電氣-直流電機.ppt

1、直流電機,重點內(nèi)容： （1）直流電機的工作原理 （2）直流電機的基本概念 （3）電樞感應(yīng)電勢和電磁轉(zhuǎn)矩 （4）基本方程 難點： （1）電樞繞組及電路圖 （2）電刷位置放置 （3）電樞反應(yīng),一、直流電機特點 直流電機優(yōu)點 易于控制，可靠性高 調(diào)速范圍廣，平滑。 過載、起動、制動轉(zhuǎn)矩大。 調(diào)速時能量損耗小,直流電機缺點 換向困難 結(jié)構(gòu)復雜 價格高,第二章 直流電機的工作原理及結(jié)構(gòu),二、 直流電機的結(jié)構(gòu),主磁極 換向磁極 機座 電刷,定子,主磁極,作用：建立主磁場。,構(gòu)成：主極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組。,換向極: 作用：改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產(chǎn)生有 害的火花。 構(gòu)成：由鐵心和繞組

2、組成,機座 作用：1)作為磁路的一部分； 2)固定主磁極、換向極和端蓋。 構(gòu)成:通常由鑄鋼或厚鋼板焊成,機座,電刷,構(gòu)成：電刷、刷握、刷桿和連線等。,作用：把直流電壓、直流電流引入或引出,轉(zhuǎn)子（電樞）, 電樞鐵心 電樞繞組, 換向器 轉(zhuǎn)軸與風扇,電樞鐵心硅鋼片(0.5mm),電樞鐵心,作用：1、主磁路的一部分；,2、電樞繞組的支撐部件。,構(gòu)成：一般用厚0.5且沖有齒、槽的DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成。,電樞繞組,作用：直流電機的電路部分。,構(gòu)成：用絕緣的圓形或矩形截面的導線繞成，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。,換向器,作用：和電刷配合將直流電引入或引出的

3、裝置。,構(gòu)成：由許多鴿形尾的換向片排列成一個圓筒，片間用V形云母絕緣。,直流發(fā)電機的工作原理,三、直流電機的工作原理,直流電動機的工作原理,勵磁繞組的供電方式稱為勵磁方式。,四、 勵磁方式,1、他勵式（圖a）,其勵磁繞組由其他電源供電，勵磁繞組與電樞繞組不相連。,復勵式(圖d) ： 裝有兩個勵磁繞組，一為與電,2、自勵式,并勵式(圖b) ： 勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)；,串勵式(圖c) ： 勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)；,樞并聯(lián)的并勵繞組，二為與電樞串聯(lián)的串勵繞組。,+ Ua ,+ Uf ,他 勵,并 勵,串 勵,復 勵,直流電動機按勵磁方式分類,(1) 額定電壓 UN 發(fā)電機的 UN ：指輸出電壓的額

4、定值。 電動機的 UN ：指輸入電壓的額定值。 (2) 額定電流 IN 發(fā)電機的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動機的 IN ：指輸入電流的額定值。 (3) 額定功率 PN 發(fā)電機的 PN ：指輸出電功率的額定值(UN IN ) 。 電動機的 PN ：指輸出機械功率的額定值 (UN INN ) 。,五、 額定值,(4) 額定轉(zhuǎn)速 nN (5) 額定勵磁電壓 UfN (6) 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)。,直流電機的電樞繞組,直流電樞繞組的基本概念,直流電樞繞組的構(gòu)成原則： (1)產(chǎn)生足夠的感生電勢； (2)

5、允許一定的電流； (3)節(jié)省有色金屬和絕緣材料； (4)結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。,極距：相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離，用 表示。,節(jié)距,實槽與虛槽：Qu=uQ,（1）第一節(jié)距y1,一個元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的虛槽數(shù)，稱為第一節(jié)距，用y1表示。,（2）第二節(jié)距y2,相串聯(lián)的兩個元件中，第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊在電樞表面所跨過的虛槽數(shù)，稱為第二節(jié)距，用y2表示，也用虛槽數(shù)計算。,（3）合成節(jié)距y,相串聯(lián)的兩個元件對應(yīng)邊在電樞表面所跨過的虛槽數(shù)，稱為合成節(jié)距。不同類型繞組的差別，主要表現(xiàn)在合成節(jié)距和換向器節(jié)距上。,疊繞組元件在電樞上的聯(lián)接,波繞組元件在電樞上的聯(lián)接,（4

6、）換向片節(jié)距yk:元件的首末端在換向器上的距離,疊繞組指各極下元件依次連接，后一個元件總是疊在前一個元件上；波繞組指把相隔約為一對極下的同極性磁場下的相應(yīng)元件串聯(lián)起來，像波浪一樣延伸。,（5）繞組的型式,單疊繞組,單疊繞組的特點:合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1，即y=yk=1。,直流電機的 ，試將其繞成單疊繞組。,1、單疊繞組的節(jié)距,2、單疊繞組的元件聯(lián)結(jié)次序,3、單疊繞組的元件聯(lián)結(jié)次序,4、單疊繞組的并聯(lián)支路圖,單疊繞組并聯(lián)支路對數(shù)等于電機的極對數(shù)，即：,單疊繞組的的特點：,同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路，主磁極數(shù)與支路數(shù)相同。,電刷數(shù)等于主磁極數(shù)，電刷位置應(yīng)使感應(yīng)電動勢最大，電刷間電動勢等于并

7、聯(lián)支路電動勢。,電樞電流等于各支路電流之和。,單波繞組,講述單波繞組聯(lián)結(jié)規(guī)律的節(jié)距、繞組展開圖、 元件聯(lián)結(jié)圖、并聯(lián)支路圖。為什么叫單波繞組？,1、單波繞組的節(jié)距,以一臺 的直流電機為例。,（長距元件）,（左行繞組）,2、單波繞組的展開圖,3、單波繞組的元件聯(lián)結(jié)次序,4、單波繞組的并聯(lián)支路圖,單波疊繞組并聯(lián)支路對數(shù)與電機極對數(shù)無關(guān)，,單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等。兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下，空間位置相距約兩個極距；沿圓周向一個方向繞一周后，其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置。,單波繞組,單波繞組的電路圖,單波繞組的特點:,同極下各元件串聯(lián)組成一條支路，支路對數(shù)為1，與極對數(shù)

8、無關(guān)；,當元件的幾何形狀對稱時，電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線，支路電動勢最大；,電樞電動勢等于支路感應(yīng)電動勢.,電刷數(shù)等于磁極數(shù)；,直流電機的磁場及電樞反應(yīng),一、直流電機的空載磁場,Ia=0,P2=0,Ia=0,P2=0,定子磁軛 Lys,齒 t,當主磁通很小時，磁路中鐵磁部分沒有飽和，鐵磁部分所需磁勢遠比氣隙所需磁勢小，可忽略不計,主磁場的氣隙磁密的空間分布,二、直流電機負載時的負載磁場,直流電機帶上負載后，電樞繞組中有電流，電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢。電樞磁動勢的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化。其中電樞磁勢對主極磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。,S,N,N,S,S,d軸,1.電刷在幾

9、何中性線時的電樞反應(yīng),物理中性線,交軸電樞反應(yīng),電樞表面磁通密度的實際過零點的連線。,2)對主磁場起去磁作用,1)使氣隙磁場發(fā)生畸變,空載時電機的物理中性線與幾何中性線重合。負載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個磁極下，一半磁場被增強，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線 角，磁通密度的曲線與空載時不同。,磁路不飽和時，主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時相同。磁路飽和時，主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高，鐵心磁阻增大，增加的磁通少些，因此負載時每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。,由圖可知，電刷在幾何中性線時的電樞反應(yīng)的特點：,2.當電刷不

10、在幾何中性線上的電樞反應(yīng),電刷從幾何中性線偏移角，電樞磁動勢軸線也隨之移動角。,這時電樞磁動勢可以分解為兩個垂直分量:交軸電樞磁動勢Faq和直軸電樞磁動勢Fad。,兩極直流電機空載時的磁場,勵磁磁場,電樞磁場,勵磁磁場,合成磁場,電樞的感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩,一、電樞的感應(yīng)電動勢,空載時直流電機氣隙磁場,平均磁密：,（1）大小 每個導體：e av= B l v 導體切割磁場的線速度：,電動勢：,E = Ce n Ce 電動勢常數(shù)：,(V),(2) 方向： 由 和 n 共同決定。 (3) 性質(zhì)： 發(fā)電機為電源電動勢；電動機為反電動勢。,二、直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩,(1) 產(chǎn)生 電樞電流 i 磁 場 ,

11、T,(2) 大小 Tem = CT Ia CT 轉(zhuǎn)矩常數(shù)：,(Nm),CT = 9.55 CE,(3) 方向： 由 和 Ia 共同決定。,一、他勵直流發(fā)電機的基本方程式,直流發(fā)電機,N,S,T1,n,+,-,RL,Rf,ra,1.電壓平衡方程式,2.轉(zhuǎn)矩平衡方程式,ia,Tem,T0,3.穩(wěn)態(tài)運行時功率平衡關(guān)系,他勵直流發(fā)電機功率流程圖,Pem=Tem=EaIa, 小型發(fā)電機： N = 75% 85% 中大型發(fā)電機： N = 85% 93%,電壓：Ea=IaRa+U,轉(zhuǎn)矩：T1=T0+Tem,功率：P1=p0+pcu+ P2,定義：當 、 時，,空載特性,二、直流發(fā)電機的運行特性,Er,剩磁感

12、應(yīng) 電動勢,空載特性,空載時， 。由于 ，因此空載特性實質(zhì)上就是 。由于 正比于 ，所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同。,外特性,n = nN If = IfN,外特性,電壓平衡方程式 U = Ua = ERa Ia,電壓調(diào)整率,( 5% 10% ),調(diào)整特性 當 n = nN，U = UN 時： If = f ( Ia ),調(diào)整特性,三、并勵發(fā)電機的自勵條件和特性, Ua ,E ? E ? (1) 自勵條件 主磁極必須有剩磁r ：,r,Er,Ifr,EEr,與r 方向相同,EEr,與r 方向相反, 勵磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向：,r,Er,Ifr,EEr, IfIfr, ,E

13、 , E 與 If 既應(yīng)滿足空載特性又應(yīng)滿足歐姆定律。,當 Rf Rk 時， E Er ， 能夠自勵。 當 Rf = Rk 時， E不確定，不能自勵。 當 Rf Rk 時， EEr，不能自勵。 勵磁電路的電阻必須小于臨界電阻。,場阻線：,場阻線的斜率：,= RaRf,RfRk,(2) 并勵發(fā)電機的外特性,I = Ia If U = Ua = Uf Ua = E RaIa,I ,Ia ,RaIa E (電樞反應(yīng)) Uf , ,Ua ,外特性 U = f ( I ), 負載增加時， U 下降較快。 VR 20%, 外特性有拐彎現(xiàn)象。,RL I (Ia) U ,RL U If , E (較大幅度)

14、U 的下降比 RL的減少得更快,RL U I , RL = 0，U = 0， If = 0 =r ， E = Er ISC 較小。 穩(wěn)態(tài)短路電流不大。,（4）復勵直流發(fā)電機,IN,U0,差復勵,復勵,差復勵,外特性急劇下降，可作恒流源,積復勵,平復勵,過復勵,欠復勵,【例】 一他勵直流發(fā)電機， PN = 10 kW， UN = 230 V，nN = 1 000 r/min ，Ra = 0.4。如果磁通 保持不變，求 1 000 r/min 時的空載電壓 U0 和 900 r/min 時的滿載電壓 U 。 解：在 nN 和 UN 時的電樞電流,U0 = E = UaRa IaN = (2300.

15、443.5) V = 247 V 在 保持不變時， E n,U = ERa IaN = (222 0.443.5) V = 205 V,P2 = UI = 230100 W = 23 000 W Ia = IIf = (1002) A =102 A PCu = Ra Ia2 Rf If2 = ( 0.2102211522 ) W = 2 540.8 W Pem = P2PCu = 25 540.8 W,【例題】 一并勵直流發(fā)電機，輸出電壓 U = 230 V，輸出電流 I = 100 A ，Ra = 0.2，Rf = 115， n = 1 500 r/min ， T0 =17.32 Nm 。求

16、發(fā)電機的輸出功率P2 、電磁轉(zhuǎn)矩 T、輸入功率 P1 和效率 。 解：,= 2 719.24 W P1 = PeP0 = (25 540.82 719.24) W = 28 260 W,+ Ua ,+ Uf ,他 勵,并 勵,串 勵,復 勵,直流電動機按勵磁方式分類,直流電動機,直流電動機,1.直流電動機的基本方程,勵磁電壓 Uf If,電樞電壓 Ua Ia, Tem,n,(1) 電壓平衡方程式 勵磁電路： Uf = Rf If 電樞電路： Ua = E + Ra Ia,(2) 轉(zhuǎn)矩平衡方程式,(3) 功率平衡方程式,他勵直流電動機功率流程圖,并勵電動機,輸入電壓 U = Ua = Uf =

17、E + RaIa (2) 輸入電流 I = Ia + If (3) 輸入功率,【例】 某并勵直流電動機，UN = 220 V，IN = 12.5 A，nN = 3 000 r/min ，Rf = 628 ， Ra = 0.41 。求該電機在額定狀態(tài)下運行時的： (1) If ； (2) Ia； (3) E ； (4) Tem 。 解： (1) 勵磁電流 If,(2) 電樞電流 Ia Ia = IN If = (12.50.35) A = 12.15 A (2) 電動勢 E E = UN Ra Ia = (2200.4112.15) V = 215 V,CT = 9.55 CE = 0.685

18、Tem = CT Ia = 0.68512.15 Nm = 8.32 Nm,(4) 電磁轉(zhuǎn)矩,直流電動機的運行特性,直流電動機的運行特性主要有兩條，一條是工作,一、并(他)勵電動機的運行特性,1、工作特性,指 時， 。,特性，另一條是轉(zhuǎn)矩特性（或稱為機械特性）。,（1）、轉(zhuǎn)速特性,據(jù)轉(zhuǎn)速公式,轉(zhuǎn)速調(diào)整率 ：,注意：并勵電動機在運行中，勵磁繞組絕對不能斷開。,（2）轉(zhuǎn)矩特性,轉(zhuǎn)矩方程,（3）效率特性,2、機械特性,指 ，勵磁回路電阻 常值時， 。,轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩的關(guān)系表達式為,二 、串勵電動機的運行特性,1、工作特性,特點：,是指 時， 或,轉(zhuǎn)速特性,（a）輕載時， 、 常值,這時的轉(zhuǎn)速曲線大致為一雙曲線。,這時的轉(zhuǎn)速曲線大致為一直線。,輕載時， 、 常值,負載增加，磁路飽和， 常值,注意：串勵電動機不允許空載運行。,負載增加，磁路飽和， 常值,（與并勵電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義相對比）。,2、機械特性,是指 時 。,其轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為：,當磁路不飽和時：,可得,當負載電流較大時，磁路飽和，