第3章 直流电机原理.ppt

第3章直流电机原理 直流电机基本结构直流电机基本原理直流电机主要工作特性 3 1直流电机概述 直流电机是电机的主要类型之一 一台直流电机即可作为发电机使用 也可作为电动机使用 用作发电机可以获得直流电源 用作电动机 由于其具有良好的调速性能 在许多调速性能要求较高的场合 得到广泛使用 直流电机的优缺点 本章分析直流电机的工作原理 结构及换向等问题 为电力拖动自动控制系统提供元件的基本知识 直流发电机的电势波形较好 受电磁干扰的影响小 直流电动机的调速范围宽广 调速特性平滑 直流电动机过载能力较强 起动和制动转矩较大 电路结构 磁路结构 直流电机由于存在换向器 其制造复杂 价格较高 3 2基本工作原理 3 2 1交流发电机基本工作原理 物理模型 磁极都是成对出现 3 2 2直流发电机基本工作原理 定子 转子 3 2 2直流发电机基本工作原理 3 2 3直流电动机基本工作原理 小结 直流电机的可逆性 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行 也可以作为发电机运行 只是外界条件不同而已 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理 在电机理论中称为可逆原理 3 3直流电机的主要结构 P29 直流电机由静止的部分定子和旋转的部分转子两大部分构成 1 定子 机座 主磁极 换向极和电刷装置等 1 主磁极 在大多数直流电机中 主磁极是电磁铁 为了尽可能的减小涡流和磁滞损耗 主磁极铁心用1 1 2mm厚的低碳钢板叠压而成 整个磁极用螺钉固定在机座上 主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场 使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩 2 换向极 换向极又称附加极或间极 其作用是用以改善换向 换向极装在相邻两主极之间 它也是由铁心和绕组构成 3 机座 一是作为电机磁路系统中的一部分 二是用来固定主磁极 换向极及端盖等 起机械支承的作用 因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度 机座通常用铸钢或厚钢板焊成 4 电刷装置 电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接 并与换向器相配合 起到整流或逆变器的作用 2 转子 包括电枢铁心 电枢绕组 换向器 风扇 轴和轴承等 1 电枢铁心 电机主磁路的一部分 用来嵌放电枢绕组的 为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗 电枢铁心通常用0 5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成 2 电枢绕组 电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈组成 它是直流电机的主要电路部分 也是通过电流和感应电动势 从而实现机电能量转换的关键性部件 3 4直流电机的铭牌数据 额定值 为了使电机安全可靠地工作 且保持优良的运行性能 电机厂家根据国家标准及电机的设计数据 对每台电机在运行中的电压 电流 功率 转速等规定了保证值 这些保证值称为电机的额定值 1 额定容量 功率 PN kW 2 额定电压UN V 3 额定电流IN A 4 额定转速nN r min 5 励磁方式和额定励磁电流IfN A 额定功率 额定输出功率 对直流发电机来说 是指输出的电功率 对直流电动机来说 是指轴上输出的机械功率 直流发电机的额定功率为 直流电动机的额定功率为 直流电动机的额定输出转矩 额定过载欠载运行状态 额定效率 3 5直流电机的电枢绕组 电枢绕组是直流电机的核心部分 在电机的机电能量转换过程中起着重要的作用 因此 电枢绕组须满足以下要求 在能通过规定的电流和产生足够的电动势前提下 尽可能节省有色金属和绝缘材料 并且要结构简单 运行可靠等 1 两个有效边组成一个元件 2 许多元件互联组成一个绕组 3 元件组成的原则 两个相邻异性极相对应的位置 S 元件数 K 换向片数 Ze 虚槽数 极轴线 磁极的中心线 几何中性线 磁极之间的平分线 P 极对数 元件节距 第一节距 元件两条边的距离 以槽数计 总是整数 整数 极距 在电枢铁心表面上 一个极所占的距离 可用槽数表示 单叠绕组展开图P39 40 元件依次相连 元件的出线端接到相邻的换向片上 第一个元件的下层边连接着第二个元件的上层边 它放在第一元件上层边相邻的第二个槽内 已知某直流电机的极对数P 2 Ze K S 16 试画出单叠绕组展开图 1 计算绕组数据 2 画绕组展开图P40 1 先画16根等长 等距的实线 虚线 2 放磁极 N S 0 7 3 换向片 4 联绕组 5 确定感应电势方向 6 放电刷 单叠绕组并联支路图 单叠绕组的特点 元件的两个出线端联接于相邻两个换向片上 并联支路数等于磁极数 2a 2p 每条支路由不相同的电刷引出 所以电刷不能少 电刷数等于磁极数 正负电刷之间引出的电动势即为每一支路的电动势 电枢电压等于支路电压 由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和 即Ia 2aia 式中ia为每一条支路的电流 即绕组元件中流过的电流 从上面的分析可知 相同元件数时 单叠绕组并联支路数多 每条支路里串联元件数少 适用于较低电压 较大电流的电机 对于单波绕组 支路对数永远等于1 每条支路里所包含的元件数较多 所以这种绕组适应于较高电压 较小电流的电机 至于大容量的电机 可以采用混合绕组 3 6直流电机的磁场 电枢反应 一 直流电机的磁路和励磁方式 1 磁路 2 直流电机的磁势 主极磁势 Ff IfWf电枢磁势 Fa IaWa换向极磁势 FK IKWK IK Ia 直流电机的励磁方式 他励式 自励式 不同励磁方式电机的特性不同 二 空载时直流电机的磁场分布 空载 发电机出线端没有电流输出 电动机轴上不带机械负载 即电枢电流为零的状态 那么 这时的气隙磁场 只由主极的励磁电流所建立 又称励磁磁场 极靴下气隙远远小于极靴之外的气隙 显然 极靴下沿电枢圆周各点的主磁场将明显大于极靴范围以外 在两极之间的几何中心线处 磁场等于零 应用磁路欧姆定律求出P35 如上图示 磁管宽为 磁极中心及附近处 靠近极尖处 极靴以外 两极之间的几何中心线处 三直流电机的电枢反应 电枢反应 电枢磁场对主极磁场的影响 电枢磁通势对主极气隙磁场的影响 电枢反应对主极磁场的影响 A 电枢磁场在半个极内对主极磁场起去磁作用 在另半个极内则起增磁作用 引起气隙磁场畸变 B 使电枢表面磁通密度等于零的位置偏移几何中性线 新的等于零的位置我们称之为物理中性线 物理中性线偏移 C 考虑饱和时 起到去磁作用 问题 1 如何抑制电枢反应 2 电枢磁场是静止的吗 3 7直流电机的电枢电动势和电磁转矩 一 电枢电动势E 电枢电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势 也就是电枢绕组里每条并联支路的感应电动势 所以 我们可以先求一根导体在一个极距范围内所产生的平均电动势 再求一条支路的 一个磁极极距范围内 平均磁密用表示 极距为 电枢的轴向有效长度为 每极磁通为 则 一根导体的平均电动势为 所以 其中 式中 是一个常数 称为电动势常数 一条支路里的串联总导体数为 为电枢绕组总导体数 为电枢绕组并联支路对数 于是 电枢电动势为 一根导体的电动势 二 电磁转矩T 所有导体 求解电磁转矩的过程和求解电动势是一样的 1 先求一个导体的平均电磁力 2 平均电磁力乘以电枢的半径 即得到一根导体所受的平均转矩 3 电机总的电磁转矩则为 式中 是一个常数 称为转矩常数 是电枢电流 电磁转矩的大小正比于每极磁通和电枢电流 对于一个具体的电机而言 是一个常数 并且通过换算 两者之间有一固定的关系 直流电机的电磁功率 三几点说明 2 方向Ea 右手定则T 左手定则 3 稳态 问题 如何改变电磁转矩及感应电动势的方向 大大 负载转矩 电枢电流负载电流 3 8直流发电机 一运行原理 发电机规定正方向 Ea Ia同向 I2 电动势平衡方程式 根据基尔霍夫第二定律 对任一有源的闭合回路 所有电动势之和等于所有电压降和 有 二基本关系 其中 电枢回路总电阻 励磁回路总电阻 转矩平衡方程式 直流发电机在稳态运行时 电机的转速为n 作用在电枢上的转矩共有三个 一个是原动机输入给发电机转轴上的驱动转矩T1 一个是电磁转矩T 还有一个是电机的机械摩擦 风阻以及铁损耗引起的转矩 叫空载转矩 用T0表示 空载转矩是一个制动性转矩 永远与转速n的方向相反 从原动机输入的机械功率可用下式表示 式中电磁功率PM为转换成电枢回路的电功率 铜耗 功率平衡方程式 空载损耗为 杂散损耗 因此 总损耗 如此 则发电机的效率为 额定负载时 直流发电机的效率与电机的容量有关 10kW以下的小电机 效率约为75 88 5 10 100kW的 效率约为85 90 100 1000kW的电机 效率约为88 93 P50 三他励直流发电机的运行特性 1 负载特性指当n 常数且Ia 常数时 U f If 的关系 其中当Ia 0时的特性U0 f If 称为发电机的空载特性 主要物理量 U Ia If n n 常数 在发电机中 运行特性 研究两者之间的关系 2 外特性指当n 常数且If 常数或Rf 常数时 U f Ia 的关系 3 调节特性指当n 常数且U 常数时 If f Ia 的关系 4 效率曲线 他励直流发电机的空载特性 n为常数Ia 0 1 由于铁磁材料的磁滞现象 使测得的曲线是一闭合的回线 2 由于电机有剩磁 使得时仍有一个很低的电压 称之为剩磁电压 其值约为的 UN 实际使用时 一般取回线的平均值 如图中的虚线所示 作为空载特性 3 空载特性与电机的磁化曲线形状相似 只差一个比例常数 4 他励直流发电机的空载特性是直流电机最基本的特性曲线 分析特性 他励直流发电机外特性 n为常数If IfN 空载电压 Ia 0U Ea U0 电流增大时 端电压下降 负载增大时 电枢反应的去磁作用增强 使每极磁通量减小 从而使电枢电动势减小 电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大 从而使端电压下降 并励方式下 端电压下降的更快一些 负载增大时 电枢反应的去磁作用增强 使每极磁通量减小 这样不仅影响了电枢电动势 使端电压下降 同时端电压的下降进一步也影响了励磁电流使之减小 这样一来 又使得的电枢电动势双重减小 所以 并励下降的更快一些 分析特性 他励直流发电机的效率曲线 不变损耗 电机的铁损耗和机械损耗等与负载的大小无关 称为不变损耗 可变损耗 负载运行时电枢绕组的铜损耗与成正比 称为可变损耗 不变损耗 可变损耗 3 9直流电动机 一直流电机的可逆原理 电动机惯例定正方向 发电机惯例定正方向 基本方程 功率平衡方程式 并励直流电动机从电源输入的电功率为 功率流程 三 直流电动机的工作特性 1 转速特性 当时 考虑电枢反应的转速特性 2 转矩特性 当 时 3 效率特性 当时 3 10他励直流电动机的机械特性 一机械特性 n f T R 电枢回路附加电阻 可变 一般表达式 二固有机械特性与特性曲线分析 决定于电机本身性能 唯一的 条件 固有机械特性 T n n0 0 TN nN 固有机械特性特点 理想空载转速 额定转速降 起动电流起动转矩 直接起动电流很大 不能直接起动 三人为机械特性 调速的需要 1 电枢回路串电阻2 降低电枢电压3 减少气隙磁通量 T n n0 四机械特性的绘制 根据产品目录的数据可绘出固有机械特性n f T 为一直线 只要两个点即可 理想空载点 T 0 n n0 额定运行点 T TN n nN n T 计算n0TN 估算Ean 0 93 0 97 UN伏安法实测Ra 精确 近似 3 11直流电机的换向 一 什么是换向 二 换向元件中的感应电动势 二 换向元件中的感应电动势 1 电抗电动势 换向元件中 在电流变化时 必然出现由自感与互感作用所引起的感应电动势 这个电动势称为电抗电动势 可见电机的负载越重 转速越高 则越大 根据楞次定律 感应电动势的作用总是阻碍电流变化的 所以其方向与换向前元件中电流方向相同 2 电枢反应电动势 虽然换向元件位于几何中性线处 主磁场的磁密等于零 但是电枢磁场的磁密不等于零 因此换向元件必然切割电枢磁场 而在其中产生一种电动势 称为电枢反应电动势 为 因为 所以 即当负载越重 转速越高时 越大 据右手定则可以判定 无论是发电机或电动机状态