3 直流电机的换向解析ppt课件

1、第三章直流电机的转换，引言3.1直流电机的转换过程3.2经典转换理论3.3火花的原因3.4改善转换的措施3.5环火和补偿绕组的总结，2020/7/22，第1页，引言，转换都是装备整流子的电机的专业问题，它对电机的正常运行是重大的首先介绍换流的电磁理论，补充介绍了点接触、络离子传导、氧化膜等理论，并分析了火花产生的原因，介绍了改善换流的方法。 最后简单介绍环火补偿绕组。2020/7/22、第2页、3.1直流电动机的换流过程、直流电动机电枢线圈中的电动势和电流交替，只需组合旋转的换向器和静止的电刷进行工作，就能在电刷之间得到直流电压和电流。 旋转的电枢绕组元件从一个分支路通过刷子的下方进入另一个分

2、支路时，该元件的电流从一个方向变换为另一个方向，该元件的电流方向的变换称为变换。 第2020/7/22、第3页，图示单一绕组元件的换流过程。 分段编号为1，刷宽为bs，分段宽为bk，bsbk，刷固定，整流子以线速度vk向图示方向移动(从右向左移动)。 电刷仅与节段1接触时(图a )的元件1属于电刷右侧的一条分支路径，元件1的电流为ia。 第2020/7/22和第4页，当刷子与段1和2接触时(图b )，元件1被刷子短路。 在电刷仅与节段2接触的情况下(图c )，元件1属于电刷的左侧的一条分支路径，电流也是ia，但方向与原来相反。 当电刷从节段1转移到节段2时，节段1内的电流从ia变为ia，将节段

3、的电流方向的变化过程称为节段工艺。 第2020/7/22，第5页，图d表示元件1从换流到通过一对极间距离的电流变化的理想化曲线。 从换流开始(与图a所示的瞬间、图d的ta点对应)到换流结束(与图c所示的瞬间、图d的tc点对应)所需的时间称为换流周期，用Tk表示，即相当于元件被刷短路的全部时间。 Tk通常只有千分之几秒。 2020/7/22，第6页，将换流的元件称为换流元件，将换流元件中流过的电流称为换流电流，将换流过程中换流元件的元件边在电子表面上移动的距离称为换流区域。 良好的换流是所有搭载整流子的电机持续运转的必要条件。第2020/7/22、第7页、3.2古典换流理论、1、换流元件中电动势

4、2、电动势平衡方程及电流变化规则3、换流理论的补充、第2020/7/22、第8页、1、换流理论换流元件中的旋转电动势的大小为2020/7/22、9页2电抗电动势er换流元件由于在换流周期内电流从ia变为ia，所以与换流元件交链的磁通发生变化，在元件中感应电动势，称为电抗电动势。 云同步中存在自电感量电动势eL和互感电动势电动势eM个成分。 eL是换流元件自身的电流变化对泄漏磁场的影响。 eM是其他换流元件的电流变化对泄漏磁场的影响。 总的来说，泄漏电感量电压降的形式是2020/7/22，第10页，I是换流电流，Lr是换流元件的等效泄漏电感量，称为等效比泄漏磁通导，与所有单圈式换流元件流过基波电

5、流产生的泄漏磁场和研究元件交链的交链磁通对元件长度2l之比由于2020/7/22，11页，换流电流I的实际变化规则复杂，电抗电动势er的瞬时值的校正运算困难，在工序中采用平均值，2020/7/22，12页，bsbk时定义的NyNa/2K，KbkDk，以及线负荷代入式从第2020/7/22、13页可知，换流元件中的总电动势相对于旋转电动势和电抗电动势的代数和、即e=ek er是换流良好的电动机，理想的是ek和er的大小相当，方向相反，为e0，相反，e不为零，换流2020/7/22，第14页，第二页，电动势平衡方程和电流变化规律，I表示元件l的换流电流，i1和i2分别表示引线1和2经由换流片1和2

6、流向电刷的电流。 将Ry、R1及R2分别设为元件l，将引线1及引线2电阻，将Rb1及Rb2分别设为段1及2与电刷的接触电阻，则按照电路法则，可改写的段电路的电动势平衡方程为第2020/7/22、15页、e的er和段因此，假定(1)段与刷面接触，电流分布均匀。 (2)刷子和换向器的每单位接触面积的电阻为常数，即接触电阻和接触面积成反比。 (3)换流元件的合成电动势l在换流周期内保持一定，作为周期内的平均值。2020/7/22、第16页、Rb为单板区段和刷完全接触时的接触电阻、将区段的开始瞬间作为时间起点时，图(b )的关联节点是，第2020/7/22、第17页ik相当于附加换流电流成分，Rb相当

7、于电路串联总电阻20220 (c )、(d )分别给出了iL、Rb、ii，第2020/7/22、19页，3种不同的转换过程如下。 (1)e0，直线方向转换。 这是最理想的转变情况。 换流电流仅为iL成分，随着时间线性变化，从ia向ia均匀变化。 可以证明此时刷子下的电流密度也均匀分布。 第2020/7/22页，第20页，(2)e 0，延迟转换。 此时，换流电流在云同步中包含iL和ik成分，其结果，曲线轨迹位于直线换流之上(图(d ) )，过零时间比直线换流晚，称为“延迟换流”。 如果延迟换流，则左刷边缘(参照前图，刷与换流片l接触的部分，通称后刷边缘)的电流密度大于右刷边缘(与换流片2接触的部

8、分，也称为氟里昂刷边缘)的值。 当电刷离开段1时，大电流被突然地切断，蓄积在段电路中的电磁能量被空气放出，火花在后电刷的端部产生。 2020/7/22，第21页，(3)e 0，超过转换。 此时，ik0由于换流电流曲线落到直线换流的下方(图(d ) )，过零时间提前，所以被称为超越换流。 与延迟换流相反，超过换流，右刷沿的电流密度大于左刷沿，在前刷沿产生火花。2020/7/22，第22页，三，补充换流理论1 .补充物理角度经典电磁换流理论：补充接触面的点接触和络离子导电理论，2020/7/22，第23页，2 .补充化学方面经典电磁换流理论，2020/7/22，24页，由以上新理论可知由于古典电磁

9、换流理论尚未在严密的基础上建构，因此严格来说只能适用于定性分析，但工程实际上也用它进行了量化分析，成为直流电机的主要设置修订依据。 但是，配合电动机的换流试验(无火花的区域试验法)调整电刷的位置的情况很多，能很好地解决换流问题。2020/7/22、25页、3.3火花产生的原因、一、电磁原因二、机械原因三、化学原因、2020/7/22、26页、一、电磁原因、实际运行火花产生的电磁原因是由于附加换流电流ik的出现，在换向回路中、2020/7/22、27页、二、机械原因，主要是整流子、转子和电刷装置等缺陷，如整流子的偏心、节段间的磁性伊卡斯的绝缘突出、转子的平衡不良、刷子在电刷架中松动、刷子压力不适

10、当、刷子表面粗糙等各刷子杆、2020/7/22，第28页，第三，化学原因，如前所述，换向器表面氧化亚铜薄膜的形成，对马达的良好转向起着重要的作用。 如果刷子压力过大，或者在高空缺氧和水蒸气不足，或者在有破坏氧化膜的瓦斯气体(例如酸性瓦斯气体等)的环境下工作，整流子表面的氧化膜将被破坏，容易产生火花。2020/7/22、29页、3.4改善换流的措施，1、装置换流极2、移动刷位置3、选择适当的刷子，2020/7/22、30页，根据古典电磁换流理论，即使改善换流，也必须从减小ik开始为了减小e，减少电阻电动势er，具体而言减少元件匝数Ny，减少等效比漏磁通是一种方法。 对于有电枢铁元素心、通过电枢线

11、圈实现能量转化的电机来说，实现起来很困难，效果也有限。 方法之二是在换流区域内产生适当的外部磁场，在换流元件内产生适当大小的旋转电动势ek，抵消er，制造e0。 这是一种更积极更有效的方法，在工程实际中得到了较多的应用，其实现方法也包括设置换流极和移动电刷。2020/7/22、31页、1、装置换流极、装置换流极是改善换流的最有效方法。 换向极(Nk，Sk )安装在相邻的主磁极(n，s )间的几何学中性线(即，主磁场的磁中性线或对称轴上)，并发挥产生换向磁场Bk的作用。 图为在发电机状态描绘的1台两极直流电机上安装换流极的示意图。 2020/7/22，32页，很明显，换流极为了在换流区域内产生所

12、希望的换流磁场，首先必须抵消交轴电子反应的作用。 因此，利用叠加原理，可将反转极绕组的磁通势Fk分解为2个部分，一个部分平衡交轴电枢反应磁通势Faq，另一个部分平衡Fk。 用于形成换流区域的空气隙磁场Bk，即公式中，k为换流极下的等价空气隙长度。 2020/7/22，第33页，Bk的大小当然由所要求的ek决定。 理想情况下，ek和er在任何时刻都可以完全抵消，但实际上是做不到的。 这是因为ek依赖于Bk的波形，er依赖于换流电流的变化规律。 相应地，折衷的解决方案是要求它们的平均值相等，即，ekerav是用于ekBk。 eravIa也就是说最终向BkIa请求FkIa。 也就是说，反转极线圈必须

13、与电枢线圈串联连接，电动机的设定校正时，反转极磁路不饱和，要求保证反转极线圈产生的磁通势和产生的磁场满足要求。第2020/7/22、34页，由于反转极性根据右手定则不同而要求ek和er的方向相反，因此er的作用始终是阻止电流的变化，即与反转前的电流方向相同，ek的方向是反转后的电流方向。 在发电机中，换流极的极性与换流元件即将进入之前的主磁极的极性相同。 关于电滚子，与将要进入的主磁性板的极性相反(或者与刚离开的主磁极的极性相同)。 无论电机运行发电机还是电机运行，换流极的极性都不变。在2020/7/22、35页、二、移动电刷位置、无换流电机中，将电刷从整流子上的几何中性线错开适当的角度，换流

14、区域也从电枢上的几何中性线错开适当的角度进入主极之下，设定主磁场代替换流极产生的换流磁场使用的换流极的极性电动机如反转片偏移图所示(仅例示发电机的状态)。 从第2020/7/22、36页可以看出，刷子的移动角度大于物理中性线的移动角度，使换流元件置于极性匹配的磁场之下。 的大小以产生适当的ek，抵消er能够良好地转向为基准，通常通过测试来调整。 2020/7/22，37页，移动刷的位置改善转换有两大缺点：一是移动刷后的直轴电枢反应发挥退磁作用，降低发电机端电压，提高电动机运行数；二是电阻电动势er随负载变化因此，这个方法实际上很少被采用。2020/7/22，第38页，第三，选用合适的电刷，换流

15、不易的中小型电机，通常采用黑金属铅电刷。 换流比较困难的电机，经常采用碳-黑金属铅刷。 低压大电流电机经常使用接触电压下降小的青铜一黑金属铅刷和紫铜一黑金属铅刷。 对于换流问题严重的大型直流电机，选择电刷应根据电机制造商的长期试验和运行经验进行化学基。2020/7/22、39页、3.5环火及补偿绕组、一、环火的形成二、环火防止方法、2020/7/22、40页、一、环火的形成、电机受到冲击时，由于换流极铁元素芯的涡流屏蔽作用，Bk和ek的变化延迟，er 引起过度的延迟换流，从后刷边产生强电弧，伴随整流子运动延伸，由于电力的作用，延伸速度有可能超过整流子线速度vk。 2020/7/22，41页，此

16、外，由于电枢电流的激增，电枢反应增强，磁场变形更加严重，整流子上的一部分节点间的电压显着上升，产生电位调整火花，使整流子周围的空气电离。 这样，电磁火花和电位调整火花合流，严重时形成跨越正和负电刷之间的电弧，整流子整体被一圈火环包围，称为环火。 发生环火相当于电枢绕组通过电刷短路，破损的不仅仅是整流子和电刷，电枢绕组也大幅度破损。 2020/7/22，第42页，二、防止环火的方法是，装置快速自动关闭开关，电流达到设定值时自动关闭电源等措施较多的电机，在运转速度范围和空气隙磁场强度两方面， 为了使相邻的2个节段间的最高电压不超过容许值而进行修正，加强换流极的磁通势，使正常运转时的换流过程具有一定程度的超越性，沿着电弧路径安装绝缘隔板等。 最有效的对策是安装补偿绕组。 2020/7/22，第