第3章直流電機的建模與特性-1ppt課件

1、第3章 直流電機內容簡介 直流電機的基本運行原理構造電磁關系數學模型即基本方程式和等效電路）直流電動機和發(fā)電機運行特性的分析與計算。直流電機的圖片直流電機的圖片3.1 直流電機的基本運行原理與結構A、直流電機的基本運行原理圖2.1 通電導體和線圈在磁場下的受力分析結論：結論： 要產生有效的電磁轉矩，必須確保要產生有效的電磁轉矩，必須確保N極下的導體中電流方向總是流入，極下的導體中電流方向總是流入，S極下的導體極下的導體中電流方向總是流出。在直流電動機中，上述任務是由機械式換向器和電刷來完成的。中電流方向總是流出。在直流電動機中，上述任務是由機械式換向器和電刷來完成的。 ISbNacdIFFTn

2、電動機電動機+-直流直流電壓電壓AB沒有電刷的情況沒有電刷的情況換向片換向片ISbNacdIFFTn電動機電動機AB+-ISbNacd電刷電刷IFFTn電動機電動機+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷與換向器配合ABISbNacdIFFTn電動機電動機+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷與換向器配合ABeSbNacdeFFTn發(fā)電機發(fā)電機沒有電刷的情況沒有電刷的情況+-AB換向片換向片eSbNacdeFFTn發(fā)電機發(fā)電機+-ABeSbNacd電刷電刷eFFTn發(fā)電機發(fā)電機+-電刷與換向器配合電刷與換向器配合ABeSbNacdeFFTn發(fā)電機發(fā)電機+-直流直流電壓電壓電刷與換向器配合電刷

3、與換向器配合AB圖2.2 直流電機的運行原理示意圖結論：結論： （1 1直流電機電樞繞組內部的感應電勢和電流為交流，而電刷直流電機電樞繞組內部的感應電勢和電流為交流，而電刷外部的電壓和電流為直流；外部的電壓和電流為直流； （2 2對直流電動機而言，電刷和換向器起到了由外部電源直流對直流電動機而言，電刷和換向器起到了由外部電源直流到內部繞組交流的轉換作用，即相當于一個機械式逆變器；到內部繞組交流的轉換作用，即相當于一個機械式逆變器； （3 3對直流發(fā)電機而言，電刷和換向器起到了由內部繞組交流對直流發(fā)電機而言，電刷和換向器起到了由內部繞組交流到外部電源直流的轉換作用，即相當于一個機械式整流器。到外

4、部電源直流的轉換作用，即相當于一個機械式整流器。n為什么要使用電刷和換向器？換向片為什么要彼此絕緣？電刷和換向器的配合有什么問題？n電機可逆性原理n直流發(fā)電機電樞上有電磁轉矩嗎？什么性質？n直流電動機電樞上有感應電動勢嗎？n電樞上電流產生磁場嗎？對主磁場有什么影響？B、直流電機的結構圖2.3 直流電機的結構圖1-機座 2-主磁極 3-勵磁繞組 4-風扇 5-軸承 6-軸 7-端蓋 8-換向極 9-換向極繞組10-端蓋 11-電刷裝置 12-換向器 13-電樞繞組 14-電樞鐵心電 機 結 構（1額定功率：定義為額定狀態(tài)下的輸出功率，用 表示；)(kWWPN或 直流電機的額定數據直流電機的額定數

5、據 對于電動機，額定功率是指轉子軸上輸出的機械功率 ； 對于發(fā)電機，額定功率則是指定子側繞組輸出的電功率。（2額定電壓：定義為額定狀態(tài)下的電壓，用 表示；)(kVVUN或)(kAAIN或（3額定電流：定義為額定狀態(tài)下的電流，用 表示。（4額定轉速：定義為額定狀態(tài)下的轉速，用 表示；min)/(rnN（5） 額定效率： 定義為額定條件下電機的輸出功率與輸入功率之比，用 表示。 （6） 額定勵磁電壓、額定勵磁電流(%)N額定數據之間存在如下關系： 對于直流電動機： 對于直流發(fā)電機：NNNNIUPNNNIUP （2-2）（2-1）3.2 3.2 直流電機的電樞繞組直流電機的電樞繞組A、對電樞繞組的要

6、求 正、負電刷之間所感應的電勢應正、負電刷之間所感應的電勢應盡可能大盡可能大 節(jié)省材料、結構簡單節(jié)省材料、結構簡單 強度高電、機械、熱）、運行強度高電、機械、熱）、運行可靠可靠B、直流電機的簡單繞組結論: 電樞繞組為閉合繞組; 直流線圈基本上是整距線圈C、直流電樞繞組的基本型式a a、幾個術語、幾個術語分類：疊繞組、波繞組、混合繞組分類：疊繞組、波繞組、混合繞組 元件：即單個繞組，它是多匝線圈組成；元件數元件：即單個繞組，它是多匝線圈組成；元件數S 極距：一個主磁極在電樞表面所跨的距離極距：一個主磁極在電樞表面所跨的距離/相鄰兩主極之間的距相鄰兩主極之間的距離，用離，用 表示；表示； (3)

7、槽和虛槽槽和虛槽 槽數槽數Q 、虛槽數、虛槽數Qu 元件數元件數S=換向片數換向片數K=虛槽數虛槽數Qu(4) 第一節(jié)距第一節(jié)距 同一個元件的兩條有效邊在電樞同一個元件的兩條有效邊在電樞表面上所跨的距離表面上所跨的距離 y1根據第一節(jié)距與極距的關系，繞組分為整距繞根據第一節(jié)距與極距的關系，繞組分為整距繞組、短距繞組或長距繞組組、短距繞組或長距繞組(5) 合成節(jié)距合成節(jié)距 相串聯的兩個元件的對應元件邊相串聯的兩個元件的對應元件邊在電樞表面所跨的距離在電樞表面所跨的距離 y 元件的連接次序和連接規(guī)律就取決于合成元件的連接次序和連接規(guī)律就取決于合成節(jié)距節(jié)距 疊繞和波繞的差別主要體現在合成節(jié)距上疊繞和

8、波繞的差別主要體現在合成節(jié)距上(6) 換向器節(jié)距換向器節(jié)距 在換向器表面上，同一個元在換向器表面上，同一個元件的兩個出線端所接的兩個換向片之間所件的兩個出線端所接的兩個換向片之間所跨的距離跨的距離 yc 換向器節(jié)距換向器節(jié)距 yc = 合成節(jié)距合成節(jié)距 y單疊繞組連接實例單疊繞組連接實例已知數據已知數據 p=2 (4極極) S=K=Qu=16 (單疊繞組單疊繞組 Q=Qu，即轉子，即轉子16槽槽)步驟步驟 (1) 計算數據計算數據 y和和y1 (2) 畫繞組展開圖畫繞組展開圖 (3) 放置磁極和電刷放置磁極和電刷y=yc=1n元件1 n上元件邊放在1號槽，下元件邊就放在5號槽n元件2 n上元件

9、邊放在2號槽，下元件邊就放在6號槽n 以此類推n單疊繞組的特點單疊繞組的特點3.3 3.3 直流電機的各種勵磁方式與磁場直流電機的各種勵磁方式與磁場3.3.1 直流電機的各種勵磁方式勵磁繞組的供電方式勵磁繞組的供電方式注意勵磁繞組的繞制注意勵磁繞組的繞制和連接和連接3.3.2 空載時 直流電機的磁場空載： 直流電機的空載是指電樞電流(或輸出功率)為零的運行狀態(tài)。主磁場： 僅由定子勵磁磁勢或安匝單獨產生的磁場稱為主磁場，亦即空載時的總磁場或氣隙磁場）；A A、空載主磁場的分布、空載主磁場的分布或很小或很小注意經過的路徑注意經過的路徑3.3.3 負載時 直流電機的電樞反應磁場aFA A、電樞反應與

10、電樞反應磁勢的性質、電樞反應與電樞反應磁勢的性質電樞磁勢：電樞磁勢： 直流電機負載后的電樞電流所產生的磁勢或安匝數），稱為直流電機負載后的電樞電流所產生的磁勢或安匝數），稱為電樞磁勢。電樞磁勢。電樞反應：電樞反應： 電樞磁勢對主磁場的影響稱為電樞反應，相應的電樞磁勢又電樞磁勢對主磁場的影響稱為電樞反應，相應的電樞磁勢又稱為電樞反應磁勢。稱為電樞反應磁勢。直流電樞磁勢的特點：直流電樞磁勢的特點：電樞磁勢與定子直流勵磁磁勢相互垂直；電樞磁勢與定子直流勵磁磁勢相互垂直；電樞磁勢與定子勵磁磁勢一樣相對定子靜止電樞磁勢與定子勵磁磁勢一樣相對定子靜止 不動。不動。電樞磁勢單獨作用所產生的電樞磁場分布圖電樞

11、磁勢單獨作用所產生的電樞磁場分布圖考慮磁路飽和的情況考慮磁路飽和的情況3.4 電樞的感應電動勢和電磁轉矩3.4.1 電樞繞組的感應電動勢電樞繞組的感應電動勢每根導體的瞬時電勢為：lvxbxe)()(導體沿圓周的線速度為： 26022aaDnDv每根導體的平均電勢為：101( )Ee x dx每條支路即正、負電刷之間的感應電勢為：式中， 為電勢常數， 為每極下的磁通。aNpCe60結論： 直流電機正、負電刷之間的感應電勢與轉子轉速以及每極的磁通成正比。3.4.2 3.4.2 電樞的電磁轉矩電樞的電磁轉矩每根導體所產生的電磁力和電磁轉矩分別為：lixbxfa)()(2)(2)()(aaaemDli

12、xbDxfx微元dx上的導體所產生的電磁轉矩為： ldxxbaNIdxDNDlaIxbdxDNxTdaaaaaemem)(422)()(每極下的電磁轉矩為： aNIldxbaNITdTaxaemav4400總電磁轉矩為： aTaavemICIaNppTT22式中， 為轉矩系數。aNpCT2eTCaNpaNpC55. 9260602結論： 直流電機所產生的電磁轉矩與電樞電流以及每極的磁通成正比。直流電機電磁轉矩的性質直流電機電磁轉矩的性質直流電機的電磁轉矩與電機結構、氣隙磁通及直流電機的電磁轉矩與電機結構、氣隙磁通及電樞電流有關。電樞電流有關。發(fā)電機發(fā)電機是制動性質的轉矩與電機轉速反是制動性質的

13、轉矩與電機轉速反向）向）電動機電動機是驅動性質的轉矩與電機轉速同是驅動性質的轉矩與電機轉速同向）向）3.5 直流電機的基本方程和功率流程圖1、當直流電機作發(fā)電機運行、當直流電機作發(fā)電機運行a、電壓平衡方程式、電壓平衡方程式 假定直流發(fā)電機的正方向如圖所示又稱為發(fā)電機慣例）。直流發(fā)電機的暫動態(tài)電壓平衡方程式變?yōu)椋浩浞€(wěn)態(tài)運行時的電勢平衡方程式為：fffaaaaIRUIRUE他勵并勵串勵b、轉矩平衡方程式、轉矩平衡方程式直流發(fā)電機暫態(tài)和穩(wěn)態(tài)運行時的動力學方程式分別為：dttdJTTTem)(0101TTTem2. 2. 當直流電機作電動機運行當直流電機作電動機運行 根據圖中各物理量的假定正方向即電動

14、機慣例），得暫動態(tài)電壓平衡方程式為： dttdiLtiRUdttdiLtiRteUfffffaaaaaa)()()()()(一旦電動機穩(wěn)態(tài)運行，則可獲得直流電動機的穩(wěn)態(tài)電壓平衡方程式為： fffaaaaIRUIREUa、電壓平衡方程式、電壓平衡方程式b b、轉矩平衡方程式、轉矩平衡方程式 根據牛頓第二定律和圖中假定的正方向，得直流電動機暫態(tài)運行時的動力學方程式為：dttdJTTTem)(02穩(wěn)態(tài)時，機械角速度 =常數，則穩(wěn)態(tài)運行時的動力學方程式變?yōu)椋?)(t02TTTem他勵并勵串勵C、直流電機的電磁功率aaaaaTememIEInaNpInaNpICTP606022直流發(fā)電機：從機械功率轉化

15、為電功率的那一部分功率直流電動機：從電功率轉化為機械功率的那一部分功率電磁功率Pem是能量形態(tài)變化的基礎。D、直流電機的功率流程圖以并勵直流電動機為例加以說明。由KCL得： faIII1于是，輸入電功率為：)(1111faIIUIUP(2-32)考慮到 ，則式2-32變?yōu)椋篴UU 1經過氣隙的電磁功率為： emaaemTIEP又電磁轉矩： ，于是有：02TTTemmecFeememppPpPTTTP20202其中，機械軸上的輸出功率為： ；空載損耗 ； 22TPmecFeppTp00 同樣的過程，可得并勵直流發(fā)電機的功率流程圖如下圖所示。例題：一臺并勵直流發(fā)電機，例題：一臺并勵直流發(fā)電機，PN=20KW，UN=230V，nN=1500r/min,電樞回路總電阻電樞回路總電阻Ra=0.156,勵磁回路總電阻勵磁回路總電阻Rf =73.3，額，額定負載時的機械損耗和鐵耗定負載時的機械損耗和鐵耗pmec+pfe=1KW,設附加損