《直流电机篇》PPT课件

直流电机D C Machines 电机学 电气工程及其自动化 第5章直流电机的运行分析 第6章直流电机的运行特性 本篇主要讨论直流电机的基本结构和工作原理 讨论直流电机的磁场分布 感应电动势 电磁转矩 电枢反应及影响 换向及改善换向方法 从应用角度分析直流发电机的运行特性和直流电动机的工作特性 第4章直流电机概览 本篇主要内容 直流电机的工作原理和基本结构直流电枢绕组 难点 空载和负载时直流电机的磁场 难点 重点 直流电机的感应电动势和电磁转矩 重点 直流电机的基本方程 重点 直流发电机的运行特性 重点 直流电动机的运行特性 重点 直流电动机的起动 调速和制动 直流电机概览 4 1直流电机的用途和基本工作原理 4 2直流电机的结构 4 3直流电机的励磁方式 返回 4 4直流电机的额定值 4 1直流电机的工作原理和基本结构 直流电机的用途直流电机的基本结构 4 1 1直流电机的用途 优点调速范围宽广 平滑 经济 过载 起动 制动转矩大 直流发电机把机械能转化为电能 直流电动机把电能转化为机械能 直流电动机的特点 缺点结构复杂 成本高 可靠性较差 4 1 2直流电机的工作原理 直流发电机的原理直流电动机的原理D C Generator Motor 1 直流电动势的产生 电磁感应定律 满足右手定则 为随时间正负交变的电动势 结论 结论 2 平均电磁转矩的产生 电磁力定律 满足左手定则 以单线圈简化模型为例 进行分析 显然 在电刷间接入直流电源后 在线圈中就有直流电流流过 直流电机换向器将外部的直流电变成了内部交替变化的电流 图中电刷相对于磁极的位置保证了 无论线圈边处在N极下 还是S极下 线圈电流均产生逆时针方向的电磁力矩 从而使转子获得了一个固定方向的电磁转矩 要点小结 单个线圈中 电动势是交变的 通过换向器与电刷的配合 可以将交流电通过机械 整流 的作用 转换成脉动的直流电 为了减小脉动影响 实际的电枢绕组由多个线圈串联构成 4 2直流电机的基本结构 产生励磁磁场 产生电动势 流过电流 产生电磁转矩 直流电机的基本结构 更多的直流电机 励磁绕组 换向器 电刷 励磁方式 Ia I Ia I If Ia I If Ia I If 电枢 Armature磁场 Field U Uf 4 3 4 4直流电机的额定值 额定功率PN W kW 额定电压UN V kV 额定电流IN A kA 额定转速nN r min 额定励磁电压UfN V kV 额定状态下电机的输出功率发电机 PN UNIN 电功率 电动机 PN UNIN N 机械功率 额定效率 N额定转矩TN 电机铭牌上还标有其它数据 如励磁电压 出厂日期 出厂编号等 第5章直流电机的运行分析 5 2直流电机的电枢绕组 5 3电枢绕组的感应电动势与电机的电磁转矩 5 4直流电机的基本方程式 5 5直流电机的换向问题 5 1直流电机的磁场 空载时直流电机的气隙磁场负载时的电枢磁动势和电枢反应分析思路基本概念交轴电枢磁动势交轴电枢反应 重点 难点 直轴电枢磁动势直轴电枢反应 5 1直流电机的磁场 5 1 1空载时直流电机的气隙磁场 空载磁场 当电枢电流为零或很小时 由励磁电流单独建立的磁场 空载磁通用 m表示 m 0 f 主磁通 经过气隙 同时交链励磁绕组和电枢绕组的磁通 用 0表示 它是机电能量转换的桥梁 漏磁通 不经过气隙 仅与励磁绕组交链的磁通 用 f 表示 它不参与机电能量转换 主磁场分布 气隙磁密在一个极下按平顶波规律分布 m 直流电机的磁化曲线 If 5 1 2负载时电枢电流的磁场 分析思路 电枢电流ia 负载时的电枢磁动势和电枢反应 分析思路 图解 励磁电流形成的磁场 电枢电流形成的磁场 负载时的磁场 负载时的电枢磁动势和电枢反应 几个基本概念 电枢磁动势 电枢电流产生的磁动势 电枢反应 电枢磁动势对主磁场的影响 直轴 d轴 主极轴线 交轴 q轴 与直轴正交的轴线 几何中性线 相邻两主极之间的中心线 也就是交轴 物理中性线 电枢圆周上通过圆心和磁通密度为0点的直线 DirectAxisQuadratureAxis 线负荷LineLoad 设 电刷位于几何中性线 电枢绕组流过电流ia 则 电枢磁动势只有交轴分量 线负荷 电枢圆周表面单位长度上的安培导体数 Ia 2a ia 5 1 3交轴电枢磁动势 结论 电枢磁动势是一个三角形波 其轴线位置与电刷的轴线位置重合 电枢磁动势波形的位置在空间保持不变 当电刷位于几何中性线上时 电枢磁动势为交轴电枢磁动势 交轴电枢磁密是一个马鞍形波 交轴电枢反应QuadratureAxisArmatureReaction 交轴电枢反应交轴电枢磁动势对主磁场的影响 交轴电枢反应 2 Q AxisArmatureReaction 结论2 对发电机 物理中性线顺着电机的旋转方向偏离几何中性线一个 角度 对电动机 物理中性线逆着电机的旋转方向偏离几何中性线一个 角度 结论3 不计铁心饱和时 主磁场一半被削弱 另一半被加强 去磁作用与助磁作用恰好相等 使得每极总磁通量不变 0 结论4 考虑铁心饱和时 交轴电枢反应的去磁作用大于助磁作用 使得每极总磁通量略有减小 0 5 1 4直轴电枢磁动势 直轴电枢反应DirectAxisArmatureReaction 当电刷不在几何中性线上时 电枢反应不仅有交轴分量 还有直轴分量 直轴电枢反应 直轴电枢磁动势对主磁场的影响 直轴电枢反应的作用为 5 2直流电机的电枢绕组 电枢绕组的作用电枢绕组的构成原则直流电枢绕组的分类直流电枢绕组的几个基本概念单叠绕组 5 2 1电枢绕组ArmatureWinding 作用旋转电机实现机电能量转换的枢纽 构成原则在一定的导体数下 能够产生尽可能大的感应电动势 承担足够大的电流 电磁转矩和电磁功率 在承担一定的电流 电磁转矩和电磁功率情况下 导体数尽可能少 结构简单 运行可靠 便于维护 检修 直流电枢绕组的分类 电枢绕组元件 每个元件有两个元件边 分别放置在两个不同的槽中 如果每槽只有上下两个元件边 那么 S Q 槽数 虚槽 如果每槽分别有u个上元件边和u个下元件边 那么一个 实槽 就相当于u个 虚槽 用Qu来表示 虚槽数 电枢绕组的基本概念 元件 两端分别与两个换向片连接的单匝线圈或多匝线圈 每个元件与两个换向片相连 每个换向片接两个元件 因此 S 元件数 K 换向片数 Qu uQS K Qu 电枢绕组的基本概念 续 换向器节距 ycyc y 5 2 2单叠绕组 1 2 3 4 更多 单叠绕组 左行 1 2 3 4 单叠绕组的旋转 单叠绕组的支路 结论 电刷将闭合的电枢绕组分为若干条并联支路 当电枢绕组旋转时 每条支路的电动势不变 单叠绕组的并联支路数等于磁极数 也等于电刷的组数 2a 2p 为了使正负电刷间引出的电动势最大 电刷应该放在不同支路的交接处 与电动势为零的元件接触 当元件端接线对称时 电刷的轴线正好位于主极中心线下 两个串联元件放在同极磁极下 空间位置相距约两个极距 沿圆周向一个方向绕一周后 其末尾所边的换向片落在与起始的换向片相邻的位置 5 2 3单波绕组 合成节距与换向节距相等 单波绕组的并联支路图 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 返回 5 3电枢绕组的感应电动势与电机的电磁转矩 电枢绕组的感应电动势直流电机的电磁转矩 5 3 1直流电机的感应电动势InducedE M F 要点2 电枢绕组电动势Ea 电刷两端的电动势 一条并联支路的合成电动势 直流电机的感应电动势InducedE M F 其中 电动势常数 n r mim当n C1时 Ea 当 C2时 Ea n 5 3 2直流电机的电磁转矩ElectromagneticTorque 直流电机的电磁转矩ElectromagneticTorque 其中 转矩常数 Te N m当Ia C1时 Te 当 C2时 Te Ia 结论 以上公式既适用于直流发电机 也适用于直流电动机 主磁通 是产生感应电动势和电磁转矩的必要条件 当直流电机空载时 0 当直流电机负载时 5 4直流电机的基本方程式BasicEquationsofD C Machines 电压方程式电磁功率功率方程式 补充 转矩方程式直流电机的可逆性 数学模型 5 4 1电压平衡方程式VoltageEquations 发电机 Ea U IaR 2 Us U IaRaIa I If 并励 Ia I 他励 串励 电动机 U Ea IaR 2 Us Ea IaRaIa I If 并励 Ia I 他励 串励 运行状态判别准则 发电机状态 Ea U 电动机状态 Ea U 并励直流电机电动势与电流的关系 发电机 Ea与Ia方向一致 发电机向负载输出电功率 Ia I If 电动机 Ea与Ia方向相反 Ea为反电动势 电动机从电源吸收电功率 I Ia If 5 4 2电磁功率ElectromagneticPower 其中 机械角速度 机械系统 电路系统 能量转换EnergyConversion 电功率 机械功率 机械功率 电功率 电磁功率 电磁功率 直流发电机的功率方程式PowerEquationsofD C Generator P1 Pe p pFe p P1 Pe p0 Pe P2 pCua ps pCuf 基本铜耗 pCua Ia2R电刷损耗 ps 2 UsIa励磁铜耗 pCuf UfIf P2 UI P2 UI P1 T1 P1 T1 直流电动机的功率方程式PowerEquationsofD C Motor P1 Pe pCua ps pCuf Pe P2 p pFe p Pe P2 p0 P2 T2 P1 UI P2 T2 P1 UI 基本铜耗 pCua Ia2R电刷损耗 ps 2 UsIa励磁铜耗 pCuf UfIf 5 4 3直流发电机的转矩方程式TorqueEquationofD C Generator P1 Pe p0T1 Te T0 T1 Te T0制动性质的电磁转矩 直流电动机的转矩方程式TorqueEquationofD C Motor Pe P2 p0Te T2 T0 Te T2 T0驱动性质的电磁转矩 直流电机的可逆运行ReversingOperationofD C Machines 旋转电机的运行是可逆的 一台直流电机 既可以作发电机运行 也可以作电动机运行 判别直流电机运行状态的条件是 Ea U 发电机 Ea U 电动机 5 5直流电机的换向问题 为了分析方便假定换向片的宽度等于电刷的宽度 直流电机的某一个元件经过电刷 从一条支路换到另一条支路时 元件里的电流方向改变 即换向 电枢移到电刷与换向片2接触时 元件1的被短路 电流被分流 电刷与换向片1接触时 元件1中的电流方向如图所示 大小为 电刷仅与换向片2接触时 元件1中的电流方向如图所示 大小为 换向问题很复杂 换向不良会在电刷与换向片之间产生火花 当火花大到一定程度 可能损坏电刷和换向器表面 使电机不能正常工作 产生火花的原因很多 除了电磁原因外 还有机械的原因 此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象 元件从开始换向到换向终了所经历的时间 称为换向周期 换向周期通常只有千分之几秒 直流电机在运行中 电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程 5 5 1换向过程 5 5 2换向的电磁理论 换向元件中的电动势 自感电动势和互感电动势 换向元件 线圈 在换向过程中电流改变而产生的 切割电动势 在几何中性线处 由于电枢反应在存在 电枢反应磁密不为零 在换向元件中感应切割电动势 换向元件中的合成电动势为 根据楞次定律 自感电动势 互感电动势和切割电动势总是阻碍换向的 换向电动势 在几何中性线处 换向元件在换向磁场中感应的电动势 换向电动势是帮助换向的 换向元件中的电流 设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是和 元件自身的电阻为 流过的电流为 元件与换向片间的连线电阻为 元件在换向时的回路方程 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻 并设电刷与换向片的接触总电阻为 则可推导出换向元件中的电流变化规律为 5 5 3改善换向的方法 改善换向一般采用以下方法 返回 返回 第6章直流电机的运行特性 返回 6 1直流发电机的运行特性 6 2直流电动机的机械特性和工作特性 6 3直流电动机的起动 调速与制动 6 1直流发电机的运行特性 他励发电机的特性空载特性外特性调节特性并励发电机的特性空载特性外特性 自励条件 重点 复励发电机的特性 定义 当 时 直流发电机的空载特性是非线性的的 上升与下降的过程是不相同的 实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线 空载时 空载特性实质上就是 6 1 1他励发电机的特性 空载特性 定义 当 时 由曲线可见 负载电流增大时 端电压有所下降 根据可知端电压下降有两个原因 一 在励磁电流一定情况下 负载电流增大 电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少 使电动势减少 二 电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加 使端电压下降 为什么低 6 1 1他励发电机的特性 外特性 定义 当 时 由曲线可见 在负载电流变化时 若保持端电压不变 必须改变励磁电流 补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响 6 1 1他励发电机的特性 调节特性 6 1 2并励发电机的特性 空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样 也是磁化曲线 由于励磁电压不能反向 所以它的空载特性曲线只在第一象限 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的 而端电压是在励磁电流作用下建立的 这一点与他励发电机不同 并励发电机建立电压的过程称为自励过程 满足建压的条件称为自励条件 6 1 2并励发电机的特性 外特性 自励建压过程 曲线1为空载特性曲线曲线2为励磁回路总电阻特性曲线 也称场阻线 原动机带动发电机旋转时 如果主磁极有剩磁 则电枢绕组切割剩磁通感应电动势 在电动势作用下励磁回路产生 增大 场阻线变为曲线3时 称为临界电阻 若再增加励磁回路电阻 发电机将不能自励 如果励磁绕组和电枢绕组连接正确 励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通 使主磁路磁通增加 电动势增大 增加 如此不断增长 直到励磁绕组两端的电压与相等 达到稳定的平衡工作点A 可见 并励直流发电机的自励条件有 思考题电机正转能自励 反转能自励吗 自励条件 调节特性 并励发电机的电枢电流 比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流 所以调节特性与他励发电机的相差不大 对并励发电机 除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外 还有第三个原因 由于上述两个原因使端电压下降 引起励磁电流减小 端电压进一步下降 并励发电机的外特性与他励发电机相似 也是一条下降曲线 返回 6 1 2并励发电机的特性 外特性 直流电动机WhatisaD C Motor 输入直流电能 输出机械能 6 2直流电动机的运行特性 工作特性速率特性 n f P2 转矩特性 Te f P2 效率特性 f P2 机械特性 重点 n f Te 运行特性与电动机的励磁方式有很大的关系 以下分并励 串励 他励分别介绍 电力拖动系统的稳定运行条件 并励电动机的工作特性 前提 U UN If IfN Rf C 分析 n Te f P2 励磁回路不允许断开 并励电动机的机械特性 前提 U UN Rf C 分析 n f Te Ra R a R a 硬特性 软特性 并励电动机的机械特性 2 Ra CIf I f I f 结论 增加电枢回路电阻Ra 机械特性变软 转速下降 增加励磁回路电阻Rf 机械特性变软 转速升高 串励电动机的工作特性 前提 U UN Ia Is I 分析 n Te f Ia 串励电动机不允许空载运行 串励电动机的机械特性 前提 U UN Ia Is I 分析 n f Te 串励电动机的机械特性 2 Rs R s R s 结论 随着电磁转矩Te的增加 串励电动机的转速n迅速下降 其机械特性为软特性 串励回路电阻Rs越大 机械特性越软 他励电动机的机械特性 前提 If C 分析 n f Te U1 UN U2 U3 一组平行线 直流电动机机械特性对比 电力拖动系统稳定运行的条件 什么是电力拖动系统稳定的物理概念电力拖动系统稳定运行分析电力拖动系统稳定运行条件 电力拖动系统 电力拖动系统PowerDrivingSystem 电动机 机械负载 稳定的物理概念 不稳定平衡 稳定平衡 平衡状态 平衡状态 电力拖动系统稳定运行分析 电压发生波动 负载发生波动 电力拖动系统不稳定运行分析 电压发生波动 负载发生波动 电力拖动系统稳定运行条件 下降的机械特性曲线 6 3直流电动机起动 调速与制动 直流电动机的起动直流电动机的调速直流电动机的制动 6 3 1直流电动机的起动 起动的概念直接起动电枢回路串电阻器起动降压起动 起动Starting 起步 起跑 起飞 起动 电动机接上电源 转速从零达到稳定转速的过程 电动机起动的基本要求起动转矩大起动电流小起动设备简单 经济 可靠 直流电动机起动的特点 起动时 n 0Ea Cen 0 U Ea IaRa IaRaIa Ist U Ra 起动电流大 必须加以限制 Te CT IaIa Te 起动转矩大 起动电流小 矛盾 直接起动 方法 先合Q1 建立 再合Q2 起动特点 操作简单无需任何附加起动设备冲击电流大 Ist 10 20 IN只适用于小型直流电动机的起动 三点起动器 电枢回路串变阻器起动 方法 在电枢回路串联一个起动器 特点 可以有效抑制起动电流Ist U Ra Rst 需要附加起动设备产生额外的电阻损耗适应于小容量并励电动机 降压起动 方法 保持励磁电流不变 他励 降低电源电压 控制起动电流 特点 节能需要专用的直流调压电源 6 3 2直流电动机的调速 调速的概念调速的方法 调压调速 调电枢电阻调速 调励磁电流调速 电枢控制 磁场控制 电