完整版)西安交通大學(xué)電機學(xué)課件180頁

1、第一篇 直流電機 一. 直流電機(DC Machines)概述直流電機是電機的主要類型之一。直流電機可作為發(fā)電機使用，也可作為電動機使用。 用作發(fā)電機可以獲得直流電源，用作電動機，由于其具有良好的調(diào)速性能，在許多調(diào)速性能要求較高的場合，得到廣泛使用。直流電機的用途:作電源用:發(fā)電機；作動力用:電動機；信號的傳遞:測速發(fā)電機,伺服電機作電源用:直流發(fā)電機將機械能轉(zhuǎn)化為直流電能 作動力用:直流電動機將直流電能轉(zhuǎn)化為機械能 信號傳遞:直流測速發(fā)電機將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號 信號傳遞-直流伺服電動機將控制電信號轉(zhuǎn)換為機械信號 二. 直流電機的優(yōu)缺點1. 直流發(fā)電機的電勢波形較好，受電磁干擾的影響小。 2

2、. 直流電動機的調(diào)速范圍寬廣，調(diào)速特性平滑。 3. 直流電動機過載能力較強，起動和制動轉(zhuǎn)矩較大。 4. 由于存在換向器，其制造復(fù)雜，成本較高。 第1章 直流電機的工作原理和結(jié)構(gòu) 1-1 直流電機工作原理一、原理圖(物理模型圖) 磁極對N、S不動, 線圈（繞組）abcd 旋轉(zhuǎn), 換向片1、2旋轉(zhuǎn), 電刷及出線A、B不動二、直流發(fā)電機原理（機械能-直流電能）( Principles of DC Generator) 1. 原動機拖動電樞以轉(zhuǎn)速n(r/min)旋轉(zhuǎn)； 2. 電機內(nèi)部有磁場存在；或定子（不動部件）上的勵磁繞組通過直流電流(稱為勵磁電流If)時產(chǎn)生恒定磁場（勵磁磁場，主磁場） (magn

3、etic field, field pole) 3. 電樞線圈的導(dǎo)體中將產(chǎn)生感應(yīng)電勢e = B l v ，但導(dǎo)體電勢為交流電，而經(jīng)過換向器與電刷的作用可以引出直流電勢EAB，以便輸出直流電能。（看原理圖1，看原理圖2）(commutator and brush) 1. 問題1-1：直流電機電樞單個導(dǎo)體中感應(yīng)電勢的性質(zhì)？ 2. 問題1-2：直流電機通過電刷引出的感應(yīng)電勢的性質(zhì)？ 3. 看直流發(fā)電機原理動畫 4. 問題1-3：直流發(fā)電機如何得到幅值較為恒定的直流電勢？ 5. 為了得到穩(wěn)定的直流電勢，直流電機的電樞圓周上一般有多個線圈分布在不同的位置，并通過多個換向片聯(lián)接成電樞繞組。以前曾使用環(huán)形繞

4、組. 6. 問題1-4：環(huán)形繞組的缺點是什么？ 三. 直流電動機的原理 ( Principies of DC Motor) 1. 將直流電源通過電刷和換向器接入電樞繞組，使電樞導(dǎo)體有電流ia 通過。 2. 電機內(nèi)部有磁場存在。 3. 載流的轉(zhuǎn)子（即電樞）導(dǎo)體將受到電磁力 f 的作用 f = B l ia （左手定則） 4. 所有導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁力作用于轉(zhuǎn)子可產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，以便拖動機械負(fù)載以n(r/min)旋轉(zhuǎn)。 5. 結(jié)論：直流電機的可逆性原理：同一臺電機，結(jié)構(gòu)上不作任何改變，可以作發(fā)電機運行，也可以作電動機運行。 1. 看直流電動機原理動畫 2. 問題1-5：討論電刷的位置。 3. 結(jié)論：為了

5、得到最大的直流電勢，電刷的位置必須與位于幾何中線上的導(dǎo)體相接觸。 1-2 直流電機的結(jié)構(gòu) (Structure)主磁極-主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數(shù)直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴大的部分稱為極靴，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。為了減少轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動時由于齒槽移動引起的鐵耗，主磁極鐵心采用11.5mm的低碳鋼板沖壓一定形狀疊裝固定而成。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數(shù)一定是偶數(shù)，勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性

6、按 N，S 極交替出現(xiàn)。機座機座有兩個作用，一是作為主磁極的一部分，二是作為電機的結(jié)構(gòu)框架。 機座中作為磁通通路疊部分稱為磁軛。機座一般用厚鋼板彎成筒形以后焊成，或者用鑄鋼件（小型機座用鑄鐵件）制成。機座的兩端裝有端蓋。換向極換向極是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向情況，使電機運行時不產(chǎn)生有害的火花。換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類似，是由換向極鐵心和套在鐵心上的換向極繞組構(gòu)成，并用螺桿固定在機座上。換向極的個數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組在使用中是和電樞繞組相串聯(lián)的，要流過較大的電流，因此和主磁極的串勵繞組一樣，導(dǎo)線有較大的

7、截面。端蓋端蓋裝在機座兩端并通過端蓋中的軸承支撐轉(zhuǎn)子，將定轉(zhuǎn)子連為一體。同時端蓋對電機內(nèi)部還起防護作用。電刷裝置電刷裝置是電樞電路的引出（或引入）裝置，它由電刷，刷握，刷桿和連線等部分組成，右圖所示，電刷是石墨或金屬石墨組成的導(dǎo)電塊，放在刷握內(nèi)用彈簧以一定的壓力按放在換向器的表面，旋轉(zhuǎn)時與換向器表面形成滑動接觸。刷握用螺釘夾緊在刷桿上。每一刷桿上的一排電刷組成一個電刷組，同極性的各刷桿用連線連在一起，再引到出線盒。刷桿裝在可移動的刷桿座上，以便調(diào)整電刷的位置。電樞鐵心電樞鐵心既是主磁路的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用厚0.

8、5mm且沖有齒、槽的型號為DR530或DR510的硅鋼片疊壓夾緊而成，如左圖所示。小型電機的電樞鐵心沖片直接壓裝在軸上，大型電機的電樞鐵心沖片先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上，然后再將支架固定在軸上。為改善通風(fēng)，沖片可沿軸向分成幾段，以構(gòu)成徑向通風(fēng)道。電樞繞組電樞繞組由一定數(shù)目的電樞線圈按一定的規(guī)律連接組成，他是直流電機的電路部分，也是感生電動勢，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩進行機電能量轉(zhuǎn)換的部分。線圈用絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成，分上下兩層嵌放在電樞鐵心槽內(nèi)，上下層以及線圈與電樞鐵心之間都要妥善地絕緣（右圖），并用槽楔壓緊。大型電機電樞繞組的端部通常緊扎在繞組支架上。換向器-在直流發(fā)電機中，換向器起整流作用，在直流電

9、動機中，換向器起逆變作用，因此換向器是直流電機的關(guān)鍵部件之一。換向器由許多具有鴿尾形的換向片排成一個圓筒，其間用云母片絕緣，兩端再用兩個V形環(huán)夾緊而構(gòu)成，如圖所示。每個電樞線圈首端和尾端的引線，分別焊入相應(yīng)換向片的升高片內(nèi)。小型電機常用塑料換向器，這種換向器用換向片排成圓筒，再用塑料通過熱壓制成。1-3 電樞繞組電樞繞組是直流電機的電路部分，亦是實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的樞紐。電樞繞組的構(gòu)成，應(yīng)能產(chǎn)生足夠的感應(yīng)電動勢，并允許通過一定多電樞電流，從而產(chǎn)生所需的電磁轉(zhuǎn)矩和電磁功率。此外，還要節(jié)省有色金屬和絕緣材料，結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠。一.主要分類 宏觀分類為環(huán)形和鼓形；環(huán)形繞組只曾在原始電機用過，由于容易

10、理解故講原理時也用此類繞組；鼓形繞組比環(huán)形繞組制造容易，又節(jié)省導(dǎo)線，運行較可靠，經(jīng)濟性好，故現(xiàn)在均用鼓形繞組。鼓形繞組又分為疊繞組、波繞組和蛙形繞組。環(huán)形電樞繞組（展開圖）鼓形電樞繞組（展開圖） 1. 鼓形繞組有許多個形狀相同的線圈組成，每個線圈有兩個有效邊，分別位于電樞圓周相距約一個極距的兩個槽中。 2. 一個邊在上層時，另一個邊一般在下層。1. 每個換向片接兩個不同的線圈端頭。 2. 將所有的電樞線圈按照一定的規(guī)律聯(lián)接起來，就構(gòu)成電樞繞組。 3. 在實際電機中，電樞繞組有多種形式。 4. 每個換向片接兩個不同的線圈端頭。 5. 將所有的電樞線圈按照一定的規(guī)律聯(lián)接起來，就構(gòu)成電樞繞組。 6.

11、 在實際電機中，電樞繞組有多種形式。 疊繞組示意圖波繞組示意圖二、單疊繞組的聯(lián)接方法1. 強調(diào)概念：極數(shù)2p，極對數(shù)p，極距，繞組元件，元件邊，上層邊，下層邊,第1節(jié)距，第2節(jié)距，合成節(jié)距等。 2. 單疊繞組的展開圖舉例一臺4極16槽直流電機，已知換向片數(shù)K=16；電樞繞組的線圈數(shù)S=16；試畫出整距右行單疊繞組展開圖。 3. 【析】每槽兩個邊，每個線圈兩個邊，所以槽數(shù)z=線圈數(shù)S=16, 極距z/2p4槽。 因為要求整距線圈即第一節(jié)距 y14(槽),又因為單疊右行，則合成節(jié)距 y1；則第二節(jié)距y2y1-y3(槽),也就是說一個線圈的一個有效邊若放在1號槽內(nèi)，另一個有效邊必須放在5號槽內(nèi)。即一

12、個線圈跨過4個槽的位置。元件聯(lián)接圖如圖繞組展開圖。其等效電路圖如下圖所示： 【畫出展開圖的具體部驟】 1. 畫出均勻分布的平行豎線代表電機各槽的元件邊，下層邊用虛線，上層用實線畫； 2. 標(biāo)出槽號：畫出第一個元件，跨15。展開圖中可以把一個元件畫成一匝。注意元件的端部要畫對稱。 3. 在第一個元件的引出線端畫出換向器的兩根橫平行線，并標(biāo)出換向片號；換向片號與所連的上層邊槽號要相同。 4. 依次串聯(lián)16個元件。 5. 再畫出各磁極N、S、N、S。 6. 鼓形繞組的電刷中心線在每個磁極的中心線上。即保證電刷必須與位于幾何中線處的導(dǎo)體相接觸。 7. 畫出電樞轉(zhuǎn)向和電刷連線。 三結(jié)論 1. 常用直流電

13、機繞組型式的支路數(shù)2a： 2. 單疊繞組：2a=2p， 單波繞組：2a=2 3. 雙疊繞組：2a=4p， 雙波繞組：2a=41-4 直流電機的額定值額定值-是制造廠對各種電氣設(shè)備（本章指直流電機）在指定工作條件下運行時所規(guī)定的一些量值。在額定狀態(tài)下運行時，可以保證各電氣設(shè)備長期可靠地工作。并具有優(yōu)良的性能。額定值也是制造廠和用戶進行產(chǎn)品設(shè)計或試驗的依據(jù)。額定值通常標(biāo)在各電氣的銘牌上，故又叫銘牌值。直流電機的額定值(Rating)主要有： 1. 額定功率 PN：指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以 W 為量綱單位。若大于 1kW 或 1MW 時,則用 kW 或 MW 表示。 2

14、. 額定電壓 UN：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以 V 為量綱單位。 3. 額定電流 IN：指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以 A 為量綱單位。 4. 額定轉(zhuǎn)速 nN：指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。 5. 額定勵磁電流 If：指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。 注意: 1. 對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積，即PNUNIN 2. 對于直流電動機，PN是指輸出的機械功率，所以公式中還應(yīng)有效率N存在,即PNUNINN 第 2 章 直流電機的基本理論內(nèi) 容 簡 介 1. 直流電機的磁場:勵磁方式、磁場分布、電樞反應(yīng) 2. 感應(yīng)電勢

15、：電勢公式、電勢方程式 3. 電磁轉(zhuǎn)矩：轉(zhuǎn)矩公式、轉(zhuǎn)矩平衡方程式 4. 功率與損耗:損耗分析、功率平衡方程式2-1 直流電機的勵磁方式 一、定義 直流電機勵磁繞組的接線方式稱為勵磁方式。實質(zhì)上就是勵磁繞組和電樞繞組如何聯(lián)接。 二、分類 除了永磁直流電機外，直流電機的勵磁方式有他勵式和自勵（串勵、并勵和復(fù)勵）式。 2-2 空載時直流電機的磁場一、直流電機的磁通路徑磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)氣隙1電樞齒1電樞軛電樞齒2氣隙2主磁極2定子軛-主磁極1。 二、空載磁通密度波形 空載時電樞電流為0，氣隙磁場是由勵磁電流單獨決定。 磁極面下氣隙較小且均勻，磁密較強且均勻。 極面外，氣隙迅速增大，磁密也迅速減弱，

16、幾何中性線處磁密為0。 空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數(shù)B0（x）表示；分析可知它是平頂波。2-3 負(fù)載時直流電機的磁場電樞反應(yīng)概 述 直流電機負(fù)載后，電樞繞組有電流通過, 并產(chǎn)生電樞磁場。 負(fù)載時氣隙磁場由主磁場和電樞磁場共同作用 電樞磁場會對主磁場產(chǎn)生一定的影響，這一影響稱為電樞反應(yīng)。 電樞反應(yīng)會使得每極磁通發(fā)生變化，也會使氣隙磁場發(fā)生畸變，從而影響電機的性能。 一、電樞磁勢的分布 1. 電樞磁勢的分布與電樞電流的分布有關(guān)。 2. 電樞電流的方向由電刷來界定。圖中電刷以上電流為流入紙里，電刷以下為流出紙面。 3. 這樣的電流分布所產(chǎn)的磁力線如圖所示。（右手定則） 4. 可見，電樞磁勢的軸

17、線總是與和電刷接觸的導(dǎo)體的連線重合。或者說電刷位置決定了電樞磁勢的軸線。 5. 當(dāng)電刷與處于幾何中性線上的導(dǎo)體相接觸時，電樞磁勢的軸線在交軸方向。并把這一磁勢稱為交軸電樞反應(yīng)磁勢。 6. 設(shè)直軸線與電樞外圓的交點為0點，在距0點為x處作一閉合磁力線回路。該閉路包圍的電流數(shù)即為總磁勢Fa。 7. 電樞表面單位長度上的安培導(dǎo)體數(shù)稱為電機的線負(fù)荷A , A=Nia/(Da)。 8. x處閉路上的總磁勢Fa(x)=A*2x,忽略鐵心磁阻，則每個氣隙消耗的磁勢為 Fa(x)=Ax (-t/2 x U，在電動機中UEa。 同樣，直流發(fā)電機和電動機中均存在電磁轉(zhuǎn)矩。其公式T=CTIa表明電磁轉(zhuǎn)矩的大小正比于

18、電樞電流和每極磁通。在發(fā)電機中，電磁轉(zhuǎn)矩是阻力轉(zhuǎn)矩，在電動機中電磁轉(zhuǎn)矩是拖動轉(zhuǎn)矩。 直流電機的電勢平衡方程反映了電機電路中各種量之間的關(guān)系。功率平衡方程表明了輸入功率、輸出功率和各種損耗之間的關(guān)系。電磁功率PM=T=EaIa顯示了機械功率和電磁功率之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。 第 3 章 直流發(fā)電機 1. 本章介紹直流發(fā)電機(DC Generater)的特性。 2. 發(fā)電機的轉(zhuǎn)速由原動機決定，一般需要轉(zhuǎn)速恒定。 3. 除轉(zhuǎn)速n外，發(fā)電機的外部可測量出3個電量，即端電壓U、負(fù)載電流I、 4. 勵磁電流 If 。 5. 當(dāng)發(fā)電機正常穩(wěn)態(tài)運行時，3個物理量中1個保持不變，另外2個之間的關(guān)系稱為直流發(fā)電機的特性。

19、 6. 不同勵磁方式之發(fā)電機的運行特性有所不同，本章將分別討論之。 3-1 他勵直流發(fā)電機的特性一、開路特性 U0 = f ( If )1. 定義：當(dāng)n =常數(shù)，I=0時, 改變勵磁電流，電樞端電壓U0 隨勵磁電流If變化的關(guān)系。 2. U0=Ea-IaRa-2Us=Ea=Cen 3. If=Ff / N 4. 結(jié)論：經(jīng)過一定比例轉(zhuǎn)換后，開路特性U0=f(If)曲線與電機的磁化曲線(Magnetization curve) =f(Ff)形狀完全相同。 一般電機的工作點位于開路特性上曲線開始彎曲的膝點附近。據(jù)此可以判斷電機的飽和程度。其飽和系數(shù)Kc=ac/cb 二、外特性 U=f(I) 1. 定

20、義：當(dāng)n=nN，Rf=RfN時, 改變負(fù)載，端電壓U隨負(fù)載電流 I 變化的關(guān)系。 2. n=nN，U=UN，I=IN時的勵磁電流稱為額定勵磁電流，對應(yīng)的勵磁電阻即RfN。 3. U=Ea-IaRa-2Us=（Cen-2Us）-IaRa 4. 負(fù)載電流增加時，電阻壓降增大、電樞磁勢的去磁效應(yīng)增大，使得曲線下降。 5. 結(jié)論：外特性U=f(I)曲線是略微下降的曲線。 1. 電壓調(diào)整率：從空載到滿載電壓變化的程度。 2. U= (U0-UN) / UN（100%） 3. 一般他勵直流發(fā)電機 4. U=510）%。 3-2 并勵直流發(fā)電機的特性一、建壓過程及建壓條件 自勵：勵磁繞阻并接于電樞繞組兩端，

21、由發(fā)電機本身的端電壓提供勵磁，而發(fā)電機的端電壓又必須在有了勵磁電流后才能產(chǎn)生，所以并勵發(fā)電機由初始的U=0到正常運行時U為一定值，有一個自己建立電壓的過程(自勵過程). 電機的主磁極通?？傆惺４糯嬖?。 原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割剩磁場，產(chǎn)生一個不大的剩磁感應(yīng)電勢。 這一電勢加到勵磁繞組將產(chǎn)生一個不大的勵磁電流。 該勵磁電流產(chǎn)生的磁勢如果與剩磁同方向，將相互加強，會建立起穩(wěn)定電壓。 該勵磁電流產(chǎn)生的磁勢如果和剩磁反方向，將相互減弱，將無法建立穩(wěn)定電壓。 可見勵磁繞組的接線對建立電壓很重要。 1. 穩(wěn)定點：由動態(tài)方程可知，當(dāng) 2. u0(if)-Rfif = 0時，勵磁電流和電壓將達到穩(wěn)定值

22、。 3. 建壓臨界電阻：場阻線與空載特性相切時對應(yīng)的勵磁回路電阻。 4. 建壓條件： a.電機中要有剩磁； b.勵磁繞組與電樞繞組并接正確； c.勵磁回路總電阻應(yīng)小于建壓時臨界電阻。 二、開路特性 U0=f(If) 1. 并勵發(fā)電機的勵磁電流很小，只占額定電流的（13）%。 2. 這樣微小的電流在電樞繞組中引起的電壓降和電樞反應(yīng)的影響很小，可以忽略不計。所以并勵發(fā)電機的開路電壓也就是電樞中的感應(yīng)電勢。 U0 = Ea-IfRa-2Us Ea 3. 并勵發(fā)電機的開路特性曲線與他勵時相同，一般試驗時接成他勵方式即可。 三、外特性 U=f(I)1. U=Ea-Ra(I+If)-2Us =(Cen-R

23、aIf-2Us)-RaI 2. 有三個原因引起端電壓隨負(fù)載電流增加而下降： 電阻Ra上的壓降； 電樞反應(yīng)的去磁作用； 以上2因素引起勵磁電流的進一步減少。從而導(dǎo)致端電壓再下降。一般 U=（1030）%。 3-3 復(fù)勵直流發(fā)電機的特性 復(fù)勵發(fā)電機同時有兩種勵磁繞組即串勵和并勵繞組。 如果串勵與并勵繞組的磁勢方向相同，則稱為加復(fù)勵（或叫積復(fù)勵），反之為差復(fù)勵（或叫減復(fù)勵）。 一般來說，并勵繞組起主導(dǎo)作用，串勵繞組起調(diào)節(jié)性能的作用。 一、開路特性 U0=f(If)開路時串勵繞組不起作用，則其開路特性同并勵發(fā)電機的開路特性。 二、外特性 U=f(I)1. 負(fù)載運行時，串勵繞組產(chǎn)生磁勢，這個磁勢將影響主

24、磁通的大小和電機性能。 2. 對加復(fù)勵發(fā)電機來說串勵磁勢起增磁作用即升壓作用，而電阻壓降和電樞反應(yīng)的去磁作用起降壓作用，二者的相對影響力會決定發(fā)電機的外特性。 3. 如果串勵繞組作用較大，即在額定電流時端電壓超過額定電壓，則為過復(fù)勵。 4. 如果串勵繞組的作用不足，即在額定電流時端電壓小于額定電壓，則為欠復(fù)勵。 如果串勵繞組的作用適當(dāng)，即在額定電流時端電壓等于額定電壓則為平復(fù)勵。 差復(fù)勵發(fā)電機的串勵繞組為一個去磁磁勢，負(fù)載增大時端電壓迅速下降。 本 章 小 結(jié) 主要分析了他勵、并勵、復(fù)勵式直流發(fā)電機空載特性、外特性。 著重討論了并勵直流發(fā)電機的電壓建立條件，他勵和并勵式直流發(fā)電機的外特性曲線隨

25、負(fù)載 電流增加而下降的原因及其區(qū)別。 重點是： 1并勵直流發(fā)電機的建壓條件；2并勵式直流發(fā)電機負(fù)載時電壓隨電流增加而下降的原因。 第 4 章 直流電動機本章概述： 本章介紹直流電動機(DC Motor)的啟動、調(diào)速和制動方面的知識。同時涉及到直流電動機的機械特性。 4-1 直流電動機的啟動 一、啟動過程及其要求 電動機接到規(guī)定電源后，轉(zhuǎn)速從0上升到穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為啟動(starting)過程。 合閘瞬間的啟動電流很大可達 (1020)IN n=0, Ea= Ce n = 0 ， Ia=( U-Ea ) / Ra= U/Ra 這樣大的啟動電流會引起電機換向困難，并使供電線路產(chǎn)生很大的壓降。因此

26、必須采取適當(dāng)?shù)拇胧┫拗茊与娏鳌?對啟動的要求： （1）最初啟動電流Ist要小；（2）最初啟動轉(zhuǎn)矩Tst要大；（3）啟動設(shè)備要簡單和可靠。 二、直流電動機的啟動方法a.電樞回路串電阻啟動 1. 最初啟動電流：Ist =U / ( Ra+Rst ) 2. 最初啟動轉(zhuǎn)矩：Tst=CT Ist 3. 為了在限定的電流Ist下獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩Tst，應(yīng)該使磁通盡可能大些，因此啟動時串聯(lián)在勵磁回路的電阻應(yīng)全部切除。 4. 有了一定的轉(zhuǎn)速n后，電勢Ea不再為0，電流Ist會逐步減小，轉(zhuǎn)矩Tst也會逐步減小。 5. 為了在啟動過程中始終保持足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，一般將啟動器設(shè)計為多級，隨著轉(zhuǎn)速n 的增大，串在

27、電樞回路的啟動電阻Rst逐級切除，進入穩(wěn)態(tài)后全部切除。 6. 啟動電阻Rst一般設(shè)計為短時運行方式，不容許長時間通過較大的電流。 b、他勵電動機降壓啟動 1. 對于他勵直流電動機，可以采用專門設(shè)備降低電樞回路的電壓以減小啟動電流。 2. 串勵與復(fù)勵電動機啟動方法基本上與并勵電動機相同，即采用電樞回路串電阻的方法減小啟動電流。 3. 串勵電動機絕對不允許空載啟動。（詳述見后） 4. 串電阻啟動設(shè)備簡單，投資小，但啟動電阻上要消耗能量；電樞降壓啟動設(shè)備投資較大，但啟動過程節(jié)能。 4-2 他勵直流電動機工作特性工作特性：U=UN，If=IfN，電樞回路不串電阻的情況下，負(fù)載P2變化時，電機的轉(zhuǎn)速n、

28、轉(zhuǎn)矩T、效率分別隨輸出功率P2變化的關(guān)系曲線。 一、轉(zhuǎn)速特性 n=f(P2)U = Ce n+IaRa+2Us n=(U-2Us-IaRa) / (Ce) 1. 影響轉(zhuǎn)速n的因素有二：1）電流Ia增大時電樞電阻壓將IaRa也增大，使轉(zhuǎn)速趨于下降；2）電流增大時，電樞反應(yīng)的去磁作用使得磁通下降，使轉(zhuǎn)速趨于上升。 2. 一般電阻壓降的影響較大，所以隨著電流的增大，電動機轉(zhuǎn)速降低。由于電阻Ra的值很小，所以轉(zhuǎn)速下降比較平緩。電流增大，電壓恒定時意味著P2增大，所以n=f(P2)是一條較平的下降曲線（硬特性）。 二、轉(zhuǎn)矩特性T = f (P2) T=T2+T0=P2/(2n/60) + T0 他勵直流

29、電動機在負(fù)載變化時，轉(zhuǎn)速變化很小，可以近似認(rèn)為T0=常數(shù)。 如果不考慮轉(zhuǎn)速的變化，則T=f (P2)為一條直線，考慮到轉(zhuǎn)速略有下降，所以T=f (P2)為一條略微上翹的曲線。 三、效率特性 = f (P2) 可以根據(jù)本教材2.3.2小節(jié)介紹的方法計算。 4-3 他勵直流電動機機械特性 機械特性：n=f(T)是指U=UN，If=IfN時，改變負(fù)載的過程中，轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩T變化的函數(shù)關(guān)系 一、機械特性方程式 n=f(T) 用電樞回路總電阻考慮電刷接觸壓降。 n=U-(Ra+Rp)Ia/(Ce)Ia=T/(CT)n=U/(Ce)-(Ra+Rp)/(CeCT2)T = n0L-kT 其中，n0=U/

30、(Ce)為理想空載轉(zhuǎn)速，而k=(Ra+Rp)/(CeCT2)為機械特性的斜率。 二、固有機械特性 n=f(T) 改變?nèi)齻€量U、Rp 中任意一個，可以改變機械特性曲線形狀。 U=UN, =N, Rp=0時的機械特性稱為固有機械特性。其方程為 n = U / (CeN) - RaT/(CeCTN2) 由于Ra很小，轉(zhuǎn)矩T增大時，n下降很小，他勵電動機的固有機械特性是一條比較平的下降曲線。（即屬硬特性） 二、人為（人工）機械特性 n=f(T) 改變?nèi)齻€量U、Rp之一而其他量不變時可以得到人為機械特性。 圖1圖21）電樞回路串電阻時的人為機械特性，圖1所示 n=U/(CeN)-（Ra+Rp)T/(Ce

31、CTN2)對應(yīng)于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲線2）改變電樞電壓的人為機械特性,圖2所示n = U / (CeN) -RaT/(CeCTN2)斜率不變，理想空載轉(zhuǎn)速n0l不同的一簇平行線。(UT0，故在拖動分析時忽略T0。 同軸相連時，電動機與負(fù)載的轉(zhuǎn)速始終相等。 當(dāng)電動機的轉(zhuǎn)矩T T2時，系統(tǒng)加速；反之，系統(tǒng)減速。T=T2時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定。也就是說在電動機的機械特性與負(fù)載的機械特性的交點處轉(zhuǎn)速將不變。 轉(zhuǎn)速不變并不意味著電動機在該點就能穩(wěn)定運行。 判斷工作點是否穩(wěn)定的方法為： 給該點施加干擾，使轉(zhuǎn)速變化，然后取消干擾，如果轉(zhuǎn)速能恢復(fù)，則該點為穩(wěn)定點，反之為不穩(wěn)定點 圖中分別給出了穩(wěn)定點與

32、不穩(wěn)定點的實例。 穩(wěn)定運行的條件為: (1)電動機與負(fù)載兩條機械特性有交點； (2)交點處應(yīng)符合 dTz/dn dT/dn 。4-8 他勵直流電動機調(diào)速方法1. 拖動一定的負(fù)載運行，其轉(zhuǎn)速由工作點決定。如果調(diào)節(jié)某些參數(shù)，則可以改變轉(zhuǎn)速。 n = U / (Ce) - (Ra+Rp) / (CeCT2)T = n0L - kT 2. 直流電動機的調(diào)速方法有三種: (1)改變電樞回路外串電阻Rtj； (2)改變勵磁回路外串電阻Rf即改變磁通； (3)改變電樞電壓U。 3. 三種調(diào)速方法實質(zhì)上都是改變了電動機的機械特性曲線形狀，使之與負(fù)載機械特性曲線的交點改變，以達到調(diào)速的目的。 一、改變電樞電壓調(diào)

33、速（設(shè)TZ為常數(shù)） 降低電樞電壓時，電動機機械特性平行下移。負(fù)載不變時，交點也下移，速度也隨之改變。 優(yōu)點：調(diào)速后，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性不變、無級、平滑、損耗小。便于計算機控制。 缺點：需要專門設(shè)備，成本較高。（可控硅調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)）二、改變勵磁電流調(diào)速(調(diào)節(jié)勵磁電阻) （設(shè)TZ為常數(shù)） 增大勵磁電阻即減少勵磁電流時，磁通減少，電動機機械特性n0L點和斜率增大。負(fù)載不變時，交點也下移，速度也隨之改變。 優(yōu)點：勵磁回路電流小約為(13)% IN , 損耗小，連續(xù)調(diào)速，易控制。 缺點：只能上調(diào)，最高轉(zhuǎn)速受機械強度的限制，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大時調(diào)速范圍小。三、電樞回路串入調(diào)節(jié)電阻調(diào)速 調(diào)節(jié)電阻Rp增大時，電動機機械特性的

34、斜率增大，與負(fù)載機械特性的交點也會改變，達到調(diào)速目的。 優(yōu)點：設(shè)備簡單、操作方便。 缺點：只能在低于固有機械特性的范圍內(nèi)調(diào)速，低轉(zhuǎn)速時變化率較大，電樞電流較大，調(diào)速過程中有損耗。四、改變電動機轉(zhuǎn)向的方法 要改變電動機轉(zhuǎn)向，就必須改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。 T = CT Ia 根據(jù)電動機的工作原理，單獨改變磁通方向（即通過改變勵磁繞組連接）或者單獨改變電樞電流的方向，均可以改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。 故改變轉(zhuǎn)向的方法： (1)對于并勵電動機，單獨將勵磁繞組引出端對調(diào)。 (2)單獨將電樞繞組引出端對調(diào)。對于復(fù)勵電動機，應(yīng)將電樞引出端對調(diào)或者同時將并勵繞組和串勵繞組引出段分別對調(diào)（維持加復(fù)勵狀態(tài)）。4-9 直流

35、電動機的制動（Retardation） 制動問題：在生產(chǎn)過程中，經(jīng)常需要采取一些措施使電動機盡快停轉(zhuǎn)，或者從某高速降到某低速運轉(zhuǎn)，或者限制位能性負(fù)載在某一轉(zhuǎn)速下穩(wěn)定運轉(zhuǎn)，這就是電動機的制動問題。 實現(xiàn)制動有兩種方法，機械制動和電磁制動。電磁制動是使電機在制動時使電機產(chǎn)生與其旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩,其特點是制動轉(zhuǎn)矩大,操作控制方便。 直流電動機的電磁制動類型有能耗制動、反接制動和回饋制動。 一、能耗制動 （1）能耗制動過程 B-O 電機：他勵； 負(fù)載：反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 閘刀合向電源時，電動機處于正向電動機運行狀態(tài)。 制動時將閘刀合向制動電阻。轉(zhuǎn)子由于慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)電勢Ea方向不變，電流方向改

36、變了，電磁轉(zhuǎn)矩T = CT Ia方向也隨之改變成為制動轉(zhuǎn)矩，使轉(zhuǎn)速迅速下降。 電機處于發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)化為電能消耗在制動電阻上。所以稱為能耗制動。 n=U/(CeN)-（Ra+Rp)T/(CeCTN2) 制動電阻越小，制動開始時產(chǎn)生的制動轉(zhuǎn)矩就越大。 高速時能耗制動作用較大，低速時應(yīng)配合機械制動裝置使系統(tǒng)停掉。 （2）能耗制動運行O-C 電機：他勵；負(fù)載：勢能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載 采用能耗制動時，工作點從ABO,BO是能耗制動過程，到了O點后，如不采取其他制動措施，則系統(tǒng)會在負(fù)載轉(zhuǎn)矩的作用下反轉(zhuǎn)，工作點沿著能耗制動曲線到達C后才穩(wěn)定運行。在C點，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，與轉(zhuǎn)速方向相反是制動轉(zhuǎn)矩。在C點的運行

37、方式稱為能耗制動運行。 二、反接制動 (1)電壓反接制動 他勵電動機拖動反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行。 通過反接閘刀把電源突然反接，同時在電樞支路串入限流電阻R 。 n= -UN / (CeN ）（Ra+R)T / (CeCTN2) 如圖所示，工作點ABC,在C點時，n=0。這時應(yīng)將電源切掉。在BC的過程中轉(zhuǎn)速為正，電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，起制動作用。如果在C點時，電動機的轉(zhuǎn)矩大于負(fù)載轉(zhuǎn)矩(絕對值)而沒有切除電源，則電動機在電磁轉(zhuǎn)矩作用下將反向起動，作為反轉(zhuǎn)的電動機運行。如圖中的D點。 對于頻繁正反轉(zhuǎn)的電力拖動系統(tǒng)，常采用這種先反接制動停車，再反向起動的運行方式，達到迅速制動并反轉(zhuǎn)的目的。對于要求準(zhǔn)確停車的系統(tǒng)

38、，采用能耗制動較為方便。 (2)電勢反接制動（倒拉反轉(zhuǎn)運行） 他勵電動機拖動位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行。電樞支路突然傳入較大的電阻，則工作點ABCD，D點位于第iv象限，轉(zhuǎn)速為負(fù)，電磁轉(zhuǎn)矩為正，屬于制動運行。在C點后，負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速反向，感應(yīng)電勢也反向，所以稱為電勢反接制動。 這種運行方式通常用在起重設(shè)備低速下放物體的場合。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩起制動作用，限制了重物的下放速度。 三、回饋制動 (1)正向回饋制動 他勵直流電動機通過降低電壓來減速時，若電壓下降幅度較大，會使得工作點經(jīng)過第II象限，如圖中的BC段，轉(zhuǎn)速為正而電磁轉(zhuǎn)矩為負(fù)，電動機運行于制動狀態(tài)。在這一過程中，由于電源電壓下降，使得

39、EaU,電流方向改變，電能從電動機回饋到電源。 在電力機車下坡時，由于重力作用使得電動機轉(zhuǎn)速高于原來的空載轉(zhuǎn)速，Ea增大，超過U以后，電流也會反向，進入正向回饋制動狀態(tài)。 (2)反向回饋制動 他勵電動機拖動勢能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運行。 反接電源電壓并給電樞支路串入限流電阻。工作點將會穩(wěn)定在第iv象限。在D點，電動機的轉(zhuǎn)速高于理想空載轉(zhuǎn)速，EaU，電流流向電源，屬于反向回饋制動。 反向回饋制動常用于高速下放重物時限制電機轉(zhuǎn)速。 4-10 直流電機的換向 旋轉(zhuǎn)著的電樞某元件從一個支路轉(zhuǎn)換到另外一個支路時，元件中的電流變化的過渡過程稱為換向過程。 一、換向過程分析 電刷是支路的分界線；我們研究電刷與1、2

40、片換向片分別和同時接觸時的情況。 換向剛開始時，元件仍屬于右邊支路，其電流為+ia（右左）；處于換向過程中時，元件被電刷短路，電流大小和方向處于變化的過程中；換向結(jié)束時，元件進入左邊支路，其電流已經(jīng)由+ia變?yōu)?ia（左右）。一個元件的電流換向過程所需的時間就稱為換向周期Th，即一個換向片通過電刷所用的時間。換向元件的電流從+ia變到-ia所用的時間即為一個換向周期。Th=0.52ms換向問題十分復(fù)雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當(dāng)火花大到一定程度時可能損壞換向器表面，從而使電機不能正常工作。 產(chǎn)生火花的原因除電磁原因外，還有電化學(xué)、工藝、電熱等因素，至今尚無很成熟的理論。二、換向元

41、件中的電勢1電抗電勢 ex 一般, 換向周期非常短暫,電流的變化會在繞組元件中產(chǎn)生自感和互感電勢,兩者的合成電勢稱為電抗電勢,用ex表示。 根據(jù)楞次定理，電抗電勢的性質(zhì)總是阻礙線圈中電流的變化,亦即ex的方向企圖與換向前的電流方向相同。或者說電抗電勢是阻礙換向的。 電抗電勢大小反比于換向周期。 2電樞反應(yīng)電勢 ea 換向元件切割電樞反應(yīng)磁場，從而產(chǎn)生了電樞反應(yīng)電勢。其方向與ex相同，即其性質(zhì)也是阻礙換向的。其大小為:Ea=2Wy Ba l va3換向極電勢 eK 換向極電勢是由于換向元件切割換向磁極感應(yīng)的電勢，換向磁極是為改善換向而設(shè)置的。其方向企圖與換向后的電流方向相同，或者說換向極電勢是幫

42、助換向的。 三、影響換向的因素 電磁因素：電抗電勢和切割電勢阻礙換向.機械、化學(xué)、材料等原因 機械方面的原因如：換向器偏心、片間絕緣凸出、某個換向片凸出、電刷與換向器表面接觸不好等等；化學(xué)方面：高空缺氧、缺水、某些化工廠的電機，都可能破壞換向器表面的氧化亞銅薄膜而產(chǎn)生火花。 四、改善換向的方法 1.裝換向極：在換向元件處產(chǎn)生一個磁勢以抵消該處的電樞反應(yīng)磁勢。再產(chǎn)生一個磁密，換向元件切割該磁密時產(chǎn)生一個能抵消電抗電勢的電勢。換向極繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)。 換向磁極的極性判斷原則：對直流發(fā)電機是：順轉(zhuǎn)向看與主極極性相同；對直流電動機是：逆轉(zhuǎn)向看與主極極性相同。 2.裝補償繞組：裝置在磁極表面的槽內(nèi)，

43、產(chǎn)生抵消電樞反應(yīng)的磁勢，與電樞繞組串聯(lián)。 3.移動電刷位置：對于未裝換向極的小型串勵直流電機，把電刷從幾何中性線（與處于幾何中性線處的導(dǎo)體接觸）移動一個適當(dāng)?shù)男〗嵌?，使得換向元件產(chǎn)生的感應(yīng)電勢與換向后的電流方向相同。但是電刷移動后，會產(chǎn)生直軸去磁電樞反應(yīng)，導(dǎo)致電壓有些降低、轉(zhuǎn)速稍有升高，可能引起運行不穩(wěn)定，故此方法旨在小容量電機中采用。 判斷電刷移動的方向： 對直流發(fā)電機是順轉(zhuǎn)向移動一個小角度； 對直流電動機是逆轉(zhuǎn)向移動一個小角度。 第 5 章 變壓器的結(jié)構(gòu)、原理和額定值5-1 變壓器的用途和工作原理 變壓器(Transformer)是一種靜止電機，它可以將一種電壓形式的電能轉(zhuǎn)換為另一種電壓形式的電能。 一、變壓器分類及用途 電力變壓器：電力系統(tǒng)中傳輸和分配電能用的變壓器等。 問題5-1 遠距離輸電為什么必須采用高壓輸電？ 電爐變壓器(專用)， 給電爐(如煉鋼爐)供電。電焊變壓器(專用)，給電焊機供電。 整流變壓器(專用)： 給直流電力機車供電。實驗變壓器(互感器)。 儀用