电机及拖动基础教学课件

电机及拖动基础教学课件 电气一次设备 2008 02 07 16 13 10 阅读 200 评论 0 字号 大中小 1 4 1 直流电机的空载磁场 1 4 2 直流电机负载时的磁场和电枢反应1 4 直流电机的磁场 1 4 3 直流电机的励磁方式 1 5 1 直流电机的换向问题和换向极绕组 1 5 直流电机的换向 1 5 2 直流电机的补偿绕组 小 结 思考题 习 题参考文献 第 1 章 直流电机原理 摘要 本章分析直流电机的工作原理 结构 电路 磁路及换向等问题 为电力拖动自动 控制系统提供元件的基本知识 1 4 直流电机的磁场 返回顶部 直流电机中除主极磁场外 当电枢绕组中有电流流过时 还将会产生电枢磁场 电枢磁 场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场 它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的 要了解气隙磁场的情况 就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性 1 4 1 直流电机的空载磁场 返回顶部 直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小 且可以不计其影响的一种运行状态 此时 电机无负载 即无功率输出 所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场 即由 励磁磁通势单独建立的磁场 当励磁绕组通入励磁电流 各主磁极极性依次呈现为 极和 极 由于电机磁路结构对 称 不论极数多少 每对极的磁路是相同的 因此只要分析一对极的磁路情况就可以了 图 1 16 是一台四极直流电机空载时的磁场分布示意图 一对极的情形 从图中看出 由 极出来的磁通 大部分经过气隙进入电枢齿部 再经过电枢磁轭到另一部分的电枢齿 又通过气隙进入 极 再经过定子磁轭回到原来出发的 极 成为闭合回路 这部分磁 通同时匝链着励磁绕组和电枢绕组 电枢旋转时 能在电枢绕组中感应电动势 或者产生 电磁转矩 把这部分磁通称为主磁通 用 0 表示 此外还有一小部分磁通不进入电枢而 直接经过相邻的磁极或者定子磁轭形成闭合回路 这部分磁通仅与励磁绕组相匝链 称为 漏磁通 用 表示 由于主磁通磁路的气隙较小 磁导较大 漏磁通磁路的气隙较大 磁导较小 而作用在这两条磁路的磁通势是相同的 所以漏磁通在数量上比主磁通要小得 多 大约是主磁通的 20 左右 图 1 16 直流电机空载时的磁场分布示意图 1 极靴 2 极身 3 元子磁轭 4 励磁绕组 5 气隙 6 电枢齿 7 电枢磁轭 由于主磁极极靴宽度总是比一个极距要小 在极靴下的气隙又往往是不均匀的 所以主磁 通的每条磁力线所通过的磁回路不尽相同 在磁极轴线附近的磁回路中气隙较小 接近极 尖处的磁回路中气隙较大 如果不计铁磁材料中的磁压降 则在气隙中各处所消耗的磁通 势均为励磁磁通势 因此 在极靴下 气隙小 气隙中沿电枢表面上各点磁密较大 在极 靴范围外 气隙增加很多 磁密显著减小 至两极间的几何中性线处磁密为零 不考虑齿 槽影响时 直流电机空载磁场的磁密分布如图 1 17 所示 图 1 17 直流电机空载磁场的磁密分布 在直流电机中 为了感应电动势或产生电磁转矩 气隙里要有一定数量的主磁通 0 也 就是需要有一定的励磁磁通势 或者当励磁绕组匝数一定时 需要有一定的励磁电流 把空载时主磁通 0 与空载励磁磁通势 或空载励磁电流 的关系 即 0 或 0 称为直流电机的磁化曲线 它表明了电机磁路的特性 电机的 磁化曲线可通过电机磁路计算来得到 直流电机磁路计算内容是 已知气隙每极磁通为 0 求出直流电机主磁路各段中的磁压 降 各段磁压降的总和便是励磁磁通势 对于给定的不同大小的 0 用同一方法计算 得到与 0 相应的不同 经多次计算 便得到了空载磁化曲线 0 直流电机主磁通的磁回路从图 1 16 中可看出主要包括这样几段 两段主磁极 两段气隙 两段电枢齿部 电枢磁轭 定子磁轭 对于每一段磁路 都是根据已知的 0 算出磁密 B 再找出相应的磁场强度 H 分别乘以各段磁路长度后便得到磁压降 气隙部分的磁导 率是常数 不随 0 而变 或者说气隙磁压降与 0 成正比 但其它各段磁路 都是铁磁 材料构成 它们的 B 与 H 之间是非线性关系 具有磁饱和的特点 也就是说它们的磁压降 与 0 不成正比 也具有饱和现象 当 0 大到一定程度后 出现饱和 0 再增大 H 或磁压降就急剧增大 因此 造成了直流电机 0 大到一定程度后 磁路总磁压降即励磁 磁通势 急剧增大 电机的磁化曲线具有饱和现象 如图 2 18 所示 图 1 18 电机的磁化曲线 考虑到电机的运行性能和经济性 直流电机额定运行的磁通额定值的大小取在磁化曲线开 始弯曲的地方 称为膝部 如图 1 18 中的 a 点 称为膝点 对应的 N 系指在空载额定 电压时的每极磁通 对应的励磁磁通势为 FfN 1 4 2 直流电机负载时的磁场和电枢反应 返回顶部 当电机带上负载后 电枢绕组中就有电流流过 在电机磁路中 又形成一个磁通势 这个 磁通势称为电枢磁通势 因此 负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用 所建立 电枢磁通势的出现 必然会影响空载时只有励磁磁通势单独建立的磁场 有可能 改变气隙磁密分布及每极磁通量的大小 通常把负载时电枢磁通势对主磁场的这种影响称 为电枢反应 电枢反应对直流电机的运行性能影响很大 电枢磁通势如何影响电机中的主磁场呢 下面先分析清楚电枢磁通势和电枢磁场的特性 然后把两种磁场合成起来 再考虑到饱和 问题 就可以看清楚电枢磁通势对主磁场的影响了 1 电枢磁通势和电枢磁场 电枢磁通势是由电枢电流所产生的 从对电枢绕组的分析可知 不论什么型式的绕组 其 各支路中的电流是通过电刷引入或引出的 在一个极下元件边中电流方向是相同的 相邻 的不同极性的磁极下元件边中电流方向总是相反的 因此 电刷是电枢表面电流分布的分 界线 在电枢磁通势的作用下 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布如图 1 19 所示 图 1 19 电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布 由于电刷和换向器的作用 尽管电枢是旋转的 但是每极下元件边中的电流方向是不变的 因此电枢磁通势以及由它建立的电枢磁场是不动的 电枢磁场的轴线总是与电刷轴线重合 并与励磁磁通势产生的主磁场轴线相互垂直 现在研究电枢磁通势的大小和电枢磁场的磁密沿电枢表面分布的情况 首先讨论一个元件 所产生的电枢磁通势 设电枢槽内仅嵌放一个元件 该元件轴线 即元件的中心线 与磁极轴线垂直 即元件边 位于磁极轴线上 如图 1 20 a 所示 元件有 匝 元件中的电流为 则元件边所 产生的磁通势为 安培导线数 由该元件所建立的磁场的磁力线的路径如图 1 20 a 所示 设想将电机从 处切开 展平如图 1 20 b 所示 根据全电流定律可知 每 个磁回路的磁通势均为 每根磁力线通过两次气隙 若不计铁磁材料中的磁压降 则磁通势全部消耗在气隙中 在直流电机中 与磁极轴线等距离处的气隙大小相等 所以 磁力线通过一次气隙所消耗的磁通势则为磁力线所包围的全电流的一半 即 1 2 若 以几何中性线为纵轴 电枢周长为横轴 但规定磁通势方向与磁力线方向一致 即正磁通 势表示由它产生的磁通方向从电枢到主磁极 负磁通势则为从主磁极到电枢 作这些规定 后 一个元件所消耗于气隙的磁通势的空间分布为 1 15 将式 1 15 用曲线形式表示 如图 1 20 b 中所示 从图中看出 一个宽度为一个极距 的元件所产生的电枢磁通势在空间的分布为一个以 2 为周期 幅值为 1 2 的矩形 波 图 1 20 一个元件所产生的电枢磁通势 a 磁力线分布 b 磁通势分布 若电枢表面均匀分布四个元件 如图 1 21 所示 根据上面分析 每个元件的磁通势空间分 布均为一个高为 1 2 宽度为 的矩形波 把这样的四个矩形波叠加起来 可得一 个每级高度为 阶梯级数为 2 的阶梯形波 图 1 21 四个元件所产生的电枢磁通势 如果电枢表面均匀分布的元件数目较多 那么总的电枢磁通势波形会接近图 1 21 中所表示 的三角形波 由于实际电机中 电枢上元件很多 可近似地认为电枢磁通势分布波形为一 三角形波 其轴线即位于三角形的顶点上 设 为电枢绕组的总导线数 为元件数 为极对数 为极距 为电枢直 径 则阶梯级数为 且阶梯形波或三角形波的幅值为 1 16 把 和 代入式 2 16 得 1 17 式中 电枢表面单位长度上的安培导体数 称为线负荷 A m 知道了电枢磁通势分布曲线 在忽略铁心中磁阻的情况下 即可求出电枢磁场的磁密沿电 枢表面的分布曲线 这条曲线表示为 1 18 式中 气隙长度 m 真空中的磁导率 如果气隙是均匀的 即 为常数 则在极靴范围内 磁密分布也是一条直线 但在两极 极靴之间的空间内 因气隙长度大为增加 磁阻急剧增加 虽然此处磁通势较大 磁密却 反而减小 因此磁密分布曲线是马鞍形 如图 1 22 中所示 图 1 22 磁场分布和电枢反应 2 负载时的合成磁场和电枢反应 以直流电动机为例 把主磁场与电枢磁场合成 将合成磁场与主磁场比较 便可看出电枢 反应的作用 在图 2 22 中 表明了磁极极性和极下元件边中的电流方向 根据左手定则 决定转动方向 为由右向左 再按磁力线方向与磁通势方向一致的原则 分别画出主磁场分布曲线 及电枢磁场分布曲线 若磁路不饱和 可用迭加原理 将 沿电枢表面逐点相加 便得到负载时气隙内合成磁场分布曲线 如图 2 22 中实线所表示 将 和 比较 得出 1 使气隙磁场发生畸变 每一磁极下 因为电枢磁场使主磁场一半被削弱 另一半 被加强 并使电枢表面磁密为零的位置由空载时在几何中性线逆转向移动了一个角度 称通过电枢表面磁密为零的这条直线为物理中性线 故在空载时 物理中性线与几何 中性线重合 负载时 由于电枢反应的影响 气隙磁场发生畸变 物理中性线与几何中性 线不再重合 而且磁场的分布曲线也与空载时不同 2 对主磁场起去磁作用 在磁路不饱和时 主磁场被削弱的数量恰好等于被加强的数量 图 2 22 中表示出面积 因此负载时每极下的合成磁通量与空载时相同 但在 实际电机中 磁路总是饱和的 因为在主磁极两边磁场变化情况不同 一边是增磁的 另 一边是去磁的 主极的增磁作用会使饱和程度提高 铁心磁阻增大 从而使实际的合成磁 场曲线 图中用虚线表示 比不计饱和时要低些 与不饱和时相比 增加的磁通要少些 主极的去磁作用可使饱和程度降低 铁心磁阻减小 结果使实际的合成磁场曲线 图中用 虚线表示 比不计饱和时略高些 与不饱和时相比 减少的磁通要少些 由于磁阻变化的 非线性 磁阻的增大比磁阻的减小要大些 增加的磁通就会小于减少的磁通 图 2 22 中表 示出面积 因此负载时合成磁场每极磁通比空载时每极磁通略有减少 这就是 电枢反应的去磁作用 总的来说 电枢反应的作用不仅使电机内气隙磁场发生畸变 而且还会呈去磁作用 1 4 3 直流电机的励磁方式 返回顶部 直流电机的励磁方式是指对励磁绕组如何供电 产生励磁磁通势而建立主磁场的问题 根据励磁方式的不同 直流电机可分为下列几种类型 1 他励直流电机 励磁绕组与电枢绕组无联接关系 而由其他直流电源对励磁绕组供电的直流电机称为他励 直流电机 接线如图 1 23 a 所示 图中 M 表示电动机 若为发电机 则用 G 表示 永 磁直流电机也可看作他励直流电机 2 并励直流电机 并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联 接线如图 1 23 b 所示 作为并励发电机来 说 是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电 作为并励电动机来说 励磁绕组与电枢 共用同一电源 从性能上讲与他励直流电动机相同 3 串励直流电机 串励直流电机的励磁绕组与电枢绕组串联后 再接于直流电源 接线如图 1 23 c 所示 这种直流电机的励磁电流就是电枢电流 4 复励直流电机 复励直流电机有并励和串励两个励磁绕组 接线如图 1 23 d 所示 若串励绕组产生的磁 通势与并励绕组产生的磁通势方向相同称为积复励 若两个磁通势方向相反 则称为差复 励 不同励磁方式的直流电机有着不同的特性 一般情况直流电动机的主要励磁方式是并励式 串励式和复励式 直流发电机的主要励磁方式是他励式 并励式和和复励式 图 1 23 直流电机的励磁方式 a 他励 b 并励 c 串励 d 复励 第 1 章 直流电机原理 摘要 本章分析直流电机的工作原理 结构 电路 磁路及换向等问题 为电力拖动自动 控制系统提供元件的基本知识 1 5 直流电机的换向 返回顶部 1 5 1 直流电机的换向问题和换向极绕组 返回顶部 通过对直流电机电枢绕组的分析知道 当电枢旋转时 组成电枢绕组的每条支路里所含元 件数目是不变的 但组成每条支路的元件都在依次循环地更换 一条支路中的某个元件在 经过电刷后就成为另一条支路的元件 并且在电刷的两侧 元件中的电流方向是相反的 因此直流电机在工作时 绕组元件连续不断地从一条支路退出而进入相邻的支路 在元件 从一条支路转入另一条支路这个过程中 元件中的电流就要改变方向 这就是所谓直流电 机的换向问题 换向问题是换向器电机的一个专门问题 如果换向不良 将会在电刷与换向片之间产生有 害的火花 当火花超过一定程度 就会烧坏电刷和换向器表面 使电机不能正常工作 此 外 电刷下的火花也是一个电磁波的来源 对附近无线电通讯有干扰 国家对电机换向时 产生的火花等级及相应的允许运行状态有一定的规定 读者可参阅我国有关国家技术标准 产生火花的原因是多方面的 除电磁原因外 还有机械的原因 换向过程中还伴随有电化 学 电热等因素 它们互相交织在一起 所以相当复杂 至今还没有完全掌握其各种现象 的物理实质 尚无完整的理论分析 就电磁理论方面看 换向元件在换向过程中 电流的变化必然会在换向元件中产生自感电 动势 此外 因电刷宽度通常为 2 3 片换向片宽 同时换向的元件就不止一个 换向元件 与换向元件之间会有互感电动势产生 自感电动势和互感电动势的合成称为电抗电动势 根据楞次定律 电抗电动势的作用是阻止电流变化的 即阻碍换向的进行 另外电枢磁场 的存在 使得处在几何中性线上的换向元件中产生一种切割电动势 称为电枢反应电动势 根据右手定则 电枢反应电动势也起着阻碍换向的作用 因此 换向元件中出现延迟换向 的现象 造成换向元件离开一个支路最后瞬间尚有较大的电磁能量 这部分能量以弧光放 电的方式转化为热能 散失在空气中 因而在电刷与换向片之间出现火花 从产生火花的电磁原因出发 要有效地改善换向 就必须减小 甚至抵削换向元件中的电 抗电动势和电枢反应电动势 目前最主要的方法是在主磁极之间装设换向极 由于换向元 件中的电抗电动势和电枢反应电动势均与电枢电流成正比 所以换向极绕组中应通以电枢 电流 即换向极绕组与电枢绕组串联 换向极绕组一般用截面较大的矩形导线绕成 而且 匝数较少 换向极绕组产生的磁通势的方向与电枢磁通势的方向相反 大小比电枢磁通势大 这样换 向极磁通势除抵削电枢磁通势在几何中性线处的作用外 剩余的磁通势在换向元件里产生 感应电动势 这个电动势抵消换向元件中的电抗电动势 只要换向极设计和调整得合适 就能保证换向元件中总电动势接近于零 电机的换向就比较顺利了 使负载运行时电刷与 换向器之间基本上没有火花 图 2 24 表示了一台直流电机换向极绕组的联接与换向极的极 性布置 在直流电动机中 换向极极性应和换向元件边刚离开的那个主磁极极性一样 其 排列顺序为 为换向极极性 而在直流发电机中 应与将进入的那个主磁极极性相同 其排列顺序为 图 1 24 换向极绕组联接与极性 1 5 2 直流电机的补偿绕组 返回顶部 在直流电机中 除了上述的电磁性火花外 有时还因某些换向片的片间电压过高而产生的 所谓电位差火花 在换向不利的条件下 电磁性火花与电位差火花连成一片 在换向器上 形成一条长电弧 将正 负电刷连通 如图 2 25 所示 这种现象称为 环火 是一种十 分危险的现象 它不仅会烧坏电刷和换向器 而且将使电枢绕组受到严重损害 图 1 25 环火 为了防止电位差火花和环火 在大容量和工作繁重的直流电机中 在主磁极极靴上专门冲 出一些均匀分布的槽 槽内嵌放补偿绕组 如图 1 26 所示 补偿绕组与电枢绕组串联 并 使补偿绕组磁通势与电枢磁通势相反 以保证在任何负载下电枢磁通势都能被抵削 从而 减少了因电枢反应而引起气隙磁场的畸变 也就减少了产生电位差火花和环火的可能性 但是装置补偿绕组使电机的结构变得复杂 成本较高 所以一般直流电机不采用 仅在负 载变动大的大 中型电机中才用 还应指出的是环火的发生除了上述的电气原因外 因换向器外圆不圆 表面不干净也可 能形成环火 因此加强对电机的维护工作 对防止环火的发生有着重要作用 图 1 26 补偿绕组 小 结 返回顶部 直流电机的工作原理是建立在电和磁相互作用的基础上 直流电机以及其他旋转电机都是 实现机电能量转换的装置 为此必须熟练地应用所学过的基本电磁定律 结合电刷和换向 器的作用去理解 并且充分注意到直流电机中外电路的电压 电动势 和电流都是直流电 性质的 而每个元件的电压 电动势 和电流都是交变性质的 任何类型的旋转电机都由定子部分和转子部分组成 在这两部分之间存在着一定大小的气 隙 使电机中磁场和电路能发生相对运动 直流电机的主要结构部件除定子部分的主磁极 和转子部分的电枢外 还有一些其他主要的部件 如换向器 这些主要的结构部件有其结 构形式和作用 额定值是保证电机可靠地工作并具有良好性能的依据 尤其对应用人员 要充分理解额定 值的涵义 以便合理地选择和使用电机 直流电机的额定值有额定功率 额定电压 额定 电流 额定转速和额定励磁电流等 电枢绕组是直流电机的主要电路部分 是实现机电能量转换的枢纽 直流电机的电枢绕组 是由许多完全相同的元件按一定的规律排列和联接起来的一种闭合绕组 单叠绕组和单波 绕组是两种基本型式 从构成电枢电路的支路来看 单叠绕组中上层边处于同一磁极下的 元件串联构成一条支路 而单波绕组则是将上层边处于相同极性磁极下的所有元件串联构 成一条支路 虽然电枢在转动 每个瞬时构成支路的元件在更换 但电枢绕组通过电刷并 联的支路数总是不变的 因此 单叠绕组的支路对数始终等于极对数 即 而单波 绕组的支路对数与极对数无关 永远等于 1 即 电机的磁场是机电能量转换的媒介 不仅需要理解电机的磁场是怎样产生的 而且更重要 的是理解其性质 直流电机的磁场由励磁磁通势和电枢磁通势共同产生 属于双边励磁的 电机 因此存在电枢磁通势对气隙磁场的影响 即所谓电枢反应 电枢反应的作用不仅使 气隙磁场发生畸变 而且还会呈一定的去磁作用 电枢反应对直流电机的运行性能影响很 大 换向是直流电机在制造和运行中必须予以重视的问题 特别是在运行中需经常观察直流电 机的换向是否良好 不良换向将会使电机遭到损坏 换向过程是相当复杂的 至今还未完 全掌握其各种现象的物理实质 主要的电磁现象在于换向元件中存在两种电动势 即电抗 电动势和电枢反应电动势 阻碍电流变化 导致换向延迟 当换向元件离开一条支路最后 的瞬间具有一定的电磁能量释放出来 可能产生火花 改善换向的主要方法是装设换向极 换向极绕组通以电枢电流 使换向极磁通势不