的。,2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),運動方程,轉(zhuǎn)動慣量,對于均勻圓柱體,對于同心圓柱體,2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),1、多軸旋轉(zhuǎn)系統(tǒng),轉(zhuǎn)動慣量,2、直線運動系統(tǒng),轉(zhuǎn)動慣量,2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件穩(wěn)定運行：電機與生產(chǎn)機械組成的拖動機組已運行于某一轉(zhuǎn)速，若外界短時擾動（負載突變）使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的變化在擾動消失后能隨之消失，即機組能自行恢復(fù)到原來的速度，則稱機組的運行是穩(wěn)定的，否則為不穩(wěn)定運行。,2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件穩(wěn)定運行時機組的機械特性,2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件不穩(wěn)定運行時機組的機械特性,2.6.1電力傳動系統(tǒng)基礎(chǔ),穩(wěn)定運行條件當機組n0時，有T=Tem-TL0，使機組速度自行上升；即可使機組穩(wěn)定運行。即負載機械特性曲線的切線斜率要大于電動機機械特性曲線的切線斜率。,2.6.2直流電機的起動,電動機起動問題的引出機械系統(tǒng)：電動機產(chǎn)生足夠大的電磁轉(zhuǎn)矩克服機組的靜止摩擦轉(zhuǎn)矩、慣性轉(zhuǎn)矩以及負載轉(zhuǎn)矩。電氣系統(tǒng)：起動瞬間n=0，E=0，Ra很小，因此起動電流很大。起動電流大將導致：電網(wǎng)電壓突然降低；電機本身遭受巨大電磁力的沖擊。因此，電動機起動時限制起動電流非常必要。,2.6.2直流電機的起動,電動機起動方法直接起動：只限于小容量電動機。電樞回路串電阻起動：通過增大電樞回路電阻達到降低起動電流的目的，完成起動后將起動電阻切除。降壓起動：抑制起動電流最為有效，同時可節(jié)約能量。,2.6.3直流電機的調(diào)速,直流電動機具有寬廣、平滑、經(jīng)濟的調(diào)速特性，常見的調(diào)速方式有：電樞回路串電阻調(diào)速：增加電樞回路損耗，效率低，只適合降速調(diào)節(jié)。改變勵磁電流調(diào)速：幾乎不影響電動機效率，但只適合升速調(diào)節(jié)。改變端電壓調(diào)速：轉(zhuǎn)速既可上升也可下降，配合勵磁調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍更寬，是一種普遍應(yīng)用的調(diào)速方式。,2.6.4直流電機的制動,電機制動包括機械制動和電磁制動機械制動：由機械方式產(chǎn)生的制動力矩，如摩擦片、制