第3章直流電機(jī)原理(5-10)

3.5電樞電動(dòng)勢(shì)與電磁轉(zhuǎn)矩電樞電動(dòng)勢(shì)：直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電勢(shì)，即每個(gè)支路里的感應(yīng)電勢(shì)。一根導(dǎo)體：Bav：平均磁密；li：導(dǎo)體長度；v：電樞旋轉(zhuǎn)線速度n：電樞旋轉(zhuǎn)速度（r/min)：每極磁通支路電勢(shì)：Ce：電勢(shì)常數(shù)z：總導(dǎo)體數(shù)3.5.1電樞電動(dòng)勢(shì)電樞電動(dòng)勢(shì)的認(rèn)識(shí)一臺(tái)制造好的電機(jī)，它的電樞電勢(shì)（V）正比于每極磁通Ф（韋伯）和轉(zhuǎn)速n（r/min）,與磁密分布無關(guān)。若不計(jì)飽和影響：3.5.2電磁轉(zhuǎn)矩一根導(dǎo)體的平均電磁力：一根導(dǎo)體所受電磁力對(duì)應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩：總電磁轉(zhuǎn)矩：Ct:轉(zhuǎn)矩常數(shù)電磁轉(zhuǎn)矩的認(rèn)識(shí)一臺(tái)制造好的電機(jī)，它的電磁轉(zhuǎn)矩正比于每極磁通和電樞電流，與磁密分布無關(guān)。電勢(shì)常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)Ct決定于結(jié)構(gòu)常數(shù)。它們的關(guān)系為：3.5.3直流電機(jī)的電樞反應(yīng)1、主磁場(chǎng)及其磁密分布曲線主磁通漏磁通幾何中性線2、電樞磁場(chǎng)、電樞反應(yīng)的定義直流電機(jī)負(fù)載后，電樞繞組有電流通過，該電流建立的磁場(chǎng)簡稱電樞磁場(chǎng)，電樞磁場(chǎng)對(duì)主磁場(chǎng)的影響就稱為電樞反應(yīng)。當(dāng)電機(jī)帶上負(fù)載后，電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由主磁場(chǎng)和電樞兩個(gè)磁場(chǎng)共同決定。電樞磁動(dòng)勢(shì)的出現(xiàn)，使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變，即電樞反應(yīng)。各支路電流都是通過電刷引入獲引出，因此電刷是電樞表面上電流分布的分界線。電樞磁勢(shì)的軸線總是與電刷軸線相重合。3、電樞反應(yīng)

如果認(rèn)為直流電機(jī)電樞上有無窮多整距元件分布，則電樞磁動(dòng)勢(shì)在氣隙圓周方向空間分布呈三角波，如圖中所示。

由于主磁極下氣隙長度基本不變，而兩個(gè)主磁極之間，氣隙長度增加得很快，致使電樞磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的氣隙磁通密度為對(duì)稱的馬鞍型，如圖中所示。主磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電樞磁場(chǎng)磁通密度分布曲線兩條曲線逐點(diǎn)疊加后得到負(fù)載時(shí)氣隙磁場(chǎng)的磁通密度分布曲線電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)的特點(diǎn)：

對(duì)主磁場(chǎng)起去磁作用使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變

空載時(shí)電機(jī)的物理中性線與幾何中性線重合。負(fù)載后由于電樞反應(yīng)的影響，每一個(gè)磁極下，一半磁場(chǎng)被增強(qiáng)，一半被削弱，物理中性線偏離幾何中性線一個(gè)角度，磁通密度的曲線與空載時(shí)不同。

磁路不飽和時(shí)，主磁場(chǎng)被削弱的數(shù)量等于加強(qiáng)的數(shù)量，因此每極量的磁通量與空載時(shí)相同。電機(jī)正常運(yùn)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，增加的磁通少些，因此負(fù)載時(shí)每極磁通略為減少。即電刷在幾何中性線時(shí)的電樞反應(yīng)為交軸去磁性質(zhì)。電樞反應(yīng)特點(diǎn)使物理中性線位移（空載時(shí)，電機(jī)物理中性線與幾何中性線重合；負(fù)載時(shí)，物理中性線發(fā)生偏轉(zhuǎn)）思考題：直流發(fā)電機(jī)負(fù)載工作下將電刷順電樞轉(zhuǎn)向移動(dòng)一角度后，電樞反應(yīng)是什么性質(zhì)的？當(dāng)電樞反方向轉(zhuǎn)動(dòng)后，負(fù)載工作下電樞反應(yīng)的性質(zhì)與前者有何不同？3.6直流發(fā)電機(jī)2、電樞回路方程式3.6直流發(fā)電機(jī)3.6.1直流發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的基本方程式1、正方向的規(guī)定（發(fā)電機(jī)慣例)3、轉(zhuǎn)矩平衡方程式3.6.2功率關(guān)系電樞電功率直流發(fā)電機(jī)：原動(dòng)機(jī)克服電磁轉(zhuǎn)矩的制動(dòng)作用所做的機(jī)械功率等于通過電磁感應(yīng)作用在電樞回路所得到的電功率。機(jī)械功率—鐵損耗，電樞鐵心在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)時(shí)，硅鋼片中的磁滯和渦流損耗，與磁密大小和頻率有關(guān)—由摩擦引起的損耗，與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)。3.6.2功率關(guān)系發(fā)電機(jī)的效率總損耗為附加損耗

10KW以下的小型電機(jī)，效率為75%-85%；10KW-100KW的電機(jī)，約為85%-90%；100KW-1000KW，約為88%-93%。

問題1：并勵(lì)發(fā)電機(jī)的功率流程及損耗？例題1一臺(tái)額定功率的并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，它的額定電壓，額定轉(zhuǎn)速，電樞回路總電阻，勵(lì)磁回路總電阻，已知機(jī)械損耗和鐵耗，求額定負(fù)載情況下各繞組的銅損耗、電磁功率、總損耗、輸入功率及效率。3.7直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理從原理上講，一臺(tái)電機(jī)在一定條件下既可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，在另一條件下作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能。這就是電機(jī)的可逆原理?！绷麟姍C(jī)的可逆原理3.7.1直流電機(jī)的可逆原理具體分析如下：發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí):的方向與方向一致;表示向電網(wǎng)輸出電功率；

表示原動(dòng)機(jī)輸入機(jī)械功率。

3.7.1直流電機(jī)的可逆原理電動(dòng)機(jī)狀態(tài)：

保持這臺(tái)電機(jī)的勵(lì)磁不變，減小其輸入機(jī)械功率因系統(tǒng)的慣性，轉(zhuǎn)速來不及變化，

都來不及變化3.7.1直流電機(jī)的可逆原理的作用，電機(jī)的轉(zhuǎn)速繼續(xù)下降。當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至?xí)r，

表示向直流電網(wǎng)輸出電能.

表示從電網(wǎng)吸收電功率；

電動(dòng)機(jī)慣例3.7.2他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的基本方程式3.7.3他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系電動(dòng)機(jī)的效率總損耗問題2：如何判斷一臺(tái)直流電機(jī)是電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)電運(yùn)行狀態(tài)？電動(dòng)機(jī)與發(fā)電機(jī)狀態(tài)比較1、電動(dòng)機(jī)：電樞電流方向取決于電壓方向發(fā)電機(jī)：電樞電流方向取決于電樞電動(dòng)勢(shì)方向3、電動(dòng)機(jī)：是電功率，是機(jī)械功率；發(fā)電機(jī)是機(jī)械功率，是電功率2、電動(dòng)機(jī)：T與的方向一致，是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩發(fā)電機(jī)：T與的方向相反，是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩思考題：改變并勵(lì)電動(dòng)機(jī)電源的極性，能否改變其轉(zhuǎn)向？為什么？試求：1、此直流電機(jī)運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)還是電動(dòng)機(jī)狀態(tài)？2、電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T？3、電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩？4、電機(jī)的效率？例2：一臺(tái)他勵(lì)直流電機(jī)并聯(lián)于220V直流電網(wǎng)運(yùn)行，已知電機(jī)，極對(duì)數(shù)，電機(jī)總導(dǎo)體數(shù)額定轉(zhuǎn)速。每極磁通電樞回路總電阻，勵(lì)磁回路總電阻鐵損耗，機(jī)械損耗支路對(duì)數(shù)3.7.4直流電動(dòng)機(jī)的工作特性時(shí)，的關(guān)系為轉(zhuǎn)速特性。根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，可得n0：理想空載轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速下降不多，考慮電樞發(fā)應(yīng)，有可能升高。1、轉(zhuǎn)速特性2、轉(zhuǎn)矩特性根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式：或者考慮去磁，曲線有所下降。時(shí)，的關(guān)系為轉(zhuǎn)矩特性。3、效率特性當(dāng)U＝UN，If＝IfN時(shí)，的關(guān)系叫效率特性。其中，為不變損耗為可變損耗令可得直流電動(dòng)機(jī)的效率約為0.75～0.94作業(yè)：S3.14,3.43.8他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性3.8.1機(jī)械特性的一般表達(dá)式直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式：電磁轉(zhuǎn)矩：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)：電樞回路電勢(shì)平衡式：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速特性：機(jī)械特性一般表達(dá)式：3.8.2固有機(jī)械特性當(dāng)U=UN，Φ=ΦN，電樞回路無外接電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。3.8.3人為機(jī)械特性1、電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性保持U=UN及=N不變而在電樞回路中串入電阻R，所得的n=f（T）關(guān)系。2、改變電樞電壓的人為機(jī)械特性保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻（R=0）,只改變電樞電壓時(shí)的機(jī)械特性。一般都為降低的電壓。固有人為UNU1U2UN>U1>U2TOnn03、減少氣隙磁通量的人為機(jī)械特性保持端電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻（R=0），只改變勵(lì)磁電流的機(jī)械特性。額定時(shí)，接近飽和，一般都為減弱的磁通。固有人為NN>’

TOnn013.8.4根據(jù)電機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)估算機(jī)械特性理想空載轉(zhuǎn)速(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)估算額定電樞電動(dòng)勢(shì)EaN=（0.93~0.97）UN(2)根據(jù)所選直流電動(dòng)機(jī)，實(shí)測(cè)電樞回路電阻3.9串勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)3.9.1串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性Ian根據(jù)轉(zhuǎn)速公式，可得串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)，特點(diǎn)：重載時(shí)，n很??；輕載時(shí)，飛車。結(jié)論：串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許在小于15～20％的額定負(fù)載下起動(dòng)。3.9.2復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性Ian復(fù)勵(lì)是串勵(lì)和并勵(lì)共同合成得勵(lì)磁方式。并勵(lì)起主要作用，接近并勵(lì)特性；串勵(lì)起主要作用，接近串勵(lì)特性；并勵(lì)串勵(lì)復(fù)勵(lì)3.10直流電機(jī)的換向直流電機(jī)的某一個(gè)元件經(jīng)過電刷，從一條支路換到另一條支路時(shí),元件里的電流方向改變，即換向。減少換向元件的感應(yīng)電勢(shì)和旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，可以有效地改善換向。最有效的辦法：裝換向極。二、換向的電磁理論換向元件中的電動(dòng)勢(shì)：自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)：換向元件（線圈）在換向過程中電流改變而產(chǎn)生的。切割電動(dòng)勢(shì)：在幾何中性線處，由于電樞反應(yīng)存在，電樞反應(yīng)磁密不為零，在換向元件中感應(yīng)切割電動(dòng)勢(shì)。換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)為：

根據(jù)楞次定律，自感電動(dòng)勢(shì)、互感電動(dòng)勢(shì)和切割電動(dòng)勢(shì)總是阻礙換向的。換向電動(dòng)勢(shì)：在幾何中性線處，換向元件在換向極磁場(chǎng)中感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。換向電動(dòng)勢(shì)是幫助換向的。1、直線換向當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間線性變化。當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間不再是線性變化，出現(xiàn)電流延遲現(xiàn)象。2、延遲換向當(dāng)時(shí)換向元件電流隨時(shí)間不再是線性變化，出現(xiàn)電流超前現(xiàn)象。3、超越換向直線換向延遲換向超越換向改善換向的方法設(shè)置換向極，可用消除電磁原因引起的火花

換向極的磁勢(shì)必須正比于負(fù)載電流，換向極繞組和電樞繞組串聯(lián)，并且換向極的磁路不