《直流电机教案》ppt课件

1、主讲教师：蔡文轩电气与电子系第一讲：本课程概述本课程主要章节内容：直流电机；直流电动机的电力拖动；变压器；三相异步电动机；三相异步电动机的电力拖动；同步电机；驱动和控制微电机；风力发电机0.1,电机及电力拖动系统简介0.2,本课程的性质、义务和内容0.3,本课程的特点及学习方法0.4,风力发电机组简介电机是利用电磁感应原理任务的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能用途分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机构造或转速分，有变压器和旋转电机。发 电 机电 动 机变 压 器控 制 电 机就 能 量 转 换 的 功 能 来 看静 止 电 机（ 变 压 器 ）旋 转 电 机按 学

2、 科 的 不 同直 流 电 机交 流 电 机根 据 应 用 场 合 的 要 求 和 电 源 的 不 同电 机 的 分 类直流电机直流电机直流发电机直流发电机异步发电机异步发电机电机电机变压器变压器直流电动机直流电动机交流电机交流电机控制电机控制电机同步电机同步电机同步发电机同步发电机同步电动机同步电动机异步电机异步电机异步电动机异步电动机旋转电机旋转电机,电机拖动系统是用电动机来拖动机械运转的系统。包括：电动机、传动机构、消费机械、控制设备和电源五个部分。它们之间的关系如下,电动机传动机构传动机构消费负载消费负载控制设备控制设备电源电源,本课程是工业电气自动化、电气技术和供用电技术、机电等专业

3、的一门专业根底课。,本课程的义务是让学生掌握电机制根本构造和任务原理，以及拖动系统的运转性能、分析计算、电机选择及实验方法，培育在电机及电力拖动方面分析和处理问题的才干，为今后学习和任务打下坚实的根底。,本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、驱动和微控电机、电动机的选择八个部分。电机及拖动是一门实际性很强的技术根底课，同时又具有专业课的性质，涉及的根底实际和实践知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用实际分析电机及拖动的实践问题时，必需结合电机的详细构造，采用工程观念和分析方法。掌握根本实际的同时，还要留意培育实

4、验操作技艺和计算方法。,为了学好本门课程，必需做到以下几点：1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要要素；2、抓住重点，结实掌握根本概念、根本原理和主要特性；3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的了解；4、实际联络实践，注重科学实验和工程实际；5、充分预习和复习。, 1.风力发电机任务过程描画 2.风力发电机以下简称风力机是一种将风能转换为电能的能量转换安装。 3.风力机的系统图： 风 电力 进一步有： 风 电力 风力发电机风力发电机 传动系传动系 发电机发电机 叶叶 轮轮4.风力机类型,可分为两类：1程度轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行；,2垂直轴

5、风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向垂直轴程度轴5.风力机用发电机类型1直流发电机小型风力机家庭型2并网型装机发电机：异步型,和同步型,MULTIBRID5000kW叶轮直径：,D116分量：290T金风,48/750金风600金风1200直流电机第第1教学单元教学单元本单元主要讲解内容：1.直流电机的根本任务原理与构造；2.直流电机的电枢绕组；3.直流电机的电枢反响,；4.直流电机的电枢电动势和电磁转矩；5.直流电机的换向,；6.直流发电机,；7.直流电动机,本单元主要讨论直流电机的根本构造和任务原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反响及影响、换向及改善换向方法。1.

6、直流发电机任务原理,右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d衔接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的衔接是经过放置在换向片上固定不动的电刷进展的。直流电机的根本任务原理 当原动机驱动电机转子逆时针旋转当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。后，如右图。0180,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下。,导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,可见

7、，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。,实践直流发电机的电枢是根据实践需求有多个线圈。线圈分布在电枢铁心外表的不同位置，按照一定的规律衔接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需求N、S极交替陈列多对。2.直流电动机任务原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将有电流i流过。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S,极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力构成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大

8、于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S,极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力构成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力构成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,当电枢旋转到右图所示位置时,同直流发电机一样，实践的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。直流电动机的任务原理表示图:直流电动机任务原理直流电机的主要构造主磁极换向磁极电刷安装机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承直流电机的主要构造主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向磁极：改善换向。换向磁极：改

9、善换向。电刷安装：与换向片配合电刷安装：与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖：起支撑和固定作用。机座和端盖：起支撑和固定作用。定子定子主磁极,1.作用:是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。2.构造：主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心接近转子一端的扩展的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽挪动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定外形叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。

10、主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的衔接必需使得相邻主磁极的极性按,N，S,极交替出现。机座,1.机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的构造框架。2.构造：机座中作为磁统统路部分称为磁轭。机座普通用厚钢板弯成筒形以后焊成。机座的两端装有端盖。端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用,换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运转时不产生有害的火花。换向极构造和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数普通与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极

11、的。换向极绕组在运用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。,电刷安装是电枢电路的引出或引入安装，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的外表，旋转时与换向器外表构成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同极性的各刷杆用连线连在一同，再引到出线盒。刷杆装在可挪动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。转子转子电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。电枢绕组

12、：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器：与电刷安装配合换向器：与电刷安装配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴轴承轴承电枢铁心:既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心普通用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如右图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。电枢绕组:由一定数目的电枢线圈按一定的规律衔接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动

13、势，产生电磁转矩进展机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘右图，并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。换向器：在直流电动机中，换向器起整流逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如下图。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。直流电机的铭牌数据,额定值是制造厂对各种电气设备本章指直流电机在指定任务条件下运转时所规定的一些量值。在额定形状下运转时，可以保证各电气设备长期

14、可靠地任务。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进展产品设计或实验的根据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌数据。 1、额定功率PN 指电机在铭牌规定的额定形状下运转时，电机的输出功率，以“W为量纲单位。假设大于1kW或1MW时，那么用kW或MW表示。,对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。,即,：PNUNIN,对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以：PNUNINN,额定电压,UN 指额定形状下电枢出线端的电压，以,“V,为单位。,额定电流,IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以,“A,为单位。,额定转速,nN 指额定形状下运转时转子

15、的转速，以r/min为单位。,额定励磁电流,If 指电机在额定形状时的励磁电流值。,额定条件下电机额定条件下电机所能提供的功率所能提供的功率NP额定功率额定功率指电刷间输出的指电刷间输出的额定电功率额定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出的机械功率的机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端的平均电压出线端的平均电压NU额定电压额定电压在额定电压下，运转于在额定电压下，运转于额定功率时对应的电流额定功率时对应的电流NI额额定定电电流流在额定电压、额定电流下，运在额定电压

16、、额定电流下，运转于额定功率时对应的转速转于额定功率时对应的转速.Nn额额定定转转速速fNI额额定定励励磁磁电电流流对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流定转速及额定功率时的励磁电流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。,此外，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。,电机运转时，一切物理量与额定值一样电机运转于额定形状。电机的运转电流小于额定电流欠载运转；运转电流大于额定电流过载运转。长期欠载运转将呵斥电机浪费，而长期过载运转会缩短电机的运用寿命。电机最好运转于额定形状或额定形状附近，此时电机的运转效率、

17、任务性能等比较好。一、直流电机的电枢电动势电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。nCnapNEea60性质:,发电机电源电势(与电枢电流同方向);,电动机反电势(与电枢电流反方向).，称为电动势常数为电机的构造常数式中：apNCe60可见，直流电机的感应电动势与电机构造、气隙磁通及转速有关。二、直流电机的电磁转矩,电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。aTaemICIapNT2性质:,发电机制动(与转速方向相反)；,电动机驱动(与转速方向一样)。可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。为电机的转矩常数，

18、有其中apNCT2eTCC55.9一、直流发电机的励磁方式,供应励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。1.他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供应。aII GUUfIFaII ,他励直流发电机的电枢电流和负载电流一样，即：2.2.并励：发电机的励磁绕组与电并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足枢绕组并联。且满足 。faIIIfIFIGUaI3.3.串励：励磁绕组与电枢绕组串串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足联。满足 。IIIfaGIaIfIFU4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与

19、电枢绕组并联。2fIFGIaI1fIFUIGUaI1fI2fIF二、直流发电机的根本方程式如图规定各物理量的参考方向aEGUaI1T0TemTnfIfU1.电枢电动势和电压平衡方程aabaaaRIUURIUE2电枢电动势：电枢电动势：nCEea从方程式可见，直流发电机 为电枢回路总电阻，为电枢回路总电阻， 为正负为正负电刷与换向器外表的接触压降。那么电动电刷与换向器外表的接触压降。那么电动势平衡方程为：势平衡方程为：aRbU2UEa2.电磁转矩和转矩平衡方程电磁转矩：电磁转矩：aTemICT直流发电机的励磁电流ffRUI 01TTTem直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩直流

20、发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩 、电磁转矩电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩和机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。平衡方程。平衡方程为：为：emT1T0T3.励磁特性公式每极气隙磁通),(faIIf4.功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 1P电磁功率电磁功率01PPPemaaemIETmecP机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗、铁损耗FeP、附加损耗、附加损耗 。adP空载损耗包括空载损耗包括 ：0PaE 电磁功率一方面代表电动势为电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出的时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时抑制电

21、磁转矩所耗费的机械功率。电功率，一方面又代表转子旋转时抑制电磁转矩所耗费的机械功率。aICuaP电枢回路绕组电阻及电刷与换向器外表接触电阻产生铜损耗电枢回路绕组电阻及电刷与换向器外表接触电阻产生铜损耗输出的电功率输出的电功率CuaemPPP2fP自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗三、他励发电机的运转特性1.空载特性定义：当定义：当 、 时，时， 1Cn0I)(fIfU 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一样的。实践中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。 空载时，空载时， 。由于。由于 ，因此，因此空载特性本质上就是空载特性本质上就是 。由于。由于 正比

22、于正比于 ，所以空载特性曲线的外形与空载，所以空载特性曲线的外形与空载磁化特性曲线一样。磁化特性曲线一样。aEUnCEea)(faIfE aE空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线UfI2.外特性定义：当定义：当 、 时，时， NnnfNfII )(IfU 外特性曲线如下图,由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。他励并励U0U0I 根据根据 可知，端电压下降有两个缘由：可知，端电压下降有两个缘由：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反响的一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反响的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；另一个缘由去磁作用使每极磁通量减少，

23、使电动势减少；另一个缘由是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而添加，使端电是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而添加，使端电压下降。压下降。aaeRInCU3.调理特性1Cn2CU )(IfIf定义：当 、 时， 外特性曲线如下图,由曲线可见，在负载电流变化时，假设坚持端电压不变，必需改动励磁电流，补偿电枢反响及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。fI0I四、并励发电机的自励条件和外特性,并励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。1.自励条件fI0U10fIA20U3 曲

24、线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线, ,曲线曲线2 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线特性曲线, ,也称场也称场阻线阻线 。 fffRIU fR 原动机带动发电机旋转时原动机带动发电机旋转时, ,假设主磁极有剩磁，假设主磁极有剩磁，那么电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动那么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势作用下励磁回路产生 。假设励磁绕组和。假设励磁绕组和电枢绕组衔接正确电枢绕组衔接正确, , 产生与剩磁方向一样的产生与剩磁方向一样的磁通磁通, ,使主磁路磁通添加使主磁路磁通添加, ,电动势增大电动势增大, , 添加。添加。如此不断增长如此不断增长,

25、 ,直到励磁绕组两端电压与直到励磁绕组两端电压与 相等时相等时, ,到达稳定的平衡任务点到达稳定的平衡任务点A A。fIfIfIffRI增大增大 ，场阻线变为曲线，场阻线变为曲线3 3时，时， 称为临界电称为临界电阻阻 。如下图。如下图。fRfRcrR假设再添加励磁回路电阻，发电机将不能自励。可见，并励直流发电机的自励条件有：2.空载特性,并励发电机的空载特性与普通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。1电机的主磁路有剩磁3励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻2并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确3.外特性4.调理特性,并励发电机的电枢电

26、流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调理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响去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个缘由：由于上述两个缘由使端电压下降，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类似，也是一条下降曲线。一、直流电机的可逆原理以他励电机为例阐明可逆原理：,一台电机既可作为发电机运转，又可作为电动机运转，这就是直流电机的可逆原理。把一台他励直流发电机并联于直流电网上运转，把一台他励直流发电机并联于直流电网上运转， 坚持不变。坚持不变。 Un 坚持发电机的坚持发电机的 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当当 下降到一定程度时，使得下降到一定程度时，使得 , ,此时此时 ，发电机输，发电机输出的电功率出的电功率 ，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的