电机及电力拖动-直流电机的换向PPT讲稿.ppt

电机及电力拖动课件-直流电机的换向第1页，共25页，编辑于2022年，星期日 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。产生火花的原因很多，除了电磁原因外，还有机械的原因。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。此外换向过程还伴随着电化学和电热学等现象。元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历的时间，称为换向周期换向周期。换向周。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。经过电刷时都要经历换向过程。第2页，共25页，编辑于2022年，星期日1.6.2 1.6.2 换向的电磁理论换向的电磁理论换向元件中的电动势：换向元件中的电动势：自感电动势自感电动势 和互感电动势和互感电动势 ：换向元件（线圈）在换向过：换向元件（线圈）在换向过程中电流改变而产生的。程中电流改变而产生的。旋转电动势旋转电动势 ：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电：在几何中性线处，由于电枢反应在存在，电枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。枢反应磁密不为零，在换向元件中感应切割电动势。换向元件中的合成电动势为：换向元件中的合成电动势为：根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和旋转电动势总是阻根据楞次定律，自感电动势、互感电动势和旋转电动势总是阻碍换向的。碍换向的。第3页，共25页，编辑于2022年，星期日换向元件中的电流：换向元件中的电流：设两相邻的换向片与电刷设两相邻的换向片与电刷的接触电阻分别是的接触电阻分别是 和和 ，元件自身的电阻忽略不计，元件自身的电阻忽略不计,元件在换向时的回路方程：元件在换向时的回路方程：第4页，共25页，编辑于2022年，星期日 忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，则可推导出换向元忽略元件电阻和元件与换向片间的连线电阻，则可推导出换向元件中的电流变化规律为：件中的电流变化规律为：换向电流；换向电流；附加电流；附加电流；第5页，共25页，编辑于2022年，星期日一、直线换向当当 时换向元件电流随时间时换向元件电流随时间线性变化。线性变化。当当 时换向元件电流随时间不时换向元件电流随时间不是线性变化，出现电流延迟现象。是线性变化，出现电流延迟现象。二、延迟换向当当 时换向元件电流随时间再时换向元件电流随时间再是线性变化，出现电流超前现象。是线性变化，出现电流超前现象。三、超越换向直线换向直线换向延迟换向延迟换向超越换向超越换向第6页，共25页，编辑于2022年，星期日1.6.3 改善换向的方法改善换向的方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时的合成电动势不为零，换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷换向元件中产生附加换向电流，附加换向电流足够大时会在电刷下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生下产生火花。还有机械和化学方面的因素也能引起换向不良产生火花。火花。改善换向一般采用以下方法：改善换向一般采用以下方法：1、选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻、选择合适的电刷，增加换向片与电刷之间的接触电阻2、装设换向极、装设换向极位于几何中性线处装换向磁位于几何中性线处装换向磁极。换向绕组与电枢绕组串极。换向绕组与电枢绕组串联，在换向元件处产生换向联，在换向元件处产生换向磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势3、大型直流电机在主磁极、大型直流电机在主磁极极靴内安装补偿绕组极靴内安装补偿绕组补偿绕组与电枢绕组串联，产生补偿绕组与电枢绕组串联，产生的磁动势抵消电枢反应磁动势的磁动势抵消电枢反应磁动势第7页，共25页，编辑于2022年，星期日1.7.1 1.7.1 直流发电机的励磁方式直流发电机的励磁方式1.7 直流发电机 供给励磁绕组电流的方式称为供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式励磁方式。分为。分为他励他励和和自励自励两大类，两大类，自励方式又分自励方式又分并励并励、串励串励和和复励复励三种方式。三种方式。1 1、他励、他励：直流电机的励磁电流由：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。其它直流电源单独供给。他励直流发电机的电枢电流他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：和负载电流相同，即：第8页，共25页，编辑于2022年，星期日2 2、并励、并励：发电机的励磁绕组与电枢发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足绕组并联。且满足3 3、串励、串励：励磁绕组与电枢绕组串联。励磁绕组与电枢绕组串联。满足满足第9页，共25页，编辑于2022年，星期日4 4、复励：、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。第10页，共25页，编辑于2022年，星期日1.7.2 1.7.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向一一.电动势平衡方程电动势平衡方程从方程式可见，直流发电机满足从方程式可见，直流发电机满足二二.转矩平衡方程转矩平衡方程发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给的驱动转矩 、电磁转、电磁转矩矩 和机械摩擦等引起的空载转矩和机械摩擦等引起的空载转矩 。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为：第11页，共25页，编辑于2022年，星期日直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流三、励磁特性公式三、励磁特性公式四四.功率平衡方程功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率电磁功率机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗铁损耗、附加损耗附加损耗 空载损耗空载损耗 包括：包括：电磁功率电磁功率一方面代表电动势为一方面代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。械功率。电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上的铜损耗输出的电功率输出的电功率自励发电机中还应减去励磁绕组损耗自励发电机中还应减去励磁绕组损耗第12页，共25页，编辑于2022年，星期日1.7.3 他励发电机的运行特性他励发电机的运行特性一、空载特性定义定义:当当 、时，时，直流发电机的空载特性是非线性直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。特性曲线。空载时空载时空载特性曲线上升分支空载特性曲线上升分支空载特性曲线下降分支空载特性曲线下降分支平均空载特性曲线平均空载特性曲线空载特性实质上就是空载特性实质上就是 。所以空载特性曲线的形状与空载磁所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。化特性曲线相同。第13页，共25页，编辑于2022年，星期日二、外特性定义：当定义：当 、时，时，由曲线可见，负载电流增大时，端电压有由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。所下降。他励他励并励 根据根据 可知可知端电压下降端电压下降有两个原因：有两个原因：(一一)在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；每极磁通量减少，使电动势减少；(二二)电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。为什么为什么低低?第14页，共25页，编辑于2022年，星期日三、调节特性定义：当定义：当 、时，时，由曲线可见，在负载电流变化时，由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响输出端电压的影响.1.7.41.7.4 并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性 并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压并励发电机的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。第15页，共25页，编辑于2022年，星期日一、自励条件 曲线曲线1 1为空载特性曲线为空载特性曲线,曲线曲线2 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线，特性曲线，也称场阻线也称场阻线 。原动机带动发电机旋转时，如果主磁原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生动势。在电动势作用下励磁回路产生 。增大增大 ,场阻线变为曲线场阻线变为曲线3 3时，时，称为临界电阻称为临界电阻 。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使励磁电流产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，主磁路磁通增加，电动势增大，增加。增加。如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压如此不断增长，直到励磁绕组两端的电压与与 相等，达到稳定的平衡工作点相等，达到稳定的平衡工作点A A。第16页，共25页，编辑于2022年，星期日可见，并励直流发电机的自励条件有：可见，并励直流发电机的自励条件有：二、空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。（1）电机的主磁路有剩磁（3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确思考题思考题电机正转能自励电机正转能自励,反转能自励吗反转能自励吗?第17页，共25页，编辑于2022年，星期日三、外特性三、外特性四、调节特性四、调节特性 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。调节特性与他励发电机的相差不大。对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步步下降下降。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。第18页，共25页，编辑于2022年，星期日1.8 直流电动机1.8.1 1.8.1 直流电机的可逆原理直流电机的可逆原理 以他励电机为例说明可逆原理：以他励电机为例说明可逆原理：把一台他励直流发电机并联于直流把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行保持电源电压不变。电网上运行保持电源电压不变。一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电机的可逆原理。是直流电机的可逆原理。减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当转速下降到一定程度时，使得一定程度时，使得 ，此时电枢电流为零，发电机输出的电，此时电枢电流为零，发电机输出的电功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。功率为零，原动机输入的机械功率仅用来补偿电机的空载损耗。继续降低原动机的转速，将有继续降低原动机的转速，将有 ，电枢电流反向，这时，电枢电流反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。变到发电机状态。第19页，共25页，编辑于2022年，星期日并励直流发电机的功率图第20页，共25页，编辑于2022年，星期日第1章 直流电机1.8.2 直流电动机的基本方程规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向如图,电动机的基本方程如下：电动机的基本方程如下：第21页，共25页，编辑于2022年，星期日1.8.3 1.8.3 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性1 1、转速特性、转速特性一、他励（并励）直流电动机的工作特性定义：当定义：当 、时，时，由方程式可得由方程式可得 忽略电枢反应的去磁作用，转速与负忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化载电流按线性关系变化2 2、转矩特性、转矩特性转矩表达式转矩表达式 考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。升的慢。定义：当定义：当 、时，时，第22页，共25页，编辑于2022年，星期日3 3、效率特性、效率特性由方程式可得由方程式可得 空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。定义：当定义：当 、时，时，第23页，共25页，编辑于2022年，星期日并励直流电动机的功率图第24页，共25页，编辑于2022年，星期日二、串励直流电动机的工作特性 当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：线性关系。即：转速特性转速特性转矩特性转矩特性 当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。励电动机相同。当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。所以串励电动机不宜轻载或空载运行。第25页，共25页，编辑于2022年，星期日