電機拖動1PPT課件

1、第2章 直流電動機的原理及特性 2.3 直流電機空載和負載時的磁場簡介 直流電機的空載磁場 負載時直流電機的磁場 2.4 感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩 電樞繞組的感應(yīng)電動勢公式重點 電磁轉(zhuǎn)矩公式重點第1頁/共51頁第2章 直流電動機的原理及特性 2.5 直流電動機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式和功率關(guān)系 基本方程式重點 功率關(guān)系難點 2.6 直流電動機的機械特性 他勵直流電動機的機械特性重點 串勵直流電動機的機械特性不講 2.7 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件重點第2頁/共51頁第2章 直流電動機的原理及特性 電機的可逆性 同一電機既可做發(fā)電機又可做電動機 本課程討論的電機主要是電動機 直流電機(dc machin

2、es)機械能直流電能直流發(fā)電機(dc generators)直流電動機(dc motor)第3頁/共51頁直流電動機的優(yōu)點 按電源性質(zhì)，電動機分為 直流電動機：直流電能機械能 交流電動機：交流電能機械能 直流電動機的優(yōu)點： 調(diào)速范圍寬，調(diào)速平滑且容易 起動、制動和過載轉(zhuǎn)矩大，且易于控制第4頁/共51頁直流電機直流電機動畫第5頁/共51頁2.1 直流電動機的基本結(jié)構(gòu)和工作原理 基本結(jié)構(gòu) 從直流電機的主要結(jié)構(gòu)看 發(fā)電機和電動機沒有多大差別定子部分 stator（靜止）轉(zhuǎn)子部分 rotor又稱電樞 armature （旋轉(zhuǎn)）氣 隙直流電機的主要結(jié)構(gòu)主磁極N、S勵磁繞組電樞鐵心電樞繞組AX電刷換向片第

3、6頁/共51頁圖2.1 小型直流電機的結(jié)構(gòu)圖第7頁/共51頁直流電機剖面示意圖第8頁/共51頁直流電機的主要結(jié)構(gòu)機 座主 磁 極換 向 極電刷裝置其他部分電樞鐵心電樞繞組換 向 器其他部分主磁極鐵心勵磁繞組換向極鐵心換向極繞組電刷、電刷座端蓋、底腳齒、槽、軸向通風(fēng)孔V形套筒、云母環(huán)、換向片、連接片風(fēng)扇、轉(zhuǎn)軸、軸承極身、極靴定子部分stator（靜止）轉(zhuǎn)子部分rotor又稱電樞armature （旋轉(zhuǎn)）氣 隙直流電機的主要結(jié)構(gòu)在定子、轉(zhuǎn)子之間第9頁/共51頁1定子部分(stator) 靜止部分機 座主 磁 極換 向 極電刷裝置端 蓋主磁極鐵心勵磁繞組換向極鐵心換向極繞組電刷、電刷座極身、極靴定子

4、部分stator（靜止）底 腳第10頁/共51頁（1）機座作用導(dǎo)磁機械支撐：機座中有磁通通過的部分，稱為定子磁軛導(dǎo)磁較好的材料焊成固定換向極主磁極兩個端蓋（中、小型電機）厚鋼板（小型直流電機）鑄鋼第11頁/共51頁（2）主磁極 作用 建立主磁場 多數(shù)由勵磁繞組通以直流電流 有時用永久磁鐵 組成主磁極主磁極鐵心極身勵磁繞組極靴由鋼板沖片疊壓緊固而成用螺桿固定在機座上勵磁線圈：套裝在鐵心上第12頁/共51頁（3）換向極 又稱附加極或間極 直流電動機容量超過 1 kW時要裝上換向極 作用 改善直流電動機的換向 安裝 一般安裝在兩相鄰主磁極之間 換向極個數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等 換向極繞組與電樞繞組串

5、聯(lián)第13頁/共51頁（3）換向極 構(gòu)成換向極鐵心：換向極繞組：換向極形狀比主磁極的簡單一般由整塊鋼板構(gòu)成套在換向極鐵心上用螺桿固定在機座上結(jié)構(gòu)和主磁極類似第14頁/共51頁（4）電刷裝置 組成 作用 連接轉(zhuǎn)動和靜止之間的電路 發(fā)電機：把轉(zhuǎn)子部分的電流引出到靜止的電路中 電動機：把靜止電路中的電流引入到轉(zhuǎn)子電路中電刷裝置電刷電刷座第15頁/共51頁2轉(zhuǎn)子部分(rotor) 轉(zhuǎn)子又稱為電樞(armature) 旋轉(zhuǎn)部分電樞鐵心電樞繞組換 向 器風(fēng)扇齒、槽、軸向通風(fēng)孔V形套筒、云母環(huán)、換向片、連接片轉(zhuǎn)子部分rotor又稱電樞armature （旋轉(zhuǎn)）轉(zhuǎn)軸軸承第16頁/共51頁（1）電樞鐵心 是主磁路

6、的一部分 構(gòu)成 將冷軋硅鋼片沖成 有齒、槽的沖片 然后把這些沖片疊裝起來 就構(gòu)成電樞鐵心 其片間有很薄的絕緣層齒槽軸向通風(fēng)孔第17頁/共51頁（1）電樞鐵心 說明 電樞鐵心上開槽是為了安放電樞繞組用 為改善通風(fēng)，電樞鐵心可沿軸分成幾段 以形成徑向通風(fēng)道 電樞鐵心的安裝 小型電動機的電樞鐵心直接壓裝在軸上 大型電動機的電樞鐵心先壓裝在轉(zhuǎn)子支架上 然后再將支架固定在軸上第18頁/共51頁（2）電樞繞組 構(gòu)成 用包有絕緣層的導(dǎo)體構(gòu)成電樞線圈 將線圈按一定的次序嵌入電樞鐵心槽內(nèi)的上、下層中 每個元件的兩個出線端都按一定的規(guī)律與換向器的換向片相連第19頁/共51頁（3）換向器第20頁/共51頁（3）換向

7、器 組成 由許多鴿尾形的換向片組成 片間用云母絕緣 作用 發(fā)電機：起整流作用 可將電樞繞組中交變的電流 轉(zhuǎn)換成電刷上的直流 電動機：起逆變作用 將電刷上的直流 變?yōu)殡姌欣@組內(nèi)的交流第21頁/共51頁電樞繞組和換向片的連接動畫第22頁/共51頁2.3 直流電機空載和負載時的磁場簡單介紹 直流電機的磁場 由電機中各繞組共同產(chǎn)生 包括勵磁繞組、電樞繞組、附加極繞組 但勵磁繞組起主要作用 主磁場 多數(shù)由勵磁繞組通以勵磁電流，又稱勵磁磁場 有時用永久磁鐵 電樞磁場：由電樞繞組通以電樞電流 主磁場起主要作用直流電動機原理動畫第23頁/共51頁1直流電機的磁通路徑 主磁通：磁路從主磁極1出發(fā)經(jīng)氣隙1電樞齒1

8、電樞軛電樞齒2氣隙2主磁極2定子軛主磁極1，最后又回到氣隙1n 漏磁通：不進入電樞鐵心，直接經(jīng)過相鄰的磁極或定子軛n 主磁通是主要的（動畫）第24頁/共51頁2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 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，幾何性中線處磁密為0 空載氣隙磁密沿電樞外圓的分布用函數(shù)B表示表示：分析可知它是帽子形（或稱平頂波）(a)氣隙形狀(b)氣隙磁密分布B極身極靴幾何中性線第25頁/共51頁負載時直流電機的磁場 電樞反應(yīng) 直流電機空載時，電樞電流為0，當(dāng)勵磁繞組中有勵磁電流時，氣隙磁場由勵磁電流單獨決定 帶負載后，

9、電樞繞組有電流通過，并產(chǎn)生電樞磁場 此時，氣隙磁場由主磁場（又稱勵磁磁場）和電樞磁場共同決定 電樞磁場會對氣隙磁場產(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第26頁/共51頁負載時的磁場（電流方向，右手螺旋定則確定磁力線）(a)電樞磁場(b)空載磁場(c)負載磁場勵磁電流為零電樞電流為零第27頁/共51頁圖2.15 電樞反應(yīng)主磁場的磁通密度分布曲線（帽子形，或稱平頂波）電樞磁場的磁通密度分布曲線（馬鞍形）兩條曲線逐點疊加后得到負載時氣隙磁場的磁通密度分布曲線（氣隙磁場發(fā)生畸變）第28頁/共51頁額定數(shù)據(jù) 為使用戶正確使用電機

10、，電機制造廠在每臺電機的機座上都釘一塊金屬牌，上面標有電機的工作條件和根據(jù)國標制定的額定數(shù)據(jù)（又稱額定值），該標牌稱為銘牌 “Z2-72”型號 Z2表示直流電動機 第二次改進設(shè)計型 7表示機座號 2表示長鐵芯 1則表示短鐵芯第29頁/共51頁直流電動機的銘牌數(shù)據(jù) 額定功率PN：指電動機在額定運行狀態(tài)下軸上輸出的機械功率，用W或kW表示 額定電壓UN：指電動機在額定運行狀態(tài)下電機兩端的電壓，用V表示 額定電流IN：指電動機在額定電壓下運行，輸出功率為額定功率時流過電機的電流，用A表示 額定功率、額定電壓、額定電流之間的關(guān)系為： PN = UN IN N 式中，N為直流電動機的額定效率第30頁/共

11、51頁直流電動機的銘牌數(shù)據(jù) 額定轉(zhuǎn)速nN：指電動機在額定運行狀態(tài)下轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，用r/min表示 額定勵磁電流IfN：指電動機在額定電壓下運行，輸出功率為額定功率時，勵磁繞組端的電流 除此之外，電機的額定參數(shù)還應(yīng)該包括絕緣等級、防護等級、冷卻方式、溫升、重量等第31頁/共51頁額定數(shù)據(jù) 在實際運行時，電機各物理量在額定值時的運行 稱為額定運行 電機處于額定運行狀態(tài)，具有良好的性能，工作可靠 當(dāng)電機電流小于額定電流時的運行，稱為欠載運行，電機長期欠載，效率不高，造成浪費 當(dāng)電機電流大于額定電流時的運行，稱為過載運行，長期過載，使電機過熱，降低使用壽命甚至損壞電機 所以額定值是選擇電機的依據(jù)，應(yīng)根據(jù)

12、實際使用情況，合理選擇電機容量，使電機工作在額定運行狀態(tài)第32頁/共51頁工作原理 直流電機 直流發(fā)電機：機械能直流電能 直流電動機：直流電機械能 工作原理 1直流發(fā)電機的工作原理 2直流電動機的工作原理第33頁/共51頁1直流發(fā)電機的工作原理 直流發(fā)電機是將機械能轉(zhuǎn)變成電能的旋轉(zhuǎn)機械 直流發(fā)電機的物理模型如右圖所示 圖中： N，S為主磁極，不動 abcd為線圈，旋轉(zhuǎn) 1，2為換向片，旋轉(zhuǎn) A，B為電刷，不動een直流發(fā)電機的物理模型直流發(fā)電機動畫第34頁/共51頁1直流發(fā)電機的工作原理 當(dāng)原動機驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n逆時針旋轉(zhuǎn)時 根據(jù)電磁感應(yīng)定律可知 在線圈abcd中有感應(yīng)電動勢 感應(yīng)電動

13、勢大小：e = Blv 感應(yīng)電動勢方向：由右手定則確定 在右圖所示瞬間 導(dǎo)體ab在N極下，e方向：由b指向a 導(dǎo)體cd在S極下，e方向：由d指向c 電刷A極性為正，電刷B極性為負een直流發(fā)電機的物理模型第35頁/共51頁1直流發(fā)電機的工作原理 當(dāng)電樞逆時針旋轉(zhuǎn)180后，如右圖 導(dǎo)體ab與cd互換了位置 用感應(yīng)電動勢的右手定則判斷 導(dǎo)體ab在S極下，e方向：由a指向b 導(dǎo)體cd在N極下，e方向：由c指向d 導(dǎo)體ab、cd的e方向都與剛才的相反 但由于換向片隨著線圈一起旋轉(zhuǎn) 與電刷B接觸的換向片與電刷A接觸 與電刷A接觸的換向片與電刷B接觸 電刷A極性仍為正，電刷B極性為負een直流發(fā)電機的物理

14、模型第36頁/共51頁1直流發(fā)電機的工作原理 從圖可知，和電刷A接觸的導(dǎo)體總是位于N極下，和電刷B接觸的導(dǎo)體總是位于S極下 可見，電刷A的極性總是正的，電刷B的極性總是負的，在電刷A、B兩端可獲得直流電動勢t0edat0eda圖2.7 線圈感應(yīng)電動勢的變化曲線圖2.8 電刷之間的電動勢波形neenee交流電動勢直流電動勢直流發(fā)電機動畫第37頁/共51頁1直流發(fā)電機的工作原理 思考： 若無換向器？ 綜上所述可知： 在直流發(fā)電機中 線圈上的感應(yīng)電動勢是交變的 但在電刷上的電動勢方向卻是始終不變的t0edat0eda圖2.7 線圈感應(yīng)電動勢的變化曲線圖2.8 電刷之間的電動勢波形neenee交流電動

15、勢直流電動勢第38頁/共51頁1直流發(fā)電機的工作原理 此時，換向片所起的作用： 是將線圈內(nèi)的交流電動勢 改變?yōu)橥怆娐返闹绷麟妱觿?即所謂的 整流作用t0edat0eda圖2.7 線圈感應(yīng)電動勢的變化曲線圖2.8 電刷之間的電動勢波形neenee交流電動勢直流電動勢第39頁/共51頁2直流電動機的工作原理 直流電動機是將電能轉(zhuǎn)變成機械能的旋轉(zhuǎn)機械 直流電動機的物理模型 如右圖所示 與發(fā)電機物理模型 不同之處： 線圈不由原動機拖動 電刷A、B接到直流電源上iiff直流電動機的物理模型直流電動機原理動畫第40頁/共51頁2直流電動機的工作原理 電刷A接正極，電刷B接負極 線圈abcd有電流流過，方向

16、如圖所示 根據(jù)安培定律可知，載流導(dǎo)體受到電磁力，大小：f = Bli 導(dǎo)體受力方向：由左手定則確定 N極下導(dǎo)體ab受力方向：從右向左 S 極下導(dǎo)體cd受力方向：從左向右 該電磁力形成逆時針方向的電磁轉(zhuǎn)矩 當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩大于阻轉(zhuǎn)矩時 電樞逆時針方向旋轉(zhuǎn)iiff直流電動機的物理模型動畫第41頁/共51頁2直流電動機的工作原理 當(dāng)電樞逆時針旋轉(zhuǎn)180后，如右圖 導(dǎo)體ab與cd互換了位置 由于直流電源產(chǎn)生電流的方向不變 導(dǎo)體ab、cd的i方向都與剛才的相反 用安培定律的左手定則判斷 導(dǎo)體ab受力方向變?yōu)椋簭淖笙蛴?導(dǎo)體cd受力方向變?yōu)椋簭挠蚁蜃?導(dǎo)體ab、cd受力方向都與剛才相反 電磁力仍形成逆時針方向電

17、磁轉(zhuǎn)矩 線圈繼續(xù)逆時針方向旋轉(zhuǎn)iiff直流電動機的物理模型動畫第42頁/共51頁2直流電動機的工作原理第43頁/共51頁2直流電動機的工作原理 從以上分析可見： 在直流電動機中 線圈中的電流方向是交變的 但產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向卻是單方向的 此時，換向片所起的作用： 將外電路的直流電流 改變?yōu)榫€圈內(nèi)的交變電流 即所謂的逆變作用直流電動機動畫第44頁/共51頁勵磁方式 直流電機的磁場： 多數(shù)由勵磁繞組通以直流勵磁電流產(chǎn)生 少數(shù)由永久磁鐵產(chǎn)生永磁式直流電機 定義： 直流電動機勵磁繞組的供電方式 即勵磁繞組獲得勵磁電流的方式第45頁/共51頁勵磁方式 分類： 實質(zhì)： 勵磁繞組和電樞繞組如何連接他勵自勵并勵串勵復(fù)勵勵磁電流由其他直流電源單獨供給勵磁電流由電機自身供給第46頁/共51頁1他勵式 接線圖如圖所示 勵磁繞組與電樞繞組不相連接 勵磁電流 由其他直流電源 單獨供