第03章p-直流电机

第三章直流电机,2020/5/26,课件,实现电能与机械能相互转换的设备,应用旋转的方式进行能量转换的电机叫旋转电机,把电能转换为机械能的旋转电机称为电动机,把机械能转换为电能的旋转电机称作发电机,2020/5/26,课件,一般几千吨位以上的船舶，电机的总数量可超过百台以上，若为电力推动船舶，电机数量更多。,船用电机在船舶的整个电器设备中占有很大的比例。,根据电流种类电机分交流电机和直流电机。,2020/5/26,课件,直流电机是实现机械能和直流电能相互转换的一种旋转电器装置。,直流电机是可逆的，一台直流电机既可作为发电机使用，也可以作为电动机使用。,2020/5/26,课件,在作为电动机使用时，它将电能转换为机械能，并且具有良好调速性能，调速设备简单，有较大的起动转矩和制动转矩等优点。,在现代船舶上有时被用在要求起动转矩大，调速性能好和有较大的过载能力的起货机或电动舵机的电力拖动上。,2020/5/26,课件,直流发电机早期作为主电源在船舶上普遍应用。,与交流发电机比较，存在的主要缺点是：,电压不能变换以及结构复杂，造价高和维护工作量大等。,在作为发电机使用时，它把机械能转换为电能。,2020/5/26,课件,有些船舶主机轴带发电机也是直流发电机，如远洋捕捞船的拖网机。,现在大多数船舶采用交流发电机替代直流发电机。,有些船舶仍用直流发电机作为变流机组向直流电力拖动系统提供直流电能。,2020/5/26,课件,直流电机的工作原理、结构特点、励磁方式和直流发电机、直流电动机的基本运行特性等。,本章主要内容,第一节直流电机的工作原理与结构第二节电枢绕组的感应电势和电磁转矩第三节直流发电机的运行特性第四节直流电动机的运行特性第五节无刷直流电动机,具体有,电枢绕组在原动机的拖动下逆时针方向旋转,发电机的电动势为电源电动势。电枢中有电流以后,电流与磁场相作用产生电磁转矩。方向与转动方向相反,故称反转矩。,1直流发电机的工作原理,一、直流电机的工作原理,第一节直流电机的工作原理与结构,电动机的电磁转矩是驱动转矩.在旋转的过程中,电枢线圈也切割磁场而产生电动势,该电动势的方向总是与电流方向相反,故称为反电动势.,2直流电动机的工作原理,3直流电机的电枢绕组和电刷的正确位置,直流电机的电枢绕组实际采用分布式线圈结构，每个线圈有两个边，分别置于相距一个磁极极距位置的槽内，即这些线圈沿电枢铁心圆周均匀分布，并通过相应数量的换向片依次串联构成一个闭合回路,电刷的位置正确与否,将影响到正负电刷间的电动势E,从而影响到发电机的电压和电动机的转速;同时电刷的位置也影响到电刷下的火花。,电刷的正确位置,确定电刷正确位置的原则是，使正负电刷间能获得最大电动势,电刷放在磁场几何中性线上,为了保证电刷的正确位置，通常在刷架与端盖或刷架与定子之间设置了正确装配的“标记”。,在运行管理中应经常注意检查，若发现刷架松动或移位，应按“标记”加以校正和固定。,二、直流电机的结构,换向器的结构,三、直流电机的额定值,1.额定容量（kW）:是指额定状态下,发电机输出的电功率Pn=UnIn,或电动机轴上输出的机械功率Pn=UnInn。,2.额定电压（V）：端电压Un。,3.额定电流（A）：发电机输出的或电动机输入的额定电流In。,4.额定转速nN：额定状态下的转速;,此外,还有绝缘等级和温升、工作制和使用条件等。,5.励磁方式及额定励磁电流If(A);,电枢通入电流后，产生电磁转矩，使电机在磁场中转动起来。,一、电枢绕组的感应电势,第二节电枢绕组的感应电势和电磁转矩,通电线圈在磁场中转动，又会在线圈中产生感应电动势（用E表示）。,CE:与电机结构有关的常数称为电势常数,二、电枢绕组的电磁转矩,根据电磁力定律，无论是直流发电机还是直流电动机，当电枢绕组中流过电流时，导体便受到电磁力的作用。,电磁力对于电枢轴心又形成转矩，该转矩即为电枢绕组的电磁转矩。,电磁力的方向根据左手定则确定。,电磁转矩是由电磁力产生的，而电磁力与气隙中的磁密和电枢绕组电流成正比，所以电磁转矩T正比于电枢电流Ia及每极磁通，其计算公式为:,CT:与电机结构有关的常数,称为转矩常数,三、直流电机的电磁功率,电磁转矩所对应的功率称为电磁功率Pm,根据功率的计算公式和电磁感应的公式可以推导出电磁功率表达式,可以由电磁转矩T和角速度相乘而得。,也可以由感应电势Ea和电枢电流Ia的乘积来求得。,电磁功率Pm,电磁功率的表达式为:,电磁功率是机械能与电能的转换环节。,直流电机的损耗有以下几种：机械损耗PM铁芯损耗PFe励磁和电枢绕组的铜损耗PCu附加损耗(杂散损耗)P等.,附加损耗P（0.51）P2(P2为输出功率)。,在能量转换的过程中必然有损耗,图3-11直流发电机的功率流程图,图312直流电动机的功率流程图,当直流发电机带负载时，原动机在转轴上输入的机械功率P1应与输出的电功率P2和电机内部各种损耗相平衡.即：,按励磁绕组与电枢绕组的连接关系，直流电机可分为4种：他励（或称它励）、并励、串励、复励。,一、直流电机的励磁方式,第三节直流发电机的运行特性,直流发电机的励磁方式,他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。,并励电动机：励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。,串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,直流发电机的励磁方式,直流发电机的励磁方式分他励和自励，自励包括并励、串励和复励。,（1）他励发电机：励磁绕组电路与电枢电路无关，励磁电流取自其它的直流电源。其励磁功率约为直流电机额定功率的13。,（2）并励发电机：励磁绕组电路与电枢电路并联。并励绕组导线细、匝数多、电阻大，励磁电流小。励磁功率约为直流电机额定功率的210。,（3）串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联，电枢电流即为励磁电流。因此串励绕组匝数少、导线粗、电阻极小。,（4）复励发电机：主磁极上有两个励磁绕组，其中一个和电枢回路并连（称并励绕组），另一个和电枢回路串连（称串励绕组）。,当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相同时，称为积复励；,当串励绕组产生的磁势和并励绕组产生的磁势方向相反时，称为差复励。,复励发电机还分长复励和短复励,短复励：电枢绕组与并励绕组并励后再与串励绕组串联）。,长复励：电枢绕组与串励绕组串励后再与并励绕组并励；,当发电机空载(I=0)及保持额定转速不变时,电枢电动势(或空载电压U0)与励磁电流If之间的关系E=f(If)。,二、直流发电机的空载特性,二、直流发电机的空载特性,因为E=Ken,而与If之间为磁化曲线关系,所以空载特性曲线与磁化曲线相似。,剩磁电压Er：励磁电流等于零时的开路电压,约为额定电压的25。,自励发电机靠剩磁建立电压。非线性的空载特性曲线(E=f(If)与线性的场阻线(Rf=E/If)的交点即为自励的稳定电压。,三、自励发电机建压条件,电路暂态过程的电压平衡方程,三、自励发电机建压条件,在稳定交点之前,dIf/dt0,励磁电流If一直增加。,在稳定交点处,E-IfRf=0和dIf/dt=0,If和E都不再变化。,3.励磁电路的电阻要适当。,自励发电机的自励起压条件:,1.发电机要有剩磁；,2.励磁电流磁场与剩磁场方向相同；,在保持并励总电阻和额定转速不变的条件下,直流发电机电枢电路的电压平衡方程为,四、直流发电机的外特性,发电机的有载端电压与负载电流之间的关系U=f(I)。,（1）他励发电机,电枢电流Ia等于负载电流I，只有电枢电阻引起端电压的微小变化。,电枢电流Ia=I,（2）并励发电机,电枢电流Ia=I+If,电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电动势的减小,电动势的减小,又使电压进一步下降。,(3)复励发电机,电枢电流Ia=I+If,复励发电机主磁极上的串励绕组的励磁电流可以是负载电流(短复励)或电枢电流(长复励),复励发电机又分为积复励发电机和差复励发电机。,串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机。,串励与并励磁场方向相反的复励发电机称为差复励发电机。,根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为平复励、欠复励和过复励发电机。,直流发电机从空载到满载端电压变化的程度用电压变化率表示,即,五、电压变化率,他励发电机U(510)；并励U(1030)；平复励U=0；欠复励U0；过复励UT0n飞车。,2）反转,电动机的转动方向由电磁力矩的方向确定。,（1）改变励磁电流的方向。,改变直流电机转向的方法：,（2）或改变电枢电流的方向。,注意：,改变转动方向时，励磁电流和电枢电流两者的方向不能同时变。,直流电机的电枢反应和直流电机的换向,当电机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。,电枢磁场对主磁极磁场的影响称为电枢反应,(a)(b)(c)电刷位置与电枢反应,当电刷位于几何中性线上时，由于电枢磁场的方向总是与主磁极磁场相正交，因此电枢反应的结果将导致主磁极磁场发生畸变。,这对直流电机的换向以及运行特性都会带来不利的影响。,直流电机的换向,直流电机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电机的换向。,在定子主磁极之间换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联。,它不仅用来抵消或削弱电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流换向引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。,由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的交轴电枢磁场方向相反。,在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法。,此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。,第五节无刷直流电动机,无刷直流电动机是一种新型微特电机,以电子换向装置代替了一般直流电动机的机