CH21 直流電機(jī)的運(yùn)行原理課件

1、第二十一章 直流電機(jī)的運(yùn)行原理 1第一節(jié)直流電機(jī)空載運(yùn)行磁場(chǎng)第二節(jié)直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)電樞磁場(chǎng)第三節(jié) 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)第四節(jié) 電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩第五節(jié) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直流電機(jī)的基本方程式本章主要內(nèi)容2第一節(jié) 直流電機(jī)空載運(yùn)行磁場(chǎng) 空載：電機(jī)對(duì)外無(wú)功率輸出、不帶負(fù)載的狀態(tài)?？蛰d時(shí)，勵(lì)磁繞組通直流電流，忽略電樞電流，電機(jī)氣隙磁場(chǎng)由勵(lì)磁繞組直流電流產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)決定。 3 圖21-1 直流電機(jī)主磁極磁路 4磁通與磁動(dòng)勢(shì) 勵(lì)磁繞組通電流，形成N、S交替分布的主磁極。絕大部分磁通經(jīng)主磁極（N極）、氣隙、電樞齒、電樞鐵心、電樞齒、氣隙、另一主磁極（S極）、定子磁軛回到主磁極（N極），形成閉

2、合通路，同時(shí)交鏈勵(lì)磁繞組和電樞繞組，稱(chēng)主磁通0。主磁通隨電樞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩，參與機(jī)電能量轉(zhuǎn)換，是工作磁通。 直流電機(jī)空載運(yùn)行磁場(chǎng) 5設(shè)產(chǎn)生主磁通的每對(duì)極的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)為Ff，由全電流定律有 Nf為勵(lì)磁繞組匝數(shù)。磁通與磁動(dòng)勢(shì) 直流電機(jī)空載運(yùn)行磁場(chǎng) 7主磁場(chǎng)的分布 不考慮電樞表面齒槽效應(yīng)，假設(shè)電樞表面光滑，氣隙磁動(dòng)勢(shì)為F，x處的氣隙長(zhǎng)度為（x），空載時(shí)的磁密用函數(shù)B0(x)表示，根據(jù)磁路定律有 直流電機(jī)空載運(yùn)行磁場(chǎng) 8圖21-2 不計(jì)電樞齒槽影響的主磁場(chǎng)磁密分部曲線(xiàn) 直流電機(jī)空載運(yùn)行磁場(chǎng) 10第二節(jié) 直流電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)電樞磁場(chǎng) 直流電機(jī)空載運(yùn)行時(shí)，氣隙中僅有主極磁場(chǎng)。負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞繞

3、組中有電流流過(guò)，就會(huì)產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)，建立電樞磁場(chǎng)。主磁動(dòng)勢(shì)和電樞磁動(dòng)勢(shì)共同作用建立負(fù)載時(shí)的氣隙磁場(chǎng)。11圖21-4 主磁場(chǎng)的分布 12電刷在幾何中性線(xiàn)上的電樞磁動(dòng)勢(shì) 電刷位于幾何中性線(xiàn)，電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線(xiàn)與電刷軸線(xiàn)重合。與主極軸線(xiàn)正交的軸為交軸，與主極軸線(xiàn)重合的軸稱(chēng)為直軸。電刷位于幾何中性線(xiàn)上時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。14圖21-5 電刷在幾何中性線(xiàn)的電樞磁動(dòng)勢(shì) 15電刷不在幾何中性線(xiàn)上電樞磁動(dòng)勢(shì) 電刷不在幾何中性線(xiàn)，移過(guò)一角度，則電樞磁動(dòng)勢(shì)除了交軸磁動(dòng)勢(shì)外，還會(huì)產(chǎn)生直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。因電樞磁動(dòng)勢(shì)的軸線(xiàn)總是與電刷軸線(xiàn)相重合，故電樞磁動(dòng)勢(shì)軸線(xiàn)也移動(dòng)角度。17圖21-7 電刷不在幾何中性線(xiàn)上電樞磁

4、勢(shì) 在角度2范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)作用在交軸，為交軸電樞Faq。18 電刷在幾何中性線(xiàn)上，只有交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Faq。電刷不在幾何中性線(xiàn)上，除了交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Faq外，還有直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)Fad。19第三節(jié) 直流電機(jī)的電樞反應(yīng) 當(dāng)電機(jī)帶負(fù)載后，電樞繞組流過(guò)電流，產(chǎn)生電樞磁勢(shì)。電樞磁勢(shì)對(duì)主磁極磁場(chǎng)有影響，故對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能也產(chǎn)生影響。把電樞磁勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁勢(shì)產(chǎn)生的影響稱(chēng)為電樞反應(yīng)。20電刷在幾何中性線(xiàn)上的電樞反應(yīng) 對(duì)同一臺(tái)直流電機(jī)，若主磁極極性不變，導(dǎo)體中電流方向相同，不管其作發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響相同。所不同的只是旋轉(zhuǎn)方向而已。電刷在幾何中性線(xiàn)上，只有交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。若磁路不飽

5、和，就可利用疊加原理求出氣隙磁場(chǎng)。21（a） （b）圖21-8 電刷在幾何中性線(xiàn)的交軸電樞反應(yīng)（a）氣隙合成磁場(chǎng)；（b）展開(kāi)圖 221、使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變 電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)先進(jìn)入磁極的那個(gè)磁極尖稱(chēng)為前極尖，電樞離開(kāi)磁極的那個(gè)磁極尖稱(chēng)為后極尖。電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)畸變，對(duì)發(fā)電機(jī)，前極尖磁場(chǎng)被削弱，后極尖磁場(chǎng)被加強(qiáng)；對(duì)電動(dòng)機(jī)，前極尖磁場(chǎng)被加強(qiáng)，后極尖磁場(chǎng)被削弱。交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì) 242、使物理中性線(xiàn)偏移 把氣隙中磁密為零的點(diǎn)的連線(xiàn)稱(chēng)為物理中性線(xiàn)。直流電機(jī)空載時(shí)，幾何中性線(xiàn)與物理中性線(xiàn)重合。負(fù)載時(shí)，物理中性線(xiàn)偏離幾何中性線(xiàn)，對(duì)發(fā)電機(jī)，順轉(zhuǎn)向偏離；對(duì)電動(dòng)機(jī)，逆轉(zhuǎn)向偏離。 交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì) 25電刷偏離幾何

6、中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng) 由于裝配或換相需要等，有時(shí)電刷會(huì)偏離幾何中性線(xiàn)。電刷位于幾何中性線(xiàn)時(shí)，電樞電流只產(chǎn)生交軸電樞磁勢(shì)。電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)，電樞磁勢(shì)Fa分解成交軸電樞磁勢(shì)Faq和直軸電樞磁勢(shì)Fad。27交軸電樞磁勢(shì)Faq對(duì)主磁場(chǎng)的影響與電刷位于幾何中性線(xiàn)的電樞反應(yīng)情況一樣；直軸電樞磁勢(shì)Fad與主磁極軸線(xiàn)重合，方向相反，有去磁或助磁作用；當(dāng)電刷逆電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏離角時(shí)，產(chǎn)生的直軸電樞磁勢(shì)Fad有去磁作用；當(dāng)電刷順電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向偏離角時(shí)，產(chǎn)生的直軸電樞磁勢(shì)Fad有助磁作用。發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)情況相反。 電刷偏離幾何中性線(xiàn)時(shí)的電樞反應(yīng) 28電樞反應(yīng)對(duì)直流電機(jī)的影響 電樞反應(yīng)去磁作用使每極磁通減?。阂?yàn)橹?/p>

7、流電機(jī)的電刷總是位于交軸，電樞反應(yīng)只有交軸分量，電機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，磁路處于剛好飽和區(qū)域，由于磁路的飽和，電樞反應(yīng)的去磁作用將使每極磁通略有減小。電機(jī)轉(zhuǎn)速和勵(lì)磁電流一定時(shí)，由于交軸電樞反應(yīng)的去磁作用，使負(fù)載時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)比空載時(shí)略小。要保持感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不變，需增加勵(lì)磁電流，以補(bǔ)償交軸電樞反應(yīng)的去磁作用。 29電樞反應(yīng)使主磁場(chǎng)的分布發(fā)生畸變：極面下磁密分布不均勻，從而使各換向片間電動(dòng)勢(shì)也分布不均，當(dāng)電機(jī)過(guò)載特別是沖擊性負(fù)載下，可能導(dǎo)致環(huán)火的產(chǎn)生。交軸處的電樞磁場(chǎng)將妨礙線(xiàn)圈中的電流換向。 電樞反應(yīng)對(duì)直流電機(jī)的影響 30第四節(jié) 電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)和直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 一.直流電機(jī)電樞繞組的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)指一對(duì)正

8、負(fù)電刷之間引出的電勢(shì)，也稱(chēng)為電樞電勢(shì)，記作Ea。設(shè)N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，a為并聯(lián)支路對(duì)數(shù)，Bav為一個(gè)磁極內(nèi)的平均磁密，l為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度，v為導(dǎo)體切割磁場(chǎng)的速度，則： 31Ean，改變或n的大小，Ea大小變化；Ea方向取決于和n的方向，改變的方向（即改變勵(lì)磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。稱(chēng)為電勢(shì)常數(shù)，與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。 電樞繞組的感應(yīng)電勢(shì)32直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 指電樞上所有載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。設(shè)D為電樞直徑，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，fav每根導(dǎo)體平均所受的力，則電磁轉(zhuǎn)矩為： 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。 33TIa，改變或Ia的大小，T大小發(fā)生變化；T方向取

9、決于和Ia的方向，改變的方向（即改變勵(lì)磁電流If的方向），就可改變T的方向。直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 34電勢(shì)常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式：直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 CT = 9.55Ce 35直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩 表明：若電樞繞組電動(dòng)勢(shì)采用機(jī)械角速度表示，則Ea與電磁轉(zhuǎn)矩計(jì)算使用同一常數(shù)，即轉(zhuǎn)矩常數(shù)，也可改稱(chēng)為電機(jī)常數(shù)。 =2n/60=n/3036第五節(jié) 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)直流電機(jī)的基本方程式 一.直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 直流發(fā)電機(jī)是將原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姎庠O(shè)備。直流發(fā)電機(jī)的基本方程式與勵(lì)磁方式有關(guān)，勵(lì)磁方式不同，基本方程式略有差別。371、電壓方程式圖21-9 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖 他勵(lì)直

10、流發(fā)電機(jī)的基本方程式 38Rf-勵(lì)磁回路總電阻，包括外串電阻和勵(lì)磁繞組內(nèi)阻。Ra-電樞回路總電阻，包括電刷接觸電阻和電樞繞組內(nèi)阻。 勵(lì)磁回路方程為電樞回路方程為1、電壓方程式他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 39電壓基本方程式可見(jiàn)： 電樞電勢(shì)Ea必須大于電樞端電壓U，這也是判斷電機(jī)是否處于發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)的依據(jù)。 1、電壓方程式他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 402、轉(zhuǎn)矩方程式 T1原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩T電磁轉(zhuǎn)矩，為制動(dòng)性質(zhì)T0空載轉(zhuǎn)矩，由電機(jī)機(jī)械摩擦和鐵損引起他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)向由原動(dòng)機(jī)決定，T1T，故電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。 413.功率平衡關(guān)系 從原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率為： P1輸入機(jī)械功率 P

11、em電磁功率 p0空載損耗。他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 空載損耗等于鐵損pFe、機(jī)械摩擦損耗pm、附加損耗pad，即p0=pFe+pm+ps 。其中附加損耗又稱(chēng)雜散損耗，一般難以精確計(jì)算?？拷?jīng)驗(yàn)估算約為額定功率P的0.5%1%。42電磁功率為說(shuō)明電磁功率具有機(jī)械功率性質(zhì)。 3.功率平衡關(guān)系 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 電磁功率又可表示為: 表明電磁功率又具有電功率性質(zhì)，所以電磁功率是機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。43發(fā)電機(jī)輸出的電功率為:pCua為電樞回路銅耗，P2為輸出的電功率，同時(shí)輸出功率又可表示為： P2=UIa 3.功率平衡關(guān)系 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 44圖21-10 為他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)功率

12、流程圖。 3.功率平衡關(guān)系 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的基本方程式 45直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式 直流電機(jī)是可逆的，同一臺(tái)電機(jī)既可作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，又可作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。如在原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)下，可作為發(fā)電機(jī)，將輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；如在電樞兩端輸入直流電能，可作為電?dòng)機(jī)，將輸入的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。所以其方程有相似性。46圖19-10 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)態(tài)等效電路圖 采用電動(dòng)機(jī)慣例，規(guī)定直流電動(dòng)機(jī)各物理量正方向。 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式 471.電樞回路電壓方程式 其中反電勢(shì)Ea=Cen，若為并勵(lì)時(shí)，存在 由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反電勢(shì)Ea上。直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式 482、轉(zhuǎn)矩方程式電動(dòng)機(jī)空載時(shí)，T2=0，有： T=T0。當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)L，軸上輸出有T2=TL