电机原理及拖动

1、电机原理及拖动,茂名,本课程的性质、任务及学习方法 1、性质：在工业电气自动化专业中，电机原理及拖动是一门十分重要的专业基础课或称技术基础课。 2、任务：我们所从事的专业决定了我们是从使用的角度来研究电机的。因此，我们着重分析各种电机的工作原理和运行特性，而对电机设计和制造工艺涉及得不多。但对电机的结构还要有一定深度的了解。 3、学习方法：要注意它既有基础理论的学习，又有结合工程实际综合应用的性质。要逐渐地培养学员的工程观点，掌握工程问题的处理方法。,目 录,第一章 直流电机原理 第二章 电力拖动系统的动力学基础 第三章 直流电动机的电力拖动 第四章 变压器 第五章 三相异步电动机原理 第六章

2、 三相异步电动机的电力拖动 第七章 同步电动机 第八章 控制电机 第九章 电力拖动系统中电动机的选择,第一章 直流电机原理 1.1 直流电机的用途、结构及工作原理 一、直流电机的用途 1.直流电动机的用途:在工业生产中,利用电动机的轴上转矩拖动生产机械,对产品进行加工. 2.直流发电机的用途:作为电源设备 二、直流电机的结构 1.静止部分 (1)主磁极:由极身和极掌组成,固定在磁轭 (机座)上.在磁极上套入激磁绕 组(线圈).主磁极总是偶数,且n 极和s极相间出现.极掌对激磁 绕组起支撑作用,且使磁通在气 隙中有较好的分布波形.,极掌,线圈,极身,磁轭,(2)换向极:它位于相邻两主磁极之间,构

3、造与主磁极相似,其 作用是为了消除在运行过程中换向器产生的火花. (3)机座:一般把厚钢板弯成圆筒形,然后再焊成机座,也可采 用铸钢件.其作用一方面是作为各磁极间的磁路,故 又称为磁轭,另一方面机座作为电机的机械支架,主 磁极和换向极就固定在磁轭上. (4)端盖:附有轴承的端盖安装在机座上以支持电枢,它可以 保持电枢表面和极掌表面相隔一个气隙,使电枢可 以自由旋转. (5)电刷装置:电刷是由石墨做成的导电块,将它套入刷握内, 用弹簧以一定压力将电刷压在换向器的表面 上.在电枢旋转时可以保持电刷固定不动.电刷 的作用是使电枢绕组和外电路接通,同时通过 换向器进行电流的换向.,2.转动部分 (1)

4、电枢铁心:电枢铁心由0.5毫米厚且冲有齿和槽的硅钢 片迭成.铁心钢片沿轴向迭装,以降低电枢铁 心在磁场中旋转时所产生的磁滞和涡流损 耗,从而提高电机的效率.电枢铁心一方面作 为电机磁路的一部分,另一方面便于将电枢 绕组安装在电枢铁心的槽内,起着固定电枢 绕组的作用. (2)电枢绕组:电枢绕组是电机产生感应电势和电磁转矩以 实现机电能量转换的重要部件.绕组是由绝 缘的圆形或矩形铜线绕成,嵌放于电枢铁心 的槽中.必须采用层间绝缘和绕组与铁心槽避 之间的槽绝缘.,(3)换向器:其作用是使电枢绕组的绕组元件中的电流 进行 方向的交换,起着电流换向作用.电枢绕组元件 的引线就焊在换向片上. 3.气隙 在

5、极掌和电枢之间有一空气隙.气隙是电机的重要 组成部分,它的大小和形状对电机 性能有很大的影响. 4.其他部分 (1)转轴和轴承:转子必须有转轴,以便电机 和生产机械 或原动机进行联接传递转矩和功率.中小型电机 一 般采用滚动轴承,大容量电机 ,采用支架式滑动轴承. (2).通风装置:作用是冷却电机.,三、直流电机的基本工作原理 1.直流发电机的基本工作原理 为了说明方便,作下列规定: (1)n导体和s导体:在n极下的导体称为n导体;在s极下的 导体称为s导体. (2)符号 和符号 :导体中电势(电流)的方向进入纸面时用 表示;导体中电势(电流)的方向由纸面出来时用 表示.,n,b2 b1,n,

6、基本原理: 由于导体切割了磁力线,因而在导体内将产生感应电动势.根据右手定则,n导体中电势方向为 ;而s导体中电势方向为 ;即二者方向相反. n导体和s导体在交换(a和b位置),但是,b 1和b2极性是恒定的,即b1恒为正,b2恒为负,故在电刷两端输出脉动的直流电压. 综上所述:线圈中的交变电势已变成刷间直流电压.通过换向器使电刷b1仅能接通s导体,而s导体的电势方向恒为 故电刷b1的极性恒为正;同理电刷b2的极性恒为负. e,2.直流电动机的基本工作原理,a、b导体中电流方向如左所示，由左手定则可知s导体和n导体受力均为逆时针方向,因而使电枢逆时针方向旋转. 通过换向器的作用，使与电源负极相

7、接的电刷仅能接通s导体，故s导体中的电流方向恒为流出纸面，而与电源正极相接电刷仅能接通n导体，电流流入纸面。故电机恒逆转。,1.2 直流电机的空载磁场 发电机:由主磁极产生的气隙磁通与电枢绕组切割而产 生电势. 电动机:电枢电流与气隙磁通相互作用而产生电磁转矩. 分析电机磁场是分析电机运行状态的必要步骤. 空载磁场:电枢无电流时的磁场.它是电机中最基本的磁场. 一、电机的磁化曲线 主磁通(通过气隙进入电枢) 激磁磁势所产生的磁通 漏磁通(不经过电枢) 漏磁通不能在电枢中产生电势也不产生电磁转矩,但它存 在却增加了磁极和磁轭的饱和程度. 主磁通是实现机电能量转换所必需的.,主磁通所经磁路:两个气

8、隙、两个电枢齿、一个电枢轭、 两个主磁极铁心和一个 主磁极轭等五段。 由磁路中的欧姆定律： wf if = rm wf 一个主磁极上激磁绕组的匝数； if 激磁绕组中的激磁电流； rm 该段的磁组； 磁通量 1 说明:当i较小时磁路的磁阻为气隙 磁阻且为常数,故if与是线性的 if较大时铁心饱和,磁阻加大增 加变慢if与为非线性关系. 电机的饱和程度对电机的性能有很 大的影响.,二、主磁极磁势产生的气隙磁密在空间的分布 气隙磁密的概念： 是指穿过气隙进入电枢表面或由电枢表面出来的磁通。 因而气隙磁密实际上是指电枢表面的磁通密度。 气隙磁密=主磁极作用产生部分+电枢磁势作用部分 主磁极磁势单独作

9、用（电枢电流为零时）： 气隙在极掌下大致 是均匀的。但在极 尖以外时，主磁通所 经气隙加大，磁密减 小，并在两主磁极中 间的几何中线上下降 为零。,b,1.3 直流电机的电枢绕组 一、概述 电机的电枢绕组是电机的主要组成部件。 电机必须通过电枢绕组与气隙磁场相互作用才能实现 能量转换。 绕组类型：（1）单迭绕组；（2）复迭绕组；（3）单 波绕组；（4）复波绕组；（5）混合绕组。 其中，单迭和单波绕组是最基本的直流电枢绕组，是了解其他绕组的基础。 二、单迭绕组 1 有关技术名词 （1）极轴线：它是将主磁极平分为左右两部分的直线。,（2）极距：它是相邻两主磁极极轴线之间的距离，在相邻主磁极之间，与

10、上述距离大小相等的距离，也叫极距。 （3）几何中线：是在相邻两 极轴线之间并且与这两极轴线等距离的直线，两相邻主磁极以几何中线为轴作位置上的对称分布。以nn表示。,n,n,2.单迭绕组元件 单迭绕组由迭绕组元件按一定规律排列联接而成.绕组元件实际上是一个线圈,可以是多匝,也可以的单匝的. 绕组元件结构原理: a1b1及a2b2部分称为元件边, 用后端匝a1ma2及前端匝b1nb2 将元件边联结起来,使两元件 边中电势在元件中迭加. 端线c1d1及c2d2 称为引线,d1为 元件的首端,d2为末端.元件 的首端和末端分别焊接在 不同的换向上. a1b1称为第一元件边,右边a2b2称为第二元件边.

11、,m,n,d2,3.单迭绕组展开图,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四

12、个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上

13、层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的

14、号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1,图中四个方框代表四个主磁

15、极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 1,图中四个方框代表四个主磁极,相同极性的两个电刷均用导线并联后引往出线端.四个电刷均安放在相应的四个主磁极的极轴线处的换向片上,电刷宽度等于一个换向片宽.电枢

16、铁心槽数、元件数以及换向片数均相等且为16。 元件的第一元件边嵌在槽的上层 上层边；而元件的第二元件边总是嵌在槽的下层 下层边。 上层边用实线表示，下层边用虚线表示。 以元件上层边所在槽的号码作为该元件的号码。 元件联接次序表： 号码上打“.”的,表示被电刷短路的元件 .当元件的两元件边的距离恰是一个极距时,由于电刷放在极轴线处的换向片上,故被电刷短接的元件的两个元件边正处在两相邻 几何中线上.,. . . . .,4.绕组电路分析: 元件2、3、4电势方向相同组成一个支路，元件6、7、8电势方向相同组成一个支路，但方向与2、3、4组成支路电势相反。 元件10、11、12与2、3、4支路电势方

17、向相同故将电刷a1、a2接在一起；14、15、16与6、7、8支路电势方向相同故将b1、b2接在一起，引出正、负两个电极。 并联支路图: 每个主磁 极下的元件 串联成一条 支路,共有四 条并联支路 a=b=p ,输出电 流ia=2aia ,a为并联 支路数、ia为去路 电流；p为主磁极 对数；b为电刷对数。,1.4 直流电机的电枢反应 电枢反应:电枢磁动势对主磁极所建立的气隙磁场的影响。 电枢磁动势不仅与电枢电流大小有关，它还受 电刷位置的影响。 一、电枢磁动势与电枢磁场 二极直流电机电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布图。 几点说明： 1.因电刷接触的换向片与几何中 性线处的导体相连,故把电刷

18、画在几 何中姓线处的导体上. 2.绕组只画一层,都在电枢表面上. 3.电流方向以电刷为分界线. 4.电枢磁场以电刷为极轴线,电刷 处磁势最强,主磁极的极轴线处 电枢磁势为零.电枢磁势与主磁极 磁势正交,称交轴电枢磁势 .,n,s,把电枢圆周从电刷处切开展成 直线并以主磁极轴线与电枢表面 的交点为空间坐标的起点,这点的 电枢磁动势为零. 电枢磁动势沿空间的分布: 电枢线负荷- 电枢圆周表面单位 长度上的安培导体数. a= 应用全电流定律,有hl=2ax 认为总磁势全部降在两段气隙上 2fax=2ax 即 fax=ax 磁密 bax=0hax=0fax /,n ia, d,n,二、电刷位于几何中性

19、线上时的电枢反应 此时电枢磁动势刚好与主磁极磁动势正交，故称这 电枢反应为交轴电枢反应。 电机合成磁场bx= b0 x+bax 正方向规定：磁力线进入转子 为负,出来为正. 所以,主磁极磁通密度在n极 下为负,在s极下为正. 可知:磁场波形发生了畸变. (1)发电机:前极尖增磁,后极 尖去磁. (2)电动机:前极尖去磁,后极 尖增磁. 如不考虑磁路饱和,则增去磁量相等 总磁通量不变.,n,s,n,n,n,几何中线,发电机,当磁路饱和时因磁势和磁通密度之间不再成线性关系在磁场相加的区域磁密下降.所以交轴电枢反应总有一些去磁作用. 三、电机上偏离几何中性线时的电枢反应 电枢磁势分为两部分：交轴磁势

20、和顺轴磁势。 fa = faq + fad 当发电机顺旋转方向移动电刷或电动机逆移时顺轴电势 fad去磁，反之顺轴电势助磁。 右图为发电机电刷 顺移或电动机电刷逆 移后的电枢反应。,fa,1.5 直流电机的电枢电动势与电磁转矩 一、直流电机的电枢电动势 电枢电势是指电机正常工作时电枢绕组切割气隙磁通产生的刷间电动势 。 刷间电动势等于其中一条支路的电动势。 推导过程: 设绕组为整距元件,电刷在几何中线在. 如电枢绕组总导体数为n, 并联电路数为2a 则绕组每条支路的导体数为n/(2a). 如每根导体的平均电动势eav,则支路电动势即刷间电动势, n 一根导体的平均电动势为 eav =bavlv

21、 bav-为一个极下的平均磁密, bav =,2a,eav,ea =, l,导体切割磁场的速度v用每分钟转速表示有v=2pn/60 所以, eav= 2p =2p ea =(n/2a) 2pn/60 =(pn/60a) n =ce n 这是一个十分重要的公式 ,式中ce = pn/(60a)为电动势常数,是一个决定于电机结构的参数. 电枢电动势与每极磁通成正比,与转速正比. b-wb(韦伯) n- r/min (每分钟.转) ea- v(伏特),n 60,n 60,二、直流电机的电磁转矩 电磁转矩：电枢导体在磁场中受力所形成的总转矩。 先求每根导体平均受力 fav =bavia - 导体有效长

22、度 ia- 导体电流 每根导体平均转矩为 tav = bavia d- 电枢直径 电枢总转矩为 t= n = =ctia ia为电枢电流 ia=ia/(2a) 单位为a(安培);ct=pn /(2a) 是与 电机结构有关的常数,称为转矩常数.单位 n m ,ct =9.55ce,d2,2p2,ia,2a,2 a,pn,ia,1.6 直流发电机 一、直流发电机的分类 1.他励直流发电机:励磁电流由另外的 独立直流电源供给. 2.自励直流发电机:它用自已发出的电 给自已的励磁绕组励磁. (1) 并励发电机：它的励磁绕组 跨接在电枢两端,与电枢并联. (2) 串励发电机励磁绕组与电枢 串联,励磁电流

23、 就是电枢电流. (3) 复励发电机:既有并励绕组又 有串励绕组. 励磁消耗的功率一般只 占直流发电机额定功率的1%3%,g,g,g,二、直流发电机的基本方程式 三大平衡方程式：电压平衡、转矩平衡、功率平衡。 （一）电压平衡方程式 u =ea iara u- 电枢电压 ra- 电枢回路总电阻 (二) 转矩平衡方程式 ia方向和ea一致. 当发电机稳定运行时 t1 =t + t0 t1为原动机拖动转矩. t为发电机电磁转矩. t0 为空载转矩.,(三) 功率平衡方程式 p1 =pm + p0 p1为原动机从轴上送入直流发电机的机械功率. pm 为电磁功率. p0 空载损耗功率. p0 =pm +

24、 pfe +ps pm:机械摩擦损耗 pfe :铁损耗 ps:附加损耗 电磁功率多数转为电功率p2 因pm =t =ctia = =,p2= pm pcu 即电枢输出功率p2为电磁功率pm 减去电 枢回路的电阻铜损耗pcu 由电压平衡方程 u =ea iara 得 uia =eaiai2ara 即 综合后得 p1 =p2 + pcu + pm + pfe +ps = p2 +p 直流发电机功率流程图 pm + pfe +ps 注:没有把励磁功率计算 pcu= i2ara 在p1之内.,p2= pm pcu,三、他励直流发电机特性 研究条件：保持转速n不变且等于额定转速nn. 三个物理量：电枢电

25、压u、电枢电流ia、励磁电流if (一）空载特性u=f(if) n=c .ia=0 因 ea=cen, ce和n为常数，所以 ea与成正比。即 u=f(if)曲线与磁化曲线=f (if )形状相同。 u,发电机的额定电压工作点一般 选在开始饱和的弯曲处c点， 当if=0时，u0，这是剩磁所致 称为剩磁电压us=2% 4% un,(二）外特性 u = f ( ia ) n =c =nn常数 if =常数 调励磁if和负载ia 。使u =un，电机工作在额定状态 调ia测u得外特性 u = f ( ia ) 曲线 是一条略微向下倾斜的曲线 u=ea iara u ia iara u 国家标准规定：

26、用发电机由额定 状态过渡到空载时的电压升高 对额定电压的比率表示电压变化率u % = u % = 5% 10% 常数。,四、并励直流发电机 （一）并励直流发电机的自励条件 （1）发电机必须有剩磁，如果无剩磁，必须用另外的直流电源充磁。 （2）励磁绕组并联到电枢两端，线端的接法应与旋转方向配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致。 （3）励磁回路的总电阻 必须小于临界电阻。 在建立正常电枢电压的过程 中，励磁电流 if一直在上升 励磁回路电压平衡方程为：,在a点之前uo - rf if0 if 当达到a点时，u0=rfif, lf dif/dt=0, if不再变化，电压稳定在a点，发

27、电机能建立起正常电压。 （二）外特性 n=常数 、励磁回路总电阻不变时 u =f (i )关系曲线。 并励比它励电机外特性下降得快 原因有三：（1）电阻压降 （2）电枢反应去磁 （3）u if 磁路退饱 和，导致励磁电流下 降电压降低，使负载电流不再增加 反而减小。,1.7 直流电动机 一、直流电机的可逆原理 一台直流电机，在满足一定条件下它可以作发电机运行，也可以作为电动机运行。称为可逆性原理。 过程分析：发电机状态到电动机状态的过渡。 假设开始时发电机向直流电网供电，电网电压u恒定不变。 各量方向如图所示。 发电机中电流与电势方向一致，电机的电磁转矩t为顺时 针方向。与原动机拖动转矩t1方

28、向相反。 u 稳定运行时 t1 = t+t0 电动势 ea u 电流顺电动势方向流向电网。 能量关系：t1 eaia uia 机械功率 电功率 输出电功率,t1,当撤掉原动机后 n ea ia t 稳定运行时 t= t0 +tm 反电势 ea u u =ea + iara 能量关系 iau eaia t2 电机从电网 电磁功率 输出机械功率 吸收电功率,uea,ia变向,t变逆时针,电机运行在电动状态,i,u,二、直流电动机基本方程式 (一) 电压平衡方程式 u = ea + iara ea- 反电动势 ia- 电枢回路电流 ra-电枢回路电阻 (二) 转矩平衡方程式 当电机稳定运行时 t =

29、 t0 + t2 t- 电磁转矩, 或 t= t0 + tm t0 - 空载转矩 tm- 负载转矩 当t2 = tm 时转速稳定 t2- 输出转矩 (三) 功率平衡方程式 p1 = pm + pcu uia =eaia + i2ara,电机从电网吸收的电功率 p1 =uia 减去电枢绕组铜损 pcu=i2ara 余下的为电枢的电磁功率pm =eaia. 而 pm =eaia = t=t0 +t2 =p0 + p2 所以 p1= pcu + p0 + p2 功率流程图:,三、他励直流电动机特性 目的：为正确使用电动机。 几种靜特性： （1）转速特性 ；（2）转矩特性 ； （3）效率特性 ；（4）

30、机械特性 从使用电动机的角度，机械特性是电动机最重要的一种特性 （一）转速特性 u=un if=ifn 电枢无外串电阻即r=ra 因 ea=un-iara=cen 所以,ia=0时 n=n0 为理想空载转速;n=ia=iara/ce 为转速降. 所以,机械特性为略微向下倾斜的一条直线. (三) 效率特性 （二）转矩特性t=ctia 为一过原点直线 当u=un、if=ifn、电枢无外串 电阻，即r=ra时 效率特性=f(ia)= = 令d/dia =0可求得效率最高条件 当电动机中不变损耗等于可变损耗 时，效率最高。且通常出现在 ia=75% 100% 区域内。,（四）机械特性 u=常数、if

31、=常数、r =ra +rc =常数时,n=f (t)变化关系. 当u=un、if= in、ra=0时，称n=f (t)为自然机械特性。 否则，称为人造机械特性。 由直流电动机电压平衡方程可知： u=ea+ia( ra + rc) ea =cen t =ct ia 联解得： 人造特性。 自然特性。,n=,机械特性上的两个特殊点: (1) 理想空载点 t=0,n=n0 ; (2) 额定工作点 t =tn, n =nn . 电动机工作在额定状态时,转速降为 一般根据额定时的数据 (un、in、nn 、ra) ,求出 cen 和ct n，进而对工作点进行计算。,四、串励直流电动机及复励直流电动机 串励

32、直流电动机的励磁电流就是电枢电流，它随负载 的变化而变化。复励电动机是并励直流电动机和串励直 流电动机的结合，它兼有两者的特点。 （一）串励直流电动机的转矩特性n= f (ia) 经变换得 一条非线性曲线 分磁化曲线的不饱和和饱和两部分讨论： （1）ia较小、磁路不饱和磁通与电流成正比，,r0 为电枢回路总电阻,将=k1ia代入后得 为一条双曲线 当电动机空载、电流很小时，可能引起“飞车”事故，所 以串励直流电动机不允许空载运行， 也不允许用皮带传动。 （2）当ia较大、磁路饱和时： =k2 为一常数，这时 为一条稍有下降的直线，但转速降 比他励直流电动机稍大 。如特性1,（二）串励直流电动机

33、的转矩特性 t =f (ia) 由转矩公式 t =ctia , 及磁化曲线 = f (ia)- 非线性 （1）ia较小、磁路不饱和时 = k1 ia 与ia成正比， t = ct k1ia2 -抛物线 （2）ia很大、磁路饱和时 =k2 为一常数与ia无关， t =ctk2ia - 为一直线 特性如曲线2所示。 串励直流电动机适用于起动比较困难，且不空载的生产机械。如电力机车。 （三）串励直流电动机的机械特性 n=f(t) 一般表达式,机械特性曲线如右图1所示。 特点：（1）轻载时特性软，重载时为一条略微下倾的直线。 （2）轻载时转速很高，曲线与纵坐标轴无交点。 串励电动机不允许空载运行。 （

34、四）复励直流电动机的机械特性 复励：既有并励绕组又有串励绕组。 复励电动机兼有并励和串励两种电 动机的优点。 串励绕组使起动转矩增加，并励 绕组使复励电动机可以轻载运行 和空载运行。不存在“飞车”的问题。 机械特性介于并励和串励之间。如 图2所示。,图1,图2,第八节 直流电机换向简介 换向：直流电机在运行过程中，旋转的电枢绕组中一些 元 件从一条支路经过电刷进入另一条支路，在这 一过程中，元件电流改变方向，这一过程称为换向。 换向的过程正是元件被电刷短路的过程，元件短路 过程结束就是换向结束，这时元件完全进入另一条支路。 一、换向过程,ia,分三个阶段:(1)开始,电刷与1号换向片完全接触,

35、元件1和元 件2属右面支路,电流为+ia. (2)电刷同时与换向片1和2接触,元件1被电刷短 路,元件1中的电流在从+ia向-ia变化. (3)电刷完全与换向片1脱离,完全与换向片2接 触,元件1完全进入左支路,电流为-ia.,16,2,二、直线换向、延迟换向与超越换向 （一）直线换向 直线换向是一种最基本的换向过程，换向元件中的电 流按直线规律变化。 条件：换向元件中无电势，且只考虑电刷接触电阻。 特点：（1）在换向过程中，电刷下不会产生火花。因为 换向元件中的电流由+ia连续 变化至-ia，没有换向电流必 须通过空气而造成火花。 （2）在换向过程中， 电刷两左右两侧电流密度是均匀 的。故电

36、刷左右两侧发热也是均 匀的。,(二)延迟换向 电机正常运行时换向元件中产生以下几种电势使e0 (1)自感电动势el 换向元件中电流变化时产生的el el = - ldi/dt (2)互感电动势em 同时换向的几个元件之间产生的互感电动势 em= - mdi/dt 称 er= el+ em 为电抗电势,其方向与+ia相同. (3)电枢反应电势ea 换向元件切割电枢磁场产生的感应电势,其方向与er一致,也是反对换向电流变化的. 结果使电流不能随时间成线性关系变化且变化较慢. 曲线2所示.称之为延迟换向. 延迟换向使电刷的前刷边电流密度小,后刷边电流密 大,因此后刷边出现较大的火花.,三、改善换向的

37、方法 方法：在换向元件中产生与er和ea方向相反的电势ek. 方法一：在主磁极的几何中性处加一换向磁极。极性与 电枢磁场的极性相反，其绕组 一般与电枢绕组串联 方法二：移刷改善换向。发电机顺移，电动机逆移。 移动的角度（物理中线与几何中线之夹角） 四、火花、环火及补偿绕组 换向不良电刷下产生火花，严重时影响电机工作。 环火是处于最大磁密处的元件电压出现最大值，在元件 连接的两个换向片间产生电弧短路而形成环火。 补偿绕组与电枢绕组串联以消除电枢反应进而消除环火。,第二章 电力拖动系统的动力学基础,第一节典型生产机械化的运动形式及转矩 一、电力拖动系统的基本概念 电力拖动:以电动机为原动机拖动生产

38、机械运转的拖动方 式. 电力拖动系统:由电动机、机械传动机构、生产机械的工 作机构、电动机的控制设备以及电源等五 部分组成的综合机电装置。,二、典型生产机械的运动形式和转矩 （一）运动形式 1、单轴旋转系统 特征：电动机的转子与负载轴通过联轴器连接在一起。 所有运动运动部分均以同一转速旋转。如通风机。 2、多轴旋转系统 特征：各轴转速不同，主轴转速比电动机转速低。电动机 转子通过皮带轮和减速机与主轴相连接。如车床。 3、多轴旋转和平移运动系统 特征：负载既有旋转运动又有平移运动。如起重机的起重 小车。 4、多轴旋转和升降运动系统 特征：负载既有旋转又有升降运动。如起重机的提升机构。,（二）生产

39、机械的转矩性质 两种类型：1、摩擦力产生的转矩- 反抗性转矩 特点- 转矩方向总是与旋转方向相反。 2、重力作用产生的转矩- 位能性转矩 特点- 作用方向与生产机械的旋转方向无关 电力拖动系统的运动规律的分析主要研究作用在电动机 轴上的转矩与电动机转速变化之间的关系n= f(t). 分析方法：先对单轴运动系统进行分析，得出一般规律 对多轴运动系统，则通过折算等效成单轴运 动系统后再运用单轴运动系统的规律。,第二节 电力拖动系统和运动方程式 一、单轴电力拖动系统的运动方程式 作用在电机轴上的转矩: 电动机的电磁转矩t 电动机的空载转矩t0 生产机械转矩tm t0+tm =tl为电动机的负载转矩,

40、为轴的角速度.j为对转轴的总转动惯量j=jr+jm. 根据力学刚体转动定律及各量参考方向得转动方程式,转矩单位为n m;j为kgm2 ;为rad/s 该式是研究电力拖动系统各种运转 状态的基础。 在工程计算中，常用n代替；用飞轮力矩gd2代替j。 其关系为 m- 转动部分的质量，kg; g- 转动部分的重力，n； - 转动部分的回转半径，m; d- 回转直径，m; g- 重力加速度，取g=9.81m/s2 运动方程式变为 gd2总飞轮惯量 为实用形式 t- tl=td为动态转矩,td=0,dn/dt=0,电动机以恒定转速旋转或静止不动.称静止状 态. td0,dn/dt0- 系统处于加速状态

41、td0,dn/dt0-系统处于减速状态 称动态或过渡状态. 规定n及t的参考方向:对观察者而言逆时针为正,反之为负. tl的参考方向: -顺-. 二、电力拖动系统的转动惯量及飞轮力矩 飞轮惯量gd2 gdr2（电机转子部分） gdm2 (生产机械部分） 转动惯量j j =m2 - 查表 实际计算时由 gd2 =4gj=4gm2 =4g2 求出j或gd2,可查得,三、功率平衡方程式 运动方程式两端同乗即得功率平衡方程式 判断电动机是输出机械功率还是从拖动系统中吸收功率， 完全取决于电磁转矩t和速度的方向。 t与同方向时 t 0, 电动机输出功率; t与反方向时 t 0, 生产机械从拖动系统中吸收

42、 能量;反之表示放出机械功率给系统.,第三节 多轴电力拖动系统转矩及飞轮力矩的折算 一、多轴旋转系统负载转矩及飞办力矩的折算 （一）负载转矩的折算 折算的原则：保持折算前后系统传递的功率不变。 设 折算前多轴系统中负载功率为tmm, 折算后等效单轴系统的功率为tmeq 则有 tmm =tmeq 故 tmeq,j=/m=n/nm - 传动机构的总速比。j为各级速比之积。 j=j1j2 实际中考虑传动效率c时： c为各级传动效 率之积 （二）飞轮力矩的折算 折算原则：折算前后系统总动能不变。 方程式 得单轴系统等效转动惯量jeq,即,上式两边同乗以4g得折算到电动机轴上的飞轮力矩gd2eq，即 两

43、个中间轴 n个中间轴 主体部分 占比重很小 故有估算公式 = 1.1-1.25,多轴系统折算到电动机轴上时的等效单轴系统的运动方程 式可写成 tl= t0 +tmeq 二、平移运动系统的折算 桥式起重机的起重小车、龙门刨床等， 其工作机构作平移运动。,vm,（一）阻力fm的折算 折算原则：折算前后功率不变。 切削时切削功率为 pm =fm vm fm反映到电动机轴上，表现为负载转矩tmeq,电动机轴上的 切削功率为tmeq。不考虑传动机构的损耗时，可得 tmeq = fm vm 考虑传动机构的损耗时 fm为平移部件的阻力， 单位为n,二、平移运动部件质量的折算 折算原则：折算前后系统贮存动能不

44、变。 运动部件的动能为 折算到电动机轴上后，等效飞轮力矩为gd2meq,其动能为 另上二式相等得,注意：求总飞轮力矩时还需计算传动机构各旋转轴飞轮 力矩的折算值。方法与多轴旋转系统飞轮力矩折算方法同。 三、工作机构为升降运动时转矩与飞轮力矩的折算 等效负载转矩和 等效飞轮力矩,t n t0,tm,nm,第四节 负载的机械特性 负载的机械特性：生产机械工作机构的转矩与转 速之间的函数关系。 一、恒转矩负载特性 （一）反抗性恒转矩负载 特点：转矩由摩擦力产生的，它的绝对值大小不变，但作 用方向总是与旋转方向相反，是阻碍运动的制动转矩.,（二）位能性恒转矩负载 由重力作用产生。 特点：是工作机构的转

45、矩绝对值大小恒定不变，而且 作 用方向也保持不变。 特性位于第一、第四象限 且与纵轴平行的直线。 二、风机、泵类负载机械特性1 均为流体机械，其转矩与转速 的二次方成正比，只能单方向旋转。 三、恒功率负载机械特性2 常数,第三章 直流电动机的电力拖动,第一节 他励直流电动机的机械特性 一、他励直流电动机机械特性的一般概念 条件：电源电压u、气隙磁通、电枢回路总电阻r均为 常数。电动机转速与电磁转矩之关系 n =f( t ) 推导过程： 由电枢回路电压平衡方程式 将ea=cen , t =ct ia代入后得,= n0 - t,特性曲线 两个特殊点： a点（t=0，n=n0=u/ce) 理想空载转

46、速 b点（n=0,t=tk=ctik) =u/(ra+rc)- 堵转电流 堵转转矩 在a点和b点，因电动机的电磁功率pm=eaia=0,无能量转换。 第一象限内：t0 ,n0 方向一致,t为拖动转矩,t n n 原因 u、 、ra+rc均为常数条件下，t ia = t/ct ,a,ea =u ia(ra+rc),n =ea/ce ,在第二象限内：n 0,且n n0, 所以ea0,且eau,电枢电流 成为阻碍运动的制动转矩。ia与ea方向一致，电机输出能 量，电源吸收能量。 在第三象限内：n0,电机反转，ea0,变为与u同方向 二、固有机械特性及人为机械特性 （一）固有机械特性 条件：u=un、

47、= n、r=ra即为额定参数时,t=ct ia 改变方向，且与n相反,t0,与n反方向成为制动转矩,表达式 如t=tn时 nn= n0 - nn 称nn 为额定转速降 因电枢电阻ra很小,所以nn 很小故固有特性属于硬特性。,为一条略微向下倾斜的直线,nn,n,n0,nn,tn,t,（二）人为机械特性 当人为改变参数u、电枢外串电阻rc时的机械特性 三种人为机械特性： 1. 电枢串电阻的人为机械特性,g,外串电阻的机械特性方程式 特点：理想空载转速不变且与外串电阻无关， 外串电阻越大特性斜率越大，特性越软。 2.改变电源电压的人为机械特性 r=ra,= n,调u un(只能在额定电压以下调节)

48、 特点: 理想空载转速与电源电压 成正比,各条特性相互平行,r为电枢回路总电阻,ia,g,m,u,ifg,ufg,if,uf,n,t,u1,u2,u3,un,unu1u2u3,机械特性方程式 3.减弱气隙磁通的人为机械特性 u=un,r=ra, 调 n(弱磁) 机械特性方程式 减磁时理想空载转速升高,斜率 增大,特性变软.,ra为电枢内阻,n,t,3,2,1,= n,n03 n02 n01 n0,三、电枢反应对机械特性的影响 电枢电流较大时，电枢反应加大，使气隙磁通下降较多 电动机转速升高。机械特性上翘。 防翘办法：在主磁极加稳定绕组 使其磁势与主磁极方向 相同。 四、他励直流电动机机械特性的

49、绘制 公式 计算固有机械特性的步骤：1.计算ra, 2.计算cen 3.求n0=un/ cen 4.计算tn = 9.55cenin 人为机械特性的绘制: 求出n 0,再求出稳定转速,n,t,pn为电动机的 额定功率。,五、电力拖动系统稳定运行的条件 稳定含意：当电力拖动系统在工作点上稳定运行 时，若突然出现了于拢，使轴上转矩 失去平衡，电动机转速发生变化时， 系统仍能在新的工作点上稳定运行； 于拢消失后，系统又能回到原来的工 作点稳定运行。 电网电压波动时稳定分析： 右图1为负载机械特性；2、 3为电压波动前后的电动机 机械特性。,c,原在a点运行，转速为na 在a点 t=tl 无加速转矩

50、dn/dt =0，系统在a点稳定 运行。 如电源电压突然升高： 瞬间a b，na=nb ia=（u- ea）/ra t tl n ia ( t ) 当上升到c点时t=tl 达到新的平衡,此时n=nc 当于拢消失,系统将由c到d a回到原工作点. 故该系统能稳定运行.a点是稳定的工作点.,c,可以证明,一个电力拖动系统能稳定运行的 充分必要条件是: 1、电动机的机械特性与负载的机械选择性必须相交，在交点处t=tl，实现了转矩平衡。 2、在交点处（dt/dt）(dtl/dt)=0 不符合第二个条件,系统不能 稳定运行.如负载减小转速增 加,t增加最终损坏电机.,a,tlb,tla,第二节 他励直流

51、电动机的起动和反转 一、他励直流电动机的起动 起动电动机时，应当先给电动机的励磁绕组加入额定励磁电流，以便在气隙中建立额定磁通，然后再接通电枢回路。 电动机一般不允许把电枢直接接到额定电压的 电源上即直接起动。以防电机烧坏和机械损坏。 in，故必须把起动电流限 制在允许范围之内。一般最大允许电流为 (1.52)in,间接起动的两种方法: 1、降压起动， 2、串电阻起动 （一）降压起动 降压起动方法在起动过程中能量损耗小,起动平稳, 便于实现自动化,但需要一套直流电源,增加了设备投资.,uf,if,ia,u,调压电源,m,1,u=un,tn,1.2tn,2tn,n,t,1,2,3,4,5,6,(二) 电枢回路串电阻起动 串电阻是为了限制起动电流不超过允许值.以rst或 rst表示. 电枢回路中应串入的起动电阻值为,m,起动过程中应分段逐步切除起动电阻.最终全部切 除rst,电动机运行在自然特性上. (三) 起动电阻的计算 各级起动电阻的计算,应以在起动过程中最大起动电流i1及切换电流i2不变为原则. 常取 i1=1.5-2in 令i1/i2 = 称为起动电流比.因切换前后瞬间电枢电 阻压降相等,即 i2rst3=i1rst2 或 rst3= rst2 i2rst2 = i1rst1 rst2= rst1 i2 rst1 = i1