直流電機的基本結構和工作原理.ppt

第二節(jié)直流電機銘牌數(shù)據(jù)及主要系列 第三節(jié)直流電機的電樞繞組 本章主要討論直流電機的基本結構和工作原理 討論直流電機的磁場分布 感應電動勢 電磁轉矩 電樞反應及影響 換向及改善換向方法 從應用角度分析直流發(fā)電機的運行特性和直流電動機的工作特性 第四節(jié)直流電機的磁場 第五節(jié)直流電機的電磁轉矩和電樞電動勢的計算 第六節(jié)直流電機的換向 第七節(jié)直流發(fā)電機 第一節(jié)直流電機的工作原理與結構 第一章直流電機 第八節(jié)直流電動機 第一節(jié)直流電機的工作原理與結構 一 直流電機的主要結構 二 直流電機的工作原理 一 直流發(fā)電機工作原理 直流發(fā)電機是將機械能轉變成電能的旋轉機械 右圖為直流發(fā)電機的物理模型 N S為定子磁極 abcd是固定在可旋轉導磁圓柱體上的線圈 線圈連同導磁圓柱體稱為電機的轉子或電樞 線圈的首末端a d連接到兩個相互絕緣并可隨線圈一同旋轉的換向片上 轉子線圈與外電路的連接是通過放置在換向片上固定不動的電刷進行的 當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉時同 線圈abcd將感應電動勢 如右圖 導體ab在N極下 a點高電位 b點低電位 導體cd在S極下 c點高電位 d點低電位 電刷A極性為正 電刷B極性為負 當原動機驅動電機轉子逆時針旋轉后 如右圖 導體ab在S極下 a點低電位 b點高電位 導體cd在N極下 c點低電位 d點高電位 電刷A極性仍為正 電刷B極性仍為負 與電刷A接觸的導體總是位于N極下 與電刷B接觸的導體總是位于S極下 電刷A的極性總是正的 電刷B的極性總是負的 在電刷A B兩端可獲得直流電動勢 實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際需要有多個線圈 線圈分布在電樞鐵心表面的不同位置 按照一定的規(guī)律連接起來 構成電機的電樞繞組 磁極也是根據(jù)需要N S極交替旋轉多對 二 直流電動機工作原理 直流電動機是將電能轉變成機械能的旋轉機械 把電刷A B接到直流電源上 電刷A接正極 電刷B接負極 此時電樞線圈中將電流流過 在磁場作用下 N極性下導體ab受力方向從右向左 S極下導體cd受力方向從左向右 該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩 當電磁轉矩大于阻轉矩時 電機轉子逆時針方向旋轉 當電樞旋轉到右圖所示位置時 原N極性下導體ab轉到S極下 受力方向從左向右 原S極下導體cd轉到N極下 受力方向從右向左 該電磁力形成逆時針方向的電磁轉矩 線圈在該電磁力形成的電磁轉矩作用下繼續(xù)逆時針方向旋轉 與直流發(fā)電機相同 實際的直流電動機的電樞并非單一線圈 磁極也并非一對 直流電動機的工作原理示意圖 三 直流電機的可逆原理 一臺電機既可作為發(fā)電機運行 又可作為電動機運行 這就是直流電機的可逆原理 從上述直流電機的工作原理來看 一臺直流電機若在電刷兩端加上直流電壓 輸入電能 即可拖動生產(chǎn)機械 將電能變?yōu)闄C械能而成為電動機 反之若用原動機帶動電樞旋轉 輸入機械能 就可在電刷兩端得到一個直流電動勢作為電源 將機械能變?yōu)殡娔芏蔀榘l(fā)電機 第二節(jié)直流電機的銘牌數(shù)據(jù)及主要系列 一 直流電機的銘牌數(shù)據(jù) 電機銘牌上還標有其它數(shù)據(jù) 如勵磁電壓 出廠日期 出廠編號等 電機運行時 所有物理量與額定值相同 電機運行于額定狀態(tài) 電機的運行電流小于額定電流 欠載運行 運行電流大于額定電流 過載運行 長期欠載運行將造成電機浪費 而長期過載運行會縮短電機的使用壽命 電機最好運行于額定狀態(tài)或額定狀態(tài)附近 此時電機的運行效率 工作性能等比較好 二 直流電機系列 所謂系列電機就是在應用范圍 結構形式 性能水平和生產(chǎn)工藝等方面有共同性 功率按一定比例遞增 并成批生產(chǎn)的一系列電機 我國目前生產(chǎn)的直流電機的主要系列有 Z3系列 為一般用途的小型直流電機系列 ZF和ZD系列 為一般用途的中型直流電機系列 ZZJ系列 為起重 冶金用直流電動機系列 此外還有ZQ直流牽引電動機系列及Z H和ZF H船用電動機和發(fā)電機系列等 第三節(jié)直流電機的電樞繞組 一 直流電機電樞繞組的一般介紹 元件 構成繞組的線圈稱為繞組元件 分單匝和多匝兩種 元件的首末端 每一個元件均引出兩根線與換向片相連 其中一根稱為首端 另一根稱為末端 極距 相鄰兩個主磁極軸線沿電樞表面之間的距離 用表示 疊繞組 指串聯(lián)的兩個元件總是后一個元件的端接部分緊疊在前一個元件端接部分 整個繞組成折疊式前進 波繞組 指把相隔約為一對極距的同極性磁場下的相應元件串聯(lián)起來 象波浪式的前進 第一節(jié)距 一個元件的兩個有效邊在電樞表面跨過的距離 第二節(jié)距 連至同一換向片上的兩個元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊間的距離 合成節(jié)距 連接同一換向片上的兩個元件對應邊之間的距離 單疊繞組 單波繞組 換向節(jié)距 同一元件首末端連接的換向片之間的距離 二 直流電機電樞繞組的基本形式 一 單疊繞組 單疊繞組的特點是相鄰元件 線圈 相互疊壓 合成節(jié)距與換向節(jié)距均為1 即 單疊繞組的展開圖是把放在鐵心槽里 構成繞組的所有元件取出來畫在一張圖里 展示元件相互間的電氣連接關系及主磁極 換向片 電刷間的相對位置關系 單疊繞組的展開圖 根據(jù)單疊繞組的展開圖可以得到繞組的并聯(lián)支路電路圖 單疊繞組的的特點 1 同一主磁極下的元件串聯(lián)成一條支路 主磁極數(shù)與支路數(shù)相同 2 電刷數(shù)等于主磁極數(shù) 電刷位置應使感應電動勢最大 電刷間電動勢等于并聯(lián)支路電動勢 3 電樞電流等于各支路電流之和 二 單波繞組 單波繞組的特點是合成節(jié)距與換向節(jié)距相等 展開圖如下圖所示 兩個串聯(lián)元件放在同極磁極下 空間位置相距約兩個極距 沿圓周向一個方向繞一周后 其末尾所邊的換向片落在與起始的換向片相鄰的位置 單波繞組的并聯(lián)支路圖 單波繞組的特點 1 同極下各元件串聯(lián)起來組成一條支路 支路對數(shù)為1 與磁極對數(shù)無關 2 當元件的幾何形狀對稱時 電刷在換向器表面上的位置對準主磁極中心線 支路電動勢最大 3 電刷數(shù)等于磁極數(shù) 4 電樞電動勢等于支路感應電動勢 5 電樞電流等于兩條支路電流之和 第四節(jié)直流電機的磁場 直流電機中除主極磁場外 當電樞繞組中有電流流過時 還將會產(chǎn)生電樞磁場 電樞磁場與主磁場的合成便形成了電機中的氣隙磁場 它直接影響電樞電動勢和電磁轉矩的大小 要了解氣隙磁場的情況 就要先分析清楚主磁場和電樞磁場的特性 一 直流電機的空載磁場 直流電機的空載是指電樞電流等于零或者很小 電樞磁動勢也很小 且可以不計其影響的一種運行狀態(tài) 此時電機無負載 發(fā)電機不輸出電功率 電動機不輸出機械功率 所以直流電機空載時的氣隙磁場可認為就是主磁場 即由勵磁磁動勢單獨建立的磁場 當勵磁繞組通入勵磁電流 各主磁極極性依次呈現(xiàn)為N極和S極 由于電機磁路結構對稱 不論極數(shù)多少 每對極的磁路是相同的 因此只要分析一對極的磁路情況就可以了 圖1 23直流電機空載時的磁場分布示意圖 從圖中看出 由N極出來的磁通 大部分經(jīng)過氣隙和電樞齒 再經(jīng)過電樞磁軛到另一部分的電樞齒 又通過氣隙進入S極 再經(jīng)過定子磁軛回到原來出發(fā)的N極 成為閉合回路 圖1 23是一臺四極直流電機空載時的磁場分布示意圖 一對極的情形 電樞旋轉時 能在電樞繞組中感應電動勢 或者產(chǎn)生電磁轉矩 把這部分磁通稱為主磁通 用 表示 此外還有一小部分磁通不進入電樞而直接經(jīng)過相鄰的磁極或定子磁軛形成閉合回路 這部分磁通僅與勵磁繞組相匝鏈 稱為漏磁通 用 表示 N S 這部分磁通同時匝鏈著勵磁繞組和電樞繞組 主磁通磁路的氣隙較小 磁導較大 漏磁通磁路的氣隙較大 磁導較小 而作用在這兩條磁路的磁動勢是相同的 直流電機中 主磁通是主要的 它能在電樞繞組中感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉矩 而漏磁通不與電樞繞組相匝鏈 沒有這個作用 它只是增加主磁極磁路的飽和程度 因此 可只分析主磁通 當勵磁繞組的串聯(lián)匝數(shù)為 流過電流 每極的勵磁磁動勢為 所以漏磁通在數(shù)量上比主磁通要小得多 大約是主磁通的 15 20 左右 空載時 勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上 當忽略鐵磁材料的磁阻時 主磁極下氣隙磁通密度的分布就取決于氣隙的大小和形狀 若不考慮鐵磁材料和齒槽的影響 在極靴下 氣隙小且均勻 氣隙中沿電樞表面上各點磁通密度較大且基本為常數(shù) 在極靴范圍外 氣隙明顯增大 磁通密度顯著減小 在磁極之間的幾何中性線處 氣隙磁通密度為零 如圖1 24 a 所示 空載時的氣隙磁通密度為一平頂波 如圖1 24 b 所示 空載時主磁極磁通的分布情況 如圖1 24 c 所示 圖1 24 b 圖1 24 c 在直流電機中 為了感應電動勢或產(chǎn)生電磁轉矩 氣隙里要有一定數(shù)量的主磁通 也就是需要有一定的勵磁磁動勢Ff 勵磁磁動勢變化時 主磁通也隨之改變 我們把空載時主磁通 與勵磁磁動勢Ff或勵磁電流If的關系曲線稱為直流電機的磁化曲線 如圖1 25所示 它表明了電機磁路的特性 圖1 25直流電機的磁化曲線 當磁通較小時 鐵磁部分沒有飽和 磁壓降很小 整個磁路的磁動勢幾乎全部消耗在氣隙上 而氣隙的導磁系數(shù)是一個常數(shù) 因此曲線近似為一直線 圖中0A段 當磁通增大時 曲線逐漸彎曲 很大時 呈飽和特性 為了經(jīng)濟 合理地利用材料 一般直流電機額定運行時 額定磁通設定在圖中A點 膝部 即在磁化特性曲線開始進入飽和區(qū)的位置 直流電機帶上負載后 電樞繞組中有電流 電樞電流產(chǎn)生的磁動勢稱為電樞磁動勢 它的出現(xiàn)使電機的磁場發(fā)生變化 圖1 26 a 為一臺電刷放在幾何中性線的兩極直流電機的電樞磁場分布情況 假設勵磁電流為零 只有電樞電流 由圖可見電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁場在空間的分布情況 電樞磁動勢為交軸磁動勢 二 直流電機負載時的磁場及電樞反應 從對電樞繞組的分析可知 不論什么型式的繞組 其各支路中的電流是通過電刷引入或引出的 在同一支路內(nèi)元件中電流方向是相同的 而在同一電刷兩側的元件中 電流方向總是相反的 因此 電刷是電樞表面導體中電流方向的分界線 圖1 26 a 電樞磁場 如果認為直流電機電樞上有無窮多整距元件分布 則電樞磁動勢在氣隙圓周方向空間分布呈三角波 如右圖所示 由于主磁極下氣隙長度基本不變 而兩個主磁極之間 氣隙長度增加得很快 致使電樞磁動勢產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對稱的馬鞍型 如圖中所示 圖1 26 b 電樞磁動勢和磁場的分布 當勵磁繞組中有勵磁電流 電機帶上負載后 電樞繞組中就有電流流過 它將產(chǎn)生一個電樞磁動勢 因此 氣隙中的磁場是勵磁磁動勢和電樞磁動勢共同作用的結果 通常把負載時電樞磁動勢對主磁場的影響稱為電樞反應 電樞反應對直流電機的運行性能影響很大 顯然 電樞反應將與電刷的位置有關 下面將以直流發(fā)電機為例 分別討論不同電刷位置時的電樞反應 1 電刷在幾何中性線上時的電樞反應 在電樞磁動勢的作用下 當電刷在幾何中性線上時 將主磁場分布和電樞磁場分布疊加 可得到負載后電機的磁場分布情況 如圖1 27 a 所示 圖1 27 a 交軸電樞反應磁場分布 若電樞上半部分電流方向為流出紙面 則電樞下半部分電流方向為流入紙面 其電樞磁場磁力線分布如圖示 此時電樞磁場的軸線與電刷軸線重合 并與主極軸線垂直 這時的電樞磁動勢稱為交軸電樞磁動勢 它對主磁場的影響稱為交軸電樞反應 如果主極極性如圖所示 把主磁場與電樞磁場合成 將合成磁場與主磁場比較 可看出電樞磁動勢將對主磁場產(chǎn)生很大的影響 即電樞反應 N S 電樞磁場磁通密度分布曲線Bax 主磁場的磁通密度分布曲線Box 兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線B x 圖1 27 b 交軸電樞反應磁通密度分布曲線 下面通過磁通密度分布曲線說明電樞反應的作用 如圖1 27 b 所示 比較B x和Box兩條曲線 得出電樞反應的性質 磁場為零的位置由空載時在幾何中性線逆轉向移動了一個角度 說明物理中性線與幾何中性線不再重合 圖1 27 b 交軸電樞反應磁通密度分布曲線 每一磁極下 主磁場一半被削弱 另一半被加強 幾何中性線 物理中性線 1 使氣隙磁場發(fā)生畸變 圖1 27 a 交軸電樞反應磁場分布 物理中性線是指電機中N極與S極的分界線 此處磁場為零 幾何中性線是指電氣結構上兩磁極的中線 2 對主磁場起去磁作用 磁路不飽和時 主磁場被削弱的數(shù)量等于加強的數(shù)量 因此每極下的磁通量與空載時相同 但是電機正常運行于磁化曲線的膝部 主磁極增磁部分因磁密增加使飽和程度提高 鐵心磁阻增大 增加的磁通會少些 因此負載時合成磁場每極磁通比空載時每極磁通略有減少 這就是電樞反應的去磁作用 圖1 27 b 交軸電樞反應磁通密度分布曲線 2 電刷不在幾何中性線時的電樞反應 如圖1 28所示 圖1 28電刷不在幾何中性線上的電樞反應 N S 假設電刷從幾何中性線順電樞轉向移動 角度 因為電刷是電樞表面導體電流方向的分界線 故電樞磁動勢軸線也隨之移動 角 這時電樞磁動勢可分解為兩個相互垂直的分量 交軸電樞磁動勢Faq和直軸電樞磁動勢Fad Faq Fad 交軸電樞反應的性質在前面作了分析 直軸電樞反應若Fad和主磁場方向相同 起增磁作用 相反則起去磁作用 n 必須說明 為了使電樞反應能起增磁作用而移動電刷 從換向的角度看 都是不允許的 上述分析是以發(fā)電機為例說明的 對電動機而言 若保持主磁場的極性和電樞電流的方向不變 則可看出電動機的轉向將與發(fā)電機運行時的轉向相反 其電樞反應比較如下 第五節(jié)直流電機的電磁轉矩和電樞電動勢的計算 一 電磁轉矩的計算 產(chǎn)生 電樞繞組中有電樞電流流過時 在磁場內(nèi)受電磁力的作用 該力與電樞鐵心半徑之積稱為電磁轉矩 大小 可見 制造好的直流電機其電磁轉矩與每極磁通及電樞電流成正比 性質 發(fā)電機 制動 與轉速方向相反 電動機 驅動 與轉速方向相同 二 電樞感應電動勢的計算 產(chǎn)生 電樞旋轉時 主磁場在電樞繞組中感應的電動勢簡稱為電樞電動勢 大小 可見 直流電機的感應電動勢與電機結構 每極磁通及轉速有關 性質 發(fā)電機 電源電勢 與電樞電流同方向 電動機 反電勢 與電樞電流反方向 第六節(jié)直流電機的換向 一 換向概述 直流電機的某一個元件經(jīng)過電刷 從一條支路換到另一條支路時 元件里的電流方向改變 即換向 為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度 電刷與換向片1接觸時 元件1中的電流方向如圖所示 大小為 電樞移到電刷與換向片2接觸時 元件1的被短路 電流被分流 電刷僅與換向片2接觸時 元件1中的電流方向如圖所示 大小為 元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間 稱為換向周期 換向周期通常只有千分之幾秒 直流電機在運行中 電樞繞組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷換向過程 換向問題很復雜 換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花 當火花超過一定程度 就會燒壞電刷和換向器 使電機不能正常工作 產(chǎn)生火花的原因很多 除了電磁原因外 還有機械的原因 此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現(xiàn)象 二 換向的電磁理論 一 換向元件中的電動勢 1 電抗電動勢ex由自感電動勢和互感電動勢合成 自感電動勢和互感電動勢 換向元件 線圈 在換向過程中電流改變而產(chǎn)生的 根據(jù)楞次定律 電抗電動勢的作用是阻止電流變化的 其方向總是阻礙換向的 即與換向前的電流方向相同 2 旋轉電動勢er 是由于換向元件切割換向區(qū)域內(nèi)的磁場而感應的電動勢 方向取決于換向極磁場的極性 為了改善換向 換向極磁動勢總是與極下電樞磁動勢的方向相反 因此換向元件中的總電動勢為 e ex er 二 換向元件中的電流變化規(guī)律 設兩相鄰的換向片與電刷的接觸電阻分別是和 元件自身的電阻為 流過的電流為 元件與換向片間的連線電阻為 元件在換向時的回路方程 忽略元件電阻和元件與換向片間的連線電阻 并設電刷與換向片的接觸總電阻為 則可推導出換向元件中的電流變化規(guī)律為 1 直線換向 當 e 0時 電流i與時間t呈線性關系 2 延遲換向 當 e 0時 換向元件電流隨時間不是線性變化 出現(xiàn)電流延遲現(xiàn)象 3 超越換向 當 e 0時 換向元件電流隨時間不是線性變化 出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象 三 改善換向的方法 除了直線換向外 延遲和超越換向時的合成電動勢不為零 換向元件中產(chǎn)生附加換向電流 附加換向電流足夠大時會在電刷下產(chǎn)生火花 還有機械和化學方面的因素也能引起換向不良產(chǎn)生火花 改善換向一般采用以下方法 第七節(jié)直流發(fā)電機 一 直流發(fā)電機的勵磁方式 供給勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式 分為他勵和自勵兩大類 自勵方式又分并勵 串勵和復勵三種方式 1 他勵 直流電機的勵磁電流由其它直流電源單獨供給 他勵直流發(fā)電機的電樞電流和負載電流相同 即 2 并勵 發(fā)電機的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián) 且滿足 3 串勵 勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián) 滿足 4 復勵 并勵和串勵兩種勵磁方式的結合 電機有兩個勵磁繞組 一個與電樞繞組串聯(lián) 一個與電樞繞組并聯(lián) 二 直流發(fā)電機的基本方程式 如圖規(guī)定各物理量的參考方向 一 電動勢平衡方程式 從方程式可見 直流發(fā)電機滿足 二 轉矩平衡方程式 發(fā)電機軸上有三個轉矩 原動機輸入給的驅動轉矩 電磁轉矩和機械摩擦及鐵損引起的空載轉矩 轉矩平衡方程為 三 功率平衡方程式 原動機輸入給發(fā)電機的機械功率 電磁功率 電磁功率一方面代表電動勢為的電源輸出電流時發(fā)出的電功率 一方面又代表轉子旋轉時克服電磁轉矩所消耗的機械功率 電樞回路電阻及電刷與換向器表面接觸電阻上的銅損耗 輸出的電功率 自勵發(fā)電機中還應減去勵磁損耗 三 他勵發(fā)電機的特性 一 空載特性 定義 當 時 空載時 空載特性實質上就是 所以空載特性曲線的形狀與空載磁化特性曲線相同 直流發(fā)電機的空載特性是非線性的的 上升與下降的過程是不相同的 實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線 二 外特性 定義 當 時 由曲線可見 負載電流增大時 端電壓有所下降 根據(jù)可知端電壓下降有兩個原因 1 在勵磁電流一定情況下 負載電流增大 電樞反應的去磁作用使每極磁通量減少 使電動勢減少 2 電樞回路上的電阻壓降隨負載電流增大而增加 使端電壓下降 三 調節(jié)特性 定義 當 時 由曲線可見 在負載電流變化時 若保持端電壓不變 必須改變勵磁電流 補償電樞反應及電樞回路電阻壓降對對輸出端電壓的影響 四 并勵發(fā)電機 并勵發(fā)電機的勵磁是由發(fā)電機本身的端電壓提供的 而端電壓是在勵磁電流作用下建立的 這一點與他勵發(fā)電機不同 并勵發(fā)電機建立電壓的過程稱為自勵過程 滿足建壓的條件稱為自勵條件 一 自勵過程 曲線1為空載特性曲線 曲線2為勵磁回路總電阻特性曲線 也稱場阻線 原動機帶動發(fā)電機旋轉時 如果主磁極有剩磁 則電樞繞組切割剩磁通感應電動勢 在電動勢作用下勵磁回路產(chǎn)生 如果勵磁繞組和電樞繞組連接正確 勵磁電流產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通 使主磁路磁通增加 電動勢增大 增加 如此不斷增長 直到勵磁繞組兩端的電壓與相等 達到穩(wěn)定的平衡工作點A 增大 場阻線變?yōu)榍€3時 稱為臨界電阻 若再增加勵磁回路電阻 發(fā)電機將不能自勵 可見 并勵直流發(fā)電機的自勵條件有 二 運行特性 并勵發(fā)電機的空載特性和調節(jié)特性與他勵發(fā)電機并無多大區(qū)別 下面只分析并勵發(fā)電機的外特性 并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機相似 也是一條下降曲線 對并勵發(fā)電機 除了像他勵發(fā)電機存在的電樞反應去磁作用和電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外 還有第三個原因 由于上述兩個原因使端電壓下降 引起勵磁電流減小 端電壓進一步下降 第八節(jié)直流電動機 一 直流電動機按勵磁方式分類 直流電動機的勵磁電流都是外電源供給的 和直流發(fā)電機相似 勵磁方式不同也會使直流電動機的運行性能產(chǎn)生很大差異 按照勵磁方式的不同 直流電動機可分為他勵 并勵 串勵 復勵電動機 二 直流電動機的基本方程式 規(guī)定各物理量的參考方向如圖 電動機的基本方程如下 三 他勵 并勵 直流電動機的工作特性 1 轉速調整特性 定義 當 時 由方程式可得 忽略電樞反應的去磁作用 轉速與負載電流按線性關系變化 2 轉矩特性 定義 當 時 轉矩表達式 考慮電樞反應的作用 轉矩上升的速度比電流上升的慢 3 效率特性 定義 當 時 由方程式可得 空載損耗為不變損耗 不隨負載電流變化 當負載電流較小時效率較低 輸入功率大部分消耗在空載損耗上 負載電流增大 效率也增大 輸入的功率大部分消耗在機械負載上 但當負載電流增大到一定程度時銅損快速增大此時效率又變小 四 串勵電動機的工作特性 當負載電流較小時 電機磁路不飽和 每極氣隙磁通與勵磁電流呈線性關系 即 轉速特性 當負載電流為零時 電機轉速趨于無窮大 所以串勵電動機不宜輕載或空載運行 轉矩特性 當負載電流較大時 磁路飽和 串勵電動機的工作特性與他勵電動機相同 第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)的動力學 第二節(jié)生產(chǎn)機械的負載轉矩特性 第三節(jié)他勵直流電動機的機械特性 本章主要介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程 負載轉矩特性 直流電動機的機械特性 起動 調速 制動等方法和物理過程 第四節(jié)他勵直流電動機的起動 第五節(jié)他勵直流電動機的電氣制動 第七節(jié)串勵直流電動機的電力拖動 第二章直流電動機的電力拖動 第六節(jié)他勵直流電動機的調速 第一節(jié)電力拖動系統(tǒng)的動力學 一 運動方程式 電力拖動系統(tǒng)運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài) 系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉軸上的各種轉矩 根據(jù)如圖給出的系統(tǒng) 忽略空載轉矩 可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式 其中為系統(tǒng)的慣性轉矩 運動方程的實用形式 系統(tǒng)旋轉運動的三種狀態(tài) 1 當或時 系統(tǒng)處于靜止或恒轉速運行狀態(tài) 即處于穩(wěn)態(tài) 2 當或時 系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài) 即處于動態(tài) 3 當或時 系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài) 即處于動態(tài) 常把或稱為動負載轉矩 把稱為靜負載轉矩 二 運動方程式中轉矩正 負號的規(guī)定 首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉方向為轉速的正方向 然后規(guī)定 1 電磁轉矩與轉速的正方向相同時為正 相反時為負 2 負載轉矩與轉速的正方向相同時為負 相反時為正 3 慣性轉矩的大小和正負號由和的代數(shù)和決定 第二節(jié)生產(chǎn)機械的負載轉矩特性 負載的轉矩特性 就是負載的機械特性 簡稱負載特性 一 恒轉矩負載 恒轉矩負載特性是指生產(chǎn)機械的負載轉矩與轉速無關的特性 分反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載兩種 1 反抗性恒轉矩負載 2 位能性恒轉矩負載 二 恒功率負載 恒功率負載特點是 負載轉矩與轉速的乘積為一常數(shù) 即與成反比 特性曲線為一條雙曲線 三 通風機負載 負載的轉矩基本上與轉速的平方成正比 負載特性為一條拋物線 第三節(jié)他勵直流電動機的機械特性 一 機械特性方程式 直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓 勵磁電流 電樞回路電阻為恒值的條件下 即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時 電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系 由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式 稱為理想空載轉速 實際空載轉速 二 固有機械特性和人為機械特性 當時的機械特性稱為固有機械特性 由于電樞電阻很小 特性曲線斜率很小 所以固有機械特性是硬特性 當改變或或得到的機械特性稱為人為機械特性 一 電樞串接電阻時的人為機械特性 保持不變 只在電樞回路中串入電阻的人為特性 特點 1 不變 變大 2 越大 特性越軟 二 改變電樞電壓時的人為機械特性 保持不變 只改變電樞電壓時的人為特性 特點 1 隨變化 不變 2 不同 曲線是一組平行線 三 減弱磁通時的人為機械特性 保持不變 只改變勵磁回路調節(jié)電阻的人為特性 特點 1 弱磁 增大 2 弱磁 增大 三 機械特性的繪制 一 固有特性的繪制 已知 求兩點 1 理想空載點和額定運行 具體步驟 1 估算 2 計算 3 計算理想空載點 4 計算額定工作點 二 人為特性的繪制 在固有機械特性方程的基礎上 根據(jù)人為特性所對應的參數(shù)或或變化 重新計算和 然后得到人為機械特性方程式 四 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 處于某一轉速下運行的電力拖動系統(tǒng) 由于受到某種擾動 導致系統(tǒng)的轉速發(fā)生變化而離開原來的平衡狀態(tài) 如果系統(tǒng)能在新的條件下達到新的平衡狀態(tài) 或者當擾動消失后系統(tǒng)回到原來的轉速下繼續(xù)運行 則系統(tǒng)是穩(wěn)定的 否則系統(tǒng)是不穩(wěn)定的 在點 系統(tǒng)平衡 擾動使轉速有微小增量 轉速由上升到 擾動消失 系統(tǒng)減速 回到點運行 擾動使轉速有微小下降 由下降到 擾動消失 系統(tǒng)加速 回到點運行 在點 系統(tǒng)平衡 擾動使轉速有微小增量 轉速由上升到 系統(tǒng)加速 即使擾動消失 也不能回到點運行 擾動使轉速有微小下降 由下降到 系統(tǒng)減速 即使擾動消失 也不能回到點運行 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的充分必要條件是 1 必要條件 電動機的機械特性與負載的轉矩特性必須有交點 即存在 第四節(jié)他勵直流電動機的起動 電動機的起動是指電動機接通電源后 由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程 起動瞬間 起動轉矩和起動電流分別為 起動時由于轉速為零 電樞電動勢為零 而且電樞電阻很小 所以起動電流將達很大值 過大的起動電流將引起電網(wǎng)電壓下降 影響電網(wǎng)上其它用戶的正常用電 使電動機的換向惡化 同時過大的沖擊轉矩會損壞電樞繞組和傳動機構 一般直流電動機不允許直接起動 為了限制起動電流 他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動 一 電樞電路串電阻起動 一 起動特性 以三級電阻起動時電動機為例 二 起動電阻計算 設對應轉速n1 n2 n3時電勢分別為Ea1 Ea2 Ea3 則有 b點 c點 d點 e點 f點 g點 比較以上各式得 在已知起動電流比 和電樞電阻前提下 經(jīng)推導可得各級串聯(lián)電阻為 計算各級起動電阻的步驟 1 估算或查出電樞電阻 2 根據(jù)過載倍數(shù)選取最大轉矩對應的最大電流 3 選取起動級數(shù) 6 計算各級起動電阻 二 降壓起動 當直流電源電壓可調時 可采用降壓方法起動 起動時 以較低的電源電壓起動電動機 起動電流隨電源電壓的降低而正比減小 隨著電動機轉速的上升 反電動勢逐漸增大 再逐漸提高電源電壓 使起動電流和起動轉矩保持在一定的數(shù)值上 保證按需要的加速度升速 降壓起動需專用電源 設備投資較大 但它起動平穩(wěn) 起動過程能量損耗小 因此得到廣泛應用 第五節(jié)他勵直流電動機的電氣制動 當電磁轉矩的方向與轉速方向相同時 電機運行于電動機狀態(tài) 當電磁轉矩方向與轉速方向相反時 電機運行于制動狀態(tài) 一 能耗制動 電動狀態(tài) 如圖所示 將開關S投向制動電阻上即實現(xiàn)制動 由于慣性 電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉 電動勢方向不變 由產(chǎn)生的電樞電流的方向與電動狀態(tài)時的方向相反 對應的電磁轉矩與方向相反 為制動性質 電機處于制動狀態(tài) 制動運行時 電機靠生產(chǎn)機械的慣性力的拖動而發(fā)電 將生產(chǎn)機械儲存的動能轉換成電能 消耗在電阻上 直到電機停止轉動 能耗制動時的機械特性為 電動機狀態(tài)工作點 制動瞬間工作點 制動過程工作段 電動機拖動反抗性負載 電機停轉 若電動機帶位能性負載 穩(wěn)定工作點 改變制動電阻的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率 從而可以改變制動轉矩及下放負載的穩(wěn)定速度 越小 特性曲線的斜率越小 起始制動轉矩越大 而下放負載的速度越小 制動電阻越小 制動電流越大 選擇制動電阻的原則是 其中為制動瞬間的電樞電動勢 能耗制動操作簡單 但隨著轉速下降 電動勢減小 制動電流和制動轉矩也隨著減小 制動效果變差 若為了盡快停轉電機 可在轉速下降到一定程度時 切除一部分制動電阻 增大制動轉矩 二 反接制動 一 電樞反接制動 電樞反接制動時接線如圖所示 開關S投向 電動 側時 電樞接正極電壓 電機處于電動狀態(tài) 進行制動時 開關投向 制動 側 電樞回路串入制動電阻后 接上極性相反的電源電壓 電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流 反向的電樞電流產(chǎn)生反向的電磁轉矩 從而產(chǎn)生很強的制動作用 電壓反接制動 電樞反接制動時的機械特性為 曲線如圖中所示 工作點變化為 制動過程中 均為負 而 為正 表明電機從電源吸收電功率 表明電機從軸上吸收機械功率 表明軸上輸入的機械功率轉變?yōu)殡姌谢芈冯姽β?可見 反接制動時 從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉變成的電功率一起消耗在電樞回路電阻上 二 倒拉反接制動 倒拉反轉反接制動只適用于位能性恒轉矩負載 在電樞回路中串聯(lián)一個較大的電阻 即可實現(xiàn)制動 正向電動狀態(tài)提升重物 A點 電樞回路串入較大電阻后特性曲線 負載作用下電機反向旋轉 下放重物 電機以穩(wěn)定的轉速下放重物D點 工作點由A B C D CD段為制動段 倒拉反轉反接制動時的機械特性方程就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程 由于串入電阻很大 有 倒拉反轉反接制動時的機械特性曲線就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分 倒拉反轉反接制動時的能量關系和電樞反接制動時相同 三 回饋制動 電動狀態(tài)下運行的電動機 在某種條件下會出現(xiàn)情況 此時 反向 反向 由驅動變?yōu)橹苿?從能量方向看 電機處于發(fā)電狀態(tài) 回饋制動狀態(tài) 回饋制動時的機械特性方程與電動狀態(tài)時相同 穩(wěn)定運行有兩種情況 當電車下坡時 運行轉速可能超過理想空載轉速 進入第二象限 電壓反接制動帶位能性負載進入第四象限 發(fā)生在動態(tài)過程中的回饋制動過程有以下兩種情況 1 降壓調速時產(chǎn)生的回饋制動 2 增磁調速時產(chǎn)生的回饋制動 回饋制動時由于有功率回饋到電網(wǎng) 因此與能耗和反接制動相比 回饋制動是比較經(jīng)濟的 第六節(jié)他勵直流電動機的調速 電力拖動系統(tǒng)的調速可以采用機械調 電氣調速或二者配合調速 通過改變傳動機構速比進行調速的方法稱為機械調速 通過改變電動機參數(shù)進行調速的方法稱為電氣調速 改變電動機的參數(shù)就是人為地改變電動機的機械特性 使工作點發(fā)生變化 轉速發(fā)生變化 調速前后 電動機工作在不同的機械特性上 他勵直流電動機的轉速為 電氣調速方法 1 調壓調速 2 電樞串電阻調速 3 調磁調速 一 調速指標 一 調速范圍 二 靜差率 相對穩(wěn)定性 指負載變化時 轉速變化的程度 轉速變化小 穩(wěn)定性好 越小 相對穩(wěn)定性越好 與機械特性硬度和n0有關 D與 相互制約 越小 D越小 相對穩(wěn)定性越好 在保證一定的 指標的前提下 要擴大D 須減少 n 即提高機械特性的硬度 三 調速的平滑性 在一定的調速范圍內(nèi) 調速的級數(shù)越多 調速越平滑 相鄰兩級轉速之比 為平滑系數(shù) 越接近1 平滑性越好 當時 稱為無級調速 即轉速可以連續(xù)調節(jié) 調速不連續(xù)時 級數(shù)有限 稱為有級調速 四 調速的經(jīng)濟性 主要指調速設備的投資 運行效率及維修費用等 二 電樞電路串電阻調速 未串電阻時的工作點 串電阻后 工作點由A A B 調速過程中電流和轉速的變化情況 調速過程電流變化曲線 調速前 后電流不變 調速過程轉速變化曲線 結論 帶恒轉矩負載時 串電阻越大 轉速越低 優(yōu)點 電樞串電阻調速設備簡單 操作方便 缺點 1 由于電阻只能分段調節(jié)