第3章直流電機(jī)的建模與特性-1ppt課件

1、第3章 直流電機(jī)內(nèi)容簡介 直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理構(gòu)造電磁關(guān)系數(shù)學(xué)模型即基本方程式和等效電路）直流電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)運(yùn)行特性的分析與計(jì)算。直流電機(jī)的圖片直流電機(jī)的圖片3.1 直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理與結(jié)構(gòu)A、直流電機(jī)的基本運(yùn)行原理圖2.1 通電導(dǎo)體和線圈在磁場(chǎng)下的受力分析結(jié)論：結(jié)論： 要產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，必須確保要產(chǎn)生有效的電磁轉(zhuǎn)矩，必須確保N極下的導(dǎo)體中電流方向總是流入，極下的導(dǎo)體中電流方向總是流入，S極下的導(dǎo)體極下的導(dǎo)體中電流方向總是流出。在直流電動(dòng)機(jī)中，上述任務(wù)是由機(jī)械式換向器和電刷來完成的。中電流方向總是流出。在直流電動(dòng)機(jī)中，上述任務(wù)是由機(jī)械式換向器和電刷來完成的。 ISbNacdIFFTn

2、電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+-直流直流電壓電壓AB沒有電刷的情況沒有電刷的情況換向片換向片ISbNacdIFFTn電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)AB+-ISbNacd電刷電刷IFFTn電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷與換向器配合ABISbNacdIFFTn電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷與換向器配合ABeSbNacdeFFTn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)沒有電刷的情況沒有電刷的情況+-AB換向片換向片eSbNacdeFFTn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)+-ABeSbNacd電刷電刷eFFTn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)+-電刷與換向器配合電刷與換向器配合ABeSbNacdeFFTn發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷

3、與換向器配合AB圖2.2 直流電機(jī)的運(yùn)行原理示意圖結(jié)論：結(jié)論： （1 1直流電機(jī)電樞繞組內(nèi)部的感應(yīng)電勢(shì)和電流為交流，而電刷直流電機(jī)電樞繞組內(nèi)部的感應(yīng)電勢(shì)和電流為交流，而電刷外部的電壓和電流為直流；外部的電壓和電流為直流； （2 2對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，電刷和換向器起到了由外部電源直流對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，電刷和換向器起到了由外部電源直流到內(nèi)部繞組交流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式逆變器；到內(nèi)部繞組交流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式逆變器； （3 3對(duì)直流發(fā)電機(jī)而言，電刷和換向器起到了由內(nèi)部繞組交流對(duì)直流發(fā)電機(jī)而言，電刷和換向器起到了由內(nèi)部繞組交流到外部電源直流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式整流器。到外

4、部電源直流的轉(zhuǎn)換作用，即相當(dāng)于一個(gè)機(jī)械式整流器。n為什么要使用電刷和換向器？換向片為什么要彼此絕緣？電刷和換向器的配合有什么問題？n電機(jī)可逆性原理n直流發(fā)電機(jī)電樞上有電磁轉(zhuǎn)矩嗎？什么性質(zhì)？n直流電動(dòng)機(jī)電樞上有感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)嗎？n電樞上電流產(chǎn)生磁場(chǎng)嗎？對(duì)主磁場(chǎng)有什么影響？B、直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖2.3 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)圖1-機(jī)座 2-主磁極 3-勵(lì)磁繞組 4-風(fēng)扇 5-軸承 6-軸 7-端蓋 8-換向極 9-換向極繞組10-端蓋 11-電刷裝置 12-換向器 13-電樞繞組 14-電樞鐵心電 機(jī) 結(jié) 構(gòu)（1額定功率：定義為額定狀態(tài)下的輸出功率，用 表示；)(kWWPN或 直流電機(jī)的額定數(shù)據(jù)直流電機(jī)的額定數(shù)

5、據(jù) 對(duì)于電動(dòng)機(jī)，額定功率是指轉(zhuǎn)子軸上輸出的機(jī)械功率 ； 對(duì)于發(fā)電機(jī)，額定功率則是指定子側(cè)繞組輸出的電功率。（2額定電壓：定義為額定狀態(tài)下的電壓，用 表示；)(kVVUN或)(kAAIN或（3額定電流：定義為額定狀態(tài)下的電流，用 表示。（4額定轉(zhuǎn)速：定義為額定狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速，用 表示；min)/(rnN（5） 額定效率： 定義為額定條件下電機(jī)的輸出功率與輸入功率之比，用 表示。 （6） 額定勵(lì)磁電壓、額定勵(lì)磁電流(%)N額定數(shù)據(jù)之間存在如下關(guān)系： 對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)： 對(duì)于直流發(fā)電機(jī)：NNNNIUPNNNIUP （2-2）（2-1）3.2 3.2 直流電機(jī)的電樞繞組直流電機(jī)的電樞繞組A、對(duì)電樞繞組的要

6、求 正、負(fù)電刷之間所感應(yīng)的電勢(shì)應(yīng)正、負(fù)電刷之間所感應(yīng)的電勢(shì)應(yīng)盡可能大盡可能大 節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)簡單節(jié)省材料、結(jié)構(gòu)簡單 強(qiáng)度高電、機(jī)械、熱）、運(yùn)行強(qiáng)度高電、機(jī)械、熱）、運(yùn)行可靠可靠B、直流電機(jī)的簡單繞組結(jié)論: 電樞繞組為閉合繞組; 直流線圈基本上是整距線圈C、直流電樞繞組的基本型式a a、幾個(gè)術(shù)語、幾個(gè)術(shù)語分類：疊繞組、波繞組、混合繞組分類：疊繞組、波繞組、混合繞組 元件：即單個(gè)繞組，它是多匝線圈組成；元件數(shù)元件：即單個(gè)繞組，它是多匝線圈組成；元件數(shù)S 極距：一個(gè)主磁極在電樞表面所跨的距離極距：一個(gè)主磁極在電樞表面所跨的距離/相鄰兩主極之間的距相鄰兩主極之間的距離，用離，用 表示；表示； (3)

7、槽和虛槽槽和虛槽 槽數(shù)槽數(shù)Q 、虛槽數(shù)、虛槽數(shù)Qu 元件數(shù)元件數(shù)S=換向片數(shù)換向片數(shù)K=虛槽數(shù)虛槽數(shù)Qu(4) 第一節(jié)距第一節(jié)距 同一個(gè)元件的兩條有效邊在電樞同一個(gè)元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離表面上所跨的距離 y1根據(jù)第一節(jié)距與極距的關(guān)系，繞組分為整距繞根據(jù)第一節(jié)距與極距的關(guān)系，繞組分為整距繞組、短距繞組或長距繞組組、短距繞組或長距繞組(5) 合成節(jié)距合成節(jié)距 相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)元件邊相串聯(lián)的兩個(gè)元件的對(duì)應(yīng)元件邊在電樞表面所跨的距離在電樞表面所跨的距離 y 元件的連接次序和連接規(guī)律就取決于合成元件的連接次序和連接規(guī)律就取決于合成節(jié)距節(jié)距 疊繞和波繞的差別主要體現(xiàn)在合成節(jié)距上疊繞和

8、波繞的差別主要體現(xiàn)在合成節(jié)距上(6) 換向器節(jié)距換向器節(jié)距 在換向器表面上，同一個(gè)元在換向器表面上，同一個(gè)元件的兩個(gè)出線端所接的兩個(gè)換向片之間所件的兩個(gè)出線端所接的兩個(gè)換向片之間所跨的距離跨的距離 yc 換向器節(jié)距換向器節(jié)距 yc = 合成節(jié)距合成節(jié)距 y單疊繞組連接實(shí)例單疊繞組連接實(shí)例已知數(shù)據(jù)已知數(shù)據(jù) p=2 (4極極) S=K=Qu=16 (單疊繞組單疊繞組 Q=Qu，即轉(zhuǎn)子，即轉(zhuǎn)子16槽槽)步驟步驟 (1) 計(jì)算數(shù)據(jù)計(jì)算數(shù)據(jù) y和和y1 (2) 畫繞組展開圖畫繞組展開圖 (3) 放置磁極和電刷放置磁極和電刷y=yc=1n元件1 n上元件邊放在1號(hào)槽，下元件邊就放在5號(hào)槽n元件2 n上元件

9、邊放在2號(hào)槽，下元件邊就放在6號(hào)槽n 以此類推n單疊繞組的特點(diǎn)單疊繞組的特點(diǎn)3.3 3.3 直流電機(jī)的各種勵(lì)磁方式與磁場(chǎng)直流電機(jī)的各種勵(lì)磁方式與磁場(chǎng)3.3.1 直流電機(jī)的各種勵(lì)磁方式勵(lì)磁繞組的供電方式勵(lì)磁繞組的供電方式注意勵(lì)磁繞組的繞制注意勵(lì)磁繞組的繞制和連接和連接3.3.2 空載時(shí) 直流電機(jī)的磁場(chǎng)空載： 直流電機(jī)的空載是指電樞電流(或輸出功率)為零的運(yùn)行狀態(tài)。主磁場(chǎng)： 僅由定子勵(lì)磁磁勢(shì)或安匝單獨(dú)產(chǎn)生的磁場(chǎng)稱為主磁場(chǎng)，亦即空載時(shí)的總磁場(chǎng)或氣隙磁場(chǎng)）；A A、空載主磁場(chǎng)的分布、空載主磁場(chǎng)的分布或很小或很小注意經(jīng)過的路徑注意經(jīng)過的路徑3.3.3 負(fù)載時(shí) 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)磁場(chǎng)aFA A、電樞反應(yīng)與

10、電樞反應(yīng)磁勢(shì)的性質(zhì)、電樞反應(yīng)與電樞反應(yīng)磁勢(shì)的性質(zhì)電樞磁勢(shì)：電樞磁勢(shì)： 直流電機(jī)負(fù)載后的電樞電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)或安匝數(shù)），稱為直流電機(jī)負(fù)載后的電樞電流所產(chǎn)生的磁勢(shì)或安匝數(shù)），稱為電樞磁勢(shì)。電樞磁勢(shì)。電樞反應(yīng)：電樞反應(yīng)： 電樞磁勢(shì)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)，相應(yīng)的電樞磁勢(shì)又電樞磁勢(shì)對(duì)主磁場(chǎng)的影響稱為電樞反應(yīng)，相應(yīng)的電樞磁勢(shì)又稱為電樞反應(yīng)磁勢(shì)。稱為電樞反應(yīng)磁勢(shì)。直流電樞磁勢(shì)的特點(diǎn)：直流電樞磁勢(shì)的特點(diǎn)：電樞磁勢(shì)與定子直流勵(lì)磁磁勢(shì)相互垂直；電樞磁勢(shì)與定子直流勵(lì)磁磁勢(shì)相互垂直；電樞磁勢(shì)與定子勵(lì)磁磁勢(shì)一樣相對(duì)定子靜止電樞磁勢(shì)與定子勵(lì)磁磁勢(shì)一樣相對(duì)定子靜止 不動(dòng)。不動(dòng)。電樞磁勢(shì)單獨(dú)作用所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)分布圖電樞

11、磁勢(shì)單獨(dú)作用所產(chǎn)生的電樞磁場(chǎng)分布圖考慮磁路飽和的情況考慮磁路飽和的情況3.4 電樞的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩3.4.1 電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)每根導(dǎo)體的瞬時(shí)電勢(shì)為：lvxbxe)()(導(dǎo)體沿圓周的線速度為： 26022aaDnDv每根導(dǎo)體的平均電勢(shì)為：101( )Ee x dx每條支路即正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢(shì)為：式中， 為電勢(shì)常數(shù)， 為每極下的磁通。aNpCe60結(jié)論： 直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢(shì)與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速以及每極的磁通成正比。3.4.2 3.4.2 電樞的電磁轉(zhuǎn)矩電樞的電磁轉(zhuǎn)矩每根導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩分別為：lixbxfa)()(2)(2)()(aaaemDli

12、xbDxfx微元dx上的導(dǎo)體所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為： ldxxbaNIdxDNDlaIxbdxDNxTdaaaaaemem)(422)()(每極下的電磁轉(zhuǎn)矩為： aNIldxbaNITdTaxaemav4400總電磁轉(zhuǎn)矩為： aTaavemICIaNppTT22式中， 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)。aNpCT2eTCaNpaNpC55. 9260602結(jié)論： 直流電機(jī)所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流以及每極的磁通成正比。直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)直流電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電機(jī)結(jié)構(gòu)、氣隙磁通及電樞電流有關(guān)。電樞電流有關(guān)。發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是制動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速反是制動(dòng)性質(zhì)的

13、轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速反向）向）電動(dòng)機(jī)電動(dòng)機(jī)是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速同是驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速同向）向）3.5 直流電機(jī)的基本方程和功率流程圖1、當(dāng)直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行、當(dāng)直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行a、電壓平衡方程式、電壓平衡方程式 假定直流發(fā)電機(jī)的正方向如圖所示又稱為發(fā)電機(jī)慣例）。直流發(fā)電機(jī)的暫動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式變?yōu)椋浩浞€(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的電勢(shì)平衡方程式為：fffaaaaIRUIRUE他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)b、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式直流發(fā)電機(jī)暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程式分別為：dttdJTTTem)(0101TTTem2. 2. 當(dāng)直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行當(dāng)直流電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行 根據(jù)圖中各物理量的假定正方向即電動(dòng)

14、機(jī)慣例），得暫動(dòng)態(tài)電壓平衡方程式為： dttdiLtiRUdttdiLtiRteUfffffaaaaaa)()()()()(一旦電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，則可獲得直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程式為： fffaaaaIRUIREUa、電壓平衡方程式、電壓平衡方程式b b、轉(zhuǎn)矩平衡方程式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式 根據(jù)牛頓第二定律和圖中假定的正方向，得直流電動(dòng)機(jī)暫態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程式為：dttdJTTTem)(02穩(wěn)態(tài)時(shí)，機(jī)械角速度 =常數(shù)，則穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的動(dòng)力學(xué)方程式變?yōu)椋?)(t02TTTem他勵(lì)并勵(lì)串勵(lì)C、直流電機(jī)的電磁功率aaaaaTememIEInaNpInaNpICTP606022直流發(fā)電機(jī)：從機(jī)械功率轉(zhuǎn)化

15、為電功率的那一部分功率直流電動(dòng)機(jī)：從電功率轉(zhuǎn)化為機(jī)械功率的那一部分功率電磁功率Pem是能量形態(tài)變化的基礎(chǔ)。D、直流電機(jī)的功率流程圖以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例加以說明。由KCL得： faIII1于是，輸入電功率為：)(1111faIIUIUP(2-32)考慮到 ，則式2-32變?yōu)椋篴UU 1經(jīng)過氣隙的電磁功率為： emaaemTIEP又電磁轉(zhuǎn)矩： ，于是有：02TTTemmecFeememppPpPTTTP20202其中，機(jī)械軸上的輸出功率為： ；空載損耗 ； 22TPmecFeppTp00 同樣的過程，可得并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖如下圖所示。例題：一臺(tái)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，例題：一臺(tái)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，PN=20KW，UN=230V，nN=1500r/min,電樞回路總電阻電樞回路總電阻Ra=0.156,勵(lì)磁回路總電阻勵(lì)磁回路總電阻Rf =73.3，額，額定負(fù)載時(shí)的機(jī)械損耗和鐵耗定負(fù)載時(shí)的機(jī)械損耗和鐵耗pmec+pfe=1KW,設(shè)附加損