電機與拖動-第2章直流電機原理分解課件

1、第2章 直流電機原理2.1 直流電機的結構和基本原理 2.2 直流電機的電樞繞組和磁場 2.3 直流電機的感應電動勢和電磁轉矩 2.4 直流電動機運行原理 2.5 直流發(fā)電機運行原理 第2章 直流電機原理2.1 直流電機的結構和基本原理 2.1直流電機的結構和基本原理2.1.1 直流電機的結構2022/10/1422.1直流電機的結構和基本原理2.1.1 直流電機的結構2 直流電機結構圖端蓋 端蓋 磁軛 主磁極勵磁繞組 電樞鐵心 電樞繞組 換向器 電刷裝置軸 軸承 風扇 換向極繞組 換向磁極 2022/10/143 直流電機結構圖端蓋 端蓋 磁軛 主磁極勵磁繞組 電樞鐵心1. 定子(stato

2、r)產生磁場和作電機的機械支撐2022/10/1441. 定子(stator)產生磁場和作電機的機械支撐2022 主磁極 機座 主磁極鐵心 勵磁 繞組 絕緣 框架 電樞鐵心 螺栓 機座 換向極 主磁極 主磁極和機座 2022/10/145 主磁極 機座 主磁極鐵心 勵磁 絕緣 電樞鐵心 螺栓 機座換向極和電刷 換向極繞組 換向極鐵心 銅絲辮 壓緊彈簧 電刷 刷握 2022/10/146換向極和電刷 換向極繞組 換向極鐵心 銅絲辮 壓緊彈簧2. 轉子(rotor) (電樞armature) 電樞鐵心和繞組 換向器 轉軸和風扇 2022/10/1472. 轉子(rotor) (電樞armature

3、) 電樞鐵2.1.2 直流電機工作原理 電動機工作原理 NSAXUiaiaffTemNSUXAiaiaffTem線圈邊中電流不改變方向，則平均 Tem = 0。 2022/10/1482.1.2 直流電機工作原理 電動機工作原理 NSAX 電動機工作原理 NSAXB1B2換向片 電刷 UiaiaffTemNSUXB1B2AiaiaffTem電刷和換向片的作用是什么？ 線圈邊切割磁力線會產生什么？ eaeaeaea2022/10/149 電動機工作原理 NSAXB1B2換向片 電刷 ia 有磁場，電源通過電刷和換向器向電樞繞組通入直流電。根據電磁力定律，直流電動機電樞繞組產生電磁力矩，驅動機械負

4、載。同時，根據電磁感應定律，電樞繞組內部也產生感應電勢反電動勢。輸入的直流電能克服反電動勢，通過氣隙磁場做功，電能轉換成機械能。2022/10/1410 有磁場，電源通過電刷和換向器向電樞繞組通入直流電。根據電磁直流電流交流電流電磁轉矩(拖動轉矩)換向 機械負載 旋轉 克 服 反電動勢做功 電動機的電磁關系外加電源電刷和換向器電樞繞組內部氣隙磁場轉子2022/10/1411直流電流交流電流電磁轉矩換向 機械負載 旋轉 克 服NST1AXeaeaB2B1EaB1XANST1B2eaeaEa電刷和換向片的作用是什么？ 載流導體在磁場中會產生什么？ ffff 直流發(fā)電機 2022/10/1412NS

5、T1AXeaeaB2B1B1XANST1B2eaea 原動機拖動轉子旋轉，根據電磁感應定律，直流發(fā)電機電樞繞組產生感應電勢，同時，根據電磁力定律，旋轉的電樞繞組切割磁場，也產生電磁轉矩與旋轉方向相反。2022/10/1413 原動機拖動轉子旋轉，根據電磁感應定律，直流發(fā) 氣隙磁場的分布波形及線圈電動勢波形 0Bt 2 3 A X 0eXAt NS0AX +e0eB1B2t 2022/10/1414 氣隙磁場的分布波形及線圈電動勢波形 0Bt 2 每極下有 3 個串聯線圈時的電動勢波形 0 et 2 3 在直流發(fā)電機中，換向器和電刷的共同作用：將線圈中的交流電動勢整流成刷間的直流電動勢；把轉動的

6、電路與外面不轉的電路聯接。 2022/10/1415 每極下有 3 個串聯線圈時的電動勢波形 0 et 電磁關系 輸出直流電 換向 原動機感應電動勢和電流 電磁轉矩 (阻轉矩) 做功 氣隙磁場電樞繞組內部機械能電刷和換向器轉子2022/10/1416 電磁關系 輸出換向 原動機感應電動 電磁轉矩 做功2.1.3 直流電機額定值1. 銘牌直流電動機型號Z395產品編號7001結構類型勵磁方式他勵功率30kW勵磁電壓220V電壓220V工作方式連續(xù)電流160.5A絕緣等級定子B轉子B轉速750r/min重量685kg標準編號JB110468出廠日期 年 月2022/10/14172.1.3 直流電

7、機額定值1. 銘牌直流電動機型號Z39額定電壓 UN(V) 發(fā)電機的 UN ：指輸出電壓的額定值。 電動機的 UN ：指輸入電壓的額定值。額定電流 IN(A) 發(fā)電機的 IN ：指輸出電流的額定值。 電動機的 IN ：指輸入電流的額定值。額定功率 PN (kW) 發(fā)電機的 PN ：指輸出電功率的額定值。 電動機的 PN ：指輸出機械功率的額定值。 額定轉速 nN(r/min)2.額定值 2022/10/1418額定電壓 UN(V)2.額定值 2022/10/1118額定勵磁電壓 UfN(V)額定勵磁電流 IfN(A) 額定狀態(tài) ： 指 U、I、P、n 均為額定值的狀態(tài)。 滿載狀態(tài) ： 指 I

8、= IN 的狀態(tài)。例21一臺Z2型直流發(fā)電機，UN=230V，nN=1450r/min，PN=145kW， N90，求該發(fā)電機的額定電流和額定輸入功率例22一臺直流電動機，UN=110V，nN=1000r/m，PN=22kW， N84，求該電動機的額定電流和額定輸入功率2022/10/1419額定勵磁電壓 UfN(V)例21一臺Z2型直流發(fā)電機， Z2系列是普通中小型直流電機。 ZZJ系列是一種冶金起重輔助傳動直流電動機適用于軋鋼機、起重機、升降機、電鏟等。 其他系列的直流電機型號、技術數據可從產品目錄或相關的手冊中查到。2.直流電機的型號和系列 國產直流電機的系列產品代號采用大寫漢語拼音字母

9、表示，型號采用漢語拼音字母和阿拉伯數字組合表示，例如：“Z2-72”表示直流電動機、第二次改進設計型，“7”表示機座號，7后面的2表示長鐵心（2號表示長鐵心，1號表示短鐵心）。2022/10/1420 Z2系列是普通中小型直流電機。 2.直流電機的型號和系列 2.2電機的電樞繞組和磁場2.2.1 直流電機電樞繞組1. 繞組的基本概念 單疊繞組、單波繞組、復疊繞組、 復波繞組、蛙繞組（疊繞和波繞混合繞組）。 (1) 元件 是構成電樞繞組的基本 單元，其兩端分別與兩 片換向片相連的單匝或 多匝線圈。 后端接 上元件邊 前端接 下元件邊 2022/10/14212.2電機的電樞繞組和磁場2.2.1

10、直流電機電樞繞組1. (2) 疊繞組和波繞組 疊繞元件 波繞元件 元件邊 (有效邊) 匝數為1的是單匝元件，匝數大于1的是多匝元件。由于工藝等原因，電樞不宜開太多的槽，在一實際的槽中，上、下層嵌放多個(設為u個)元件邊。 將一個上層邊和一個下層邊在槽內所占的空間稱為一個虛槽。若電樞每槽上、下層只有一個元件邊，則總元件數Z等于實槽數Q；若每槽的上、下層各有u個元件邊時，則有：Z=uQ=Qu，Qu為虛槽數。2022/10/1422(2) 疊繞組和波繞組 疊繞元件 波繞元件 元件(3) 節(jié)距 各元件在電樞表面的幾何關系一般用元件的節(jié)距表示2022/10/1423(3) 節(jié)距 各元件在電樞表面的幾何關

11、系一般用元件的第一節(jié)距y1 指同一元件的二個有效邊在電樞表面跨過的距離，用槽數表示。其表達式為：式中為把y1湊整的小于1的分數。當=0，y1=（極距）稱為整距元件；當0稱為長距元件；當0稱為短距元件，實際電機中采用短距元件，可節(jié)省銅。 第二節(jié)距y2 指兩個相串聯的元件中第一個元件的下層邊與第二個元件的上層邊所跨的距離，用槽數表示。2022/10/1424第一節(jié)距y1式中為把y1湊整的小于1的分數。第二節(jié)距y22合成節(jié)距y 指直接串聯的兩個元件的對應邊所跨的距離。換相器節(jié)距yk 指同一元件的兩個出線端所接的兩換相片之間所跨的距離，用換相片數表示。(4) 極距 相鄰兩個主磁極軸線之間的距離稱作極距

12、，記作 ，一般用槽數表示，即有： =Z 2p 電樞總槽數 主磁極極對數 2022/10/1425合成節(jié)距y(4) 極距 =Z 電樞總槽數 主磁極極對2. 單疊繞組連接 單疊繞組是以相鄰元件依次串聯的聯接規(guī)律連成的，每個元件的兩個出線端分別接到相鄰的兩個換相片上，最后形成一閉合回路。例23 以總元件數為6的電機為例，說明單疊繞組的聯接。設S（元件數）=K（換相片數）=Z（槽數）=6，u=1，2p=2，則合成節(jié)距y =1，極距=第一節(jié)距y1=3，換相器節(jié)距yk =1（右行繞），第二節(jié)距y2= y1 - y = 3-1= 2，上述數據所表示的實際電機繞組安放如圖。 2022/10/14262. 單疊

13、繞組連接 單疊繞組是以相鄰元件依次串2022/10/14272022/10/1127 展開圖雖然能反應電樞繞組聯接規(guī)律，也能說明電機內部電磁關系，但畫展開圖太麻煩，在分析電機內部電磁關系時，采用電機模型。 無論電機有多少對磁極都只用N、S一對磁極表示，不畫換相器，電刷放在幾何中性線處，并與位于幾何中性線處的元件接觸，一個圓圈代表一個元件。 2022/10/1428 展開圖雖然能反應電樞繞組聯接規(guī)律，也能說明電 電動機 發(fā)電機 e e e e e e e e EA1 2 3 48 7 6 5BIa 結論： 整個電樞繞組通過換向片連成一個閉合回路。 1 2 3 48 7 6 5ABIae e e

14、e e e e e E電樞電流支路電流并聯支路對數a 一個串聯支路上的導體數 N為電樞的全部導體數2022/10/1429 電動機 發(fā)電機 e e e MM2.2.2 直流電機的勵磁方式 IfIa 他勵 并勵 串勵 復勵 1. 直流電動機按勵磁方式分類I If Ia Ua Uf U MMU I Ia UI If If Ia 2022/10/1430MM2.2.2 直流電機的勵磁方式 IfIa 他勵 2. 直流發(fā)電機按勵磁方式分類GI Uf Ua If Ia 分為他勵和自勵。GI Ia U If GIa If I U GIa U If I 他勵 串勵（自勵） 并勵（自勵） 復勵（自勵） 2022

15、/10/14312. 直流發(fā)電機按勵磁方式分類GI Uf Ua If Ia 2.2.3 直流電機的磁場 1. 空載磁場 直流電機空載是指電機對外無功率輸出、不帶負載空轉的一種狀態(tài)。 直流電機空載時，勵磁繞組內有勵磁電流，電動機電樞電流很小可忽略，而發(fā)電機電樞電流為零，這時電機的磁場由勵磁電流單獨建立。2022/10/14322.2.3 直流電機的磁場 1. 空載磁場 氣隙電樞齒轉子鐵心軛主磁極鐵心定子鐵心軛主磁通漏磁通主磁通漏磁通主磁通產生感應電動勢和電磁轉矩主磁通和漏磁通2022/10/1433氣隙電樞齒轉子鐵心軛主磁極鐵心定子鐵心軛主磁通漏磁通主磁通 Bav0BBBm產生主磁通時整個閉合磁

16、路所需的磁通勢為磁感應強度B 的分布2022/10/1434 Bav0BBBm產生主磁通時整個閉合磁路所電機主磁通與勵磁電流的關系可以計算或實驗測定氣隙線abc 磁化曲線磁感應強度B 的分布I00I0較小時鐵心不飽和，磁通勢主要作用在氣隙上。I0較大時鐵心飽和，勵磁電流與磁通是非線性關系。2022/10/1435電機主磁通與勵磁電流的關系可以計算或實驗測定氣隙線abc 2. 負載時的電樞磁動勢 幾何中性線 直軸d 交軸q Fa 2 2 O x x Fa(x) Ba(x) 直流電機負載運行時，電樞電流Ia不為零，氣隙中由電樞電流Ia產生電樞磁動勢Fa。2022/10/14362. 負載時的電樞磁

17、動勢 幾何直軸d 交軸q Fa 3. 電樞反應 當電機帶負載后，電樞繞組流過電流，出現電樞磁動勢。 電樞磁動勢對主磁極產生的磁場有影響，故對電機的運行性能也會產生一定的影響。把電樞磁動勢對勵磁磁動勢產生的影響稱為電樞反應(the armature reaction)。 當電刷位于幾何中性線時，電樞反應使氣隙磁場發(fā)生畸變并使物理中性線偏移, 當磁路飽和時有祛磁作用。 直流電機負載運行時主磁極的一端磁通增加，另一端磁通減少，使氣隙磁場的分布發(fā)生扭斜，氣隙磁密過零的地方偏離了幾何中心線，呈現不均勻分布，出現了電樞反應。 2022/10/14373. 電樞反應 當電機帶負載后，電樞繞組流過電流，出現電

18、樞磁Ba 2 2 O x N S B0 B 將通過圓心和電樞圓周上徑向磁密為 零的點連接成的直線物理中性線。 N S 幾何中性線 物理 中性線 2022/10/1438Ba O x N S B0 B 將通過圓2.3直流電機的感應電勢和電磁轉矩2.3.1 直流電機的感應電動勢 1. 感應電動勢的產生B 電樞旋轉 n磁 場 ex ex Ea 2. 感應電動勢的大小(1) 每根導體的感應電動勢 ex = Bxlv Bx 導體所在處的氣隙磁密。 l 導體的有效長度。 v 導體切割磁場線的線速度。 2022/10/14392.3直流電機的感應電勢和電磁轉矩2.3.1 直流電機的感應= n pN 60a

19、(2) 電樞電動勢的大小 設電樞總導體數為 N，則每條支路的導體為 ，故v = n2R60= n2p 60N 2a Ea= ex 1 N/2a = Bxlv 1 N/2a = lv Bx1 N/2a B Bav平均氣隙磁密 = lv Bav N 2a = l n 2p 60 l N 2a = Ce n 每極下的磁通 2022/10/1440= n pN (2) 電樞電動勢的大小 E = Ce n Ce 電動勢常數。 單位：Wb 單位：r/min (V) 3. 感應電動勢的方向和性質 方向：由 和 n 共同決定。 性質：發(fā)電機為電源電動勢； 電動機為反電動勢。2022/10/1441 1. 電磁

20、轉矩的產生 電樞電流 ia 磁 場 f Tem 2. 電磁轉矩的大小 設電刷在幾何中性線處，元件為整距。 (1) 同一極下每根導體受到的平均電磁力為 fav = Bavlia ia 導體中的電流 。 每根導體受到的平均電磁轉矩為 Tav = fav = Bav lia D 2 D 2 2.3.2 直流電機的電磁轉矩 2022/10/14421. 電磁轉矩的產生f Tem 2. 電磁轉矩的大小Tav電樞直徑為： 電樞電流與支路電流的關系為： 則 D =2p ia =Ia 2a Tem = NTav = N Bav lia D 2 = N l l Ia 2a p = IapN2a (Nm) Tem

21、 = CT Ia CT 轉矩常數。 單位：Wb單位：A2022/10/1443電樞直徑為：D =2p ia =Ia Tem = NTav3. 電磁轉矩的方向和性質 方向：由 和 Ia 共同決定。 性質：發(fā)電機為制動轉矩，Tem 與 n 方向相反。 電動機為拖動轉矩，Tem 與 n 方向相同。 4. 電動勢常數和轉矩常數的關系 ，CT = pN 2a Ce = pN 60a 因為 則 問題如何使他勵、并勵、串勵直流電動機反轉？2022/10/14443. 電磁轉矩的方向和性質 ，CT = pN Ce = p2.4.1 基本方程式(以他勵電機為例)TemTL=T0+ T2IfIaEaMGU+-+-

22、Ufn1. 電壓方程電樞回路電壓 U=Ea+IaRa勵磁回路電壓2. 轉矩方程電磁轉矩轉矩平衡方程T em=T2+T0輸出轉矩空載轉矩穩(wěn)定運行時T2+T0=TL2.4 直流電動機運行原理2022/10/14452.4.1 基本方程式(以他勵電機為例)TemTL=T0+3. 功率(1)輸入功率電壓平衡方程 U = Ea+ IaRa等式兩邊同時乘以電源電流I(他勵電機的IIa)(2)電磁功率2022/10/14463. 功率(1)輸入功率電壓平衡方程 U = Ea+ IaR(3)輸出功率根據轉矩平衡方程等式兩邊同時乘以空載損耗鐵損耗機械損耗(4)總損耗附加損耗(5)效率2022/10/1447(3

23、)輸出功率根據轉矩平衡方程等式兩邊同時乘以空載損耗鐵損(6)功率流程圖P1pCuPemp0P2 當忽略空載損耗不計，Tem=TL，電動機的電樞電流由負載轉矩TL和磁通決定電樞電流2022/10/1448(6)功率流程圖P1pCuPemp0P2 當忽略空載2.4.2 直流電動機的工作特性 電動機的轉速n 、電磁轉矩T 、效率與輸出功率P2 或（Ia）的關系叫工作特性。1. 他(并勵)電動機(1)轉速特性：n = f(Ia）研究條件：U=UN, If=IfN數學表達式U = Ea + IaRa且Ea = CennIa0n0IaNnN轉速變化率他、并勵電機n=（28）% 當Ia 時，n 下降不多(硬

24、特性)。 2022/10/14492.4.2 直流電動機的工作特性 電動機的轉速n 勵磁電路斷電的后果 當 If = 0， = r 很小，n 不能突變 Ea 很小 Tem = CTr Ia 仍有一定數值。 Ia 若 Tem TL n (飛車) 若TemTL n n = 0 ( 悶車) (2)轉矩特性：Tem=f(Ia）研究條件：U=UN， If=IfNO Tem Ia 若不計磁路飽和，則 TemIa ； 若計及磁路飽和，則 Tem 隨著 Ia 的增加略有下降。 2022/10/1450 勵磁電路斷電的后果 當 If = 0， = r 很(3)效率特性：=f(P2）研究條件：U=UN， If=I

25、fNIa0PCu可變損耗 ；p0不變損耗；當它們相等時效率最大 2022/10/1451(3)效率特性：=f(P2）研究條件：U=UN， If=I【例24】 已知某并勵直流電動機，PN = 22 kW, UN = 220 V, IN = 115 A, nN = 1500 r/min, 電樞電阻Ra = 0.18 ，勵磁電阻 Rf628 。試求：(1) CeN、CTN ； (2) 電磁轉矩 Tem；(3) 額定輸出轉矩 T2；(4) 空載轉矩T0 ； (5) 理想空載轉速 n0 與實際空載轉速 n0 。 解：(1) 2022/10/1452【例24】 已知某并勵直流電動機，PN = 22 k20

26、22/10/14532022/10/11532. 串勵電動機 特點是I=If=Ia，主磁通隨負載電流Ia的變化而變化。MU I Uf If Ua Ia (1) 轉速特性n=f(Ia)電機空載或輕載運行，Tem=0If=Ia0(很小)串勵直流電動機絕對不允許空載或輕載運行2022/10/14542. 串勵電動機 特點是I=If=Ia，主磁通隨 他勵電動機的與Ia無關，而串勵電動機If=Ia， 與Ia符合磁化曲線關系.輕載時Ia較小，轉速與電樞電流是非線性關系nIa0雙曲線重載時Ia= If 較大， 近似不變轉速與電樞電流是線性關系直線 當Ia 時，n 下降較多(軟特性)。 2022/10/145

27、5 他勵電動機的與Ia無關，而串勵電動機If=Ia， (2)轉矩特性Tem=f(Ia)根據Tem=CT Ia 輕載時=kIa拋物線TIa0重載時=常數直線串勵直流電動機適用于負載轉矩在較大范圍內變化和要求有較大起動轉矩及過載能力的生產機械上。2022/10/1456(2)轉矩特性Tem=f(Ia)根據Tem=CT Ia 輕3. 復勵電動機M-UIIaIf串勵勵磁繞組匝數少，導線粗，電阻小并勵勵磁繞組，匝數多，導線細，電阻大兩個勵磁繞組磁通勢方向相同稱為積復勵電動機兩個勵磁繞組磁通勢方向相反稱為差復勵電動機nIa0并勵串勵復勵復勵電動機的起動轉矩和過載能力大，可以在空載和輕載狀態(tài)下運行。2022

28、/10/14573. 復勵電動機M-UIIaIf串勵勵磁繞組并勵勵磁繞組，GI UIf Ia Uf 勵 磁 Uf If Ea n原動機電樞U1. 電壓平衡方程 Uf = Rf If U = EaRaIaE調節(jié)Rf If 可調 可調 Ea 可調 U可調。 2. 轉矩平衡方程 T1 = TemT0 2.5 直流發(fā)電機運行原理2.5.1 基本方程式(以他勵電機為例)2022/10/1458GI UIf Ia Uf 勵 磁 Uf If 當發(fā)電機P2增加時，輸出電流Ia增大、Tem增大，必須加大外力矩T1才能維持正常運轉。當發(fā)電機空載運行時，其轉子的阻轉矩只有T0。轉矩平衡方程：T1 =T0。當發(fā)電機負

29、載運行時，其轉子的阻（制動）轉矩有T0和電磁轉矩Tem。轉矩平衡方程為： 發(fā)電機必須有外力矩T1，才能維持正常運轉。其中：2022/10/1459 當發(fā)電機P2增加時，輸出電流Ia增大、Tem增大，必須加大3. 功率平衡方程 T1 = Tem T0 P1 = PemP0 Pem = EaIa Pem = P2pCua p0 = pFepmpad = UaIaRaIa 2 輸入功率 P1： 電磁功率 Pem ： 空載損耗 P0 : P1pm+ padpFePempCua P2外力矩為了克服制動轉矩（Tem和T0）提供機械力矩（功率）；并部分轉換成了電磁功率傳給了電樞。2022/10/14603.

30、 功率平衡方程 T1 = Tem T0 =2.5.2 直流發(fā)電機運行特性 直流發(fā)電機中，物理量U（端電壓）、Ia（電樞電流）、If（勵磁電流）兩兩間的關系稱為發(fā)電機運行特性。1. 他勵發(fā)電機(1)空載特性U0 = f (If) 當n = nN且Ia = 0時，U0與If關系也等于E0與If 關系，即 E0 = f (If)O If U0 當勵磁電流為零時的電壓是什么電壓？Er剩磁感應 電動勢2022/10/14612.5.2 直流發(fā)電機運行特性 直流發(fā)電機中(2)外特性U = f (Ia)當If = IfN ，n = nN時，U與Ia的關系曲線下降原因： U = Ea-IaRa電樞反應去磁，使

31、Ea減小內阻Ra有壓降 (主要)電壓變化的程度用U表示，稱為電壓變化率他勵電機U = (510)%O Ia U U0UNIN2022/10/1462(2)外特性U = f (Ia)當If = IfN ，n =當 n = nN，U = UN 時： If = f (Ia)O I If IfNIaN（3）調節(jié)特性 （4）效率特性 = 100%P2P1 小型發(fā)電機： N = 70% 90% 中大型發(fā)電機： N = 91% 96%當 n = nN，U = UN 時： = f (P2)2022/10/1463當 n = nN，U = UN 時：O I If IfNIa2. 并勵直流發(fā)電機的自勵與外特性 GI Ia U If Ea問題：Ea ？ Ea ？ (1)并