电机原理及拖动全套电子课件教案（完整版）.ppt

电机原理及拖动,茂名学院自动化系叶伟,本课程的性质、任务及学习方法1、性质：在工业电气自动化专业中，电机原理及拖动是一门十分重要的专业基础课或称技术基础课。2、任务：我们所从事的专业决定了我们是从使用的角度来研究电机的。因此，我们着重分析各种电机的工作原理和运行特性，而对电机设计和制造工艺涉及得不多。但对电机的结构还要有一定深度的了解。3、学习方法：要注意它既有基础理论的学习，又有结合工程实际综合应用的性质。要逐渐地培养学员的工程观点，掌握工程问题的处理方法。,目录,第一章直流电机原理第二章电力拖动系统的动力学基础第三章直流电动机的电力拖动第四章变压器第五章三相异步电动机原理第六章三相异步电动机的电力拖动第七章同步电动机第八章控制电机第九章电力拖动系统中电动机的选择,第一章直流电机原理1.1直流电机的用途、结构及工作原理一、直流电机的用途1.直流电动机的用途:在工业生产中,利用电动机的轴上转矩拖动生产机械,对产品进行加工.2.直流发电机的用途:作为电源设备二、直流电机的结构1.静止部分(1)主磁极:由极身和极掌组成,固定在磁轭(机座)上.在磁极上套入激磁绕组(线圈).主磁极总是偶数,且N极和S极相间出现.极掌对激磁绕组起支撑作用,且使磁通在气隙中有较好的分布波形.,极掌,线圈,极身,磁轭,(2)换向极:它位于相邻两主磁极之间,构造与主磁极相似,其作用是为了消除在运行过程中换向器产生的火花.(3)机座:一般把厚钢板弯成圆筒形,然后再焊成机座,也可采用铸钢件.其作用一方面是作为各磁极间的磁路,故又称为磁轭,另一方面机座作为电机的机械支架,主磁极和换向极就固定在磁轭上.(4)端盖:附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢,它可以保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙,使电枢可以自由旋转.(5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内,用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过换向器进行电流的换向.,2.转动部分(1)电枢铁心:电枢铁心由0.5毫米厚且冲有齿和槽的硅钢片迭成.铁心钢片沿轴向迭装,以降低电枢铁心在磁场中旋转时所产生的磁滞和涡流损耗,从而提高电机的效率.电枢铁心一方面作为电机磁路的一部分,另一方面便于将电枢绕组安装在电枢铁心的槽内,起着固定电枢绕组的作用.(2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避之间的槽绝缘.,(3)换向器:其作用是使电枢绕组的绕组元件中的电流进行方向的交换,起着电流换向作用.电枢绕组元件的引线就焊在换向片上.3.气隙在极掌和电枢之间有一空气隙.气隙是电机的重要组成部分,它的大小和形状对电机性能有很大的影响.4.其他部分(1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机和生产机械或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机一般采用滚动轴承,大容量电机,采用支架式滑动轴承.(2).通风装置:作用是冷却电机.,三、直流电机的基本工作原理1.直流发电机的基本工作原理为了说明方便,作下列规定:(1)N导体和S导体:在N极下的导体称为N导体;在S极下的导体称为S导体.(2)符号和符号:导体中电势(电流)的方向进入纸面时用表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用表示.,N,b2b1,N,基本原理:由于导体切割了磁力线,因而在导体内将产生感应电动势.根据右手定则,N导体中电势方向为;而S导体中电势方向为;即二者方向相反.N导体和S导体在交换(a和b位置),但是,b1和b2极性是恒定的,即b1恒为正,b2恒为负,故在电刷两端输出脉动的直流电压.综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通S导体,而S导体的电势方向恒为故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负.e,2.直流电动机的基本工作原理,a、b导体中电流方向如左所示，由左手定则可知S导体和N导体受力均为逆时针方向,因而使电枢逆时针方向旋转.通过换向器的作用，使与电源负极相接的电刷仅能接通S导体，故S导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通N导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。,1.2直流电机的空载磁场发电机:由主磁极产生的气隙磁通与电枢绕组切割而产生电势.电动机:电枢电流与气隙磁通相互作用而产生电磁转矩.分析电机磁场是分析电机运行状态的必要步骤.空载磁场:电枢无电流时的磁场.它是电机中最基本的磁场.一、电机的磁化曲线主磁通(通过气隙进入电枢)激磁磁势所产生的磁通漏磁通(不经过电枢)漏磁通不能在电枢中产生电势也不产生电磁转矩,但它存在却增加了磁极和磁轭的饱和程度.主磁通是实现机电能量转换所必需的.,主磁通所经磁路:两个气隙、两个电枢齿、一个电枢轭、两个主磁极铁心和一个主磁极轭等五段。由磁路中的欧姆定律：wfIf=Rmwf一个主磁极上激磁绕组的匝数；If激磁绕组中的激磁电流；Rm该段的磁组；磁通量1说明:当I较小时磁路的磁阻为气隙磁阻且为常数,故If与是线性的If较大时铁心饱和,磁阻加大增加变慢If与为非线性关系.电机的饱和程度对电机的性能有很大的影响.,二、主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布气隙磁密的概念：是指穿过气隙进入电枢表面或由电枢表面出来的磁通。因而气隙磁密实际上是指电枢表面的磁通密度。气隙磁密=主磁极作用产生部分+电枢磁势作用部分主磁极磁势单独作用（电枢电流为零时）：气隙在极掌下大致是均匀的。但在极尖以外时，主磁通所经气隙加大，磁密减小，并在两主磁极中间的几何中线上下降为零。,B,1.3直流电机的电枢绕组一、概述电机的电枢绕组是电机的主要组成部件。电机必须通过电枢绕组与气隙磁场相互作用才能实现能量转换。绕组类型：（1）单迭绕组；（2）复迭绕组；（3）单波绕组；（4）复波绕组；（5）混合绕组。其中，单迭和单波绕组是最基本的直流电枢绕组，是了解其他绕组的基础。二、单迭绕组1有关技术名词（1）极轴线：它是将主磁极平分为左右两部分的直线。,（2）极距：它是相邻两主磁极极轴线之间的距离，在相邻主磁极之间，与上述距离大小相等的距离，也叫极距。（3）几何中线：是在相邻两极轴线之间并且与这两极轴线等距离的直线，两相邻主磁极以几何中线为轴作位置上的对称分布。以nn表示。,N,n,2.单迭绕组元件单迭绕组由迭绕组元件按一定规律排列联接而成.绕组元件实际上是一个线圈,可以是多匝,也可以的单匝的.绕组元件结构原理:a1b1及a2b2部分称为元件边,用后端匝a1ma2及前端匝b1nb2将元件边联结起来,使两元件边中电势在元件中迭加.端线c1d1及c2d2称为引线,d1为元件的首端,d2为末端.元件的首端和末端分别焊接在不同的换向上.a1b1称为第一元件边,右边a2b2称为第二元件边.,m,n,d2,3.单迭绕组展开图,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：123456789101112131415161,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：123456789101112131415161,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：123456789101112131415161,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：123456789101112131415161,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：123456789101112131415161,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：123456789101112131415161,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。元件的第一元件边嵌在槽的上层上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层下层边。上层边用实线表示，下层边用虚线表示。以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。元件联接次序表：号码上打“.”的,表示被电刷短路的元件.当元件的两元件边的距离恰是一个极距时,由于电刷放在极轴线处的换向片上,故被电刷短接的元件的两个元件边正处在两相邻几何中线上.,.,4.绕组电路分析:元件2、3、4电势方向相同组成一个支路，元件6、7、8电势方向相同组成一个支路，但方向与2、3、4组成支路电势相反。元件10、11、12与2、3、4支路电势方向相同故将电刷A1、A2接在一起；14、15、16与6、7、8支路电势方向相同故将B1、B2接在一起，引出正、负两个电极。并联支路图:每个主磁极下的元件串联成一条支路,共有四条并联支路a=b=p,输出电流Ia=2aia,a为并联支路数、ia为去路电流；p为主磁极对数；b为电刷对数。,1.4直流电机的电枢反应电枢反应:电枢磁动势对主磁极所建立的气隙磁场的影响。电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关，它还受电刷位置的影响。一、电枢磁动势与电枢磁场二极直流电机电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布图。几点说明：1.因电刷接触的换向片与几何中性线处的导体相连,故把电刷画在几何中姓线处的导体上.2.绕组只画一层,都在电枢表面上.3.电流方向以电刷为分界线.4.电枢磁场以电刷为极轴线,电刷处磁势最强,主磁极的极轴线处电枢磁势为零.电枢磁势与主磁极磁势正交,称交轴电枢磁势.,N,S,把电枢圆周从电刷处切开展成直线并以主磁极轴线与电枢表面的交点为空间坐标的起点,这点的电枢磁动势为零.电枢磁动势沿空间的分布:电枢线负荷-电枢圆周表面单位长度上的安培导体数.A=应用全电流定律,有Hl=2Ax认为总磁势全部降在两段气隙上2Fax=2Ax即Fax=Ax磁密Bax=0Hax=0Fax/,Nia,D,n,二、电刷位于几何中性线上时的电枢反应此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交，故称这电枢反应为交轴电枢反应。电机合成磁场Bx=B0 x+Bax正方向规定：磁力线进入转子为负,出来为正.所以,主磁极磁通密度在N极下为负,在S极下为正.可知:磁场波形发生了畸变.(1)发电机:前极尖增磁,后极尖去磁.(2)电动机:前极尖去磁,后极尖增磁.如不考虑磁路饱和,则增去磁量相等总磁通量不变.,N,S,n,n,n,几何中线,发电机,当磁路饱和时因磁势和磁通密度之间不再成线性关系在磁场相加的区域磁密下降.所以交轴电枢反应总有一些去磁作用.三、电机上偏离几何中性线时的电枢反应电枢磁势分为两部分：交轴磁势和顺轴磁势。Fa=Faq+Fad当发电机顺旋转方向移动电刷或电动机逆移时顺轴电势Fad去磁，反之顺轴电势助磁。右图为发电机电刷顺移或电动机电刷逆移后的电枢反应。,Fa,1.5直流电机的电枢电动势与电磁转矩一、直流电机的电枢电动势电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电动势。刷间电动势等于其中一条支路的电动势。推导过程:设绕组为整距元件,电刷在几何中线在.如电枢绕组总导体数为N,并联电路数为2a则绕组每条支路的导体数为N/(2a).如每根导体的平均电动势eav,则支路电动势即刷间电动势,N一根导体的平均电动势为eav=BavlVBav-为一个极下的平均磁密,Bav=,2a,eav,Ea=,l,导体切割磁场的速度v用每分钟转速表示有V=2pn/60所以,eav=2p=2pEa=(N/2a)2pn/60=(pN/60a)n=Cen这是一个十分重要的公式,式中Ce=pN/(60a)为电动势常数,是一个决定于电机结构的参数.电枢电动势与每极磁通成正比,与转速正比.B-wb(韦伯)n-r/min(每分钟.转)Ea-V(伏特),n60,n60,二、直流电机的电磁转矩电磁转矩：电枢导体在磁场中受力所形成的总转矩。先求每根导体平均受力fav=Bavia-导体有效长度ia-导体电流每根导体平均转矩为Tav=BaviaD-电枢直径电枢总转矩为T=N=CTIaIa为电枢电流ia=Ia/(2a)单位为A(安培);CT=pN/(2a)是与电机结构有关的常数,称为转矩常数.单位Nm,CT=9.55Ce,D2,2P2,Ia,2a,2a,pN,Ia,1.6直流发电机一、直流发电机的分类1.他励直流发电机:励磁电流由另外的独立直流电源供给.2.自励直流发电机:它用自已发出的电给自已的励磁绕组励磁.(1)并励发电机：它的励磁绕组跨接在电枢两端,与电枢并联.(2)串励发电机励磁绕组与电枢串联,励磁电流就是电枢电流.(3)复励发电机:既有并励绕组又有串励绕组.励磁消耗的功率一般只占直流发电机额定功率的1%3%,G,G,G,二、直流发电机的基本方程式三大平衡方程式：电压平衡、转矩平衡、功率平衡。（一）电压平衡方程式U=EaIaRaU-电枢电压Ra-电枢回路总电阻(二)转矩平衡方程式Ia方向和Ea一致.当发电机稳定运行时T1=T+T0T1为原动机拖动转矩.T为发电机电磁转矩.T0为空载转矩.,(三)功率平衡方程式P1=PM+p0P1为原动机从轴上送入直流发电机的机械功率.PM为电磁功率.P0空载损耗功率.P0=pm+pFe+pspm:机械摩擦损耗pFe:铁损耗ps:附加损耗电磁功率多数转为电功率P2因PM=T=CTIa=,P2=PMpCu即电枢输出功率P2为电磁功率PM减去电枢回路的电阻铜损耗pCu由电压平衡方程U=EaIaRa得UIa=EaIaI2aRa即综合后得P1=P2+pCu+pm+pFe+ps=P2+p直流发电机功率流程图pm+pFe+ps注:没有把励磁功率计算pCu=I2aRa在P1之内.,P2=PMpCu,三、他励直流发电机特性研究条件：保持转速n不变且等于额定转速nN.三个物理量：电枢电压U、电枢电流Ia、励磁电流If(一）空载特性U=f(If)n=c.Ia=0因Ea=Cen,Ce和n为常数，所以Ea与成正比。即U=f(If)曲线与磁化曲线=f(If)形状相同。U,发电机的额定电压工作点一般选在开始饱和的弯曲处C点，当If=0时，U0，这是剩磁所致称为剩磁电压Us=2%4%UN,(二）外特性U=f(Ia)n=c=nN常数If=常数调励磁If和负载Ia。使U=UN，电机工作在额定状态调Ia测U得外特性U=f(Ia)曲线是一条略微向下倾斜的曲线U=EaIaRaUIaIaRaU国家标准规定：用发电机由额定状态过渡到空载时的电压升高对额定电压的比率表示电压变化率U%=U%=5%10%常数。,四、并励直流发电机（一）并励直流发电机的自励条件（1）发电机必须有剩磁，如果无剩磁，必须用另外的直流电源充磁。（2）励磁绕组并联到电枢两端，线端的接法应与旋转方向配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致。（3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。在建立正常电枢电压的过程中，励磁电流If一直在上升励磁回路电压平衡方程为：,在A点之前Uo-Rfif0if当达到A点时，U0=RfIf,Lfdif/dt=0,If不再变化，电压稳定在A点，发电机能建立起正常电压。（二）外特性n=常数、励磁回路总电阻不变时U=f(I)关系曲线。并励比它励电机外特性下降得快原因有三：（1）电阻压降（2）电枢反应去磁（3）UIf磁路退饱和，导致励磁电流下降电压降低，使负载电流不再增加反而减小。,1.7直流电动机一、直流电机的可逆原理一台直流电机，在满足一定条件下它可以作发电机运行，也可以作为电动机运行。称为可逆性原理。过程分析：发电机状态到电动机状态的过渡。假设开始时发电机向直流电网供电，电网电压U恒定不变。各量方向如图所示。发电机中电流与电势方向一致，电机的电磁转矩T为顺时针方向。与原动机拖动转矩T1方向相反。U稳定运行时T1=T+T0电动势EaU电流顺电动势方向流向电网。能量关系：T1EaIaUia机械功率电功率输出电功率,T1,当撤掉原动机后nEaIaT稳定运行时T=T0+Tm反电势EaEa,Ia变向,T变逆时针,电机运行在电动状态,i,U,二、直流电动机基本方程式(一)电压平衡方程式U=Ea+IaRaEa-反电动势Ia-电枢回路电流Ra-电枢回路电阻(二)转矩平衡方程式当电机稳定运行时T=T0+T2T-电磁转矩,或T=T0+TmT0-空载转矩Tm-负载转矩当T2=Tm时转速稳定T2-输出转矩(三)功率平衡方程式P1=Pm+pcuUIa=EaIa+I2aRa,电机从电网吸收的电功率P1=UIa减去电枢绕组铜损Pcu=I2aRa余下的为电枢的电磁功率PM=EaIa.而PM=EaIa=T=T0+T2=p0+P2所以P1=Pcu+p0+P2功率流程图:,三、他励直流电动机特性目的：为正确使用电动机。几种靜特性：（1）转速特性；（2）转矩特性；（3）效率特性；（4）机械特性从使用电动机的角度，机械特性是电动机最重要的一种特性（一）转速特性U=UNIf=IfN电枢无外串电阻即R=Ra因Ea=UN-IaRa=Cen所以,Ia=0时n=n0为理想空载转速;n=Ia=IaRa/Ce为转速降.所以,机械特性为略微向下倾斜的一条直线.(三)效率特性（二）转矩特性T=CTIa为一过原点直线当U=UN、If=IfN、电枢无外串电阻，即R=Ra时效率特性=f(Ia)=令d/dIa=0可求得效率最高条件当电动机中不变损耗等于可变损耗时，效率最高。且通常出现在Ia=75%100%区域内。,（四）机械特性U=常数、If=常数、R=Ra+Rc=常数时,n=f(T)变化关系.当U=UN、If=IN、Ra=0时，称n=f(T)为自然机械特性。否则，称为人造机械特性。由直流电动机电压平衡方程可知：U=Ea+Ia(Ra+Rc)Ea=CenT=CTia联解得：人造特性。自然特性。,n=,机械特性上的两个特殊点:(1)理想空载点T=0,n=n0;(2)额定工作点T=TN,n=nN.电动机工作在额定状态时,转速降为一般根据额定时的数据(UN、IN、nN、Ra),求出CeN和CTN，进而对工作点进行计算。,四、串励直流电动机及复励直流电动机串励直流电动机的励磁电流就是电枢电流，它随负载的变化而变化。复励电动机是并励直流电动机和串励直流电动机的结合，它兼有两者的特点。（一）串励直流电动机的转矩特性n=f(Ia)经变换得一条非线性曲线分磁化曲线的不饱和和饱和两部分讨论：（1）Ia较小、磁路不饱和磁通与电流成正比，,R0为电枢回路总电阻,将=K1Ia代入后得为一条双曲线当电动机空载、电流很小时，可能引起“飞车”事故，所以串励直流电动机不允许空载运行，也不允许用皮带传动。（2）当Ia较大、磁路饱和时：=K2为一常数，这时为一条稍有下降的直线，但转速降比他励直流电动机稍大。如特性1,（二）串励直流电动机的转矩特性T=f(Ia)由转矩公式T=CTIa,及磁化曲线=f(Ia)-非线性（1）Ia较小、磁路不饱和时=K1Ia与Ia成正比，T=CTK1Ia2-抛物线（2）Ia很大、磁路饱和时=K2为一常数与Ia无关，T=CTK2Ia-为一直线特性如曲线2所示。串励直流电动机适用于起动比较困难，且不空载的生产机械。如电力机车。（三）串励直流电动机的机械特性n=f(T)一般表达式,机械特性曲线如右图1所示。特点：（1）轻载时特性软，重载时为一条略微下倾的直线。（2）轻载时转速很高，曲线与纵坐标轴无交点。串励电动机不允许空载运行。（四）复励直流电动机的机械特性复励：既有并励绕组又有串励绕组。复励电动机兼有并励和串励两种电动机的优点。串励绕组使起动转矩增加，并励绕组使复励电动机可以轻载运行和空载运行。不存在“飞车”的问题。机械特性介于并励和串励之间。如图2所示。,图1,图2,第八节直流电机换向简介换向：直流电机在运行过程中，旋转的电枢绕组中一些元件从一条支路经过电刷进入另一条支路，在这一过程中，元件电流改变方向，这一过程称为换向。换向的过程正是元件被电刷短路的过程，元件短路过程结束就是换向结束，这时元件完全进入另一条支路。一、换向过程,ia,分三个阶段:(1)开始,电刷与1号换向片完全接触,元件1和元件2属右面支路,电流为+ia.(2)电刷同时与换向片1和2接触,元件1被电刷短路,元件1中的电流在从+ia向-ia变化.(3)电刷完全与换向片1脱离,完全与换向片2接触,元件1完全进入左支路,电流为-ia.,16,2,二、直线换向、延迟换向与超越换向（一）直线换向直线换向是一种最基本的换向过程，换向元件中的电流按直线规律变化。条件：换向元件中无电势，且只考虑电刷接触电阻。特点：（1）在换向过程中，电刷下不会产生火花。因为换向元件中的电流由+ia连续变化至-ia，没有换向电流必须通过空气而造成火花。（2）在换向过程中，电刷两左右两侧电流密度是均匀的。故电刷左右两侧发热也是均匀的。,(二)延迟换向电机正常运行时换向元件中产生以下几种电势使e0(1)自感电动势eL换向元件中电流变化时产生的eLeL=-Ldi/dt(2)互感电动势eM同时换向的几个元件之间产生的互感电动势eM=-Mdi/dt称er=eL+eM为电抗电势,其方向与+ia相同.(3)电枢反应电势ea换向元件切割电枢磁场产生的感应电势,其方向与er一致,也是反对换向电流变化的.结果使电流不能随时间成线性关系变化且变化较慢.曲线2所示.称之为延迟换向.延迟换向使电刷的前刷边电流密度小,后刷边电流密大,因此后刷边出现较大的火花.,三、改善换向的方法方法：在换向元件中产生与er和ea方向相反的电势ek.方法一：在主磁极的几何中性处加一换向磁极。极性与电枢磁场的极性相反，其绕组一般与电枢绕组串联方法二：移刷改善换向。发电机顺移，电动机逆移。移动的角度（物理中线与几何中线之夹角）四、火花、环火及补偿绕组换向不良电刷下产生火花，严重时影响电机工作。环火是处于最大磁密处的元件电压出现最大值，在元件连接的两个换向片间产生电弧短路而形成环火。补偿绕组与电枢绕组串联以消除电枢反应进而消除环火。,第二章电力拖动系统的动力学基础,第一节典型生产机械化的运动形式及转矩一、电力拖动系统的基本概念电力拖动:以电动机为原动机拖动生产机械运转的拖动方式.电力拖动系统:由电动机、机械传动机构、生产机械的工作机构、电动机的控制设备以及电源等五部分组成的综合机电装置。,二、典型生产机械的运动形式和转矩（一）运动形式1、单轴旋转系统特征：电动机的转子与负载轴通过联轴器连接在一起。所有运动运动部分均以同一转速旋转。如通风机。2、多轴旋转系统特征：各轴转速不同，主轴转速比电动机转速低。电动机转子通过皮带轮和减速机与主轴相连接。如车床。3、多轴旋转和平移运动系统特征：负载既有旋转运动又有平移运动。如起重机的起重小车。4、多轴旋转和升降运动系统特征：负载既有旋转又有升降运动。如起重机的提升机构。,（二）生产机械的转矩性质两种类型：1、摩擦力产生的转矩-反抗性转矩特点-转矩方向总是与旋转方向相反。2、重力作用产生的转矩-位能性转矩特点-作用方向与生产机械的旋转方向无关电力拖动系统的运动规律的分析主要研究作用在电动机轴上的转矩与电动机转速变化之间的关系n=f(T).分析方法：先对单轴运动系统进行分析，得出一般规律对多轴运动系统，则通过折算等效成单轴运动系统后再运用单轴运动系统的规律。,第二节电力拖动系统和运动方程式一、单轴电力拖动系统的运动方程式作用在电机轴上的转矩:电动机的电磁转矩T电动机的空载转矩T0生产机械转矩TmT0+Tm=TL为电动机的负载转矩,为轴的角速度.J为对转轴的总转动惯量J=JR+Jm.根据力学刚体转动定律及各量参考方向得转动方程式,转矩单位为Nm;J为Kgm2;为rad/s该式是研究电力拖动系统各种运转状态的基础。在工程计算中，常用n代替；用飞轮力矩GD2代替J。其关系为m-转动部分的质量，kg;G-转动部分的重力，N；-转动部分的回转半径，m;D-回转直径，m;g-重力加速度，取g=9.81m/s2运动方程式变为GD2总飞轮惯量为实用形式T-TL=Td为动态转矩,Td=0,dn/dt=0,电动机以恒定转速旋转或静止不动.称静止状态.Td0,dn/dt0-系统处于加速状态Td0,n0方向一致,T为拖动转矩,Tnn原因U、Ra+Rc均为常数条件下，TIa=T/CT,A,Ea=UIa(Ra+Rc),n=Ea/Ce,在第二象限内：n0,且nn0,所以Ea0,且EaU,电枢电流成为阻碍运动的制动转矩。Ia与Ea方向一致，电机输出能量，电源吸收能量。在第三象限内：nU2U3,机械特性方程式3.减弱气隙磁通的人为机械特性U=UN,R=Ra,调TLnIa(T)当上升到C点时T=TL达到新的平衡,此时n=nc当于拢消失,系统将由C到DA回到原工作点.故该系统能稳定运行.A点是稳定的工作点.,C,可以证明,一个电力拖动系统能稳定运行的充分必要条件是:1、电动机的机械特性与负载的机械选择性必须相交，在交点处T=TL，实现了转矩平衡。2、在交点处（dT/dt）(dTL/dt)=0不符合第二个条件,系统不能稳定运行.如负载减小转速增加,T增加最终损坏电机.,A,TLB,TLA,第二节他励直流电动机的起动和反转一、他励直流电动机的起动起动电动机时，应当先给电动机的励磁绕组加入额定励磁电流，以便在气隙中建立额定磁通，然后再接通电枢回路。电动机一般不允许把电枢直接接到额定电压的电源上即直接起动。以防电机烧坏和机械损坏。IN，故必须把起动电流限制在允许范围之内。一般最大允许电流为(1.52)IN,间接起动的两种方法:1、降压起动，2、串电阻起动（一）降压起动降压起动方法在起动过程中能量损耗小,起动平稳,便于实现自动化,但需要一套直流电源,增加了设备投资.,Uf,If,Ia,U,调压电源,M,1,U=UN,TN,1.2TN,2TN,n,T,1,2,3,4,5,6,(二)电枢回路串电阻起动串电阻是为了限制起动电流不超过允许值.以Rst或rst表示.电枢回路中应串入的起动电阻值为,M,起动过程中应分段逐步切除起动电阻.最终全部切除Rst,电动机运行在自然特性上.(三)起动电阻的计算各级起动电阻的计算,应以在起动过程中最大起动电流I1及切换电流I2不变为原则.常取I1=1.5-2IN令I1/I2=称为起动电流比.因切换前后瞬间电枢电阻压降相等,即I2RST3=I1Rst2或Rst3=Rst2I2Rst2=I1Rst1Rst2=Rst1I2Rst1=I1RaRst1=Ra,I2=1.1-1.2IN,推广到一般情况,如起动级数为m,则Rstm=mRa计算起动电阻时可能有以下两种情况:1.起动电阻级数m尚未确定步骤:(1)根据电动机铭牌数据估算Ra.(2)根据生产机械对起动时间、平稳性以及电动机的最大允许电流，确定I1及I2并计算Rstm及Rstm=UN/I1，=I1/I2,要求起动时间短时，取较大的I1；要求起动转矩平稳、起动冲击小时，需要较多的起动级数，这时应取较小的值。（3）由Ra、Rstm及，按下式计算起动级数：（4）由m/求出新的/(5)计算各段起动电阻rst1=Rst1-Ra=/Ra-Ra=(/-1)Rarst2=Rst2-Rst1=/Rst1-Rst1=/rst1,应把m凑成整数m/,推广到一般情况:rSTm=/rst(m-1)2.起动级数m已知这时可根据电动机最大允许电流确定I1并计算如I2过大或过小,说明级数m确定得不合理,应减小或增加级数.最后按第(5)计算各段起动电阻.,二、他励直流电动机的反转电动机反向运转电磁转矩T必须反向。而T=CTIa故方法有二（1）磁场反向（2）电枢反向1.电枢反向接线图2.机械特性3.机械特性方程式,F,F,R,R,Rc1Rc2Rc3,K1k2k3,If,Rf,+,-,-n0,n0,T,第三节他励直流电动机的调速一.电动机调速的基本概念调速机械调速:改变传动机构的速比,属有级调速电气调速:人为地改变电动机的参数从机械特性上,改变工作点,电动机的转速就能改变两种情况:1.负载变但机械特性不变,2.负载不变而变电机参数,有级调速无级调速,A,B,1,3,2,n,T,TL,nB,nA,n0,TL/,几个术语:基速:电动机的额定转速nN,上调速:额定转速nN以上的调速,下调速:基速以下的调速.无级调速:电机的转速可平滑地加以调节.有级调速:不能平滑调节,只能给出几种速度.二.他励直流电动机的调整方法由机械特性方程式调电枢回路外串电阻调电源电压U调气隙磁通,(一)电枢串电阻调速U=UN,=N调Rc特点:1.各条特性有相同的理想空载转速n02.在额定负载下,能提供的最高转速为额定nN故属基速以下调节.且为有级调速.3.串电阻越大,稳定转速越低.4.若为恒转矩负载,则稳定运行时T=TL电枢电流Ia=T/CTN=常数,即与转速无关.缺点:1.不能实现无级调速,2.能耗大效率低.3.特性软,转速的稳定性差.,(二)降低电源电压调速Rc=0,=N,调UUN机械特性方程式特点:1.各条特性互相平行,2.在负载相同时转速降n相同且均与固有特性相同,即n=3.对恒转矩负载Ia=C,与转速无关.铜耗为与转速无关且数值很小,故效率高.,n,T,U=UN,U1,U2,U3,UNU1U2U3,TL,A,B,C,D,n0,nA,nB,nc,nD,4.能实现平滑无级高速该调速方法是基速以下调速,能提供的最高转速为电动机的额定转速nN,由于能实现平滑无级调速,特性硬,转速的稳定性好,故是一种性能优越的调速方法,广泛应用于要求较高的系统中.(三)减弱磁通调速U=UN,R=Ra,调TLn到C点稳定.T=TL但Ia增加了.,2.在电流较小的励磁回路内进行调节,方便功耗小.3.便于实现无调速.4.由于转速越高,电机换向困难,机械强度也不准许转速太高.一般升到1.21.5nN,特殊电机34nN,在实际生产中,通常把降压调速和弱磁调整结合起来使用,以实现双向调速.扩大调速范围.三、调速的性能指标用性能指标来比较各种调速方法的优劣.主要的调速指标:1.调速范围Dnmax,nmin为在额定负载时的数值.,2.静差率在某一调节转速下,电动机从理想空载到额定负载时转速的变化率.静差率小,转速的相对稳定性好.D和由生产加工部门提出具体要求,由于转速越低越大.所以,对的要求也是对最低转速的要求.确定了D也同时被确定下来了.,nN,nN,nmax,nmin,D,n01,(三)调速系统的平滑性用调速时相邻两级转速之比来说明,即K值越接近1,调速的平滑性就越好.k=1时为无级调速.(四)经济指标四、电动机调速时允许输出的转矩和功率表示电动机在调速时所具备的带负载能力.它的前题条件是合理地使用电动机.合理意指保证电动机长期运行时Ia=IN不变.,(一)恒转矩调速方式指在某种调速方法中,若保持Ia=IN不变时,电动机允许的转矩也保持T=TN不变,与转速无关.电枢串电阻调速和降压调速中=N,当Ia=IN条件下,T=CeNIN=TN也不变,与n无关,属恒转矩调速.(二)恒功率调速方式指在某种调速方法中,若保持Ia=IN不变,则电动机允许输出的功率也基本保持不变,与转速无关.在他励直流电动机弱磁调速方法中U=UN,保持时,T=C2/n,电动机输出功率P=Tn/9550与n无关,属恒功率调速方式.,Ia=IN不变,五、电动机的调速方式与负载类型的配合当电动机的负载为恒转矩负载时，应采用恒转矩调速方式与其匹配。当电动机的负载为恒功率负载时，应采用恒功率调速方式与其匹配。,第四节他励直流电动机的制动一、制动的一般概念所谓制动，就是使拖动系统从某一稳定转速开始减速到停车，或使其在某一转速下稳定运行。机械制动：机械抱闸属外加力。制动电气制动：使电动机产生与原转动方向相反的电磁转矩来实现制动。自由停车：拉断电源靠摩擦使电机慢慢停车。在制动过程中电动机是吸收来自负载侧的能量，此时电动机工作在发电机状态。,电动和制动状态的判定：电动状态T0,输出功率制动状态T0,电功率PM=EaIa=TT故电动机开始反转,直到TL=T在D点稳定运行.此时Ea以反向与UN共同产生制动转矩与TL相抗衡.,T,TL,n,A,B,c,D,-nD,nA,UN,K,Rc,Ia,TL,UN,由于电动势反接制动可以在第四象限稳定运行所以是制动运行状态.主要用于起重机提升机构低速下放重物.电动势反接制动时电动机输入的机械能是由位能负载减少的位能提供.四、回馈制动（一）他励直流电动机回馈制动的基本概念电动状态时：电动机从电源输入电功率UIa0,即,电源输出能量,电动机吸收能量.并供给机械负载.能量从电源侧流向电动机,回馈制动状态时:Ia改变方向,电磁转矩也由原拖动转矩变为制动转矩.UIaU1(BC段)到C点时U1=Ea,Ia=0回馈制动过程结束.CD段又回到电动状态,D点为稳定工作点.,A,U=UN,U=U1,B,C,D,n,T,Ia反向流向电源侧,(三)位能负载下放重物时的回馈制动被吊在空中的重物