電機與電氣控制（第二版）課件：直流電機的運行

１．了解直流電機的磁場和電樞反應(yīng)對電機工作的影響。２．掌握電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的基本概念。３．熟悉直流電機的基本方程式和工作特性。４．了解直流電機產(chǎn)生火花的原因和改善換向的方法。５．學(xué)會直流發(fā)電機工作特性的測試方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)

直流電機的運行任務(wù)引入直流電動機通電啟動后，為了高效經(jīng)濟地利用它，就需要了解直流電動機的效率在什么情況下最高？與哪些因素有關(guān)？一臺機床的負載大小會根據(jù)加工零件和加工工藝的不同而改變，這就要求直流電動機能根據(jù)負載的不同而改變其力矩的大小、轉(zhuǎn)速的高低，那么電動機的力矩與哪些因素有關(guān)？直流電機在工作時，電刷與換向器之間難免會產(chǎn)生火花，可以用哪些方法來減小火花呢？直流發(fā)電機有時候需要輸出較高的電壓，有時候又需要較低的電壓，那么應(yīng)該如何來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小呢？直流電機的上述問題都需要由電氣技術(shù)人員來解決，因此本任務(wù)就來熟悉直流電機的運行性能，掌握它的測試方法。相關(guān)知識一、直流電機的磁場和電樞反應(yīng)１．空載時的主磁場磁通從N極出來，經(jīng)過氣隙、電樞齒、電樞磁軛進入S極，再經(jīng)過定子磁軛回到N極，形成一個閉合回路。這部分磁通穿過電樞繞組，電樞轉(zhuǎn)動時，能在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，一旦電樞繞組中有電流流過，能夠產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這種磁通稱為主磁通Φ。直流電機的空載磁場２．負載時的電樞磁場電樞磁場和電樞反應(yīng)３．電樞反應(yīng)（１）氣隙磁場發(fā)生畸變每一磁極下，電樞磁場與主磁極磁場一半方向相同，一半方向相反。因此，主磁極磁場的一半被削弱，另一半被加強，此時磁場為零的物理中性線與幾何中性線在位置上發(fā)生偏離。（２）對主磁場起附加去磁作用在磁路不飽和時，主磁極磁場被削弱的數(shù)量恰好等于被加強的數(shù)量，因此負載時每極下的合成磁通量與空載時相同。二、直流電機的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩１．電樞電動勢電樞繞組示意圖電樞電動勢Ea可按下式計算：２．電磁轉(zhuǎn)矩直流電機總的電磁轉(zhuǎn)矩T

的大小可以表示為：在同一臺直流電機中，電樞電動勢常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)是恒定的，兩者之間有如下關(guān)系：三、直流電機的換向１．換向過程直流電機在工作時，繞組元件連續(xù)不斷地從一條支路退出而進入相鄰的支路。電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷轉(zhuǎn)入另一條支路，元件中的電流改變方向，稱為換向。直流電機電樞繞組元件的換向過程２．產(chǎn)生火花的原因直流電機的電路中由于存在電刷和換向器之間的動接觸，因此在運行時難免會出現(xiàn)或多或少的火花。產(chǎn)生火花的原因是多方面的，除了電磁原因外，還有機械原因，換向過程中還伴隨有電化學(xué)、電熱等因素，它們互相交織在一起，所以相當(dāng)復(fù)雜。３．改善換向的方法（１）安裝換向極換向極裝設(shè)在相鄰兩個主磁極之間，換向極繞組產(chǎn)生的磁動勢方向與電樞反應(yīng)磁動勢的方向相反，大小比電樞磁動勢略大。直流電機換向極電路與極性（２）正確移動電刷當(dāng)電機運行于電動機狀態(tài)時，電刷應(yīng)逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動；而運行于發(fā)電機狀態(tài)時，電刷則應(yīng)順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動。（３）正確選用電刷不同牌號的電刷具有不同的接觸電阻，選擇合適的電刷能改善換向。（４）裝設(shè)補償繞組

補償繞組嵌置在主磁極表面的槽內(nèi)，其中流過的是電樞電流，所以補償繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)，其電流方向與對應(yīng)磁極下電樞繞組的電流方向相反，顯然它產(chǎn)生的磁動勢與電樞反應(yīng)磁動勢方向相反，從而抵消了電樞反應(yīng)的影響。四、直流電機的基本方程式１．直流發(fā)電機的基本方程式他勵發(fā)電機的勵磁繞組是由其他直流電源提供電流的，其電樞在原動機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)（輸入機械能），切割勵磁繞組的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過換向器和電刷對外輸送直流電能。直流他勵發(fā)電機的工作原理圖（１）電壓方程式（２）轉(zhuǎn)矩方程式（３）功率方程式直流他勵發(fā)電機的功率方程式為：直流他勵發(fā)電機的功率關(guān)系２．直流電動機的基本方程式并勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由同一直流電源供電。接通直流電源后，勵磁繞組中流過勵磁電流If，建立主磁場；電樞繞組中流過電樞電流Ia，電樞電流與主磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，使電樞朝轉(zhuǎn)矩T

的方向以轉(zhuǎn)速n

旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機械能，帶動生產(chǎn)機械工作。直流并勵電動機的工作原理圖（１）電壓方程式（２）轉(zhuǎn)矩方程式（３）功率方程式直流并勵電動機的功率方程式如下：直流并勵電動機的功率關(guān)系五、直流發(fā)電機的工作特性１．空載特性直流他勵發(fā)電機的空載特性是指當(dāng)發(fā)電機轉(zhuǎn)速為常數(shù)，電樞電流Ia=0時，發(fā)電機端電壓U0

與勵磁電流If

之間的關(guān)系，即U0=f(If)，空載特性可用其曲線來表示。直流他勵發(fā)電機空載特性曲線２．外特性直流他勵發(fā)電機的外特性是指轉(zhuǎn)速不變、勵磁電流不變時，輸出端電壓U

與負載電流Ia

之間的關(guān)系，即當(dāng)n=常數(shù)，If=常數(shù)時，U=f(Ia)的關(guān)系。直流他勵發(fā)電機的外特性３．調(diào)整特性直流他勵發(fā)電機的調(diào)整特性是指保持轉(zhuǎn)速和端電壓不變，即n=nN、U=UN

時，If=f（Ia）的關(guān)系曲線。直流他勵發(fā)電機的調(diào)整特性六、直流并勵發(fā)電機的自勵過程直流并勵發(fā)電機建立電壓的過程為：當(dāng)原動機驅(qū)動發(fā)電機以額定轉(zhuǎn)速nN

旋轉(zhuǎn)時，因為主磁極有剩磁Фr，電樞繞組切割此剩磁通產(chǎn)生電樞電動勢Er；此Er

在勵磁回路中產(chǎn)生勵磁電流If1。如果極性正確，If1

在磁路里產(chǎn)生的磁通與剩磁通Φr

方向一致，這樣主磁路里的總磁通將增加為Φ1(Φ1>Φr)，于是電樞繞組切割Φ1

產(chǎn)生電樞電動勢E1(E1>Er)，E1

又產(chǎn)生勵磁電流If2(If2>If1)。當(dāng)Φ

趨于飽和時，E

也趨于穩(wěn)定，直到工作點A時，由U0產(chǎn)生的勵磁電流為If0，而If0也是產(chǎn)生U0

所需的勵磁電流，因此A

點是個穩(wěn)定工作點。整個過程如圖所示。直流并勵發(fā)電機這種自己建立工作電壓的過程叫自勵。直流并勵發(fā)電機的接線圖直流并勵發(fā)電機建立電壓的過程（１）電機必須有剩磁。（２）勵磁繞組的接線與電樞旋轉(zhuǎn)的方向必須正確配合，使勵磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁通方向一致。（３）勵磁回路的總電阻應(yīng)小于與發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。任務(wù)實施一、任務(wù)準(zhǔn)備二、繪制并連接直流他勵發(fā)電機的工作電路三、測試直流