CH21 直流電機的運行原理課件

1、第二十一章 直流電機的運行原理 1第一節(jié)直流電機空載運行磁場第二節(jié)直流電機負載運行時電樞磁場第三節(jié) 直流電機的電樞反應(yīng)第四節(jié) 電樞繞組的感應(yīng)電動勢和直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩第五節(jié) 穩(wěn)態(tài)運行時直流電機的基本方程式本章主要內(nèi)容2第一節(jié) 直流電機空載運行磁場 空載：電機對外無功率輸出、不帶負載的狀態(tài)?？蛰d時，勵磁繞組通直流電流，忽略電樞電流，電機氣隙磁場由勵磁繞組直流電流產(chǎn)生的磁動勢決定。 3 圖21-1 直流電機主磁極磁路 4磁通與磁動勢 勵磁繞組通電流，形成N、S交替分布的主磁極。絕大部分磁通經(jīng)主磁極（N極）、氣隙、電樞齒、電樞鐵心、電樞齒、氣隙、另一主磁極（S極）、定子磁軛回到主磁極（N極），形成閉

2、合通路，同時交鏈勵磁繞組和電樞繞組，稱主磁通0。主磁通隨電樞旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，參與機電能量轉(zhuǎn)換，是工作磁通。 直流電機空載運行磁場 5設(shè)產(chǎn)生主磁通的每對極的勵磁磁動勢為Ff，由全電流定律有 Nf為勵磁繞組匝數(shù)。磁通與磁動勢 直流電機空載運行磁場 7主磁場的分布 不考慮電樞表面齒槽效應(yīng)，假設(shè)電樞表面光滑，氣隙磁動勢為F，x處的氣隙長度為（x），空載時的磁密用函數(shù)B0(x)表示，根據(jù)磁路定律有 直流電機空載運行磁場 8圖21-2 不計電樞齒槽影響的主磁場磁密分部曲線 直流電機空載運行磁場 10第二節(jié) 直流電機負載運行時電樞磁場 直流電機空載運行時，氣隙中僅有主極磁場。負載運行時，電樞繞

3、組中有電流流過，就會產(chǎn)生電樞磁動勢，建立電樞磁場。主磁動勢和電樞磁動勢共同作用建立負載時的氣隙磁場。11圖21-4 主磁場的分布 12電刷在幾何中性線上的電樞磁動勢 電刷位于幾何中性線，電樞磁動勢軸線與電刷軸線重合。與主極軸線正交的軸為交軸，與主極軸線重合的軸稱為直軸。電刷位于幾何中性線上時，電樞磁動勢為交軸電樞磁動勢。14圖21-5 電刷在幾何中性線的電樞磁動勢 15電刷不在幾何中性線上電樞磁動勢 電刷不在幾何中性線，移過一角度，則電樞磁動勢除了交軸磁動勢外，還會產(chǎn)生直軸電樞磁動勢。因電樞磁動勢的軸線總是與電刷軸線相重合，故電樞磁動勢軸線也移動角度。17圖21-7 電刷不在幾何中性線上電樞磁

4、勢 在角度2范圍以外的導(dǎo)體所產(chǎn)生的磁動勢作用在交軸，為交軸電樞Faq。18 電刷在幾何中性線上，只有交軸電樞磁動勢Faq。電刷不在幾何中性線上，除了交軸電樞磁動勢Faq外，還有直軸電樞磁動勢Fad。19第三節(jié) 直流電機的電樞反應(yīng) 當(dāng)電機帶負載后，電樞繞組流過電流，產(chǎn)生電樞磁勢。電樞磁勢對主磁極磁場有影響，故對電機運行性能也產(chǎn)生影響。把電樞磁勢對勵磁磁勢產(chǎn)生的影響稱為電樞反應(yīng)。20電刷在幾何中性線上的電樞反應(yīng) 對同一臺直流電機，若主磁極極性不變，導(dǎo)體中電流方向相同，不管其作發(fā)電機或電動機運行，電樞磁場對主磁場的影響相同。所不同的只是旋轉(zhuǎn)方向而已。電刷在幾何中性線上，只有交軸電樞磁動勢。若磁路不飽

5、和，就可利用疊加原理求出氣隙磁場。21（a） （b）圖21-8 電刷在幾何中性線的交軸電樞反應(yīng)（a）氣隙合成磁場；（b）展開圖 221、使氣隙磁場發(fā)生畸變 電樞旋轉(zhuǎn)時先進入磁極的那個磁極尖稱為前極尖，電樞離開磁極的那個磁極尖稱為后極尖。電樞反應(yīng)使氣隙磁場畸變，對發(fā)電機，前極尖磁場被削弱，后極尖磁場被加強；對電動機，前極尖磁場被加強，后極尖磁場被削弱。交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì) 242、使物理中性線偏移 把氣隙中磁密為零的點的連線稱為物理中性線。直流電機空載時，幾何中性線與物理中性線重合。負載時，物理中性線偏離幾何中性線，對發(fā)電機，順轉(zhuǎn)向偏離；對電動機，逆轉(zhuǎn)向偏離。 交軸電樞反應(yīng)的性質(zhì) 25電刷偏離幾何

6、中性線時的電樞反應(yīng) 由于裝配或換相需要等，有時電刷會偏離幾何中性線。電刷位于幾何中性線時，電樞電流只產(chǎn)生交軸電樞磁勢。電刷偏離幾何中性線時，電樞磁勢Fa分解成交軸電樞磁勢Faq和直軸電樞磁勢Fad。27交軸電樞磁勢Faq對主磁場的影響與電刷位于幾何中性線的電樞反應(yīng)情況一樣；直軸電樞磁勢Fad與主磁極軸線重合，方向相反，有去磁或助磁作用；當(dāng)電刷逆電動機旋轉(zhuǎn)方向偏離角時，產(chǎn)生的直軸電樞磁勢Fad有去磁作用；當(dāng)電刷順電動機旋轉(zhuǎn)方向偏離角時，產(chǎn)生的直軸電樞磁勢Fad有助磁作用。發(fā)電機與電動機情況相反。 電刷偏離幾何中性線時的電樞反應(yīng) 28電樞反應(yīng)對直流電機的影響 電樞反應(yīng)去磁作用使每極磁通減?。阂驗橹?/p>

7、流電機的電刷總是位于交軸，電樞反應(yīng)只有交軸分量，電機額定運行時，磁路處于剛好飽和區(qū)域，由于磁路的飽和，電樞反應(yīng)的去磁作用將使每極磁通略有減小。電機轉(zhuǎn)速和勵磁電流一定時，由于交軸電樞反應(yīng)的去磁作用，使負載時感應(yīng)電動勢比空載時略小。要保持感應(yīng)電動勢不變，需增加勵磁電流，以補償交軸電樞反應(yīng)的去磁作用。 29電樞反應(yīng)使主磁場的分布發(fā)生畸變：極面下磁密分布不均勻，從而使各換向片間電動勢也分布不均，當(dāng)電機過載特別是沖擊性負載下，可能導(dǎo)致環(huán)火的產(chǎn)生。交軸處的電樞磁場將妨礙線圈中的電流換向。 電樞反應(yīng)對直流電機的影響 30第四節(jié) 電樞繞組的感應(yīng)電勢和直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 一.直流電機電樞繞組的感應(yīng)電動勢指一對正

8、負電刷之間引出的電勢，也稱為電樞電勢，記作Ea。設(shè)N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)，a為并聯(lián)支路對數(shù)，Bav為一個磁極內(nèi)的平均磁密，l為導(dǎo)體的有效長度，v為導(dǎo)體切割磁場的速度，則： 31Ean，改變或n的大小，Ea大小變化；Ea方向取決于和n的方向，改變的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變Ea的方向。稱為電勢常數(shù)，與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。 電樞繞組的感應(yīng)電勢32直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 指電樞上所有載流導(dǎo)體在磁場中受力所形成的轉(zhuǎn)矩的總和。設(shè)D為電樞直徑，N為電樞總導(dǎo)體數(shù)，fav每根導(dǎo)體平均所受的力，則電磁轉(zhuǎn)矩為： 為轉(zhuǎn)矩常數(shù)，是與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的參數(shù)。 33TIa，改變或Ia的大小，T大小發(fā)生變化；T方向取

9、決于和Ia的方向，改變的方向（即改變勵磁電流If的方向），就可改變T的方向。直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 34電勢常數(shù)與轉(zhuǎn)矩常數(shù)之間的關(guān)系式：直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 CT = 9.55Ce 35直流電機的電磁轉(zhuǎn)矩 表明：若電樞繞組電動勢采用機械角速度表示，則Ea與電磁轉(zhuǎn)矩計算使用同一常數(shù)，即轉(zhuǎn)矩常數(shù)，也可改稱為電機常數(shù)。 =2n/60=n/3036第五節(jié) 穩(wěn)態(tài)運行時直流電機的基本方程式 一.直流發(fā)電機的基本方程式 直流發(fā)電機是將原動機輸入機械能轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟娔艿碾姎庠O(shè)備。直流發(fā)電機的基本方程式與勵磁方式有關(guān)，勵磁方式不同，基本方程式略有差別。371、電壓方程式圖21-9 他勵直流發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)等效電路圖 他勵直

10、流發(fā)電機的基本方程式 38Rf-勵磁回路總電阻，包括外串電阻和勵磁繞組內(nèi)阻。Ra-電樞回路總電阻，包括電刷接觸電阻和電樞繞組內(nèi)阻。 勵磁回路方程為電樞回路方程為1、電壓方程式他勵直流發(fā)電機的基本方程式 39電壓基本方程式可見： 電樞電勢Ea必須大于電樞端電壓U，這也是判斷電機是否處于發(fā)電運行狀態(tài)的依據(jù)。 1、電壓方程式他勵直流發(fā)電機的基本方程式 402、轉(zhuǎn)矩方程式 T1原動機拖動轉(zhuǎn)矩T電磁轉(zhuǎn)矩，為制動性質(zhì)T0空載轉(zhuǎn)矩，由電機機械摩擦和鐵損引起他勵直流發(fā)電機的基本方程式 發(fā)電機轉(zhuǎn)向由原動機決定，T1T，故電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩。 413.功率平衡關(guān)系 從原動機輸入的機械功率為： P1輸入機械功率 P

11、em電磁功率 p0空載損耗。他勵直流發(fā)電機的基本方程式 空載損耗等于鐵損pFe、機械摩擦損耗pm、附加損耗pad，即p0=pFe+pm+ps 。其中附加損耗又稱雜散損耗，一般難以精確計算。靠經(jīng)驗估算約為額定功率P的0.5%1%。42電磁功率為說明電磁功率具有機械功率性質(zhì)。 3.功率平衡關(guān)系 他勵直流發(fā)電機的基本方程式 電磁功率又可表示為: 表明電磁功率又具有電功率性質(zhì)，所以電磁功率是機電能量轉(zhuǎn)換的橋梁。43發(fā)電機輸出的電功率為:pCua為電樞回路銅耗，P2為輸出的電功率，同時輸出功率又可表示為： P2=UIa 3.功率平衡關(guān)系 他勵直流發(fā)電機的基本方程式 44圖21-10 為他勵直流發(fā)電機功率

12、流程圖。 3.功率平衡關(guān)系 他勵直流發(fā)電機的基本方程式 45直流電動機的基本方程式 直流電機是可逆的，同一臺電機既可作發(fā)電機運行，又可作電動機運行。如在原動機的拖動下，可作為發(fā)電機，將輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?；如在電樞兩端輸入直流電能，可作為電動機，將輸入的電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。所以其方程有相似性。46圖19-10 他勵直流電動機的穩(wěn)態(tài)等效電路圖 采用電動機慣例，規(guī)定直流電動機各物理量正方向。 直流電動機的基本方程式 471.電樞回路電壓方程式 其中反電勢Ea=Cen，若為并勵時，存在 由于Ra很小，電樞回路上電阻壓降很小，電源電壓大部分降落在反電勢Ea上。直流電動機的基本方程式 482、轉(zhuǎn)矩方程式電動機空載時，T2=0，有： T=T0。當(dāng)負載轉(zhuǎn)矩為TL，軸上輸出有T2=TL