直流电机的感应电动势和电磁转矩.ppt

1、第一章DC电机1.1 DC电机的工作原理1.2 DC电机的结构和额定值1.3 DC电机的电枢绕组1.4 DC电机的电磁场1.5 DC电机的感应电动势和电磁转矩1.6 DC电机1.7分励DC电机的机械特性1.8直流发电机电枢绕组的感应电动势是指直流电机正负电刷之间的感应电动势，即电枢绕组并联支路的电动势。我们可以先求出极距范围内导体的平均电动势，然后求出分支的平均电动势。在极距范围内，平均磁密度用表示，极距是电枢的轴向有效长度，每个极的磁通量是，电枢绕组的感应电动势，一个导体的平均电动势是，因为，电枢绕组的感应电动势是，因为一个支路中串联导体的总数(n是电枢导体的总数)，所以电枢电动势是，如果电

2、动势与发电机有关，那么电磁转矩和电动机可以联系在一起。求解电磁转矩的过程与求解电动势的过程相同：1)首先求出导体的平均电磁力；2)将平均电磁力乘以电枢的半径，得到导体的平均转矩：电枢绕组的感应电动势和电磁转矩；3)电机的总电磁转矩为：电枢绕组的电磁转矩对于特定的电机来说是一个常数，通过转换或DC电机的平衡方程，它们之间有一个固定的关系。一般来说，如果额定励磁电压等于电枢电压，则单独励磁和并联励磁的DC电机之间没有实质性差别。本章重点分析并联励磁DC电机。1 . 6 . 1 DC电机稳态运行的基本关系如图所示，并联励磁DC电机示意图。当DC电源接通时，励磁电流If流过励磁绕组以建立主磁场，电枢电

3、流Ia流过电枢绕组。当电枢旋转时，电枢导体切断气隙磁场，产生电枢电动势Ea，它与Ia相反，称为反电动势。图1.25为DC电机稳态运行的基本关系和DC电机并联励磁稳态运行的基本关系。当电机在稳态运行时，有几种平衡关系，分别用方程表示。(1)在电压平衡方程中，Ra是电枢电路的电阻，包括电刷和换向器之间的接触电阻。显然，当电机运行时，DC电机的电枢电动势总是小于端电压。(2)在转矩平衡方程中，T为电磁转矩，T2为生产机械在轴上的转矩，T0为电机空载损耗转矩。U=Ea IaRa I=Ia If，DC电机稳态运行的基本关系式，(3)功率平衡方程将电压平衡方程的两边乘以电枢电流Ia，可以写成：公式中，电机

4、从电源输入的功率；电磁能量；电枢电路中的铜损耗。此外，在公式中，电机的机械角速度以弧度/秒为单位。UIA=eaia2ra、DC电机稳态运行的基本关系，将转矩平衡方程的两边乘以机械角速度，得到电磁功率，可写成公式；轴上的机械动力输出；空载损耗，包括机械损耗和铁损，可由前面提到的功率方程：DC电机稳态运行的基本关系，单独励磁DC电机的功率流图，功率平衡方程中并联励磁DC电机的总损耗。并联励磁DC电机的工作特性并联励磁DC电机和DC电机的工作特性是指当端电压U=UN，励磁电流If=IfN，电枢电路不串联电阻时，转速N、电磁转矩T和效率与电枢电流I a的关系。1。转速特性，定义为：当，当，当，当电枢反

5、应退磁被忽略时，转速和负载电流线性变化。如图所示。并联励磁DC电机的工作特性。转矩特性，定义：当，当，当，当考虑转矩表达式时，转矩上升比电流慢。如图所示。并联励磁DC电机的工作特性。效率特性：当，当，当，当可以从方程中得到，空载损耗是恒定的，不随负载电流而变化。当负载电流较小时，效率较低，大部分输入功率消耗在空载损耗上；随着负载电流的增加，效率也增加，大部分输入功率消耗在机械负载上；然而，当负载电流增加到一定程度时，铜损耗迅速增加，然后效率降低。如图所示。1.6.3串联励磁DC电机的工作特性，当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流成线性关系。即速度特性，当负载电流为零时，电机

6、速度趋于无穷大，因此串联励磁电机不应在轻载或空载下运行。当负载电流较大时，磁路饱和，串联励磁电机的工作特性与单独励磁电机相同。曲线如图所示。分励DC电机的机械特性1机械特性方程DC电机的机械特性是指在电枢电压、励磁电流和电枢电路电阻不变的情况下，即电机处于稳态运行时，电机转速和电磁转矩之间的关系。机械特性的表达式可以从电压平衡方程得到，称为理想空载速度。实际空载速度、1.7单独励磁DC电机1的机械特性。固有机械特性，称为固有机械特性：额定负载扭矩下的速度()是额定速度，额定负载下的速度降是额定速度降。由于电枢电阻小，特性曲线斜率小，固有的机械特性是硬特性。1.7独立励磁DC电机的机械特性当额定

7、负载下的速度下降与额定速度之比用百分比表示时，称为额定速度变化率：中小型独立励磁DC电机为5%。2.人工机械特性当使用DC电机时，其固有的机械特性往往不能满足要求。此时，可以改变与电枢电路串联的电源电压U、每极磁通量和附加电阻Rsa这三个量中的一个，从而改变电机的机械特性。这样获得的机械特性称为人工机械特性。注：仅讨论在额定条件下改变其中一个量和其他值的人工机械特性。1.7单独励磁DC电机1的机械特性。电枢电路与电阻串联时的人工机械特性。特点：1)恒定和更大；2)它越大，就越柔软。保持不变，仅在电枢电路中串联电阻的人工特性，1.7单独励磁DC电机的机械特性，2。人工机械特性当电压降低时，保持不

8、变，只有人工特性当电枢电压改变时：特性：1)随变化，不变；2)不同的是，曲线是一组平行线。1.7单独励磁DC电机的机械特性3。减弱励磁磁通时的人工机械特性，特性：1)减弱和增强；2)弱磁场，增加、保持不变，以及减少每极磁通量的人工机械特性：1.8 DC发生器的基本方程，如图所示，指定每个物理量的参考方向，1。电动势平衡方程，可以从等式中看出扭矩平衡方程为：1.8 DC发电机，3。功率平衡方程，从原动机输入到发电机的机械功率，电磁功率，电枢电路上的铜损耗电阻和电刷与换向器表面之间的接触电阻，输出电功率，电磁功率代表有电动势的电源输出电流时产生的电功率，一方面，它代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的

9、机械功率。还应该从自激发电机中减去励磁损耗。1.8 DC发电机和独立励磁发电机的运行特性和空载特性。当定义为：并且上升和下降过程不同时，DC发电机的空载特性是非线性的。在实践中，通常将平均特性曲线作为空载特性曲线。空载，空载特性本质上是。因此，空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线的形状相同。1.8 DC发电机，二。外部特性，定义：当，当，从曲线可以看出，当负载电流增加时，端电压降低。可以看出，端电压下降有两个原因：(1)在励磁电流不变的情况下，负载电流增大，电枢反应退磁降低了每极磁通和电动势；(2)电枢电路上的电阻压降随着负载电流的增加而增加，使得端电压下降。为什么这么低？调节特性，定义：当，

10、当和当负载电流变化时，如果端电压保持不变，必须改变励磁电流以补偿电枢反应和电枢电路电阻压降对输出端电压的影响。并联发电机的电压建立过程称为自励磁过程，电压建立的条件称为自励磁条件。1.8 DC发电机1。自激条件1。当原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，电枢绕组将剩磁切断产生电动势。激励电路是在电动势的作用下产生的。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，励磁电流将产生与剩磁方向相同的磁通量，这将增加主磁路的磁通量并增加电动势。它不断增加，直到励磁绕组两端的电压彼此相等，并达到稳定的平衡工作点。曲线1是空载特性曲线，曲线2是励磁电路的总电阻特性曲线，也称为励磁电阻线。1.8当DC发生器增加，场电阻

11、线变为曲线3时，称为临界电阻。如果励磁电路的电阻增加，发电机将不能自我励磁。可以看出，并联励磁DC发电机的自励磁条件如下：电机正反转时能自励磁吗？并联励磁的1.8 DC发电机和1.8.4 DC发电机的运行特性和空载特性。并联励磁发电机的空载特性与通用电机相同，也是磁化曲线。由于励磁电压不可逆，其空载特性曲线仅在第一象限。并联发电机的外部特性与单独励磁发电机相似，也是一条下降曲线。对于并联励磁发电机，除了电枢反应退磁和电枢电路电阻下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因，端电压下降，导致励磁电流下降，端电压进一步下降。1.8 DC发电机3。调节特性并联发电机的电枢电流仅比单独励磁发电机的电枢电流

12、多一个励磁电流，因此调节特性与单独励磁发电机的调节特性相似。1.9电机的换向和换向概述当DC电机的某个部件通过电刷从一个支路换到另一个支路时，该部件中的电流方向发生变化，即换向。为了便于分析，假设换向片的宽度等于电刷的宽度。当电刷与换向器片1接触时，电流di换向周期通常只有几千分之一秒。在DC电机的运行中，电枢绕组的每个部件在通过电刷时都要经历一个换向过程。换向问题非常复杂，换向不良会在电刷和换向器片之间产生火花。当火花达到一定程度时，会损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。产生火花的原因有很多，除了电磁原因，还有机械原因。此外，换向过程伴随着电化学和电热现象。DC电机换向，电磁换向理论，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)的电流在换向过程中发生变化。切割电动势：在几何中性线上，因为电枢反应存在，并且电枢反应磁密度不为零，所以在换向元件中感应出切割电动势。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。换向电动势：几何中线处换向磁场中换向元件感应的电动势。换向电动势有助于换向。对于DC电机的换向，换向元件中的电流：忽略元件电阻和元件与换向片之间的连接电阻，假设电