马达教程- 第三章 直流电机稳态分析.doc

河 北 科 技 大 学 教 案 用 纸 第 13 页第三章 直流电机(DC machine)的稳态分析3.1直流电机的基本工作原理及结构一、基本工作原理直流电机的构成（1）.定子：主磁极、换向磁极、机座、端盖、电刷装置；（2）.转子：电枢铁心、电枢绕组、换向装置、风扇、转轴（3）.气隙*注意：同步电机旋转磁极式；直流电机旋转电枢式。1.直流发电机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流发电机；（1） 原理：导体切割磁力线产生感应电动势（2） 特点：e=BLV；a、 电枢绕组中电动势是交流电动势b、 由于换向器的整流作用，电刷间输出电动势为直流（脉振）电动势c、 电枢电动势原动势；电磁转矩阻转矩（与T、n反向）2.直流电动机的工作原理：实质上是一台装有换向装置的交流电动机；（1） 原理：带电导体在磁场中受到电磁力的作用并形成电磁转矩，推动转子转动起来（2） 特点：f=BiL a、 外加电压并非直接加于线圈，而是通过电刷和换向器再加到线圈b、 电枢导体中的电流随其所处磁极极性的改变方向，从而使电磁转矩的方向不变。c、 电枢电动势反电势（与I反向）；电磁转矩驱动转矩（与n同向）*说明：直流电机是可逆的，它们实质上是具有换向装置的交流电机。3、脉动的减小电枢绕组由许多线圈串联组成 二、直流电机的基本结构1、 主磁极建立主磁场（N、S交替排列）a、 主极铁心磁路，由1.01.5mm厚钢板构成b、 励磁绕组电路、由电磁线绕制2、 机座磁路的一部分（支承）框架，钢板焊接或铸刚3、 电枢铁心磁路，0.5mm厚硅钢片叠压而成（外圆冲槽）4、 电枢绕组电路。电磁线绕制（闭合回路，由电刷分成若干支路）5、 换向器换向片间相互绝缘（用云母或塑料）6、 电刷装置a、 电刷石墨或金属石墨b、 刷握、刷杆、连线（铜丝辨）7、 换向极改善换向，由铁心、绕组构成（放置于主极之间或绕组与电枢绕组串联）三、励磁方式1.定义：主磁极的激磁绕组所取得直流电源的方式；2.分类：以直流发电机为例 分为：他激式和自激式（包括并激式、串激式和复激式） 他激：激磁电流较稳定；并激：激磁电流随电枢端电压而变；串激：激磁电流随负载而变，由于激磁电流大，激磁绕组的匝数少而导线截面积较大；复激：以并激绕组为主，以串激绕组为辅。*说明：为了减小体积，小型直流电机采用永磁式。二、 直流电机的型号和额定值(type and rated values)1.型号： Z 2-9 2 铁心长度代号 机座号 第二次改型设计 直流2.额定值额定功率：发电机PN：输出电功率；电动机PN：输出机械功率；额定电压：UN；额定电流：IN；额定值之间的关系：发电机：PN= UN IN；电动机：PN= UNINN。3.2 电枢绕组电枢绕组简介叠绕组单叠、复叠波绕组单波、复波混合绕组（又称蛙型绕组）一、电枢绕组的构成1、 元件组成绕组的基本单元2、 元件边上层元件边，下层元件边3、 元件数S4、 换向片数K5、 槽数和虚槽数6、 槽内层嵌放的元件边数u二、单叠绕组单叠绕组的特点是相邻元件(线圈)相互叠压,合成节距与换向节距均为1，即：Y=Yk=1 单叠绕组的的特点： 1）同一主磁极下的元件串联成一条支路，主磁极数与支路数相同。 2）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。 3）电枢电流等于各支路电流之和。三、单波绕组单波绕组的合成节距与换向节距相等。单波绕组的特点:1）同极下各元件串联起来组成一条支路，支路对数为1，与磁极对数无关；2）当元件的几何形状对称时，电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线，支路电动势最大；3）电刷数等于磁极数；4）电枢电动势等于支路感应电动势；5）电枢电流等于两条支路电流之和。四、 换向概述（一）、换向过程1.换向定义：从+ia到-ia的过程；2.换向周期：Tk，几毫秒；3.换向原因：电磁、机械、电化学和电热（二）、换向元件中的电动势主要分析电磁原因：换向过程中换向元件的电动势不为零。1.电抗电动势er 从+ia到-ia 方向：由楞次定律知，阻碍换向，与换向前相同；2.旋转电动势ek 物理中性线偏移几何中性线B0由于电枢反应影响e=BLv0 方向：对换向起阻碍作用，与换向前同，其大小与电机的转速及负载大小有关。（三）、改善换向的方法1.换向的不良后果：产生火花； 火花等级：2.改善换向的方法装设换向磁极；增加换向回路的电阻；电刷移到气隙磁场的物理中性线附近。3.3 空载和负载时直流电机的直流电机的磁动势和磁场一、 空载时直流电机的气隙磁场1、 主磁通和漏磁通2、 气隙磁场波形图3、 特点：（1）I单独产生，即F单独产生；（2）平顶波（3）几何中性线B为零二、 负载时的电枢磁动势电枢电流I（一）交轴电枢磁动势1、 电刷放在几何中性线2、 电刷是电枢电流的分界线3、 磁动势分布波形为三角形4、 磁场波形马鞍形5、 电刷位于几何中心线上，F为交轴电枢磁动势6、 磁动势的计算（1） 电负荷（线负荷）A电枢表面单位长度上的安培导体数A=Z*I/*D式中：Z电枢绕组总导体数I导体内的电流（即支路电流）D电枢直径（外径）（2） 距原点为+x及-x的闭合回路的磁动势（两个磁极即一对磁极）（3） 距原点x处每个气隙的磁动势（即每极磁动势）（4） 交轴电枢磁动势的最大值（距原点/2处，即几何中型线处）（二）直轴电枢磁动势 若电刷从几何中性线移过角，则可把电枢磁动势Fa分解成Fad和Fag 交轴磁动势Fag=A（ /2b ）（安/极） 直轴磁动势Fad=Ab （安/极）三、 电枢反应1.概述空载：气隙中磁场仅由主磁场的激磁磁动势产生（Ff=NfIf）负载：Ff+电枢磁动势电枢反应定义：电枢磁动势对激磁磁动势的作用使气隙中的磁场发生变化。2.主磁场：以主磁极的轴线对称分布 几何中性线：两相邻主磁极的轴线对称分布，此处B=0； 物理中性线：B=0处的直线位置3.电枢磁场：总是以电刷相接触的换向片相连的导体为界交轴电枢反应磁场：与主磁场垂直4.电枢反应性质电刷在几何中性线时的电枢反应 性质：交轴电枢反应； 作用：使气隙磁场畸变；使气隙磁场削弱；电刷不在几何中性线时的电枢反应 双反应理论：，分直轴和交轴分别分析； 交轴：同； 直轴：根据电机性质不同，有去或助磁作用。34 直流电机的感应电动势和电磁转距一、电枢绕组的感应电动势1 电枢绕组的感应电动势 一条支路的感应电动势（即根导体）2 的计算：（1） 一根导体产生的平均电动势（见P77图327） =lv 式中：Ba = =l = =（2） 一条支路的电动势，即电枢电动势EaEa= =n=n 式中： 每极磁通量 n转速（） Ea电枢电动势（V） Ce电动势常数当不计饱和时： 即式中： ； Caf运动电动势常数（）二、直流电机的电磁转距1 直流电机的电磁转距全部电枢导体产生的电磁转矩2 Te的计算(1) 一根导体所受点电磁力 favia(2) 全部电枢导体产生的电磁转矩，即直流电机的电磁转矩Bav=Te=Zafav=Zaavlia = Zal Ia/ 2a 式中: 每极磁通量（Wb） ；电枢总电流（A） ； 电磁转矩（N*m）； CT转矩常数（） 当不计饱和时： 式中：（同运动电动势常数）三、直流发电机和直流电动机的电枢电动势和电磁转矩的比较： ：电动势常数性质：电源电动势；与同向性质：反电动势；与方向相反：电磁转矩常数性质：制动转矩；与n 反向性质：驱动转矩；与n 同向3.5 直流电机的基本方程一、电动势平衡方程 式中：电枢回路总电阻；：正、负电刷电压降，一般为0.62伏； 发电机：取“+”；电动机：取“-”；忽略电刷压降，则*结论：发电机：；电动机：；即根据与U的大小判断直流电机的运行状态。二、直流电机的功率平衡方程以并激直流发电机为例 pCua+p0 p0=pmec+pFe P1 Pem P2 (机) 转子 定子 pCuf 发电机： 机械能电能电动机： 电能机械能电机效率：三、转矩平衡方程1.发电机：2.电动机：四、直流电机的可逆性改变电机的外界条件，可以改变其运行状态。 例：直流发电机由原动机拖动并入电网运行时，若去掉原动机，nEa当 EaU时,Ia反向,电动运行.3.6 直流发电机的运行特性1 空载特性指n=nN=常数,I=0时,U0=f(If)关系曲线（1） 接线图（见P82 图 333）（2） 实验方法 保持（原动机拖动）n=nN=常数 调节，使从零至U0=1.25UN,逐点测取U0,If 使If至If=0，在将If反向，直至U0=-1.25UN测取U0,If 在逐步调到If=0，得闭合曲线 取闭合曲线的平均值，可得到U0=f(If)曲线。（见P82 图 334）（3） 特点 曲线形状同磁化曲线(Ea,IfFf ) 当If=0时，剩磁感应电动势（由产生） If较小时，U0=f(If)近似为直线。 If较大时，U0=f(If)出现饱和（在UN附近）2外特性 指n=常数, If =常值 U=f(I) 关系曲线（1） 接线图（见P83 图 335）（2） 实验方法：调节RLI逐点测取I,U.（3） 特点随着IU（4） 分析：引起U的原因 电枢绕组电阻压降IaRa.IaIaRaU=Ea-IaRa 电枢反应去磁IaEa=CenU=Ea-IaRa (5)额定电压调整率UN保持n=常数,If=常数,当发电即从额定负载过渡到空载时,电压升高量(U0-UN)与UN的比值 UN=(U0-UN)/ UN *他励直流发电机UN=5%-10% *他励直流发电机在IfN下短路时， 其短路电流IK=E0/Ra3. 调整特性-指n=nN=常数,保持U=UN=常数时,If=f(I)关系曲线为保持U不变,应使IfEa补偿电枢反应去磁和降压,使U不变4效率特性（1）损耗 不变损耗Pfe, P;可变损耗: Pcua, Pcuf,Pcub, P(2)表达式=1-P/P1= (Pfe+P+P+ Ia2Ra+UfIf+2UsIa )/( Pfe+P+P+ Ia2Ra+UfIf+2UsIa+UIa)石墨电刷,取2Us=2V;金属石墨电刷,取2Us=0.6V二、并励直流发电机的自励和外特性 (特点:Ia=I+If,Uf=U)1 自励（1） 自励过程空载特性曲线U0=f(Uf)或Eao=f(If0)励磁电阻线（又称励磁回路伏安线）If=f(Uf)为一条直线空载工作点 A(U0,If0)上述两曲线交点自励过程设点集中有剩磁，当原动机拖动以n旋转时，导体切割（2） 自励条件电机中必须有剩磁，否则应充磁 励磁绕组与电枢绕组连接正确（与转向有关），否则应反接或让电机反转。 励磁回路总电阻Rf不能大于该转速下的临界电阻Rfcr，否则 应使Rf 转速不能过低（nRfcr 致使rfRfcr）2 空载特性（与他励相似）（1）空载时,I=0,但Ia=If0 Uo=Ea-IaRaEa 但是 If UoEa（2）用他励法求 Uo=f(If)3 调整特性（与他励相似）4 外特性指 n=常值 Rf=常值 时,U=f(I)关系曲线（见P85 图 340）特点：（1） 并励 发电机随着负载的增加，电压下降比他励快（2）随负载增加会出现“拐弯”现象 当负载较小时（RL较大时）U小U较大If较大较大磁路饱和 此时负载增大时（RL减小时）UIf但近似不变Ea 近似不变I 当负载较大时（RL较小时）U大U较小If较小 较小磁路不饱和 此时负载再增大时（RL减小时）IIaRaU IEaU （即电压下降幅度大于负载电阻减小的幅度）I=U/RL *一般Icr=(2,3)IN 当RL=0时，即短路时：U=0 I=Ik=Er/RaIN3.7 直流电动机的运行特性1 转矩转速特性（机械特性）电磁转矩Te与转速n之间的关系曲线 n=f（Te）或Te= f（n）*（1）n=f（Te）与励磁方式有关 （2）自然（固有）机械特性与人工（人为）机械特性 U=UN Rfj=0 Iaj=0 （3）硬特性与软特性2 工作特性指U=UN= 常数Rfj=0时n,Te,与P2的关系曲线(1) 转速特性 n=f(P2)或n=f(Ia)(2) 转矩特性 Te=f(P2)(3) 效率特性 =f(P2)一、 并励直流电动机的运行特性（一） 转矩转速特性指U=UN=常数,Rf=常数,n=f(Te)1 接线图2 表达式Ea=U-IaRa=Cen; Ia=Te/CTn=(U-IaRa)/Ce=U/Ce-RaIa/Ce=U/Ce-RaTe/CTCe2=n0-RaTe/ CTCe23 N=f(Te)曲线 *特点：硬特性4 引起n下降的原因T2TeIaIaRann0Ra/ CTCe2n（二） 工作特性1 转速特性n=f(Ia)或n=f(P2)（1） 表达式（2） 分析：P2T2TeIan（3） 并励直流电动机的转速调整率n n=(n0-nN)/nN *n=(38)%励磁绕组不允许断开2 转矩特性 （1）表达式 （2）分析3 效率特性同其它电机：可变损耗等于不变损耗时，1、2、 38直流电动机的起动、调速和制动一、 直流电动机的起动1 对起动性能的要求： Tst足够大 Ist尽量小（小于允许值）2 起动方法（1） 直接起动直接将电枢投入UN起动（2） 电枢回路串变阻器起动起动时在电枢回路串入起动电阻Rst（3） 降压起动起动降低电枢绕组电压 UUN二、直流电动机速度的调节1 对调速性能的要求：（1） 调速范围大 （）（2）