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1、第七節(jié) 直流電機(jī)的運(yùn)行原理 直流電機(jī)的基本方程式 直流電動機(jī)的工作特性 直流發(fā)電機(jī)的特性一、直流電機(jī)的基本方程式:(電系統(tǒng)的電勢平衡方程式,機(jī)械系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式,能量系統(tǒng)的功率平衡方程式。)1、電勢平衡方程式: A、不計(jì)磁路飽和效應(yīng),并勵電動機(jī)電樞回路和勵磁回路的電勢方程式:aEaIfIfffaaaaafafaIRUUIREIRIGUUB、并勵發(fā)電機(jī)電勢方程式:發(fā)電機(jī)的 大于 。aEaIfIfffaaaaIRUIRUEaEaU2、轉(zhuǎn)矩平衡方程式:A、電動機(jī): 瞬態(tài)方程(電磁轉(zhuǎn)矩 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)態(tài)方程B、發(fā)電機(jī): 瞬態(tài)方程原動機(jī)拖動轉(zhuǎn)矩 穩(wěn)態(tài)方程 dtdJtMtMtM)()()(02dtdJt
2、MtMtM)()()(0102MMM01MMM 空載轉(zhuǎn)矩慣性轉(zhuǎn)矩3、功率方程式:A、直流電機(jī)中的損耗、效率:損耗有三類 消耗于導(dǎo)體電阻中。 消耗于摩擦損耗、通風(fēng)和機(jī)械損耗。 消耗于鐵心中的損耗。鐵耗: 由于電樞旋轉(zhuǎn)時主磁通在電樞鐵心內(nèi)交變而引起的。銅耗:電樞回路銅耗勵磁回路銅耗電刷接觸銅耗 為一對電刷總接觸電壓降。Fep1cupaacuarIp2sU2ffcufrIp2sasUIp 2機(jī)械損耗: 包括軸承摩擦損耗、電刷摩擦損耗、定轉(zhuǎn)子和空氣的摩擦損耗。附加損耗: 電樞齒、槽存在,使氣隙磁通產(chǎn)生脈動,電樞反應(yīng)使磁場畸變引起的鐵耗。換向電流引起的損耗。 按額定容量的% 計(jì)算 , 無補(bǔ)償繞組 按額定
3、容量的 0.5% 計(jì)算 , 有補(bǔ)償繞組在以上損耗中, , 隨負(fù)載變化而變化,稱為可變損耗; , , 為不變損耗。電機(jī)的效率ppppcuapspcufp %100)(21 %100)1 (%1002112fassaacufFeIIUIUrIpppPpPP當(dāng)不變損耗可變損耗時, 取得最大, 是 的二次曲線。B、并勵電動機(jī)的功率方程式: 電磁功率 機(jī)械功率 電功率maxaIppPMMIEMPPpppIIUUIPFeaaMMscuacufaf2021)()(1PMP2PFeppspcufpcuapC、并勵發(fā)電機(jī)的功率方程式: 電磁功率 電功率 機(jī)械功率FeMMscuacufasaaaaMppPpPMM
4、MPPpppIUrIUIEP00112)()2(1PMP2PFeppcufpcuapsp二、直流電動機(jī)的工作特性: 當(dāng)端電壓為額電壓,電樞回路無外串電阻,勵磁電流為額定勵磁電流時,電機(jī)轉(zhuǎn)速 ,電磁轉(zhuǎn)矩 ,和效率 與輸出功率 之間的關(guān)系。 即:實(shí)際運(yùn)行中, 可測,且 隨 增大而增大,所以,工作特性可表示為:nM2P)(,2PfMnaIaI2P)(,aIfMn1、并勵直流電動機(jī)的工作特性:A、轉(zhuǎn)速特性:aaaeaIREUnCEaaeaeInICRCUn0其中, 為理想空載轉(zhuǎn)速。轉(zhuǎn)速特性為一斜率為 的直線。當(dāng)電機(jī)磁路飽和時,隨著 的增大, 增大,電樞反應(yīng)的去磁作用使 增大,直線上翹。為保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)
5、行, 0采取措施使特性略為下降。B、轉(zhuǎn)矩特性: 不計(jì)去磁特性為一過原點(diǎn)的直線。當(dāng)考慮電樞反應(yīng)時,實(shí)際曲線偏離直線 ,仍接近于一條直線。 eCUn0eaCRaI0nn2PaInaMaMICMICM aMICMMnC、效率特性: 是 的二次曲線。當(dāng)不變損耗可變損耗時, 取得最大。 0 %100)(21 %100)1 (%1002112fassaacufFeIIUIUrIpppPpPPaImaxaImax2、串勵直流電動機(jī)的工作特性:基本方程式:不計(jì)飽和時:afafaaaaffaIIMMMIRREIRIREU )(02fMMaMfaMaMfeeaefeeaKCCICIICICMKCCnICnICnC
6、E2 nICnCERIRIEUaeeaffaaafaaaeaeeaaRRRRCICUCRIUn 1A、轉(zhuǎn)速特性:分析:a、轉(zhuǎn)速 隨著 的增大而迅速減小。 (因?yàn)?)。 b、空載時, 很小, 及 很小,電機(jī)必須 產(chǎn)生反電勢 與電源電壓相平衡, 因此, 很高。 理論上, 時, , 。 故串勵電動機(jī)不允許空載或輕負(fù)載運(yùn)行。naIfaII aIaaRInCEean0aI0nnnaIMM0B、轉(zhuǎn)矩特性:當(dāng) 增大, 很快減小,使 升很快。即,隨著 增大, 將以高于 的一次方比例增大。 在同樣大小的起動電流 下,串勵電動機(jī)的 大于并勵電動機(jī)的 。C、效率特性: 與并勵電動機(jī)類似。 2aMaMICICMaIn
7、MaIMaI %100)(21 %100)1 (%1002112fassaacufFeIIUIUrIpppPpPPstIstMstM并勵電動機(jī)與串勵電動機(jī)工作特性比較:A、串勵電機(jī)的 隨 增大而迅速下降。B、串勵電動機(jī)不允許空載或輕負(fù)載運(yùn)行。C、在同樣大小的起動電流 下,串勵電動機(jī)的 大于并勵電動機(jī)的 。naIstIstMstM串勵并勵stIMaI0串stM并stM3、復(fù)勵直流電動機(jī)的工作特性: 它介于并勵和串勵電動機(jī)特性之間。 當(dāng)并勵繞組磁勢起主要作用,特性接近于并勵電動機(jī)特性。 當(dāng)串勵繞組磁勢起主要作用,特性接近于串勵電動機(jī)特性。 在空載時無飛速現(xiàn)象。三、直流發(fā)電機(jī)的工作特性: 可測物理量
8、有:發(fā)電機(jī)端電壓 ,電樞電流 ,勵磁電流 ,轉(zhuǎn)速 等。有四種特性曲線:UaIfInCnIIfUaf , 0 , )(0CnCIIfUaf , , )(CnCIIfUfa , , )(CnCUIfIaf , , )(空載特性負(fù)載特性外特性調(diào)節(jié)特性(一)、他勵發(fā)電機(jī)特性:1、他勵發(fā)電機(jī)空載特性:當(dāng)電機(jī) 時,調(diào)節(jié)使發(fā)電機(jī)空載端電壓 , 然后使 逐漸回到零,測取空載端電壓 與 關(guān)系曲線 即為空載特性曲線 。分析:A、空載特性表明電機(jī)磁路的性質(zhì)。即:當(dāng) 一定時,電機(jī)繞組感應(yīng)電勢與其對應(yīng)磁勢的關(guān)系。B、改變勵磁電流 的方向,可測出反方向的 空載特性曲線。C、改變電機(jī)轉(zhuǎn)速 ,可得不同的空載特性曲線。D、并勵
9、、復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)的空載特性都以 他勵形式測取。enn eUU3 . 11 . 10fI0U0fI)(0fIfU n0fInfI空載特性曲線:0UfIfI0U1n2n21nn ofIo2、負(fù)載特性:當(dāng) , 時,端電壓 曲線。與空載特性比較:當(dāng) 上升時,兩曲線都上升。當(dāng) 一定時,兩特性的電壓不同。 空載 負(fù)載CnCIafIfI)(fIfU fIUo3、外特性:當(dāng) , 時,端電壓 曲線。當(dāng)負(fù)載電流及電樞電流增大時,曲線略為下垂。 積復(fù)勵 他勵 并勵CnCIf)(aIfU UIoeIeU4、調(diào)節(jié)特性:當(dāng) , 時,端電壓 曲線。當(dāng)電樞電流增大時,曲線往上翹。CnCU )(afIfIaIfI0fIeIfe
10、I(二)、并勵直流發(fā)電機(jī)空載電壓的建立:并勵和復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)均為自勵發(fā)電機(jī),首先應(yīng)在空載時建立電壓,然后再帶負(fù)載。自勵電壓建立的三個條件:必須有剩磁;勵磁繞組與電樞并聯(lián)的極性正確;勵磁回路中電阻小于臨界電阻。電機(jī)有剩磁,極性正確氣隙磁場得到加強(qiáng)電樞繞組電勢增加勵磁電流增加電樞端電壓建立起來如何穩(wěn)定呢?0fI0UrE0A臨界電阻線 勵磁電阻線 空載特性空載電壓建立能否穩(wěn)定?勵磁繞組端電壓 與勵磁電流 : 在磁路上滿足空載特性 ,在電路上滿足伏安特性 。當(dāng) 時 ,達(dá)穩(wěn)定點(diǎn)A。即兩曲線的交點(diǎn)。0UfI)(0fIfU 0fffIrU0UUf(三)、并勵、復(fù)勵直流發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行:當(dāng) ,建立自勵電壓后,保
11、持 ,接入負(fù)載 ,逐漸減小 ,測取 與 的曲線。下垂原因: 電樞反應(yīng); 積復(fù)勵 電樞繞組壓降; 他勵 并勵直流電機(jī)隨 并勵 的減小,電樞感應(yīng)電勢 大大減??; 串勵電機(jī) 隨負(fù)載變化,使 不穩(wěn)定,可安自動裝置。 CnCRfLRLRUIUUaEafII UIeI0UeU0 第八節(jié) 直流電機(jī)的換向 換向的電磁現(xiàn)象 改善換向的方法 補(bǔ)償繞組 直流電機(jī)電樞繞組中的電勢和電流是交變的。借助于換向器和電刷,在電刷間獲得直流電壓和電流。當(dāng)旋轉(zhuǎn)的電樞繞組元件從一條支路經(jīng)電刷底而進(jìn)入另一條支路時,該元件中的電流從一方向變換成另一方向,這種電流方向的變換稱為換向。 換向不良:電刷火花,燒壞電刷和換向器,電機(jī)不能運(yùn)行。
12、 換向過程復(fù)雜:電磁、機(jī)械、電化學(xué)等各方面因素。現(xiàn)僅就電磁現(xiàn)象及改善換向的方法作介紹:一、換向的電磁現(xiàn)象:2 1ai 2kv)(a2 12 1kvkvai 2ai 2)(c)(b 在上述過程中,元件1 中的電流改變了方向。經(jīng)過了一個換向過程。換向過程經(jīng)歷時間為換向周期 ,一般為千分之幾秒。 若換向元件中電勢為零,則元件中電流變化為線性的變化。實(shí)際換向元件中會出現(xiàn)兩種電勢:電抗電勢 ,電樞反應(yīng)電勢 。(一)、電抗電勢 :換向元件中在電流變化時,必然出現(xiàn)由自感和互感作用引起的感應(yīng)電勢,稱為電抗電勢 。由元件自感和互感漏磁通產(chǎn)生,作用是阻礙換向。 KTreaerereKararrTiLdttdiLe
13、2)(二)、電樞反應(yīng)電勢 : 由于電樞反應(yīng)的作用,換向元件的有效邊所處的電樞磁場的磁密不為零,元件邊將切割電樞磁場產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電勢,稱為電樞反應(yīng)電勢 。 其作用是阻礙換向。(三)、 和 均使電流換向延時。1、被電刷短路的換向元件瞬時斷開時,附加電流不為零,儲能以弧光放電轉(zhuǎn)化為熱能,產(chǎn)生火花。2、 、 均與電樞電流和轉(zhuǎn)速成正比。大電流,高轉(zhuǎn)速電機(jī)換向更困難。aeaeaaalvBe aerereaeitaiaiKiKi0二、改善換向的方法: 從減小和消除附加電流 著手:1、裝換向極。主極間幾何中性線處,繞組與電樞繞組串聯(lián)。作用:抵消電樞磁勢在幾何中性線處的作用; 剩余部分產(chǎn)生附加磁場 ,抵消 。2、移
14、動電刷位置。電刷移開幾何中性線一角度。 一般不常用。3、選用合適電刷:減小接觸電阻。 石墨電刷換向不困難的中小型電機(jī), 碳石墨電刷換向困難的中小型電機(jī),青銅石墨電刷低壓大電流電機(jī),紫銅石墨電刷低壓大電流電機(jī)。KireKB三、補(bǔ)償繞組: 在主極極靴上沖出一些均勻分布的槽,放置補(bǔ)償繞組。 補(bǔ)償繞組與電樞繞組串聯(lián)。磁勢與電樞磁勢方向相反,其作用是減小電樞反應(yīng)引起磁場畸變,防止環(huán)火。 結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本較高,一般不采用。環(huán)火產(chǎn)生原因: 電樞反應(yīng)磁場畸變,元件切割極尖下增磁區(qū)的 時感應(yīng)出很大的電勢,使處于該處換向片間的電位差很大,當(dāng)此電位差值超過一定限制,就發(fā)生換向片間電位差火花。該火花延伸到片間電壓較大處
15、,在正負(fù)電刷間形成電弧連通,使換向器周圍發(fā)生環(huán)火。B作業(yè):9月29日1、一臺P對極的直流電機(jī),電樞繞組為單迭繞組,其電樞繞組電阻為 ,電樞電流為 。若改接為單波繞組,并保持支路電流不變,問電樞繞組電阻和電樞電流將為多少?2、一臺并勵直流電動機(jī)在 的條件下運(yùn)行,電樞繞組電阻為 , 勵磁繞組電阻為額定負(fù)載時效率 求:額定輸入功率;額定輸出功率;總損耗;電樞回路銅耗;勵磁回路銅耗;電刷接觸損耗;附加損耗;機(jī)械損耗與鐵耗之和。安伏,80220NNIUaraI歐 08. 0ar伏, 22sU歐 8 .88fr 85N3、一臺并勵電動機(jī),1)、電動機(jī)的額定輸出轉(zhuǎn)矩;2)、在額定電流時的電磁轉(zhuǎn)矩;3)、當(dāng)電
16、樞電流 時,電機(jī)的轉(zhuǎn)速;4)、在總制動轉(zhuǎn)矩不變時,當(dāng)電樞中串入一電阻0.1歐,電機(jī)穩(wěn)定時的轉(zhuǎn)速。安伏,255440NNIU分,轉(zhuǎn)安千瓦,/500 ,596NfNNnIP歐,試求: 078. 0ar0aI4、一臺并勵電動機(jī),忽略電樞反應(yīng)作用,試求:1)、當(dāng)電樞電流 時,電機(jī)的轉(zhuǎn)速;2)、當(dāng)電樞電流 安 時,電動機(jī)的轉(zhuǎn)速;3)、若保持負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變,當(dāng)磁通減少15時,電機(jī)穩(wěn)定時的電樞電流和轉(zhuǎn)速。安伏,2 .82110NNIU分,轉(zhuǎn)千瓦,/1500 5 . 7NNnP歐,歐, 7 .46 1014. 0farr安60aI0aI 直流電機(jī)小結(jié) 1、直流電機(jī)的工作原理電和磁相互作用。電機(jī)外電路中電壓、電流
17、、電動勢為直流性質(zhì);每個繞組元件中的為交流性質(zhì)。fNNNNNInIUP、 4、電樞繞組直流電機(jī)的心臟,主要電路。由許多完全相同的繞組元件以一定的規(guī)律連接起來的閉合繞組。 疊繞組、波繞組。 并聯(lián)支路對數(shù)。2、結(jié)構(gòu)靜止的磁極、旋轉(zhuǎn)的電樞、氣隙。3、額定值5、磁場空載、負(fù)載時氣隙磁密波形。 電樞反應(yīng)。電機(jī)旋轉(zhuǎn)氣隙磁通變化電路磁鏈變化氣隙儲能變化電氣系統(tǒng)反應(yīng),產(chǎn)生E。E與I作用,輸入或輸出電能機(jī)械系統(tǒng)反應(yīng),產(chǎn)生T。T與n作用,輸入或輸出機(jī)械能 標(biāo)志機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的功率。emaaTIE6、能量轉(zhuǎn)換電氣系統(tǒng)(電樞繞組)、 機(jī)械系統(tǒng)(轉(zhuǎn)軸)、聯(lián)系兩系統(tǒng)的耦合介質(zhì) (磁場)。7、基本方程式電勢、轉(zhuǎn)矩、功率平衡方
18、程式。 分析電機(jī)的運(yùn)行特性、工作特性。8、并勵直流電動機(jī)恒速電動機(jī),T與I成正比。串勵直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速變化大,T與I平方成正比。復(fù)勵直流電動機(jī)介于兩者之間。9、直流發(fā)電機(jī)特性端電壓的建立、變化及調(diào) 節(jié)。勵磁方式不同特性不同。10、換向幾種電動勢阻礙換向。換向不良引起環(huán)火。補(bǔ)償繞組。思考題:1、在直流電機(jī)中,換向器起什么作用?2、在下列情況下,直流發(fā)電機(jī)電刷兩端電壓的性質(zhì)? 1)、磁極固定,電刷與電樞同時旋轉(zhuǎn)。 2)、電樞固定,電刷與磁極同時旋轉(zhuǎn)。3、下列哪種情況可以使連接在電網(wǎng)上的直流電機(jī)逆變?yōu)榘l(fā)電機(jī)? 1)、加大勵磁電流,使磁通增加,并使 。 2)、在電機(jī)軸上外加一轉(zhuǎn)矩,使其轉(zhuǎn)速上升,并使 。
19、4、并勵直流發(fā)電機(jī)正轉(zhuǎn)時能自勵,反轉(zhuǎn)能否自勵?為什么?應(yīng)如何處理?UEaUEa5、如何判斷直流電機(jī)是運(yùn)行于發(fā)電狀態(tài)還是電動狀態(tài)?它們的電磁轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電樞感應(yīng)電勢、電樞電流和端電壓的方向有何不同?能量轉(zhuǎn)換關(guān)系有何不同?6、一臺他勵直流電動機(jī)拖動一臺他勵直流發(fā)電機(jī),當(dāng)發(fā)電機(jī)電樞電流增加時,電動機(jī)的電樞電流如何變化?試分析其變化過程。7、直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動轉(zhuǎn)矩,當(dāng)電樞電流增大,即電磁轉(zhuǎn)矩增大時,轉(zhuǎn)速似乎應(yīng)該上升,但從其轉(zhuǎn)速特性看,其轉(zhuǎn)速隨電磁轉(zhuǎn)矩的增大而減小,為什么?8、串勵直流電機(jī)不能在空載下起動和運(yùn)行,而并勵和復(fù)勵直流電機(jī)就可以,為什么?9、要改變他勵、并勵、串勵、復(fù)勵直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向,應(yīng)采取什么措施?10、并勵直流電機(jī)正常運(yùn)行時,其
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