電機學電子講稿2010-3直流電機

1、第三章第三章 直流電機直流電機二二一一年年電機學課程講稿電機學課程講稿 胡雪松3.1 直流電機概述3.2 直流電樞繞組3.3 直流電機的磁場3.4 感應電勢和電磁轉矩3.5 直流發(fā)電機3.6 直流電動機3.7 電動機的起動、調速和制動第三章 直流電機3.1.1 工作原理3.1.2 基本結構3.1.3 勵磁方式3.1.4 額定值3.1 直流電機概述3.1.1.1 直流發(fā)電機工作原理3.1.1.2 直流電動機工作原理3.1.1.3 減小脈動的方法3.1.1 工作原理3.1.1.1 直流發(fā)電機工作原理磁場中旋轉線圈的感應電動勢1/23.1.1.1 直流發(fā)電機工作原理2/2直流發(fā)電機模型及其電刷電動勢

2、3.1.1.2 直流電動機工作原理直流電動機模型及其電磁轉矩3.1.1.3 減小脈動的方法增加電刷之間串聯(lián)的線圈數可減小感應電動勢和電磁轉矩的脈動。當每極下線圈數大于8時，脈動可小于1%。3.1.2 基本結構直流電機解剖模型3.1.3 勵磁方式直流電機按勵磁方式分類他勵式自勵式直流發(fā)電機并勵式串勵式復勵式直流電動機他勵、并勵、串勵、復勵1/63.1.3 勵磁方式他勵式2/6Ia = = IIf 與 Ia 無關3.1.3 勵磁方式并勵式3/6發(fā)電機Ia = = I + If電動機I = = Ia + If3.1.3 勵磁方式串勵式4/6Ia = = Is = I3.1.3 勵磁方式復勵式5/6發(fā)

3、電機Ia = = I + IfIs = = I電動機I = = Ia + IfIs = = I3.1.3 勵磁方式短復勵與長復勵6/6短復勵發(fā)電機Ia = = I + IfIs = = I長復勵發(fā)電機Ia = = I + IfIs = = Ia3.1.4 額定值銘牌數據1/2額定功率 PN ，W 或 kW額定電壓 UN ，V額定電流 IN ，A額定轉速 nN ，r/min額定勵磁電壓 UfN ，V （他勵）額定效率N 勵磁方式、定額、絕緣等級3.1.4 額定值基本關系2/2發(fā)電機NNNIUP 電動機NNNNIUP3.2 直流電樞繞組3.2.1 概述3.2.2 電樞繞組的一般知識3.2.3 單疊

4、繞組3.2.4 單波繞組3.2.1 直流電樞繞組概述電樞繞組的作用1/2電樞繞組是直流電機的核心部分。當電樞在磁場中旋轉時，電樞繞組中會產生感應電動勢。電動勢與電流相互作用，吸收或釋放電磁功率。當電樞繞組中有電流時，會產生電樞磁動勢，它與氣隙磁場作用，又產生電磁轉矩。電磁轉矩與轉速相互作用，釋放或吸收機械功率。3.2.1 直流電樞繞組概述直流電樞繞組的分類2/2單疊繞組單波繞組復疊繞組復波繞組混合繞組（蛙繞組）主要區(qū)別：從電刷外看進去，電樞繞組聯(lián)結成了不同數目的并聯(lián)支路數，以滿足不同額定電壓和電流的要求。3.2.2 電樞繞組的一般知識1/21)元件（線圈）2)元件邊、（前/后）端接3)上、下元

5、件邊4)引出線（首端、尾端）5)元件數 S、槽數 Q、換向片數 K6)虛槽、虛槽數Qu = uQ7) S = K = Qu3.2.2 電樞繞組的一般知識2/26)極對數 p7)極距= Qu/2p 或 =Da/2p 8)第一節(jié)距 y1=11)第二節(jié)距 y212)合成節(jié)距 y = y1 + y213)換向器節(jié)距 yc = y14)左行、右行繞組3.2.3 單疊繞組聯(lián)結方式1/4右行繞組 yc = 1左行繞組 yc = -13.2.3 單疊繞組繞組展開圖2/43.2.3 單疊繞組電刷的布置與聯(lián)結3/43.2.3 單疊繞組單疊繞組的特點4/4y2 0yc = y = (K1)/p電刷應放在幾何中性線上

6、2 a = = 2電刷組數僅需2組3.3 直流電機的磁場3.3.1 空載磁場3.3.2 電樞反應3.3.1 直流電機的空載磁場磁密分布規(guī)律3.3.2.1 電刷在幾何中性線3.3.2.2 電刷不在幾何中性線3.3.2 電樞反應直流電機電樞繞組中有負載電流時，電樞磁動勢對主極磁場的影響稱為電樞反應3.3.2.1 電刷在幾何中性線磁動勢和磁密波形1/2BOFaxGMSN3.3.2.1 電刷在幾何中性線電樞反應特點2/2交軸電樞反應；交軸磁動勢 Faq = (A) / 2使氣隙磁場發(fā)生畸變（相對于空載時），半個極內的磁場被削弱，另半個極內的磁場被增強。物理中性線與幾何中性線不再重合，前者沿著電樞轉向超

7、于后者一個不大的角度。對發(fā)電機，0；對電動機，0。不考慮飽和時，交軸電樞反應既不去磁也不增磁；考慮飽和時有一定的去磁作用。3.3.2.2 電刷不在幾何中性線磁動勢波形1/23.3.2.2 電刷不在幾何中性線電樞反應特點2/2電樞磁動勢包含交軸分量Faq = A(/2 -b)和直軸分量Fad = Ab ， b /2 。對直流發(fā)電機，電刷順著轉向移動后，直軸電樞反應起去磁作用。對直流電動機，電刷順著轉向移動后，直軸電樞反應起助磁作用。電樞反應性質為“交磁兼去磁”或“交磁兼增磁”。3.4 感應電動勢和電磁轉矩3.4.1 基本假設3.4.2 感應電動勢3.4.3 電磁轉矩3.4.1 基本假設不考慮齒、

8、槽的影響電樞繞組導體數目極多，且在電樞表面連續(xù)均勻分布電樞繞組為整距繞組電刷位于幾何中性線上3.4.2 感應電動勢計算公式nCEeaapZCae603.4.3 電磁轉矩計算公式aTemICTeaTCapZC3023.5.1 直流發(fā)電機的基本方程3.5.2 他勵發(fā)電機的運行特性3.5.3 并勵發(fā)電機的特點3.5.4 復勵發(fā)電機的特點3.5 直流發(fā)電機3.5.1 直流發(fā)電機的基本方程正方向規(guī)定發(fā)電機慣例1/8電動機慣例3.5.1 直流發(fā)電機的基本方程電壓平衡方程式2/8Ra的組成電樞回路所有繞組（電樞繞組、串勵繞組、換向極繞組）的電阻之和電刷接觸電阻電樞回路外串電阻aaaRIUE3.5.1 直流發(fā)

9、電機的基本方程不同勵磁方式下的電流關系3/8他勵 Ia與If 無關并勵 Ia = I + If串勵 Ia = I = If短復勵 Ia = I + If Is = I長復勵 Ia = I + If Is = Ia3.5.1 直流發(fā)電機的基本方程電磁功率4/8一方面代表電動勢為 Ea 的電源流出電流 Ia 時，所輸出的電功率；另一方面代表制動轉矩為 Tem 的轉子，被外力強迫以角速度旋轉時，所消耗的機械功率。emaaemTIEP3.5.1 直流發(fā)電機的基本方程功率平衡方程5/8CufCuaemppPP2pppPPFeem13.5.1 直流發(fā)電機的基本方程損耗6/8CufCuaCuppp可變損耗p

10、pppFe0不變損耗3.5.1 直流發(fā)電機的基本方程功率流圖7/83.5.1 直流發(fā)電機的基本方程轉矩平衡方程8/801pPPem01pPPem01TTTem3.5.2 他勵發(fā)電機的運行特性空載特性反映磁路性能1/6n = CI = 0U0 = f ( If )O OU0IfUN3.5.2他勵發(fā)電機的運行特性外特性反映輸出電壓質量2/6n = C1If = C2U = f ( I )3.5.2他勵發(fā)電機的運行特性電壓調整率3/6%1000NNUUUU3.5.2他勵發(fā)電機的運行特性調整特性4/6n = C1U = C2If = f ( I )3.5.2他勵發(fā)電機的運行特性損耗與效率5/6損耗Cu

11、ppp0效率%10012pPp3.5.2他勵發(fā)電機的運行特性效率特性6/6 n = nN U = UN= f ( P2 )3.5.3 并勵發(fā)電機的特點自勵過程1/3rU0rIfrU0If U0IfG3.5.3 并勵發(fā)電機的特點自勵條件2/33)勵磁回路總電阻小于相應的臨界電阻1)磁路中有剩磁2)勵磁繞組正確聯(lián)接，以保證勵磁磁場方向與剩磁方向一致IfrUrU0OIf3.5.3 并勵發(fā)電機的特點外特性的特點（與他勵相比）3/3當 I 增加時 U 下降得更快出現“拐彎”現象穩(wěn)態(tài)短路時，短路電流不大3.5.4 復勵發(fā)電機的特點外特性的特點積復勵和差復勵平復勵 U = 0過復勵 U 0INUIUNO3.

12、6.1 直流電動機的基本方程3.6.2 并勵電動機的運行特性3.6.3 串勵電動機的運行特性3.6.4 復勵電動機的特點3.6.5 拖動系統(tǒng)穩(wěn)定性*3.6 直流電動機3.6.1 直流電動機的基本方程正方向規(guī)定電動機慣例1/7發(fā)電機慣例3.6.1 直流電動機的基本方程電壓平衡方程式2/7Ra的組成電樞回路所有繞組（電樞繞組、串勵繞組、換向極繞組）的電阻之和電刷接觸電阻電樞回路外串電阻aaaRIEU3.6.1 直流電動機的基本方程不同勵磁方式下的電流關系3/7他勵 Ia 與 If 無關并勵 I = Ia + If串勵 Ia = I = If短復勵 I = Ia + If Is = I長復勵 I =

13、 Ia + If Is = Ia3.6.1 直流電動機的基本方程功率平衡方程4/7CufCuaemppPP1pppPPFeem23.6.1 直流電動機的基本方程損耗5/7CufCuaCuppp可變損耗ppppFe0不變損耗3.6.1 直流電動機的基本方程功率流圖6/73.6.1 直流電動機的基本方程轉矩平衡方程7/702pPPem02pPPem02TTTem3.6.2.1 工作特性 3.6.2.2 機械特性3.6.2 并勵電動機的運行特性3.6.2.1 并勵電動機的工作特性工作特性的含義1/5U = UN，If = IfN 時，轉速、電磁轉矩以及效率分別與輸出功率之間的關系3.6.2.1 并勵

14、電動機的工作特性轉速特性2/5U = UNIf = IfN n = f ( P2 )eaaCRIUn穩(wěn)定性、突然失磁3.6.2.1 并勵電動機的工作特性轉速調整率3/5%1000NNnnnn3.6.2.1 并勵電動機的工作特性轉矩特性4/5U = UNIf = IfN Tem = f ( P2 )02TTTem3.6.2.1 并勵電動機的工作特性效率特性5/5 U = UN If = IfN = f ( P2 )3.6.2.2 并勵電動機的機械特性機械特性的含義1/6機械特性U = C1， If = C2， R = C3時，轉速與電磁轉矩之間的關系自然機械特性 U = UN， If = If

15、N ， R = Ra人工機械特性U UN ，或者 If If N ，或者 R Ra3.6.2.2 并勵電動機的機械特性機械特性方程2/6理想空載轉速eCUn 0emTeeTCCRCUn23.6.2.2 并勵電動機的機械特性自然特性3/6U = UN If = If N R = Ra3.6.2.2 并勵電動機的機械特性人工特性（一）4/6U = UN If = If N R Ra3.6.2.2 并勵電動機的機械特性人工特性（二）5/6U = UN If If N R = Ra3.6.2.2 并勵電動機的機械特性人工特性（三）6/6U UN If = If N R = Ra3.6.3.1 工作特性

16、 3.6.3.2 機械特性3.6.3 串勵電動機的運行特性3.6.3.1 串勵電動機的工作特性串勵電動機工作特性的含義1/4U = UN 時，轉速、電磁轉矩以及效率分別與輸出功率之間的關系3.6.3.1 串勵電動機的工作特性轉速特性2/4U = UNn = f ( P2 )3.6.3.1 串勵電動機的工作特性轉速公式和調整率3/4轉速公式seaseKCRIKCUn1轉速調整率%1004/1NNnnnnIIIKass3.6.3.1 串勵電動機的工作特性轉矩特性4/4U = UNTem = f ( P2 )02TTTem3.6.3.2 串勵電動機的機械特性串勵電動機機械特性的含義1/5機械特性U

17、= C1， R = C2時，轉速與電磁轉矩之間的關系自然機械特性 U = UN， R = Ra人工機械特性 U UN ，或 R Ra3.6.3.2 串勵電動機的機械特性機械特性方程2/5RKTUKnem21sTeKCCK11seKCK123.6.3.2 串勵電動機的機械特性自然特性3/5U = UNR = Ra3.6.3.2 串勵電動機的機械特性人工特性（一）4/5U = UNR Ra3.6.3.2 串勵電動機的機械特性人工特性（二）5/5U UNR = Ra3.6.4 復勵電動機的特點差復勵易產生不穩(wěn)定現象以并勵為主、串勵為輔，可提高穩(wěn)定性以串勵為主、并勵為輔，可提高機械特性硬度，并可空載（

18、輕載）運行3.6.5 拖動系統(tǒng)穩(wěn)定性*靜態(tài)穩(wěn)定的含義當拖動系統(tǒng)處于某種狀態(tài)穩(wěn)定運行時，因外界的短時干擾使得運行狀態(tài)發(fā)生變化，若干擾消除后系統(tǒng)能恢復到原來的狀態(tài)則稱該系統(tǒng)是穩(wěn)定的；否則稱為不穩(wěn)定。1/53.6.5 拖動系統(tǒng)穩(wěn)定性*靜態(tài)穩(wěn)定示例2/53.6.5 拖動系統(tǒng)穩(wěn)定性*靜態(tài)不穩(wěn)定示例3/53.6.5 拖動系統(tǒng)穩(wěn)定性*靜態(tài)穩(wěn)定性判據dndTdndTLem4/53.6.5 拖動系統(tǒng)穩(wěn)定性*典型負載特性線性TL n泵類TL n2恒轉矩TL與n無關恒功率TL 1/n5/53.7.1 直流電動機的起動3.7.2 直流電動機的調速3.7.3 直流電動機的制動3.7 電動機的起動、調速和制動3.7.1

19、直流電動機的起動起動過程的一般要求1/4起動轉矩大起動電流盡量小能量消耗小設備簡單，操作簡便3.7.1 直流電動機的起動直接起動2/4特點起動電流倍數很大，僅適用于小容量電機dtdiLRieUaaaa起動過程電路方程astRUI起動瞬間沖擊電流3.7.1 直流電動機的起動電樞回路串電阻起動3/4stastRRUI起動電流3.7.1 直流電動機的起動降壓起動4/43.7.2.1 調速的一般要求3.7.2.2 改變電樞回路電阻調速3.7.2.3 改變氣隙磁通調速3.7.2.4 改變端電壓調速3.7.2 直流電動機的調速3.7.2.1 調速的一般要求調速范圍調速精度調速過程的平滑性經濟性（設備投資與運行費用）易操作性和可靠性3.7.2.2 改變電樞回路電阻調速調速過程1/23.7.2.2 改變電樞回路電阻調速調速特點轉速只能下調若電阻可連續(xù)變化則能平滑調速負載小時調速范圍小調速效率低大容量電機一般不用此方法2/23.7.2.3 改變氣隙磁通調速調速過程1/23.7.