東北電力大學(xué)電機(jī)學(xué)講義第27章課件

第27章直流電機(jī)的換向

直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于換向器的作用，電樞元件從一條支路進(jìn)入另一條支路，元件內(nèi)電流的方向發(fā)生了改變，元件電流改變方向的過程，稱為換向。換向前后的電流大小相等、方向相反。在直流電機(jī)中，任何瞬間都有元件在換向。換向是直流電機(jī)的共同問題，也是制約直流電機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的最主要問題。直流電機(jī)換向不好，將在電刷和換向器之間引起火花，火花超過一定程度，將燒壞電刷和換向器?；鸹▏?yán)重時(shí)，還可能與電位差火花匯合在一起，形成環(huán)火，燒毀電機(jī)。此外，火花還會(huì)產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生無(wú)線電干擾。27-1換向過程的物理現(xiàn)象換向過程非常復(fù)雜，涉及到機(jī)械、電磁和電化學(xué)等多方面的因素，目前對(duì)換向的理論分析，都是建立在一定簡(jiǎn)化基礎(chǔ)上的，尚不能完全解決實(shí)際問題。下面僅介紹影響換向的電磁因素和改善換向的方法。一、換向過程圖27-1表示一單疊繞組元件的換向過程。假設(shè)換向元件編號(hào)為1，電刷寬度b等于換向片寬度，片間絕緣厚度忽略不計(jì)，電樞繞組以線速度向左移動(dòng)。圖(a)中，元件1屬于電刷右邊的支路，其中的電流為，電刷僅與換向片1接觸；運(yùn)動(dòng)到圖(b)所示位置時(shí)，電刷同時(shí)與換向片1和2接觸，元件1被短路，其中的電流發(fā)生變化，從開始衰減，直至電刷與換向片2完全接觸；在圖(c)所示位置，元件1已屬于電刷左邊的支路，流過的電流是,所以從圖(a)到圖(c)，元件1經(jīng)歷了換向過程，稱為換向元件。元件1、換向片1、換向片2、電刷所構(gòu)成的回路，稱為換向回路。換向回路內(nèi)的電流，也就是換向元件內(nèi)的電流稱為換向電流。換向過程經(jīng)歷的時(shí)間稱為換向周期，用表示。換向周期很短，一般約幾個(gè)毫秒。

圖27-2所示為理想換向過程中換向元件中電流隨時(shí)間變化的波形，其中Tc是元件從一種極性電刷轉(zhuǎn)到另一種極性電刷下所經(jīng)歷的時(shí)間，一般為幾十毫秒。這里認(rèn)為換向電流線性變化，是理想的換向過程。在實(shí)際換向過程中，換向回路中存在多種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，對(duì)換向電流產(chǎn)生很大影響，導(dǎo)致實(shí)際換向過程與理想換向過程差別很大。圖27-2理想換向過程中換向元件中的電流一、換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)在換向過程中，換向元件內(nèi)將產(chǎn)生兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，下面分別討論。1電抗電動(dòng)勢(shì)換向元件本身有自感，還有與其它元件之間的互感。換向電流的變化將在換向元件內(nèi)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)，二者的合成電動(dòng)勢(shì)稱為電抗電動(dòng)勢(shì)。由于所有元件所產(chǎn)生的合成氣隙磁通為交軸電樞反應(yīng)磁通，不在換向元件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故電抗電動(dòng)勢(shì)僅由換向元件的漏磁通所感應(yīng)產(chǎn)生；在換向周期內(nèi)，電抗電動(dòng)勢(shì)的平均值為。根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電抗電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電流的變化，由于換向元件內(nèi)電流不斷減小，故的方向與換向前的電流方向相同。27-2換向火花及其產(chǎn)生的原因2旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)理想情況下，換向元件的兩個(gè)邊位于幾何中性線位置上。由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的影響，幾何中性線位置的氣隙磁密不為零，換向元件切割磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì),稱為旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)或運(yùn)動(dòng)電動(dòng)勢(shì)。無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)的方向總與換向前的電流方向一致。即與

的方向相同。在大多數(shù)直流電機(jī)中，為改善換向，在幾何中性線位置安裝換向極，換向極產(chǎn)生的磁場(chǎng)比電樞反應(yīng)磁場(chǎng)略強(qiáng)而方向相反，此時(shí)幾何中性線位置的磁場(chǎng)方向與無(wú)換向極時(shí)的方向相反，因而和的方向相反。換向元件中總的電動(dòng)勢(shì)應(yīng)是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電抗電動(dòng)勢(shì)的代數(shù)和，即延遲換向以電抗電動(dòng)勢(shì)作為正值，如果，則換向元件中的電流由直線換向電流和由合成電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的附加換向電流疊加而成，如圖27-3(b)所示。的出現(xiàn)，使換向元件中的電流改變方向的時(shí)刻向后推延，因此這種換向稱為延遲換向。延遲換向結(jié)束時(shí)，被電刷短路的換向元件瞬時(shí)斷開，后刷邊容易出現(xiàn)火花，導(dǎo)致?lián)Q向不良。超越換向若換向極磁場(chǎng)較強(qiáng)，則換向元件中與電抗電動(dòng)勢(shì)反向的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)可能大于電抗電動(dòng)勢(shì)，此時(shí)，附加換向電流將反向，因而換向元件中電流改變方向的時(shí)刻將比直線換向時(shí)提前，如圖27-3(c)所示，這種換向稱為超越換向，輕微的超越換向有一定好處，但過度的超越換向也是不利的圖27-3換向元件中電流的變化四、火花等級(jí)雖然直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電刷下往往產(chǎn)生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不會(huì)危及電機(jī)的運(yùn)行。火花嚴(yán)重時(shí)，會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行甚至損壞電機(jī)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電刷下的火花可以分為五個(gè)等級(jí)，即1級(jí)、級(jí)、級(jí)2級(jí)和3級(jí)。1級(jí)表示無(wú)火花。級(jí)電刷邊緣及小部分有微弱的火花點(diǎn)或者非放電性紅色小火花，換向器上沒有黑痕，電刷上沒有灼痕。級(jí)電刷邊緣大部分或全部有輕微的火花，換向器上有黑痕，但用汽油可擦除，同時(shí)在電刷上有輕微的灼痕。27-3改善換向的方法換向不良將使電刷下出現(xiàn)火花，使換向器表面受到損傷，電刷磨損加快。改善換向的目的在于消除電刷下的火花，雖然產(chǎn)生火花的原因比較復(fù)雜，但若能設(shè)法減少或消除附加換向電流ic，就可以改善換向。下面介紹常見的改善換向方法。移動(dòng)電刷由于電樞反應(yīng)的存在，幾何中性線位置的磁密不再為零，換向元件內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，使換向惡化?？梢圆捎靡苿?dòng)電刷的方法，使幾何中性線位置的磁密為零，可以改善換向。對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，應(yīng)順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷；對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷。電刷的移動(dòng)是在電機(jī)生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)制成之后，電刷無(wú)法移動(dòng)。該方法缺點(diǎn)比較明顯，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電樞反應(yīng)發(fā)生變化，電刷位置不一定合適，可能使換向惡化；此外，若電機(jī)允許正反轉(zhuǎn)，則該方法也不適合。這種方法只在運(yùn)行情況固定而負(fù)載變化又不大的單向旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)中采用。安裝換向極幾乎所有的直流電機(jī)都在兩個(gè)主極之間的幾何中性線處裝有換向極，如圖27-4所示。換向極的磁動(dòng)勢(shì)除抵消電樞磁動(dòng)勢(shì)以外，還在換向區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與電樞磁場(chǎng)相反的換向磁場(chǎng)，使換向元件切割該磁場(chǎng)后產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與相抵消，這樣就可以消除附加換向電流，改善換向。

換向極的極性可以由換向極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)相反的原則來確定。對(duì)于圖27-4所示主極極性，電機(jī)作發(fā)電機(jī)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞磁場(chǎng)的方向?yàn)樽宰笾劣?，故換向極磁場(chǎng)的方向?yàn)樽杂?/p>