许晓峰版电机拖动电子教案全省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

电机与拖动电子教案电机与拖动电子教案电机与拖动电子教案电机与拖动电子教案第1页绪论绪论第一章第一章 直流电机直流电机第二章第二章 直流电动机电力拖动直流电动机电力拖动第三章第三章 变压器变压器第四章第四章 三相异步电动机三相异步电动机第五章第五章 三相异步电动机电力拖动三相异步电动机电力拖动第六章第六章 同时电机同时电机第七章第七章 驱动和控制微电机驱动和控制微电机第八章第八章 电力拖动系统中电动机选择电力拖动系统中电动机选择电机与拖动电子教案第2页绪 论 电机是利用电磁感应原理工作机械。电机是利用电磁感应原理工作机械。电机惯用分类方式有两种：一是按功效分，有发电机、电机惯用分类方式有两种：一是按功效分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。有变压器和旋转电机。0.1 电机及电力拖动系统概述两种方法归纳以下两种方法归纳以下：电机电机变压器变压器直流电机直流电机直流发电机直流发电机直流电动机直流电动机交流电机交流电机控制电机控制电机同时电机同时电机同时发电机同时发电机同时电动机同时电动机异步电机异步电机异步发电机异步发电机异步电动机异步电动机第3页绪 论 电机拖动系统电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行系统。包含：是用电动机来拖动机械运行系统。包含：电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。电动机、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。它们之间关系以下它们之间关系以下 电动机电动机传动机构传动机构生产负载生产负载控制设备控制设备电源电源第4页绪 论 本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和本课程是自动化、电气工程及自动化（供用电技术方向）和农业电气化与自动化等专业一门专业基础课。农业电气化与自动化等专业一门专业基础课。0.2 本课程性质、任务和内容 本课程任务是让学生掌握电机基本结构和工作原理，以及拖本课程任务是让学生掌握电机基本结构和工作原理，以及拖动系统运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电动系统运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和处理问题能力，为今后学习和工作打机及电力拖动方面分析和处理问题能力，为今后学习和工作打下坚实基础。下坚实基础。本课程内容有直流电机、直流电动机电力拖动、变压器、本课程内容有直流电机、直流电动机电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机电力拖动、同时电机、驱动三相异步电动机、三相异步电动机电力拖动、同时电机、驱动和控制微电机、电动机选择八个部分。和控制微电机、电动机选择八个部分。第5页绪 论 电机与拖动是一门理论性很强技术基础课，同时又含有专电机与拖动是一门理论性很强技术基础课，同时又含有专业课性质，包括基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力业课性质包括基础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识综合学、热力学等学科知识综合。用理论分析电机及拖动实际问用理论分析电机及拖动实际问题时，必须结合电机详细结构，采取工程观点和分析方法。掌题时，必须结合电机详细结构，采取工程观点和分析方法。掌握基本理论同时，还要注意培养试验操作技能和计算方法。握基本理论同时，还要注意培养试验操作技能和计算方法。0.3 本课程特点及学习方法 为了学好本门课程，必须做到以下几点：为了学好本门课程，必须做到以下几点：1 1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要原因；、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要原因；2 2、抓住重点，牢靠掌握基本概念、基本原理和主要特征抓住重点，牢靠掌握基本概念、基本原理和主要特征；3 3、要有良好学习方法，利用对比或比较方法，分析电机共性和、要有良好学习方法，利用对比或比较方法，分析电机共性和特点，加深对原理和性能了解；特点，加深对原理和性能了解；4 4、理论联络实际，重视科学试验和工程实践、理论联络实际，重视科学试验和工程实践；5 5、充分预习和复习。、充分预习和复习。第6页1.2 1.2 直流电机电枢绕组介绍直流电机电枢绕组介绍1.3 1.3 直流电机电枢反应直流电机电枢反应 本章主要讨论直流电机基本结构和工作原理，讨论直流电本章主要讨论直流电机基本结构和工作原理，讨论直流电机磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向机磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改进换向方法，从应用角度分析直流发电机运行特征和直流及改进换向方法，从应用角度分析直流发电机运行特征和直流电动机工作特征。电动机工作特征。1.4 1.4 直流电机电枢电动势和电磁转矩直流电机电枢电动势和电磁转矩1.5 1.5 直流电机换向直流电机换向1.6 1.6 直流发电机直流发电机1.7 1.7 直流电动机直流电动机1.1直流电机基本工作原理与结构直流电机基本工作原理与结构思索题与习题思索题与习题第7页基本要求：基本要求：1.掌握直流电机基本工作原理；2.了解直流电机基本结构和各部件主要作用；3.明确直流电机铭牌中主要额定数据及其含义以及在使用电机时应该注意事项；4.了解单叠绕组和单波绕组各节距计算方法；4.能够看懂并会绘制单叠绕组和单波绕组展开图。了解各绕组主要特点；5.了解电枢反应对电机影响；6.掌握电枢电动势和电磁转矩计算公式；7.了解直流发电机和直流电动机中电枢电动势和电磁转矩性质；8.了解直流电机换向过程和改进换向方法；9.了解直流电机各种励磁方式；10.掌握电磁功率关系式，并了解直流电机中机电能量是能够彼此相互转换；11.了解电机可逆原理。了解怎样判断一台电机是电动状态还是发电状态；12.掌握依据发电机通例和电动机通例稳态运行基本方程式；13.掌握自励直流发电机自励建压过程和条件；14.掌握直流发电机运行特征；15.掌握他励直流电动机运行时电机内功率关系。第8页1.1.1 直流电机工作原理直流电机工作原理1.1 直流电机基本工作原理和结构一、直流发电机工作原理 右图为直流发电机物理模型，右图为直流发电机物理模型，N N、S S为定子磁极，为定子磁极，abcdabcd是固定在可是固定在可旋转导磁圆柱体上线圈，线圈连同旋转导磁圆柱体上线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机转子或电枢。导磁圆柱体称为电机转子或电枢。线圈首末端线圈首末端a a、d d连接到两个相互绝连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转换向片上。缘并可随线圈一同旋转换向片上。转子线圈与外电路连接是经过放置转子线圈与外电路连接是经过放置在换向片上固定不动电刷进行。在换向片上固定不动电刷进行。直流发电机直流发电机是将机械能转变成电能旋转机械。是将机械能转变成电能旋转机械。第9页 当原动机驱动当原动机驱动电机转子逆时针旋电机转子逆时针旋转时同，线圈转时同，线圈abcdabcd将感应电动势。如将感应电动势。如右图，导体右图，导体abab在在N N极极下，下，a a点高电位，点高电位，b b点低电位；导体点低电位；导体cdcd在在S S极下，极下，c c点高电点高电位，位，d d点低电位；电点低电位；电刷刷A A极性为正，电刷极性为正，电刷B B极性为负。极性为负。第10页 当原动机驱动电机转子逆时针当原动机驱动电机转子逆时针旋转旋转 后，如右图后，如右图。与电刷与电刷A A接触导体总是位于接触导体总是位于N N极极下，与电刷下，与电刷B B接触导体总是位于接触导体总是位于S S极下极下,电刷电刷A A极性总是正，电刷极性总是正，电刷B B极极性总是负，在电刷性总是负，在电刷A A、B B两端可取两端可取得直流电动势。得直流电动势。导体导体abab在在S S极下，极下，a a点低电位，点低电位，b b点高电位；导体点高电位；导体cdcd在在N N极下，极下，c c点点低电位，低电位，d d点高电位；电刷点高电位；电刷A A极性极性仍为正，电刷仍为正，电刷B B极性仍为负。极性仍为负。实际直流发电机电枢是依据实际需要有多个线圈。线圈分布实际直流发电机电枢是依据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面不一样位置，按照一定规律连接起来，组成电机在电枢铁心表面不一样位置，按照一定规律连接起来，组成电机电枢绕组。磁极也是依据需要电枢绕组。磁极也是依据需要N N、S S极交替旋转多对。极交替旋转多对。第11页二、直流电动机工作原理 把电刷把电刷A A、B B接到直流电源上，接到直流电源上，电刷电刷A A接正极，电刷接正极，电刷B B接负极。此接负极。此时电枢线圈中将电流流过。时电枢线圈中将电流流过。直流电动机直流电动机是将电能转变是将电能转变成机械能旋转机械。成机械能旋转机械。在磁场作用下，在磁场作用下，N N极性下导体极性下导体abab受力方向从右向左，受力方向从右向左，S S 极下导极下导体体cdcd受力方向从左向右。该电磁受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向电磁转矩。当力形成逆时针方向电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。子逆时针方向旋转。第12页 原原N N极性下导体极性下导体abab转到转到S S极极下，受力方向从左向右，原下，受力方向从左向右，原S S 极下导体极下导体cdcd转到转到N N极下，受力方极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆向从右向左。该电磁力形成逆时针方向电磁转矩。线圈在该时针方向电磁转矩。线圈在该电磁力形成电磁转矩作用下继电磁力形成电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。续逆时针方向旋转。与直流发电机相同，实际直与直流发电机相同，实际直流电动机电枢并非单一线圈，磁流电动机电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。极也并非一对。当电枢旋转到右图所表示位置时当电枢旋转到右图所表示位置时第13页直流电直流电动机工动机工作原理作原理示意图示意图:第14页1.1 直流电机基本工作原理和结构1.1.2 直流电机主要结构主磁极主磁极：产生恒定气隙磁通，由铁心和励磁绕组组成：产生恒定气隙磁通，由铁心和励磁绕组组成换向磁极换向磁极：改进换向。：改进换向。电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合,完成直流与交流交换完成直流与交流交换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。定子定子转子转子换向器换向器：与电刷装置配合：与电刷装置配合,完成直流与交流交换。完成直流与交流交换。电枢铁心电枢铁心：主磁路一部分，放置电枢绕组。：主磁路一部分，放置电枢绕组。电枢绕组电枢绕组：由带绝缘导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘导线绕制而成，是电路部分。转转 轴：轴：由钢铁做成。由钢铁做成。轴轴 承：承：第15页第16页第17页第18页第19页1.1.3 直流电机铭牌数据及主要系列额定条件下电机额定条件下电机所能提供功率所能提供功率指电刷间输出额指电刷间输出额定电功率定电功率发电机发电机指轴上输出指轴上输出机械功率机械功率电动机电动机发电机：是指输出额定电压；发电机：是指输出额定电压；电动机：是指输入额定电压。电动机：是指输入额定电压。在额定工况下，电机在额定工况下，电机出线端平均电压出线端平均电压在额定电压下，运行于在额定电压下，运行于额定功率时对应电流额定功率时对应电流在额定电压、额定电流下，运在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应转速行于额定功率时对应转速.对应于额定电压、额定电流、额对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时励磁电流定转速及额定功率时励磁电流电机铭牌上还标有其它数电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。期、出厂编号等。第20页 另外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、另外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。出厂编号等。电机运行时，全部物理量与额定值相同电机运行时，全部物理量与额定值相同电机运行于电机运行于额定状态。电机运行电流小于额定电流额定状态。电机运行电流小于额定电流欠载运行；运行欠载运行；运行电流大于额定电流电流大于额定电流过载运行。长久欠载运行将造成电机过载运行。长久欠载运行将造成电机浪费，而长久过载运行会缩短电机使用寿命。电机最好运行浪费，而长久过载运行会缩短电机使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机运行效率、工作性能于额定状态或额定状态附近，此时电机运行效率、工作性能等比很好。等比很好。第21页1.2.1 直流枢绕组基本知识直流枢绕组基本知识1.2 直流电机电枢绕组介绍元件元件：组成绕组线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。组成绕组线圈称为绕组元件，分单匝和多匝两种。元件首末端元件首末端：每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一每一个元件均引出两根线与换向片相连，其中一根称为首端，另一根称为末端。根称为首端，另一根称为末端。极距极距：相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间距离，用相邻两个主磁极轴线沿电枢表面之间距离，用 表示。表示。叠绕组叠绕组：指串联两个元件总是后一个元件端接部分紧叠在前一个指串联两个元件总是后一个元件端接部分紧叠在前一个元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。元件端接部分，整个绕组成折叠式前进。波绕组波绕组：指把相隔约为一对极距同极性磁场下对应元件串联起指把相隔约为一对极距同极性磁场下对应元件串联起来，象波浪式前进。来，象波浪式前进。第一节距第一节距 ：一个元件两个有效边在电枢表面跨过距离。一个元件两个有效边在电枢表面跨过距离。第22页第23页第24页合成节距合成节距 ：连接同一换向片上两个元件对应边之间距离。连接同一换向片上两个元件对应边之间距离。第二节距第二节距 ：连至同一换向片上两个元件中第一个元件下层边连至同一换向片上两个元件中第一个元件下层边与第二个元件上层边间距离。与第二个元件上层边间距离。单叠绕组单叠绕组单波绕组单波绕组换向节距换向节距 ：同一元件首末端连接换向片之间距离。同一元件首末端连接换向片之间距离。1.2.2.1.2.2.单叠绕组单叠绕组 单叠绕组特点是相邻元件单叠绕组特点是相邻元件(线圈线圈)相互叠压相互叠压,合成节距与换向节合成节距与换向节距均为距均为1,1,即：即：单叠绕组展开图是把放在铁心槽里、组成绕组全部元件取出来画单叠绕组展开图是把放在铁心槽里、组成绕组全部元件取出来画在一张图里，展示元件相互间电气连接关系及主磁极、换向片、电刷在一张图里，展示元件相互间电气连接关系及主磁极、换向片、电刷间相对位置关系。间相对位置关系。第25页单叠绕组展开图单叠绕组展开图第26页依据单叠绕组展开图能够得到绕组并联支路电路图依据单叠绕组展开图能够得到绕组并联支路电路图:单叠绕组特点单叠绕组特点：1 1）同一主磁极下元件串）同一主磁极下元件串联成一条支路，主磁极数联成一条支路，主磁极数与支路数相同。与支路数相同。2 2）电刷数等于主磁极数，）电刷数等于主磁极数，电刷位置应使感应电动势电刷位置应使感应电动势最大，电刷间电动势等于最大，电刷间电动势等于并联支路电动势。并联支路电动势。3 3）电枢电流等于各支路）电枢电流等于各支路电流之和。电流之和。第27页.单波绕组单波绕组 单波绕组特点是合成节距与换向节距相等，展开图以下列单波绕组特点是合成节距与换向节距相等，展开图以下列图所表示。图所表示。两个串联元件放在两个串联元件放在同极磁极下，空间位置同极磁极下，空间位置相距约两个极距；沿圆相距约两个极距；沿圆周向一个方向绕一周后，周向一个方向绕一周后，其末尾所边换向片落在其末尾所边换向片落在与起始换向片相邻位置。与起始换向片相邻位置。第28页单波绕组并联支路图单波绕组并联支路图:单波绕组特点单波绕组特点1 1）同极下各元件串联）同极下各元件串联起来组成一条支路，支起来组成一条支路，支路对数为路对数为1 1，与磁极对，与磁极对数无关；数无关；2 2）当元件几何形状）当元件几何形状对称时，电刷在换对称时，电刷在换向器表面上位置对向器表面上位置对准主磁极中心线，准主磁极中心线，支路电动势最大支路电动势最大；3 3）电刷数等于磁极数；）电刷数等于磁极数；4 4）电枢电动势等于支路感应电动势；）电枢电动势等于支路感应电动势；5 5）电枢电流等于两条支路电流之和。）电枢电流等于两条支路电流之和。第29页1.3.1直流电机空载磁场直流电机空载磁场1.3 直流电机电枢反应 直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生直流电机工作中，主磁极产生主磁极磁动势，电枢电流产生电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势影响称为电枢磁动势。电枢磁动势对主极磁动势影响称为 电枢反应电枢反应。右图为一台四极直流电机空载时磁场示意图右图为一台四极直流电机空载时磁场示意图。当励磁绕组串联匝数为当励磁绕组串联匝数为 ，流过电流，流过电流 ，每极励磁，每极励磁磁动势为：磁动势为：第30页 直流电机中，直流电机中，主磁通主磁通是主要，它能在电枢绕组中感应电是主要，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而动势或产生电磁转矩，而漏磁通漏磁通没有这个作用，它只是增加没有这个作用，它只是增加主磁极磁路饱和程度。在数量上，主磁极磁路饱和程度。在数量上，漏磁通漏磁通比比主磁通主磁通小得多，小得多，大约是主磁通大约是主磁通20%20%。磁力线由磁力线由N N极出来，经气隙、极出来，经气隙、电枢齿部、电枢铁心铁轭、电枢齿部、电枢铁心铁轭、电枢齿部、气隙进入电枢齿部、气隙进入S S极，再极，再经定子铁轭回到经定子铁轭回到N N极极主磁通主磁通主磁路主磁路磁力线不进入电枢铁心，磁力线不进入电枢铁心，直接经过气隙、相邻磁极直接经过气隙、相邻磁极或定子铁轭形成闭合回路或定子铁轭形成闭合回路漏磁通漏磁通漏磁路漏磁路第31页 空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。当忽略铁磁材料磁阻时，主磁极下气隙磁通密度分布就取决于气隙大小和料磁阻时，主磁极下气隙磁通密度分布就取决于气隙大小和形状。形状。几何中性线几何中性线极靴极靴极身极身（a）气隙形状气隙形状 磁极中心及附近气隙磁极中心及附近气隙小且均匀，磁通密度较大小且均匀，磁通密度较大且基本为常数，靠近极尖且基本为常数，靠近极尖处，气隙逐步变大，磁通处，气隙逐步变大，磁通密度减小；极尖以外，气密度减小；极尖以外，气隙显著增大，磁通密度显隙显著增大，磁通密度显著降低，在磁极之间几何著降低，在磁极之间几何中性线处，气隙磁通密度中性线处，气隙磁通密度为零。为零。第32页 空载时气隙磁通密度为一空载时气隙磁通密度为一平顶波，以下列图平顶波，以下列图(b)(b)所表示。所表示。空载时主磁极磁通分布空载时主磁极磁通分布情况，如右图情况，如右图(c)(c)所表示。所表示。第33页 为了感应电动势或产生电磁转为了感应电动势或产生电磁转矩，直流电机气隙中需要有一定量矩，直流电机气隙中需要有一定量每极磁通每极磁通 ，空载时，气隙磁通，空载时，气隙磁通 与空载磁动势与空载磁动势 或空载励磁电流或空载励磁电流 关系，称为直流电机空载磁化特征。关系，称为直流电机空载磁化特征。如右图所表示。如右图所表示。为了经济、合理地利用材料，为了经济、合理地利用材料，普通直流电机额定运行时，额定磁普通直流电机额定运行时，额定磁通通 设定在图中设定在图中 A A点点，即在磁化特，即在磁化特征曲线开始进入饱和区位置。征曲线开始进入饱和区位置。第34页1.3.2 直流电机负载时负载磁场直流电机负载时负载磁场 直流电机带上负载后，电枢绕组直流电机带上负载后，电枢绕组中有电流，电枢电流产生磁动势称为中有电流，电枢电流产生磁动势称为电枢磁动势电枢磁动势。电枢磁动势出现使电机。电枢磁动势出现使电机磁场发生改变。磁场发生改变。右图为一台电刷放在几何中性右图为一台电刷放在几何中性线两极直流电机电枢磁场分布情况。线两极直流电机电枢磁场分布情况。假设励磁电流为零，只有电枢电假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生气隙磁流。由图可见电枢磁动势产生气隙磁场在空间分布情况，电枢磁动势为场在空间分布情况，电枢磁动势为交交轴磁动势轴磁动势。第35页 假如认为直流电机电枢上假如认为直流电机电枢上有没有穷多整距元件分布，则有没有穷多整距元件分布，则电枢磁动势电枢磁动势在气隙圆周方向空在气隙圆周方向空间分布呈间分布呈三角波三角波，如图中，如图中 所表示。所表示。因为主磁极下气隙长度基因为主磁极下气隙长度基本不变，而两个主磁极之间，本不变，而两个主磁极之间，气隙长度增加得很快，致使电气隙长度增加得很快，致使电枢磁动势产生气隙磁通密度为枢磁动势产生气隙磁通密度为对称对称马鞍型马鞍型，如图中，如图中 所表示。所表示。第36页1.3.31.3.3 直流电机电枢反应直流电机电枢反应 当励磁绕组中有励磁电流，电当励磁绕组中有励磁电流，电机带上负载后，气隙中磁场是励磁机带上负载后，气隙中磁场是励磁磁动势与电枢磁动势共同作用结果。磁动势与电枢磁动势共同作用结果。电枢磁场对气隙磁场影响称为电枢磁场对气隙磁场影响称为电枢电枢反应反应。电枢反应与电刷位置相关。电枢反应与电刷位置相关。1 1、当电刷在几何中性线上时当电刷在几何中性线上时，将，将主磁场分布和电枢磁场分布叠加，主磁场分布和电枢磁场分布叠加，可得到负载后电机磁场分布情况，可得到负载后电机磁场分布情况，如图（如图（a a）所表示。）所表示。第37页主磁场磁主磁场磁通密度分通密度分布曲线布曲线电枢磁场磁通电枢磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线两条曲线逐点叠加后得两条曲线逐点叠加后得到负载时气隙磁场磁通到负载时气隙磁场磁通密度分布曲线密度分布曲线第38页由图可知，电刷在几何中性线时电枢反应特点：由图可知，电刷在几何中性线时电枢反应特点：2)、对主磁场起去磁作用1)、使气隙磁场发生畸变 空载时电机物理中性线与几何中性线重合。负载后因为电空载时电机物理中性线与几何中性线重合。负载后因为电枢反应影响，每一个磁极下，二分之一磁场被增强，二分之一枢反应影响，每一个磁极下，二分之一磁场被增强，二分之一被减弱，物理中性线偏离几何中性线被减弱，物理中性线偏离几何中性线 角，磁通密度曲线与空角，磁通密度曲线与空载时不一样。载时不一样。磁路不饱和时，主磁场被减弱数量等于加强数量，所以每极磁路不饱和时，主磁场被减弱数量等于加强数量，所以每极量磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线膝部，主磁极量磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线膝部，主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提升，铁心磁阻增大，增加磁通增磁部分因磁密增加使饱和程度提升，铁心磁阻增大，增加磁通少些，所以负载时每极磁通略为降低。即电刷在几何中性线时电少些，所以负载时每极磁通略为降低。即电刷在几何中性线时电枢反应为枢反应为交轴去磁性质交轴去磁性质。第39页2 2、当电刷不在几何中性线上时、当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏移电刷从几何中性线偏移 角，电枢磁动势轴线也随角，电枢磁动势轴线也随之移动之移动 角，如图角，如图(a)(b)(a)(b)所表示。所表示。电枢磁动势能够分解电枢磁动势能够分解为两个垂直分量：交轴电为两个垂直分量：交轴电枢磁动势枢磁动势 和直轴电枢和直轴电枢磁动势磁动势 。电刷顺转向偏移电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移电刷逆转向偏移发电机发电机交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁电动机电动机交轴和直轴助磁交轴和直轴助磁交轴和直轴去磁交轴和直轴去磁第40页1.4.1 直流电机电枢电动势1.4 直流电机电枢电动势和电磁转矩产生产生:电枢旋转时电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应电动势简称为电枢主磁场在电枢绕组中感应电动势简称为电枢电动势。电动势。性质性质:发电机发电机电源电势电源电势(与电枢电流同方向与电枢电流同方向););电动机电动机反电势反电势(与电枢电流反方向与电枢电流反方向).).)(电动势常数电动势常数为电机结构常数为电机结构常数其中其中可见可见,直流电机感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速相关。直流电机感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速相关。大小大小:第41页1.4.2 直流电机电磁转矩产生产生:电枢绕组中有电枢电流流过时电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力作用在磁场内受电磁力作用,该该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。大小大小:性质性质:发电机发电机制动制动(与转速方向相反与转速方向相反)；电动机电动机驱动驱动(与转速方向相同与转速方向相同)。可见，制造好直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流可见，制造好直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比成正比为电机转矩常数，有为电机转矩常数，有其中其中第42页1.5.1 1.5.1 换向概述换向概述1.5 直流电机换向 为了分析方便假定换向片宽度等于电刷宽度。为了分析方便假定换向片宽度等于电刷宽度。直流电机某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支直流电机某一个元件经过电刷，从一条支路换到另一条支路时路时,元件里电流方向改变，即元件里电流方向改变，即换向换向。电枢移到电刷与换向片电枢移到电刷与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1被短路，电流被被短路，电流被分流。分流。电刷与换向片电刷与换向片1 1接触时，元件接触时，元件1 1 中电中电流方向如图所表示，大小为流方向如图所表示，大小为 。电刷仅与换向片电刷仅与换向片2 2接触时，元件接触时，元件1 1 中中电流方向如图所表示，大小为电流方向如图所表示，大小为第43页第44页 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生换向问题很复杂，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，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。使电机不能正常工作。产生火花原因很多，除了电磁原因外，还有机械原因。产生火花原因很多，除了电磁原因外，还有机械原因。另外换向过程还伴伴随电化学和电热学等现象。另外换向过程还伴伴随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时间，称为元件从开始换向到换向终了所经历时间，称为换向周期换向周期。换向周期通常只有千分之几秒。直流电机在运行中，电枢绕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经过电刷时都要经历换向过程。组每个元件在经过电刷时都要经历换向过程。第45页1.5.2 1.5.2 换向电磁理论换向电磁理论换向元件中电动势：换向元件中电动势：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。程中电流改变而产生。切割电动势切割电动势 ：在几何中性线处，因为电枢反应在存在，电：在几何中性线处，因为电枢反应在存在，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。换向元件中合成电动势为：换向元件中合成电动势为：依据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总依据楞次定律，自感电动势、互感电动势和切割电动势总是妨碍换向。是妨碍换向。换向电动势换向电动势 ：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应：在几何中性线处，换向元件在换向磁场中感应电动势。电动势。换向电动势是帮助换向换向电动势是帮助换向。第46页换向元件中电流：换向元件中电流：设两相邻换向片与电刷接触电阻分别是设两相邻换向片与电刷接触电阻分别是 和和 ，元件本身，元件本身电阻为电阻为 ,流过电流为流过电流为 ,元件与换向片间连线电阻为元件与换向片间连线电阻为 ,元件在元件在换向时回路方程：换向时回路方程：忽略元件电阻和元件与换向片间连线电阻，并设电刷与换忽略元件电阻和元件与换向片间连线电阻，并设电刷与换向片接触总电阻为向片接触总电阻为 ，则可推导出换向元件中电流改变规律，则可推导出换向元件中电流改变规律为为第47页一、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改变。线性改变。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改变，出现电流延迟现象。是线性改变，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改变，出现电流超前现象。是线性改变，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48页1.5.3 改进换向方法改进换向方法 除了直线换向外，延迟和超越换向时合成电动势不为零，除了直线换向外，延迟和超越换向时合成电动势不为零，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原因也能引发换向不良产刷下产生火花。还有机械和化学方面原因也能引发换向不良产生火花。生火花。改进换向普通采取以下方法：改进换向普通采取以下方法：选择适当电刷，增加换向片与电刷之间接触电阻选择适当电刷，增加换向片与电刷之间接触电阻装设换向磁极装设换向磁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赔偿绕组极靴内安装赔偿绕组赔偿绕组与电枢绕组串联，产生赔偿绕组与电枢绕组串联，产生磁动势抵消电枢反应磁动势磁动势抵消电枢反应磁动势第49页1.6.1 1.6.1 直流发电机励磁方式直流发电机励磁方式1.6 直流发电机 供给励磁绕组电流方式称为供给励磁绕组电流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两两大类，自励方式又分大类，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：直流电机励磁电流由：直流电机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。他励直流发电机电枢电流和他励直流发电机电枢电流和负载电流相同，即：负载电流相同，即：第50页2 2、并励、并励：发电机励磁绕组与电枢发电机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51页4 4、复励：、复励：并励和串励两种励磁方式结合。电机有两个励磁绕组，并励和串励两种励磁方式结合。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。一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。第52页1.6.2 1.6.2 直流发电机基本方程直流发电机基本方程如图要求各物理量参考方向如图要求各物理量参考方向一一.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：原动机输入给驱动转矩发电机轴上有三个转矩：原动机输入给驱动转矩 、电磁转矩、电磁转矩 和机械摩擦及铁损引发空载转矩和机械摩擦及铁损引发空载转矩 。转矩平衡方程为：。转矩平衡方程为：第53页直流发电机励磁电流直流发电机励磁电流三、励磁特征公式三、励磁特征公式每极气隙磁通每极气隙磁通四四.功率平衡方程功率平衡方程原动机输入给发电机机械功率原动机输入给发电机机械功率 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 包含：包含：电磁功率电磁功率首先代表电动势为首先代表电动势为 电源输出电流电源输出电流 时发出电功时发出电功率，首先又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗机械功率。率，首先又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗机械功率。电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上铜损耗电枢回路电阻及电刷与换向器表面接触电阻上铜损耗输出电功率输出电功率自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗第54页1.6.3 他励发电机运行特征他励发电机运行特征一、空载特征定义定义:当当 、时，时，直流发电机空载特征是非线性，直流发电机空载特征是非线性，上升与下降过程是不相同。实际中上升与下降过程是不相同。实际中通常取平均特征曲线作为空载特征通常取平均特征曲线作为空载特征曲线。曲线。空载时空载时空载特征曲线上升分支空载特征曲线上升分支空载特征曲线下降分支空载特征曲线下降分支平均空载特征曲线平均空载特征曲线空载特征实质上就是空载特征实质上就是 。所以空载特征曲线形状与空载磁化所以空载特征曲线形状与空载磁化特征曲线相同。特征曲线相同。第55页二、外特征定义：当定义：当 、时，时，由曲线可见，负载电流增大时，端由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。电压有所下降。他励他励并励 依据依据 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，电枢反应去磁作在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应去磁作用使每极磁通量降低，使电动势降低；用使每极磁通量降低，使电动势降低；(二二)电枢回路上电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下电枢回路上电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。降。为何为何低低?第56页三、调整特征定义：当定义：当 、时，时，由曲线可见，在负载电流改变由曲线可见，在负载电流改变时，若保持端电压不变，必须改变时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，赔偿电枢反应及电枢回励磁电流，赔偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压影响路电阻压降对对输出端电压影响.1.6.41.6.4 并励发电机自励条件和外特征并励发电机自励条件和外特征 并励发电机励磁是由发电机本身端电压提供，而端电压并励发电机励磁是由发电机本身端电压提供，而端电压是在励磁电流作用下建立，这一点与他励发电机不一样。并是在励磁电流作用下建立，这一点与他励发电机不一样。并励发电机建立电压过程称为自励过程，满足建压条件称为自励发电机建立电压过程称为自励过程，满足建压条件称为自励条件。励条件。第57页一、自励条件 曲线曲线1 1为空载特征曲线为空载特征曲线,曲线曲线2 2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特征曲线，特征曲线，也称场阻线也称场阻线 。原动机带动发电机旋转时，假如主磁原动机带动发电机旋转时，假如主磁极有剩磁，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。假如励磁绕组和电枢绕组连接正确，假如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磁通，使主励磁电流产生与剩磁方向相同磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，磁路磁通增加，电动势增大，增加。如增加。如此不停增加，直到励磁绕组两端电压与此不停增加，直到励磁绕组两端电压与 相等，到达稳定平衡工作点相等，到达稳定平衡工作点A A。第58页可见，并励直流发电机自励条件有：可见，并励直流发电机自励条件有：二、空载特征 并励发电机空载特征与普通电机空载特征一样，也是磁化并励发电机空载特征与普通电机空载特征一样，也是磁化曲线。因为励磁电压不能反向，所以它空载特征曲线只在第一曲线。因为励磁电压不能反向，所以它空载特征曲线只在第一象限。象限。（1）电机主磁路有剩磁（3）励磁回路总电阻小于该转速下临界电阻（2）并联在电枢绕组两端励磁绕组极性要正确思索题思索题电机正转能自电机正转能自励励,反转能自励反转能自励吗吗?第59页三、外特征三、外特征四、调整特征四、调整特征 并励发电机电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电并励发电机电枢电流比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调整特征与他励发电机相差不大。流，所以调整特征与他励发电机相差不大。对并励发电机，除了像他励发电机存在电枢反应去磁作用对并励发电机，除了像他励发电机存在电枢反应去磁作用和电枢回路上电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：因和电枢回路上电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：因为上述两个原因使端电压下降，引发励磁电流减小，端电压深为上述两个原因使端电压下降，引发励磁电流减小，端电压深入入下降下降。并励发电机外特征与他励发电机相同，也是一条下降曲线。并励发电机外特征与他励发电机相同，也是一条下降曲线。第60页1.7 直流电动机1.7.1 1.7.1 直流电