[學(xué)習(xí)]孫建忠電機(jī)與拖動第2章直流電機(jī)動態(tài)版

1、大連理工大學(xué)電氣工程系,2.6 直流發(fā)電機(jī)的運行分析,2.5 直流電動機(jī)的運行分析,2.4 電流電機(jī)的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,2.3 直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng),2.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和額定值,2.1 直流電機(jī)的工作原理,第 2 章 直流電機(jī),2.1 直流電機(jī)的工作原理,一、直流電動機(jī)的工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,換向片,電刷,,,i,e,F,直流電流,交流電流,電磁轉(zhuǎn)矩（拖動轉(zhuǎn)矩）,換向,機(jī)械負(fù)載,Φ

2、,旋轉(zhuǎn),,反電動勢,做功,,,電樞繞組,電源,直流電動機(jī)的工作原理,二、直流發(fā)電機(jī),,,－E＋,－E＋,,,,,,,,,,,原動機(jī),感應(yīng)電動勢、電流,輸出直流電,Φ,換向,電磁轉(zhuǎn)矩（阻轉(zhuǎn)矩）,,,做功,,,e,F,線圈的電動勢波形,,,eabcd,,,t,,,電刷間的電動勢波形,eAB,t,直流電機(jī)的關(guān)鍵：換向器和電刷的配合。,主磁極,,,2.2 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和額定值,直流電機(jī)的結(jié)構(gòu),（產(chǎn)生勵 磁磁場）,（產(chǎn)生

3、電動勢，流過電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩）,直流電機(jī),,,1. 定子(1) 主磁極,(2) 換向極,(3) 機(jī)座(4) 端蓋,,,直流電機(jī)的定子,一、主要部件,2. 轉(zhuǎn)子（電樞）,(1) 電樞鐵心(2) 電樞繞組(3) 換向器(4) 轉(zhuǎn)軸與風(fēng)扇,,,直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子,直流電機(jī)的電路部分,主磁路的一部分，電樞繞組的支撐部分,二、直流電樞繞組,,,構(gòu)成：用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，上下層以及線圈與電樞鐵心間要妥善地絕緣，并用槽楔壓緊。,

4、a）元件邊嵌放b）元件截面直流繞組構(gòu)成示意圖,◆ 元件——線圈,◆ 繞組形式：疊繞、波繞,疊繞元件（2匝）,波繞元件（2匝）,◆元件的節(jié)距——元件的上層邊與下層邊之間的距離（可用槽數(shù)表示，接近一個極距）。,◆極距——在電樞表面，一個磁極所跨過的距離（可用槽數(shù)表示）。,,1 2 3 5 6 8 9 11 12 1 2,◆ 單疊繞組的展開圖: z=12, 2p=4, y=3,※ 電刷

5、的中心線對著磁極的中心線。,n,,,◆直流電樞繞組連接規(guī)律,電動機(jī),+,－,發(fā)電機(jī),+,－,結(jié)論：整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。,,,◆ 電刷放置,● 電刷的中心線對 著磁極的中心線：(1) 電刷之間的電 動勢最大；(2) 被電刷短接的元 件電動勢為零。● 習(xí)慣稱 “電刷放在 幾何中性線位置”。,磁極中心線,幾何中性線,,,如假定電刷直接與導(dǎo)體接觸，電刷放置在磁極的幾何中

6、性線位置,,,電刷,幾何中性線,1. 直流發(fā)電機(jī)按勵磁方式分類,,,三、按勵磁方式分類,他勵,并勵,串勵,復(fù)勵,復(fù)勵,2. 直流電動機(jī)按勵磁方式分類,,,1. 額定電壓 UN 發(fā)電機(jī)的UN ：指輸出電壓的額定值。 電動機(jī)的UN ：指輸入電壓的額定值。2. 額定電流 IN 發(fā)電機(jī)的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動機(jī)的 IN ：指輸入電流的額定值。3. 額定電壓 PN 發(fā)電機(jī)的 PN

7、：指輸出電功率的額定值(UN IN ) 。 電動機(jī)的 PN ：指輸出機(jī)械功率的額定值 (UN INηN ) 。,四、額定值,,,3. 額定轉(zhuǎn)速 nN:,4. 額定勵磁電壓 UfN：5. 額定勵磁電流 IfN：▲額定狀態(tài) ： 指 U、I、P、n 均為額定值的狀態(tài)。▲滿載狀態(tài) ： 指 I = IN 的狀態(tài)。,,,電機(jī)與拖動,2.3 直流電機(jī)的磁

8、場與電樞反應(yīng),一、直流電機(jī)的空載磁場,?,二、電樞磁動勢,交軸磁動勢,電樞磁密分布,,,,勵磁磁密,,電樞磁密,合成氣隙磁密,三、 直流電機(jī)的電樞反應(yīng),幾何中性線,,勵磁磁動勢產(chǎn)生的勵磁磁場（空載磁場）,物理中性線,電樞磁動勢產(chǎn)生的電樞磁場（交軸）,合成磁場（負(fù)載時的磁場）,,物理中性線,電樞反應(yīng),—— 電樞磁動勢對主極磁場的影響。,,,● 電樞反應(yīng)的影響：,(1) 總磁場發(fā)生畸變 物理中

9、心線偏離幾何中心線?角, 被電刷短路的元件的 e≠0，增加了換向困難。,,,合成磁場（負(fù)載時的磁場）,,,,,,,,,,(2) 一半磁極的磁通增加，一半磁極的磁通減少， 磁路不飽和時：每極磁通不變； 磁路飽和時：每極磁通減少，e 和T 相應(yīng)減少。,● 電樞反應(yīng)的影響：,一、電動勢 E,電樞旋轉(zhuǎn) n總磁場 Φ,e,→∑e,→E,2. 分析：,1. 產(chǎn)生:,,,2.4 直流電機(jī)的電動勢

10、和電磁轉(zhuǎn)矩,氣隙平均磁密,l —— 電樞長度,? —— 極距,? ——每極磁通量,N ——電樞總導(dǎo)體數(shù),a ——電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù),一根導(dǎo)體的平均電動勢,導(dǎo)體線速度,導(dǎo)體平均電動勢,E = CEΦ nCE —— 電動勢常數(shù)，,3. 電動勢公式：,,,4. 方向與性質(zhì) 發(fā)電機(jī)：為電源電動勢； 電動機(jī)：為反電動勢。,二、電磁轉(zhuǎn)矩 Te,1. 產(chǎn)生:,導(dǎo)體(線圈中)的 i總磁場 Φ,f,→Te,2

11、. 大小: 電磁力： f = B i l 電磁轉(zhuǎn)矩: Te = CTΦ Ia式中：CT —— 轉(zhuǎn)矩常數(shù)。,4. 性質(zhì),3. 方向: 由Φ 和 Ia 共同決定。,Te與 n 方向相反，為制動轉(zhuǎn)矩；Te與 n 方向相同，為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩。,,,三、電磁功率 Pe,Pe =,E Ia,TeΩ,Pe = E Ia = TeΩ,CEΦ n Ia =,= 9.55,→ CT = 9.55CE,,,= CTΦ IaΩ,2.5 直

12、流電動機(jī)的運行分析,一、直流電動機(jī)的基本方程式,正方向規(guī)定——電動機(jī)慣例 U→IaE與Ia反向Te與n同向TL與n反向,,,＋ U －,1. 電壓平衡方程式勵磁電路： Uf = Rf If電樞電路： Ua = E + Ra Ia E = CE? n,,,2. 功率平衡方程式（并勵）輸入功率：

13、 P1 = U I銅損耗 PCu : PCu = Ra Ia2 + Rf If2 電磁功率Pe ： Pe = P1－ PCu = E Ia空載損耗 P0 ： P0 = PFe + Pfw + Pad輸出功率P2 ： P2 = Pe－ P0 = T2Ω,,,功率平衡方程式 P1 = Pe+ PCua Pe =

14、P2 +P0,功率流程圖:,P1,Pe,P2,3. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式空載： Te= T0負(fù)載: Te= T0 + T2,,,● 穩(wěn)態(tài)電樞電流 Ia 由誰確定？,T e= CTΦ Ia ， Ua = E + Ra Ia例如：負(fù)載不變 ( Te不變)，U (Ra) 變化時， Ia 變化否？,U↓(或Ra↑),瞬間 n 不變,Ia↓,→Te↓,→ Te＜TL,E↓←,,E 不變,Ia↑←,Te↑←,Te

15、= TL←,Ia不變←,● 結(jié)論：Ia 的大小取決于負(fù)載的大小。 當(dāng) Ia= IaN 時為滿載，當(dāng) Ia＞IaN 時為過載?！?規(guī)定短時過載的最大電樞電流： Iamax =(1.5 ~ 2)IaN,,,電機(jī)與拖動,1. 機(jī)械特性,當(dāng)Te↑時， n 下降不多 ——硬特性,,,二、他勵（并勵）直流電動機(jī)的特性,2. 他勵直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)向,,,

16、F,F,,T, n,(1)電樞電壓反向改變電樞電流方向轉(zhuǎn)矩方向改變，轉(zhuǎn)向改變,,,F,F,,T, n,,,F,F,,T, n,(2)磁場反向改變勵磁電壓極性轉(zhuǎn)矩方向改變，轉(zhuǎn)向改變,● 轉(zhuǎn)矩特性：,U = UN ，If 為常數(shù)時 Te= f (Ia ) Te = CTΦN Ia = CT' Ia,,,,● 轉(zhuǎn)速特性： U = UN ，If 為常數(shù)時

17、 n = f (Ia ),影響 n 的兩個因素：① Ra Ia， ②電樞反應(yīng)?！?效率特性： U = UN ，If = IfN 時 ? = f (Ia ),,,,3. 他勵直流電動機(jī)的工作特性,＋U－,并勵電動機(jī) 他勵電動機(jī)(1) 輸入電壓: U = Ua = Uf

18、 U = Ua (2) 輸入電流: I = Ia + If I = Ia (3) 輸入功率: P1 = UI = UIa + UIf P1 = UIa,,,＋Ua－,＋Uf－,4. 并勵與他勵的區(qū)別,三、串勵電動機(jī),＋U－,＋ Ua－,＋ Uf －,1. 電壓

19、 U = Ua + Uf = E + (Ra+ Rf ) I2. 電流 I = Ia = If,3. 轉(zhuǎn)矩 Te= CTΦ Ia(1)當(dāng) Ia 較小、磁路未飽和時，,Φ∝Ia,→Te∝Ia2,(2)當(dāng) Ia 較大、磁路已飽和時，,Φ≈常數(shù),→Te ∝Ia,,,即 Te∝Iam (1＜m＜2),● 與并勵電動機(jī)比較，有如

20、下特點：① 對應(yīng)于相同的△T ，△Ia ?。虎?對應(yīng)于允許的 Iamax ，能夠產(chǎn)生的 T e大● 轉(zhuǎn)矩特性： U = UN 時， Te = f (Ia ),,,,4. 轉(zhuǎn)速,(1) 當(dāng)Te = 0 時，Ia = If = 0，,Φ =Φr ，,n 很大，n = (5 ~ 6) nN 不允許！,(2) 當(dāng)Te 較小時，Ia 很小，,磁路未飽和，,Te↑→ Ia↑,→Φ↑,→ n 迅速下降；

21、,(3) 當(dāng)Te很大時，Ia 很大，,磁路已飽和，,Te↑→ Ia↑,→Φ 基本不變,→ n下降較少；,,,,● 轉(zhuǎn)速特性：,,5. 應(yīng)用(1) 特別適用于起重機(jī)和電氣機(jī)車等運輸機(jī)械;(2) 絕不允許在輕載或空載下運行;(3) 不能用皮帶輪傳動。,,,四、復(fù)勵電動機(jī),積復(fù)勵、差復(fù)勵?！?一般采用積復(fù)勵電動機(jī)；● 機(jī)械特性介于并勵電動機(jī) 和串勵電動機(jī)之間： ① 有較大的Tst ； ② 可以空載運

22、行。,,,2.6 直流發(fā)電機(jī)的運行分析,,,一、直流發(fā)電機(jī)的基本方程式(他勵),正方向規(guī)定——發(fā)電機(jī)慣例 E→Ia→UT1與n同向Te與n反向 T0與n反向,＋ U －,,,1. 電壓平衡方程式勵磁電路： Uf = Rf If電樞電路： E = Ua + Ra Ia E = CE? n,

23、,,直流電機(jī)運行狀態(tài)的判斷,◆根據(jù)電動勢和電樞電壓的大小發(fā)電機(jī) 電動機(jī) E = Ua + Ra Ia Ua = E + Ra Ia E>U E<U,◆根據(jù)Te與n的方向發(fā)電機(jī) 電動機(jī) Te 與 n反向 Te

24、與n同向,2. 功率平衡方程式(1) 輸入功率 P1 :,P1 = T1Ω,(2) 空載損耗 P0 :,P0 = PFe + Pfw + Pad,(3) 電磁功率 Pe :,(4) 銅損耗 PCu :,PCu = Ra Ia2,(5) 輸出功率 P2 :,P2 = U I,,,Pe = P1－ P0　= E Ia = TeΩ,P1,Pe,P2,● 功率流程圖,● 效率特性 η = f ( P2 ),小型：

25、 ?N = 70% ~ 90%中大型： ?N = 91% ~ 96%,,,3. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式,Te= T1 －T0,T1 = T0 + T,輸入轉(zhuǎn)矩 T1 ：空載轉(zhuǎn)矩 T0 ：電磁轉(zhuǎn)矩 Te：,,,電機(jī)與拖動,二、他勵發(fā)電機(jī)的工作特性,外電源Uf,→ n,→ Φ,原動 機(jī),→If,→電樞,→Ua,+Ua－,+Uf－,1. 空載運行勵磁電路：,勵磁電路總電阻,電樞電路： Ia = 0， Ua =

26、 U0 = E,調(diào)節(jié)Rf,→If 可變,→Φ 可變,→E 可變,→ Ua可變,,,U0 = E = f (If ),—— 空載特性,Er,,剩磁感應(yīng)電動勢,2. 負(fù)載運行 輸出電壓: U = Ua 輸出電流: I = Ia ●電壓平衡方程式： U = Ua = E－Ra Ia,當(dāng) Ia↑,Ra Ia↑E↓(電樞反應(yīng)),● 外特性當(dāng) U = f (I ),n = nN

27、If = IfN,,,電機(jī)與拖動,● 電壓調(diào)整率:,( 5% ~ 10% ),● 調(diào)整特性：當(dāng)：n = nN，U = UN 時： If = f ( I ),,,,電機(jī)與拖動,三、并勵發(fā)電機(jī),＋Ua－,E →Φ ? Φ → E ? 1. 自勵條件(1) 主磁極必須有剩磁Φr ：,Φr,→Er,→Ifr,→Φ,→E＞Er,Φ與Φr 方向相同,→E＜Er,Φ與Φr 方向相反,(2) 勵

28、磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向：,Φr,→Er,→Ifr,→E＞Er,→ If＞Ifr,→Φ↑,→E↑…,● E 與 If 之間應(yīng)滿足空載特性;● If 與 E 之間應(yīng)滿足歐姆定律。,,,電機(jī)與拖動,① 當(dāng)Rf ＜Rfcr 時， E＞＞Er ， 能夠自勵;② 當(dāng)Rf = Rfcr 時， E不確定，不能自勵;③ 當(dāng)Rf ＞Rfcr 時， E≈Er，不能自勵。(3) 勵磁電路的電阻必須小于臨界

29、電阻。,,,,,,,,,場阻線：,場阻線的斜率：,= Ra +Rf,,Rf＞Rfcr,,,2. 運行分析,I = Ia－ IfU = Ua = UfUa = E－ RaIa,I↑,→Ia↑,RaIa↑E↓(電樞反應(yīng))Uf ↓,,→Φ↓,● 外特性： U = f ( I ),,并勵,① 負(fù)載增加時， U 下降較快。 VR ≈20%,,,電機(jī)與拖動,② 外特性有拐彎現(xiàn)象。,RL↓→

30、I (Ia)↑→ U↓,RL↓→ U↓ → If↓,→Φ↓→ E↓ (較大幅度) →U的下降比 RL的減少得更快,→ RL = 0，U = 0， If = 0→ Φ =Φr ， E = Er → ISC 較小。③ 穩(wěn)態(tài)短路電流不大。,,,四、復(fù)勵發(fā)電機(jī),◆ 積復(fù)勵發(fā)電機(jī)：① 當(dāng) I = IN 時的 UN ＞U0 —— 過復(fù)勵發(fā)電機(jī)② 當(dāng) I = IN 時的 UN ＝U0 —— 平復(fù)勵發(fā)電機(jī)③ 當(dāng) I = IN 時的 U