第三章-直流電機的工作原理及特性

第三章直流電機的工作原理及特性直流電機可用做電動機，將電能轉(zhuǎn)化為機械能。電動機運動。直流電機可用做發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)化為電能。直流發(fā)電機做為直流電源，供給直流電動機。一、直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機：包括定子（磁極）和轉(zhuǎn)子，定子與轉(zhuǎn)子由空氣隙分開。定子：產(chǎn)生主磁場，支撐電機。由主磁極、換向極、機座、端蓋、軸承組成。電刷用電刷座固家在定子上。轉(zhuǎn)子：產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和和產(chǎn)生機械轉(zhuǎn)矩。包括電樞繞組、電樞鐵芯、換向器、軸、風(fēng)扇判定通電導(dǎo)體在磁場中受力方向的左手定則判定通電導(dǎo)體在磁場中受力方向的左手定則伸開右手，使拇指與其余四個手指垂直，并且都與手掌在同一平面內(nèi)；讓磁感線從手心進入，并使拇指指向?qū)Ь€運動方向，這時四指所指的方向就是感應(yīng)電流的方向。這就是判定導(dǎo)線切割磁感線時感應(yīng)電流方向的右手定則。

用右手握住通電螺線管，讓四指指向電流的方向，那么大拇指所指的那一端是通電螺線管的N極。

主磁極：包括主磁極鐵芯、勵磁繞組、磁極下面擴大部分的極靴。主磁極產(chǎn)生主磁場。極靴使通過空氣隙中的磁通分布合理，使勵磁繞組牢固固定在鐵芯上。機座：固定主磁極、換向極、端蓋，用地腳螺栓將電機固定在基礎(chǔ)上。換向極：上下NS為主磁極，水平方向有一對較小的磁極即換向極，線圈旋轉(zhuǎn)到換向的位置，如果沒有換向極，那么線圈中的電流較大，形成很大的電壓，從而產(chǎn)生很大的電場強度，擊穿空氣產(chǎn)生火花。在水平方向加一對磁通較小的磁極，當(dāng)換向的時候，線圈水平，而線圈要繼續(xù)運動除了要切割主磁極的磁感線外，還要切割換向極的磁感線，從而產(chǎn)生反電動勢，就會減小線圈中的電流，從而減小換向火花。

NS電樞繞組：產(chǎn)生感應(yīng)電動勢及電磁轉(zhuǎn)矩。嵌入電樞鐵芯的槽中。換向器：對發(fā)電機而言，將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電動勢轉(zhuǎn)換電刷間的直流電動勢。對電動機而言，將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交流電流。換向器由彼此隔開的換向片組成。二直流電機的簡化電機具有一對磁極、電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別接兩個換向片，換向片上壓著電刷A和B。三直流電機做發(fā)電機

E=KenE電刷間的電動勢（V）為一對磁極的磁通（Wb）n電樞轉(zhuǎn)速（r/min）Ke與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)

電樞繞組由柴油機驅(qū)動在磁場中旋轉(zhuǎn)，兩根有效邊感應(yīng)出電動勢，每一有效邊電動勢是交變的，在N極是一個方向，在S極是相反方向。電刷A總是與北極有效邊連接的換向片接觸，電刷B總是與南極有效邊連接的換向片接觸，電刷間就出現(xiàn)一個極性不變的電動勢，接有負載時，就產(chǎn)生一定方向的電流。電動勢與電流方向相同四直流電機做電動機

T=KtIaT電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）一對磁極的磁通（Wb）Ia電樞電流（A）Kt與電機結(jié)構(gòu)有關(guān)常數(shù)Kt

＝9.55Ke

將直流電源接在電刷間，使電流流入電樞繞組，N極有效邊的電流總是一個方向，S極有效邊的電流總是相反方向，產(chǎn)生電磁力使電樞繞組轉(zhuǎn)動，有效邊從北極轉(zhuǎn)到南極，電流的方向同時改變，使電磁力的方向不變。電樞繞組在磁場中受力轉(zhuǎn)動，產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢與外加電壓方向相反，是反電動勢。電動勢與電流方向相反。五直流發(fā)電機的勵磁方式

他勵發(fā)電機的勵磁繞組由外電源供電，勵磁電流不受電樞端電壓或電樞端電流影響。其它三種的勵磁電流為電樞電流或為他的一部份不，稱為自勵發(fā)電機。他勵并勵串勵復(fù)勵串勵+并勵等效電路圖它勵并勵串勵復(fù)勵六他勵發(fā)電機的特性（發(fā)電機電動勢與電流方向相同）R負載電組，I負載電流，是勵磁調(diào)節(jié)電阻，Ra電樞電阻。Ia電樞電流，E和U發(fā)電機的電動勢和端電壓U=E-IaRaIa=（E-U）/RaIa=II=U/R當(dāng)空載時，Ia＝I=0：U=U0=E=Ken（U0空載端電壓）磁通取決于勵磁電流If，If通過改變勵磁調(diào)節(jié)電阻來調(diào)節(jié)?？蛰d特性曲線：電動勢E與勵磁電流If之間的關(guān)系曲線E=f(If)If=0，有電動勢E/，由磁極的剩磁產(chǎn)生的。改變勵磁電流If就能獲得所需的電動勢E。他勵發(fā)電機的外特性曲線保持轉(zhuǎn)速n為額定值，調(diào)節(jié)勵磁電流If，獲得空載電壓U0，接上負載，端電壓下降。發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n和勵磁電流If為常數(shù)，端電壓U與負載電流I之間的關(guān)系曲線U=f（I）。他勵發(fā)電機的負載電流I增加，電樞電壓IaRa增加，端電壓U下降，UN和IN額定電壓與額定電流。（T=KtIa）他勵發(fā)電機，從空載到額定負載電壓的變化率約為5%~10%并勵發(fā)電機的特性R負載電組，I負載電流，是勵磁調(diào)節(jié)電阻，Ra電樞電阻。Ia電樞電流，E和U發(fā)電機的電動勢和端電壓，小燈泡8歐Rf勵磁電路電阻（勵磁繞組的電阻和勵磁調(diào)節(jié)電阻）約幾百歐U=E-IaRaIa=（E-U）/Ra（

If勵磁電流）I=U/R，If=U/Rf，Rf≥Ra，Ia=I+If≈IU=U0=E=Ken并勵發(fā)電機電壓的建立1、磁極要有剩磁，發(fā)電機被恒速驅(qū)動旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組切割磁力線產(chǎn)生很小的電動勢E/，在勵磁電路中產(chǎn)生很小的起始勵磁電流。2、起始勵磁電流產(chǎn)生的磁場方向與剩磁磁場方向相同，磁場增強，電動勢增強，勵磁電流增大。磁通增大，電動勢增大。勵磁電流與電動勢不會無限增大。If勵磁電流，

Rf勵磁電路電阻3、曲線E=f(If)是并勵發(fā)電機的空載特性曲線，直線E=IfRf是從勵磁電路得出，（Ra≤Rf）,兩條線的交點建立起電動勢E與勵磁電流If大小方程式。這個點的電動勢是并勵發(fā)電機兩個電刷間穩(wěn)定輸出的電動勢。4、Rf增大，直線斜率增大，角度變大，Rf過大，可能沒有交點，將勵磁調(diào)節(jié)電阻減小。并勵發(fā)電機外特性曲線并勵發(fā)電機接負載后，轉(zhuǎn)速n一定，勵磁電路電阻Rf一定，發(fā)電機端電壓U與負載電流I的關(guān)系式U=f（I）。與他勵發(fā)電機外特性曲線類似。過大八他勵直流電動機的機械特性曲線為了衡量電動機轉(zhuǎn)速隨負載（電磁轉(zhuǎn)矩）變化的情況，引入機械特性硬度：九他勵直流電動機的固有機械特性曲線

額定電壓UN和額定磁通N下和電樞電路內(nèi)不外接任何電阻時的的機械特性n=f（T）曲線。額定功率PN，額定電壓UN，額定電流IN，額定轉(zhuǎn)速nN，可以求出Ra，KeN，n0，TN十他勵直流電動機的人為機械特性曲線定義：供電電壓、磁通不為額定值，電樞電路串接附加電阻時的機械特性。1、電樞回路串接附加電阻Rad時的人為機械特性（1）二者的理想空載轉(zhuǎn)速n0是相同的；（2）轉(zhuǎn)速降△n卻變大了，即特性變軟。

Rad越大越軟U=UN、＝N

、Ra用Ra+Rad替代、有人為機械特性方程式2、改變電樞電壓U時的人為機械特性＝N

，Rad=0，額定磁通和線圈不串接附加電阻的人為機械特性方程為：由于電機的絕緣強度等因素，只能在額定電壓以下改變其特性。3、改變磁通時的人為機械特性U＝UN

，Rad=0，額定電壓和線圈不串接附加電阻的人為機械特性方程為：3、改變磁通時的人為機械特性U＝UN

，Rad=0，額定電壓和線圈不串接附加電阻的人為機械特性方程為：十一直流他勵電動機的啟動特性1、限制直流電動機的啟動電流2、具有一段啟動電阻的他勵電動機3、具有三段啟動電阻的他勵電動機十二直流他勵電動機的調(diào)速特性調(diào)速：在一定的負載轉(zhuǎn)矩下，人為改變串入電樞回路的電阻Rad、電樞供電電壓U、主磁通Φ等電動機的電路參數(shù)，以改變電動機的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。負載轉(zhuǎn)矩一定時，電動機在特性曲線1上的點A，以nA轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行，增加電樞電阻后，在特性曲線2上的點B，以nB轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行速度變化：由于電動機負載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化引起的電機轉(zhuǎn)速的變化。負載轉(zhuǎn)矩由T1增加到T2，電動機的轉(zhuǎn)速由nA降低nB到，它是沿某一條機械特性曲線發(fā)生的轉(zhuǎn)速變化。1、他勵直流電動機的電樞回路串電阻調(diào)速2、他勵電動機改變電樞供電電壓調(diào)速1．制動與啟動啟動：施電于電動機使電動機速度從靜止加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速;制動：使電動機速度從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速減速到停止或是限制位能負載下降速度（使重物勻速下降）。十三他勵直流電動機的制動特性2．制動與自然停車1）自然停車：電動機脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦阻轉(zhuǎn)矩消耗機械能，使轉(zhuǎn)速慢慢下降，直到轉(zhuǎn)速為零而停車。這種停車過程需時較長，不能滿足生產(chǎn)機械快速、準(zhǔn)確停車的要求；

2）制動：外加阻力轉(zhuǎn)矩，使電動機迅速停車。為了提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要加快停車過程，實現(xiàn)準(zhǔn)確停車等，要求電動機運行在制動狀態(tài)3．電動機的兩種工作狀態(tài)電動狀態(tài)：輸出轉(zhuǎn)矩T的作用方向與轉(zhuǎn)速n的方向相同。卷揚機提升重物時，將電源輸入的電能轉(zhuǎn)換機械能，使重物以速度u上升。

2）制動狀態(tài)：電動機輸出轉(zhuǎn)矩T的作用方向與轉(zhuǎn)速n的方向相反。重物勻速下降，電動機發(fā)出與轉(zhuǎn)速n相反的轉(zhuǎn)矩T，以吸收重物的位能，否則重物在重力作用下，下降速度將越來越快。4、他勵電動機的反饋制動電動機正常接線，在外部條件作用下，實際轉(zhuǎn)速n高于其理想空載轉(zhuǎn)速n0，電動機運行于反饋制動狀態(tài)。十四他勵電動機的反接制動在外部條件作用下，反電勢E和電樞電壓U有一個改變方向，使得U和E的方向相同，電動機運行于反接制動狀態(tài)。將改變電樞電壓產(chǎn)生的反接制動稱為電源反接制動，用于快速停車。將改變反電勢產(chǎn)生的反接制動稱為倒拉反接制動，用于重物下放。1、他勵電動機的電源反接制動２、他勵電動機的倒拉反接制動3.6已知他勵直流電動機的銘牌數(shù)據(jù)如下：PN=7.5kW，UN=220V，nN=1500r/min，ηN=88.5%，Ra=0.2Ω。試求該電機的額定電流和額定轉(zhuǎn)矩。答：3.10一臺他勵直流電動機的技術(shù)數(shù)據(jù)如下：PN=6.5kW，UN=220V，IN=34.4A，nN=1500r/min，Ra=0.242Ω，試計算出此電動機的如下特性：⑴固有機械特性⑵電樞附加電阻分別為3Ω和5

Ω

時的人為機械特性⑶電樞電壓為UN/2時的人為機械特性⑷磁通Φ＝0.8ΦN時的人為機械特性答：⑴

⑵

⑶

⑷3.15一臺直流他勵電動機，其額定數(shù)據(jù)如下：PN=2.2kW，UN=Uf=110V，nN=1500r/min，ηN=0.8，Ra=0.4Ω，Rf=82.7Ω。試求：①額定電樞電流IaN；②額定勵磁電流IfN；③勵磁功率Pf；④額定轉(zhuǎn)矩TN；⑤額定電流時的反電勢；⑥直接啟動時的啟動電流；⑦如果要使啟動電流不超過額定電流的2倍，求啟動電阻為多少？此時啟動轉(zhuǎn)矩又為多少？答：附錄資料：不需要的可以自行刪除CASS工藝1CASS工藝簡介2CASS工藝的基本原理3CASS工藝的基本特點4CASS工藝主要設(shè)計參數(shù)1CASS工藝簡介CASS（CyclicActivatedSludgeSystem）工藝是近年來國際公認(rèn)的處理生活污水及工業(yè)廢水的先進工藝。其基本結(jié)構(gòu)是：至少由兩個區(qū)域組成，即生物選擇區(qū)和主反應(yīng)區(qū)，但也可在主反應(yīng)區(qū)前設(shè)置一兼氧區(qū)，其主反應(yīng)區(qū)后部安裝了可升降的自動撇水裝置。整個工藝的曝氣、沉淀、排水等過程在同一池子內(nèi)周期循環(huán)運行，省去了常規(guī)活性污泥法的二沉池和污泥回流系統(tǒng)；同時可實現(xiàn)總體上連續(xù)進水，間斷排水。

2CASS工藝的基本原理

CASS是一種具有脫氮除磷功能的循環(huán)間隙廢水生物處理技術(shù)。每個CASS反應(yīng)器由生物選擇區(qū)、兼氧區(qū)和主反應(yīng)區(qū)三個區(qū)域組成。

CASS反應(yīng)器CASS反應(yīng)器1.生物選擇區(qū)2.兼氧區(qū)3.主反應(yīng)區(qū)2CASS工藝的基本原理CASS工藝集反應(yīng)、沉淀、排水功能于一體，污染物的降解在時間上是一個推流過程，而微生物則處于好氧、缺氧、厭氧周期性變化之中，從而達到對污染物去除作用，同時還具有較好的脫氮、除磷功能。生物選擇區(qū)作用在生物選擇區(qū)內(nèi)，通過主反應(yīng)區(qū)污泥的回流并與進水混合，不僅充分利用了活性污泥的快速吸附作用而且加速對溶解性底物的去除并對難降解有機物起到良好的水解作用，同時可使污泥中的磷在厭氧條件下得到有效的釋放。生物選擇區(qū)還可有效地抑制絲狀菌的大量繁殖，克服污泥膨脹，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在生物選擇區(qū)中，污泥回流液中存在的少量硝酸鹽氮（約為2mg/L）可得到反硝化，反硝化量可達整個系統(tǒng)反硝化量的20%左右。選擇器可定容運行，亦可變?nèi)葸\行，多池系統(tǒng)中的進水配水池也可用作選擇器。兼性區(qū)作用兼氧區(qū)不僅具有輔助厭氧或兼氧條件下運行的生物選擇區(qū)對進水水質(zhì)水量變化的緩沖作用，同時還具有促進磷的進一步釋放和強化氮的反硝化作用。主反應(yīng)區(qū)作用主反應(yīng)區(qū)則是最終去除有機底物的主要場所。運行過程中，通常將主反應(yīng)區(qū)的曝氣強度以及曝氣池中溶解氧強度加以控制，以使反應(yīng)區(qū)內(nèi)主體溶液中處于好氧狀態(tài)，保證污泥絮體的外部有一個好氧環(huán)境進行硝化；活性污泥結(jié)構(gòu)內(nèi)部則基本處于缺氧狀態(tài)，溶解氧向污泥絮體內(nèi)的傳遞受到限制，而較高的硝酸鹽濃度（梯度）則能較好地滲透到絮體內(nèi)部，有效地進行反硝化，從而使主反應(yīng)區(qū)中同時發(fā)生有機污染物的降解以及同步硝化和反硝化作用。CASS工藝的循環(huán)運行過程

CASS以一定的時間序列運行，其運行過程包括進水－曝氣、進水－沉淀、停止進水－排水和進水－閑置等4個階段并組成其運行的一個周期。CASS工藝的循環(huán)運行過程不同的運行階段的運行方式可根據(jù)需要進行調(diào)整,如無反應(yīng)進水（即進水時既不曝氣也不攪拌）、無曝氣進水混合、進水曝氣及不進水曝氣等。一個運行周期結(jié)束后，重復(fù)上一周期的運行并由此循環(huán)不止。CASS工藝的循環(huán)運行過程

循環(huán)過程中，反應(yīng)器內(nèi)的水位隨進水而由初始的設(shè)計最低水位逐漸上升至最高設(shè)計水位，因而運行過程中其有效容積是逐漸增加的（即變?nèi)莘e運行）。曝氣和攪拌階段結(jié)束后，在靜止條件下使活性污泥絮凝并進行泥水分離，沉淀結(jié)束后通過移動堰表面潷水裝置排出上清水層并使反應(yīng)器中的水位恢復(fù)至設(shè)計最低水位，然后，重復(fù)上一周期的運行。CASS工藝的循環(huán)運行過程

為保證系統(tǒng)在最佳條件下運行，必須定時排泥。CASS反應(yīng)器中經(jīng)沉淀后的污泥濃度可達10000mg/L以上，剩余污泥量要比傳統(tǒng)的活性污泥處理工藝少得多。CASS工藝的循環(huán)操作過程（1）曝氣階段：由曝氣裝置向反應(yīng)池內(nèi)充氧，此時有機污染物被微生物氧化分解，同時污水中的NH3-N通過微生物的硝化作用轉(zhuǎn)化為NO3--N。CASS工藝的循環(huán)操作過程（2）沉淀階段:

此時停止曝氣，微生物利用水中剩余的DO進行氧化分解。反應(yīng)池逐漸由好氧狀態(tài)向缺氧狀態(tài)轉(zhuǎn)化，開始進行反硝化反應(yīng)?；钚晕勰嘀饾u沉到池底，上層水變清。CASS工藝的循環(huán)操作過程（3）潷水階段:

沉淀結(jié)束后，置于反應(yīng)池末端的潷水器開始工作，自上而下逐漸排出上清液。此時反應(yīng)池逐漸過渡到厭氧狀態(tài)繼續(xù)反硝化。CASS工藝的循環(huán)操作過程（4）閑置階段:

閑置階段即是潷水器上升到原始位置階段。具體運行過程分析（1）進水—曝氣階段。此階段，邊進水邊曝氣，同時將主反應(yīng)器區(qū)的污泥回流至生物選擇器。污泥回流量約為處理廢水量的20%。

具體運行過程分析（2）進水—沉淀。此階段，停止曝氣，靜置沉淀以使泥水分離。在沉淀剛開始時，由于曝氣所提供的攪拌作用剩余的混合能使污泥發(fā)生絮凝，隨后污泥以區(qū)域沉降的形式下降，因而所形成的沉淀污泥濃度較高（當(dāng)混合液的污泥濃度為3500mg/L時，經(jīng)沉淀后污泥的濃度可達到10000mg／L以上）。與SBR工藝不同的是，CASS工藝在沉淀階段不僅不停止進水，而且污泥回流也不停止。由于在沉淀期間反應(yīng)器不排水，因而在合理設(shè)計的條件下，反應(yīng)器猶如豎流式沉淀池，而其表面負荷則要比豎流式沉淀池低得多，可獲得良好的沉淀分離效果。具體運行過程分析（3）停止進水－排水。此階段，CASS反應(yīng)器停止進水。根據(jù)處理系統(tǒng)中CASS反應(yīng)器個數(shù)的不同，或者將原水引入其它CASS反應(yīng)器（兩個或兩個以上CASS反應(yīng)器），或者將原水引入CASS反應(yīng)器之前的集水井（單個CASS反應(yīng)器）。排水均采用自動控制的潷水器進行。排水期間，污泥回流系統(tǒng)照常工作。污泥回流的目的是提高缺氧區(qū)的污泥濃度，以使隨污泥回流該區(qū)內(nèi)污泥中的硝態(tài)氮進行反硝化，并進行磷的釋放而促進在好氧區(qū)內(nèi)對磷的吸收。由于CASS反應(yīng)器在運行過程中的最高水位和潷水時的最低水位是設(shè)計確定的，因而在潷水期間進行污泥回流不會影響出水水質(zhì)。具體運行過程分析（4）進水－閑置階段。實際運行過程中，由于潷水時間往往要比設(shè)計潷水時間短，其剩余時間通常用于反應(yīng)器內(nèi)污泥的閑置以恢復(fù)污泥的吸附能力。正常的閑置期通常在潷水器恢復(fù)待運行狀態(tài)后4~5min開始。閑置期間，污泥回流系統(tǒng)照常工作。在實際運行過程中，閑置階段往往與排水和排泥過程同步進行，因而一般不需在運行