东北电力大学电机学讲义第27章.ppt

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1、 东北电力大学东北电力大学第第27章章 直流电机的换向直流电机的换向 直流电机的电枢旋转时，由于换向器的作用，电枢元件从一条支路进入另一条支路，元件内电流的方向发生了改变，元件电流改变方向的过程，称为换向换向。换向前后的电流大小相等、方向相反。在直流电机中，任何瞬间都有元件在换向。换向是直流电机的共同问题，也是制约直流电机进一步发展的最主要问题。直流电机换向不好，将在电刷和换向器之间引起火花，火花超过一定程度，将烧坏电刷和换向器。火花严重时，还可能与电位差火花汇合在一起，形成环火，烧毁电机。此外，火花还会产生电磁波，产生无线电干扰。27-1 换向过程的物理现象 东北电力大学东北电力大学换向过程

2、非常复杂，涉及到机械、电磁和电化学等多方面的因素，目前对换向的理论分析，都是建立在一定简化基础上的，尚不能完全解决实际问题。下面仅介绍影响换向的电磁因素和改善换向的方法。一、换向过程一、换向过程图27-1表示一单叠绕组元件的换向过程。假设换向元件编号为1，电刷宽度b等于换向片宽度 ，片间绝缘厚度忽略不计，电枢绕组以线速度 向左移动。图(a)中，元件1属于电刷右边的支路，其中的电流为 ，电刷仅与换向片1接触；运动到图(b)所示位置时，电刷同时与换向片1和2接触，元件1被短路，其中的电流发生变化 东北电力大学东北电力大学，从 开始衰减，直至电刷与换向片2完全接触；在图(c)所示位置，元件1已属于电

3、刷左边的支路，流过的电流是 ,所以从图(a)到图(c)，元件1经历了换向过程，称为换向元件。元件1、换向片1、换向片2、电刷所构成的回路，称为换向回路。换向回路内的电流，也就是换向元件内的电流称为换向电流。换向过程经历的时间称为换向周期，用 表示。换向周期很短，一般约几个毫秒。东北电力大学东北电力大学 图27-1 单叠绕组元件中电流的换向过程（a）换向开始；（b）正在换向；（c）换向结束 东北电力大学东北电力大学 图27-2所示为理想换向过程中换向元件中电流随时间变化的波形，其中Tc是元件从一种极性电刷转到另一种极性电刷下所经历的时间，一般为几十毫秒。这里认为换向电流线性变化，是理想的换向过程

4、。在实际换向过程中，换向回路中存在多种感应电动势，对换向电流产生很大影响，导致实际换向过程与理想换向过程差别很大。图27-2 理想换向过程中换向元件中的电流 东北电力大学东北电力大学一、换向元件中的感应电动势一、换向元件中的感应电动势在换向过程中，换向元件内将产生两种感应电动势，下面分别讨论。1 1 电抗电动势电抗电动势换向元件本身有自感，还有与其它元件之间的互感。换向电流的变化将在换向元件内产生自感电动势和互感电动势，二者的合成电动势称为电抗电动势电抗电动势。由于所有元件所产生的合成气隙磁通为交轴电枢反应磁通，不在换向元件内产生感应电动势，故电抗电动势仅由换向元件的漏磁通所感应产生；在换向周

5、期内，电抗电动势的平均值为 。根据电磁感应定律，电抗电动势总是阻碍电流的变化，由于换向元件内电流不断减小，故 的方向与换向前的电流方向相同。27-2 换向火花及其产生的原因 东北电力大学东北电力大学2 2 旋转电动势旋转电动势理想情况下，换向元件的两个边位于几何中性线位置上。由于电枢反应磁场的影响，几何中性线位置的气隙磁密不为零，换向元件切割磁场，产生感应电动势 ,称为旋转电动势或运动电动势运动电动势。无论是电动机还是发电机，旋转电动势的方向总与换向前的电流方向一致。即 与 的方向相同。在大多数直流电机中，为改善换向，在几何中性线位置安装换向极，换向极产生的磁场比电枢反应磁场略强而方向相反，此

6、时几何中性线位置的磁场方向与无换向极时的方向相反，因而 和 的方向相反。换向元件中总的电动势应是旋转电动势和电抗电动势的代数和，即 东北电力大学东北电力大学 为理想情况。通常情况下 。若 较大，将导致换向不良，在电刷下产生火花。二、换向元件中电流的变化规律二、换向元件中电流的变化规律 直线换向当换向元件中的合成电动势 时，换向元件中的电流变化规律大体为一直线，这种换向称为直线换向直线换向，如图27-3(a)所示。直线换向的特点是，电刷接触面上的电流密度分布均匀、换向良好。东北电力大学东北电力大学延迟换向延迟换向 以电抗电动势 作为正值，如果 ，则换向元件中的电流 由直线换向电流 和由合成电动势

7、 产生的附加换向电流 叠加而成，如图27-3(b)所示。的出现，使换向元件中的电流改变方向的时刻向后推延，因此这种换向称为延迟换向延迟换向。延迟换向结束时，被电刷短路的换向元件瞬时断开，后刷边容易出现火花，导致换向不良。超越换向超越换向 若换向极磁场较强，则换向元件中与电抗电动势反向的旋转电动势可能大于电抗电动势，此时 ，附加换向电流 将反向，因而换向元件中电流改变方向的时刻将比直线换向时提前，如图 27-3(c)所示，这种换向称为超越换向超越换向，轻微的超越换向有一定好处，但过度的超越换向也是不利的 东北电力大学东北电力大学图27-3 换向元件中电流的变化 东北电力大学东北电力大学四、火花等

8、级 虽然直流电机在运行时电刷下往往产生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不会危及电机的运行。火花严重时，会影响电机运行甚至损坏电机。根据国家标准，电刷下的火花可以分为五个等级，即1级、级、级2 级和3级。1 1 级级 表示无火花。级级 电刷边缘及小部分有微弱的火花点或者非放电性红色小火花，换向器上没有黑痕，电刷上没有灼痕。级级电刷边缘大部分或全部有轻微的火花，换向器上有黑痕，但用汽油可擦除，同时在电刷上有轻微的灼痕。东北电力大学东北电力大学 2 2级级 电刷边缘全部或大部分有强烈的火花，换向器上有黑痕，用汽油不能擦除，同时电刷上有灼痕。3 3级级 在电刷的整个边缘上都有强烈的火花，同时有大火

9、花飞出。换向器严重发黑，用汽油不能擦掉，而且电刷有烧焦和损坏。1级、级和 级火花均为持续运行中无害的火花。在2级火花作用下，换向器表面会出现炭渣和黑色痕迹，如运行时间过长，黑色痕迹也将扩展，同时电刷和换向器的磨损也显著增加。所以 2 级火花只允许在短时过载时出现。3级火花是危险的，仅允许在直接起动或反转的瞬间出现，正常运行时是不允许的。东北电力大学东北电力大学27-3 27-3 改善换向的方法改善换向的方法 换向不良将使电刷下出现火花，使换向器表面受到损伤，电刷磨损加快。改善换向的目的在于消除电刷下的火花，虽然产生火花的原因比较复杂，但若能设法减少或消除附加换向电流ic，就可以改善换向。下面介

10、绍常见的改善换向方法。移动电刷移动电刷 由于电枢反应的存在，几何中性线位置的磁密不再为零，换向元件内产生旋转电动势，使换向恶化。可以采用移动电刷的方法，使几何中性线位置的磁密为零，可以改善换向。对于直流发电机，应顺电机旋转方向移动电刷；东北电力大学东北电力大学对于直流电动机，应逆电机旋转方向移动电刷。电刷的移动是在电机生产过程中实现的，电机制成之后，电刷无法移动。该方法缺点比较明显，当负载变动时，电枢反应发生变化，电刷位置不一定合适，可能使换向恶化；此外，若电机允许正反转，则该方法也不适合。这种方法只在运行情况固定而负载变化又不大的单向旋转的直流电机中采用。安装换向极安装换向极 几乎所有的直流

11、电机都在两个主极之间的几何中性线处装有换向极，如图27-4所示。换向极的磁动势除抵消电枢磁动势以外，还在换向区内产生一个与电枢磁场相反的换向磁场，使换向元件切割该磁场后产生的电动势与相抵消，这样就可以消除附加换向电流，改善换向。东北电力大学东北电力大学 换向极的极性可以由换向极磁场与电枢磁场相反的原则来确定。对于图27-4所示主极极性，电机作发电机逆时针旋转时，电枢磁场的方向为自左至右，故换向极磁场的方向为自右至左。由此可见，在发电机中，换向极的极性应与顺旋转方向的下一个主极的极性相同；在电动机中，换向极的极性与发电机相反。由于电抗电动势与电枢电流成正比，所以换向磁场也应与电枢电流成正比，使切割换向磁场产生的电动势与电枢电流成正比，和在不同负载下均能抵消，所以换向极绕组应与电枢绕组串联。东北电力大学东北电力大学 实践证明，只要换向极设计合理，可以实现无火花换向。因此，当直流电机的容量大于1kW时，大多装设换向极。此外，选择牌号合适的电刷和绕组型式，也可改善换向。图27-4 装设换向极改善换向