《电机与拖动》PPT课件

电机与拖动 关于本课程 课程性质：技术基础课（专业基础课） 教 材： 电机拖动基础 宋银宾主编 实验教材 电机实验与检测 李宗昉主编 任课教师：李宗昉 教学时间： 5 16=80-10（实验） =70学时 成绩评定：期末考试 70% 中期考试 10% 其他 20% （含实验、出勤、课堂 听课、纪律） 学习电机与拖动的目的： 学习 电机与拖动 :不仅实际工作需要，而且 对后续课程是一个基础。 对于电车专业：电机与拖动 牵引电机 电子专业：电机与拖动 微特电机（自控技 术） 序 言 一、电机概述 1.电机：与电能有关的能量转换的机器 比如：电能生产、传输、分配和使用（主要是动 力用电） 2.重要性：电气化的心脏 3.分类：普通电机与特种电机 （ 1）普通电机（按能量转换分） 机械能 电能（发电机）（产生电能） 直流 交流 水力、火力、原子能、潮汐、地热、风力 电能 机械能（电动机，用于动力机械） 65%的总电量被电动机消耗 电能之间的转换： 改变交流电压 变压器 改变电流 变流机（直流 交流） 改变频率 变频机 改变相数 劈相机或单 -三相变压器 （ 2）特种电机 特种电机（主要完成信号传递和转换，用于 数字计算，是自控系统中的一个重要元件） 比如：潜艇导航 90多台 ；自动火炮 60多 台 ；导弹控制 50多台 ；雷达 20多台 ；飞 机的无人驾驶 30多台。 电机的分类 发电机 直流电机 电动机 电动机 旋转电机 异步电机 普通电机 发电机 变压器 交流电机 电机 电动机 同步电机 通用式 发电机 特种电机 控制式 二、 电力拖动概述 拖动 原动机为了完成一定任务而使生产 机械运动。 电力拖动 电动机作为拖动的动力源或以 电动机为动力拖动生产机械运动的拖动方式。 电力拖动系统 以电机为核心而向两边扩 展形成：机电一体化，控制与被控制对象结 合（专业方向） 电力拖动系统 电力拖动类型 1.成组拖动 一台电动机拖动几个工作机构。 条件：电机容量大（但容量得不到充分利 用）。 缺点：不安全、效率低。 图： 成组拖动 电 机 1 2 天 轴 2.单电机拖动系统：一台电动机拖动一个工作机 构。 图：单机拖动 优点：电机容量利用充分且控制方便，用于各种 机床 3.多电机拖动系统 一个生产机械有多个工作 机构，每个工作机构用一台电机拖动。 比如：龙门铣床 图：多电机拖动 铣 头 上 升 或 下 降 工 作 台 移 动 铣 头 旋 转 4.自动化电力拖动系统 多学科综合应用 比如：自动恒定功率、自动调节转矩 电力拖动的优点 电力拖动效率高，因为电动机效率高且与生产 机械联接方便。 电机种类多，具有各种运行特性，可满足不同 生产机械的要求。 检测方便，易于组成完善的反馈控制系统以实 现最佳控制。 可以实现远距离控制和测量，便于集中管理， 实现生产过程自动化。 三、 基本定律 （ 1）全电流定律（电生磁） 比如， 空间有 n=3根导体，其中电流 、 、，方向如图所示，它们所产生的磁场强度 H沿 任何闭合路径 的线积分等于该闭合回路所 包围的导体电流的代数和。 1I 2I 3I 1 2 3 l H de I I I I 用途： 电机 和变压器的磁路计算 . . I 1 I 2 I 3 H d l (2)电磁感应定律（磁生电） 变压器电势（感应电势） 大小 （变化引起） 方向 楞次定则：线圈中感应电动势倾向 于阻止线圈中磁链的变化 dt dwe we i 速率电势 大小： B-磁通密度 -导体有效长度 V-导体切割磁力线速度 方向： 右手定则 BlVe l （ 3） 电磁力定律 （载流导体在磁场中受力） 大小： B磁通密度； 导体的有 效长度； 通电电流强度 方向： 左手定则 BlIF l I （ 4） 可逆原理 电能 机械能 电功率 （机械功率） （ 5） 磁路的欧姆定律 磁动势 相当于 E 磁通 相当于 I 磁阻 ( ) 相当于 vFvB liiB lvei IWF mR mm RR 铁 R w I - + mR F R EI 磁路的欧姆定律 四、课程的性质和任务 性质：技术基础课，承上启下 任务：掌握各种电机的基本结构、工作原理、 基本特性及应用。 掌握电力拖动系统的组成、特性及分析 计算。 通过试验验证电机的各种性能。 第一章 直流电机基础 1-1 概述 直流电机 :一种转换与直流电能有关的机器 直流电能 机械能 （直流电动机） 机械能 直流电能 （直流发电机） 可逆性：同一直流电机即可用作电动机也可用作发电机 优 点： 范围广 调速性能好 方 便 平 滑 起动性能好，起动力矩大 缺 点：结构复杂、用铜多、成本高、运行有时不够可靠 环火问题。 电力机车 用 途： 电动机 主要用于广泛调速的地方 地 铁 电力机车 牵引电机 电 车 卷扬机 快速可逆电机拖动系统 轧钢机 发电机 可作独立直流电源，也可组成发电机 电动机 拖动系统（ F-D），比如冶金、化工、采矿中使用。 优 点：发电机提供的直流电质量好，可靠（比整流）。将 来会被可控硅整流取代，但直流电动机目前还在继续使 用。 1-2 直流电机的工作原理 一、直流发电机的原理 原理：导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势 大小： 方向： 右手定则 下面以二极环形绕组（原理结构）为例： BlVe 图：二极环形绕组（原理结构） . . . . . 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 2 3 + - 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 N S n 定 子：两个主磁极（永久磁铁） 在空间固定 产生恒定磁场 转 子：环形铁心上绕有 12个线圈（闭合绕组在原动机拖动 下旋转） N 极下： 2、 3、 4、 5、 6 切割磁力线感应电势方向 S 极下： 8、 9、 10、 11、 12 切割磁力线感应电势方向 1、 7 处于几何中性线处不感应电势 特 点： 同一极下的导体是在变化的，但同一极下导体电势方向 是一致的。 对于某一元件而言，其元件电势是交变的。（元件依次 切割不同极性的磁力线）。 转子绕组闭合回路中 =0（对称）， 无环流 。 引出直流电的办法 ： 1、 7 导体处加固定电刷，并把电刷接触处的导线剥开，从 而形成了两个并联支路且同一支路内电势方向一致 直 流电势 电刷存在的问题及改进方法 问题： 寿命不长（经不起长期磨损） 安放电刷有困难 改 进 办 法： 用换向器代替电刷与导体直接摩擦，换向器由相互绝缘铜 片组成，装在电枢端部与电枢一起旋转。 特 点：电刷位置 应与中性线处导体相连，从而保 证支路内电势不互相抵消，以获取刷间最大电势。 换向片数 K = S (元件数 ) 环形绕组并联之路数 2a = 极数 2p = 电刷数 a并联支路对数（两条支路时 a=1） p极对数 （两个极时 p=1） 二、直流电动机工作原理 结构：同直流发电机 特点：在电刷间加直流电源（电刷极性不变） 图：直流电动机原理 . . . . . . N S F F +- n 通过换向器的作用，将电流直流电转换为元件中的交流电， 但在同一极下导体的电流方向一致，根据左手定则，确 定导体受力方向。 注意：转子旋转后，元件中的电流方向在改变。 换向器的作用：元件中的交流电 电刷间的直流电。 1-3 直流电机的基本结构、分类及 额定值 一、主要结构部件 1、定子部分 主磁极 产生主磁场 铁心： 0.5 1.0mm厚硅钢片冲迭而成。 励磁绕组：由绝缘导线绕成，通以直流电产生主极磁场。 换向极（附加极） 改善换向，减小电刷下的火花。 铁心：整块矩形铸钢（形状不复杂，易于加工） 线圈：绝缘导线绕成与电枢绕组串联 机座（磁轭） 由厚钢板弯成圆筒焊接而成或铸钢 作用：提供磁路，支撑，防护作用 电刷装置和其它 电刷装置的作用：引出（引进）电流 组成：电刷 石墨制品，耐磨，导电 刷握 刷盒，放电刷，用弹簧压紧电刷，在空间固定 刷架 安放刷盒用，本身固定在机座或端盖上 .注意 ,刷 盒与刷架之间要绝缘 其它：端盖、轴承（支持、防护） 2、转子部分 电枢（感应电势，通过电流） 电枢铁心 0.5mm厚低硅钢片外圆冲上齿、槽 装迭而成，目的在于减少铁心在磁场中旋转时被反复 磁化而产生过多铁耗 齿 、槽 安放电枢绕组 通 风 孔 散热 内 圆 轴孔 电枢绕组 绝缘导线型绕加工而成，嵌放在铁心槽 中 导线截面 ：矩形（大电机） 圆形（小电机） 槽内有绝缘（对地）槽楔封口固定，绕组元件的两头与 换向片相联 图：电枢绕组 换向器（由许多彼此绝缘的换向片构成） 侧视图（沿径向剖开） 沿圆周方向剖开 作用：基体 与电刷接触 竖板（升高片） 连接电枢绕组元件 燕尾 夹紧、固定 二、分类（按励磁方式分） 他励 自励 他励式：独立直流电源单独供给励磁绕组励磁，励磁绕组 与电枢绕组不连接 励磁电流 sI FI I 电枢电流 负载电流 E s I s n I f F 1 F 2 U f III fs III fs 图：并励 图：串励 E s I f f 1 f 2 U I s I n E s I s I I f C 1 C 2 U n 一部分与电枢绕组串联 复励：励磁绕组分两部份 另一部分与电枢绕组并联 短分接法（先并后串） 长分接法（先串后并） E s n R C 1 f 1 f 2 C 2 E s n R C 1 f 1 f 2 C 2 差复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向 相反 积复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向 相同 由于联接方式不一样，将直接影响电机的特性。 无论是 发电机还是电动机都可采用上述联接方式 三、额定值 1、 额定功率（容量） 指输出功率，单位：瓦（千瓦） 发电机 = （输出电功率） 电动机 （轴上输出机械功率） = 式中： 电动机的额定电压； 电动机的额定电流； 电动机的额定效率 2、额定电压 允许加在电机两端的电压限定值 小型发电机 小型电动机 大型电机 115V 230V 460V 110V 220V 440V 1000V eP eUeI feIen e eP eP e UeI e eU eU eIeP eI eP eU 3、额定电流 电机额定输出功率时的电流值 发电机 过载 满载 电动机 欠载 4、额定转速 额定负载时电机的限定转速 5、额定励磁电流 6、额定效率 eI en U PI e e e ee e U PI / eII eII eII feI e 1-4 直流电机的空载磁场 空载磁场：直流电通入励磁绕组产生的磁场 特点：负载电流 = 0 ，不考虑电枢 通过电流产生磁场的影响（只有主磁极产生 的磁场） I 一、直流电机空载时的磁通分布 1、直流电机空载时的磁通分布 （以四极电机 为例） 主磁通 （每极） 经过气隙进入电枢的磁通 磁通路径 . . N S 路径： N 极出发 N 极下的气隙 N 极下的电 枢齿槽 电枢铁心 S 极下的电枢齿槽 S 极下气隙 S 极下铁心 磁轭 回到 N 极下 的铁心 主磁通又称有效磁通 能感应电势的磁通或 能产生力矩的磁通 漏磁通 未进入电枢铁心的磁通 特点 不感应电势也不产生力矩，无效的 缺点 不可避免它增加了铁心和磁轭的饱 和程度 总磁通： ( 1 )p K 1 ( )K 主 极 的 漏 磁 系 数 1 . 1 5 1 . 2 5K 2、产生主磁通的磁动势 产生每极主磁通 所需要的磁势（激磁安匝） 基本定律：全电流定律（分段计算法） 注 意 ：这里把“场”的问题简化为“路” 来计算 W 总激磁匝数 2 表示两个极 磁路某段的场强 1个磁极上的激磁绕组匝数 该段磁路的平均长度 激磁电流 H d l I 2x x f fH l WI W I xH fW xl fI 利用磁回路的基尔霍夫第二定律可得： 总磁势： 气隙长度 （ 2） 电枢齿长 （ 2） 电枢轭一段长 （ 1） 主极铁心长 （ 2） 定子磁轭一段长 （ 1） ss2 2 2t t p p e eF H H l H l H l H l H tl tH sl sH pl pH el eH 计算总磁势的基本方法 设计一台电机首先要确定：每极磁通量 （已知） （ S为不同段的磁路截面积） 每段磁场强度 H 气隙 （ 气隙磁导） 铁磁材料只有通过查该材料的磁 化曲线求 H B S 0 BH 0 图：磁化曲线 计算分段磁势 总磁势 （一对极的总安匝） 决定 I-决定导线截面 3、主磁通磁势产生的气隙磁密的分布曲线 （ 1）气隙磁密 电枢表面的磁通密度（它 与电机的感应电势，力矩大小和形状有关） 特 点：与气隙大小有关且分布不均匀 （ 2）气隙特点：极中心处气隙最小 极尖（极掌）处气隙最大 x x xF H l xFF FW I 0 0( 1 .5 2 .5 )p 比如：城市电车用直流电机 ZQ-800 9/4.5 ， 即 =4.5mm =9mm 结果：在气隙中的磁密形成帽形 0 p 图：帽形磁密 帽形磁密的证明： 一个极的磁势 令 （ 不变） 为帽形 极距，代表电枢表面的圆周一个极所 占的范围 电枢外径， p 极对数 气隙磁密的最大值 10千瓦以下电机 =4000 6500高斯 大容量电机 =10000 10500高斯 0 ff BW I H f f fW I K 0fK KB 0fKK B 2 aD p aD B B B 计算中常用 气隙平均磁密 ， 电枢轴向有效长度 pjB pjB l l 4、电机的磁化曲线 （ 1）定义：代表每极主磁通 与励磁电流 的 关系曲线 （ 2） 形状及解释 调 R，保持 n 不变，测 ()ffI fI ()ffI s e E Cn 11 22 33 f f f I I I . 由此可求得磁化曲线： ()ffI 主要特点： 很小时（铁心磁路不饱和） 为直线关系 原因： 小 小，铁心不饱和，磁势主要消耗在气 隙上，即 ，因 不变， 不变（ 不 变）， 为直线关系 （ 2） 增大后，铁心磁路饱和，曲线向右弯曲， 越大，曲线越趋于水平 原因：由于 铁心饱和，铁心上 磁压降所占成分大，而铁心中 常数，所以出现 非线性，即 （ 铁心 不多） ()ffI fI f f mW I R fW mR 0 fI fI fI fI 1 mR s铁 （ 3）气隙线：磁化曲线在线性部份的延长线 （它反映主磁通通过气隙所需磁动势） （ 4）磁路饱和程度 额定电压下的激磁电流 额定电压下气隙磁势所需激磁电流 大 饱和好，则铁心体 积相对小，但发热严重 相同容量比 小 不饱和，则铁心体 积相对大，性能好 1 .1 1 1 .3 5feM f I acK I a b feI fI MK MK 1 5 直流电机的电枢绕组（以单迭绕组 为例） 一 由环型绕组过渡到鼓型绕组 4极电机为例 1 环型绕组的缺点 （ 1）制造困难，修理不便。 （ 2）内腔导体不感应电势，导体没有充分利 用。 1、 5、 9不感应电势 2、过渡到鼓型绕组 1 2 3 4 5 6 7 8 9 （ - ） （ + ） （ - ） 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 N S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 N S 1 2 3 4 5 6 7 8 9 （ - ） （ + ） （ - ） 环型 鼓型 作法：把内腔层导体拉出来 原则：两边电势相加最大 位置：两边相距约一个极距 端部：一般为对称结构 电刷：仍然要与中轴导体相连，为此，实际位 置在极轴处。 二：几个基本关系 元件：绕组的基本单元（头尾分别 接在两个换向片上） 元件边（有效边） 放在电枢槽内部分 前段接 靠换向器的一边 后端接 无换向器的一边 （ 1）元件数 S=换向片数 K （ 2）总导体数 =S 2 Wc Wc= 一个元 件的匝数 （ 3）若一个槽内只放上下一个元件边，则槽 数 Ze=元件数 S=换向片数 K 若 C个槽（虚槽）合编成一个槽（实） Z虚 槽数 Ze=CZ 如图： Ze=3Z y 1 y 2 y 1 5 2 1 2 三 、单迭绕组的组成 1 节 距绕组连接的规律 （ 1）第一节距 y1(后距 )：表示元件两有效边之间的距离 （元件宽度，用虚槽数来表示） 1y 2 Z p =0 整距 长距 短距 （ 2）合成节距 Y 紧相串联的元件对应边的距离 单迭绕组 y=1 （ 3）第二节距 y2（前距），接在同一换向片的两元 件边的距离 单迭绕组， y2=y1-y 2单迭绕组的展开图（某一瞬间 ) 例： Z=K=S=16 2p=4 作一单迭绕组展 开图 计算节距： y1=z/2p =16/4 4 （整距） =0 单迭 y=1 y2=y1-y=4-1=3 作图步骤： 1 09 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 6 1 4 1 5 N N S S + + - - + （ - ） 1. 均匀分布全部边（槽）并编号 2. 按极数等分元件边（槽） 3. 按 y1画出后端接（结构对称） 4. 按 y2画出前端接（结构对称） 5. 画出换相片（对应编号） 6. 画出电刷位置（极轴线上） 标明电刷极性 （按发电机） 1 09 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 1 1 2 1 3 1 4 1 5 1 6 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 1 3 1 6 1 4 1 5 N N S S + + - - + （ - ） 第二章 直流发电机 2-1 直流发电机的感应电势和电磁转矩 一、感应电势公式 感应电势： =电刷间的电枢电势 = 一个并联 支路内导体数 一根导体感应的平均电势 = 电机总导体数 S-元件数； - 一个元件的匝数 一个并联支路内串联导体数 ； a 并联支 路对数 平均电势： 转 /分 sE 2 pj N e a 2 cN SW cW 2 N a 22 60 60pj pj P n Pe B lv l n l n 代入上式： -电势常数，与结构有关 单位： 韦伯； 转 /分 ； 伏 2 2 60 60sE N p N PE n n C n aa 60E NPC a n sE 结论：当电机每极磁通 保持不变时，电枢电 势 与转速成正比。 说明 1）该公式是在空载时推导出来的，负载 后 有所变化。故公式中的 应该用负载时 的气隙磁场关系求得。 2）该公式是电刷处于几何中性线导出，若电 刷偏离则 将有所变化。 3）此公式对发电机而言是向外供电的正电势， 对于电动机而言属于反电势。 4）若要改变 的方向，可改变电枢旋转方向 或改变磁场方向得到。 sE sE sE 二、电磁转矩公式 电磁转矩 导体中电流与磁场作用产生 电动机 拖动负载的转矩（ M与 n方向一致） 发电机 反转矩 (与原动机转向相反 )，是能 量交换的关健。 电磁功率 : 电磁转矩 : M s sP M E I 2 2 60 ssM s M s EIP PNM I C I n a 2 60 n 2M PNC a MsM C I 结论：当磁通 不变时，电磁转矩与电枢 电流成正比。 N S n 电 枢 电 流 MFF 2-2直流电机的磁场和电枢反应 一、空载时：只存在主极磁势，在气隙中产生 的帽形磁密。 负载后：出现了电枢磁势 电枢绕组通过电 枢直流电流产生。 电枢反应：电枢磁势对气隙磁场分布的影响。 二、电枢磁势 1.电枢磁势 在气隙中的分布 假设 忽略铁心磁位降（电枢磁势主要降在两个气 隙中） sF sF 导体在电枢表面均匀分布（忽略齿槽影响） 分析方法：磁路的安培环路定律 特点： 极轴处：电枢磁势 =0（包围电流小） 中轴处：电枢磁势 =最大 从极轴处到中轴处电枢磁势是线性变化的（三 角波形） NSn sIsi 第 一 气 隙 第 二 气 隙 分析方法：磁路的安 培环路定律 特点： 极轴处：电枢磁势 =0（包围电流小） 中轴处：电枢磁势 = 最大 从极轴处到中轴处 电枢磁势是线性变化 的（三角波形） S N x SF 22 x 3 22 x x 中 轴 2、电枢磁势 （幅值）公式 导体中（支路中）的电流 一个极下的导体数 = 电枢线负载 A 电枢圆周单位长度的电流数（安 / 厘米） 2 s s Ii a 2 N P 1 2 2 2 8 ss s I NINF a P aP sF A与 关系 : s s NiA D () 2 2 ( ) 4 s s IN NIa P a P 在 电 枢 圆 周 上 的 总 电 流 电 枢 圆 周 长 度 ()sD 电 枢 外 径 sF 8 4 2 2sss N I N I AF aP aP 3、电枢磁势对气隙磁场的影响 空载时：只有直流励磁磁势产生的气隙磁密 帽形 负载后：出现了电枢磁势 （三角波） 由 产生的气隙磁密 ，其特点：在极弧范 围内直线分布，主极之间下凹成马鞍形（主 极之间磁阻大） 合成气隙磁密： 0()Bx ()sFx ()sBx()sFx 0( ) ( ) ( )sB x B x B x 结论：电枢反应使合成气隙磁密分布畸变且总 的磁密减小 S N 饱 和 . . . . . . 前 后 () s Fx () s Bx 0 ()Bx ()Bx 注意： 两个气隙之间磁阻大，尽管 大，但 更小，故下凹成马鞍形。 极弧内气隙均匀， 线性变化 也线性 变化。 合成后，对一个极而言，因 反向对称， 与 相加后，应当使合成气隙磁密与 保持数量不变，但前极端是去磁该去多少正 比去掉，后极端为加磁，因饱和影响该加的 加不上去故一个极下总磁密有所减少。 显然，波形发生畸变。 ()sFx ()sBx ()sFx ()sBx ()sBx 0()Bx 0()Bx 三、直轴和交轴电枢反应 研究对象：电枢反应的交轴分量和直轴分量 对主极磁势的影响 a）交轴电枢反应 电刷位于几何中性线处 ，只存在 ， =0 对主极磁场的影响： s sqFF sd F sqF sqF 使主极磁场发生畸变 对主极磁场有去磁作 用（总的磁密减少） N S sq F q 轴 d 轴 b）直轴电枢反应 电刷不在几何中性线（以发电机 为例） 顺转向偏离几何中性线 角（相当于电枢表面移动了 b厘 米） 作用： a、 的轴线与主极磁场轴线重合，且方向相反， 所以对于发电机若顺转向移动电刷，则 起去磁 作用，发电机端电压下降。 b、 起交轴电枢反应，作用同上。 若电刷逆转向移动：则 与主极磁场轴线重合且 方向相同，起加磁作用，端电压上升。 ( ) ( ) 2 () sq s sd F A b F F A b 交 轴 反 应 直 轴 反 应 sdF sdF sqF sdF V N SsqF sdF 办法：若端压上升，则顺转向移动电刷， 若端电压下降，则逆转向移动电刷。 准确位置 :正反转时，两端电压维持不变 图：直轴电枢反应 电刷不在几何中性线 N S sqF si sF sdF n 四、解决办法（主要指对交轴磁势的解决办法） 适当改变主极的励磁电流，以补偿电枢反应的去磁作用 在主极极面上加装“补偿绕组” 抵消电枢磁势（自 动化） 结构上：补偿绕组装在主极极面上其电流方向在空间与电 枢电流的反向， 与 反向 电路上：补偿绕组与电枢绕组串联，适当设计补偿绕组匝 数使 = BF sqF BF sqF I S 补 偿 NS BF sqF 2-3 直流电机换向的一般概念 换向：电枢绕组的每一个元件依次从一条支路经过电 刷进入另一条支路，此时元件中的电流要随着改变 方向，这一现象和过程称为换向。 比如：元件“ 4”在上一支路电流是从流向进入下 一支路后电流从流入 二、换向不良的后果 由于元件中电抗电势的作用使换向遇到阻 力，特别是超前换向和延迟换向将在电刷下 产生火花（电磁能量释放），使电机运行带 来不利影响。 三、换向极的作用 换向极产生附加电势 去抵消换向元件中的电 抗电势 从而使换向元件中合成电势为 0，从 而改善电机的换向。 极性正确 与电枢串联 低饱和状态 re 图：换向极的作用 N S qFF换S N 2-4 直流发电机的基本平衡关系 一 、电压平衡关系（以并励直流发电机为例） 电枢回路总电阻， （含电枢电阻，电刷和 换向器之间的接触电阻） 励磁回路总电阻 注意： 是发电机 RsfI I Is s sE U I r sr fr f f LU I r IR sEU 二、功率平衡关系 电磁功率 -输出功率； -励磁回路铜耗； - 电枢回路内阻损耗 2 2 2 2 () () M s s s s s s s s f s s f s s c uf c us P E I U I r I UI I r U I I I r UI UI I r P P P 2P cufP cusP 输入功率： 机械损耗（摩擦，风阻）； 铁耗（ 电枢硅钢片反复磁化引起）； 附加损耗（电枢齿槽使磁场脉振引起损耗， 电枢反应使磁场畸变使铁耗增加，电枢拉紧轴杆在 磁场中旋转时的铁耗，换向损耗等组成。约占额定 功率 0.5%1%） 1 M j F e fjP P P P P jP FeP fjP 三、转矩平衡关系 转向：由原动机产生的输入转矩 决定： 转子机械角速度 ， 方向一致（发电机时） 由左手定则决定，发电机时 M正好与 反向，属于制动转矩。 空载转矩： 平衡关系： 1M 1 1 PM sE sI MPM 1M j F e fj o P P PM 10M M M N S n I s M M 1 四 效率关系 总损耗： c u s c u f F e f j jP P P P P P 12 11 100 % 100 %PPP PP 2 5直流发电机的运行特性 一他励直流发电机的特性 1.空载特性：当 时， ， 的关系 曲线（即磁化曲线） _ f U A P R n 0 U S E 1 F 2 F 0 S I 注意： 无论是并励还是 串励发电机的 都要改为他励来测取， 否则无法实现空载。 0 ()fU f I enn 0 ()fU f I0sI 测取 的步骤： 1、调节原动机（实验室一般采用并励直流电动机作为 原动机拖动直流发电机）的转速，使 并保 持不变。 2、调节励磁回路外加电阻 RP 使 由零逐渐单方 向增加。直至 为止。然后逐渐 单方向减少 到零，并测取每一点的 所对应 的 0 ()fU f I enn fI 01(1 . 1 1 . 3 )UU fI fI 0U U 0 I f 下降支 上升支 平均磁化曲线 0 Es 剩 曲线说明： (1)由于剩磁所在，当 =0时 （ 2）由于磁滞的作用使磁化曲线上升支和下降支 不一致，取其平均值代表 （ 3） 代表了直流电机最基本的磁化曲线 作为设计电机时的依据。 U 0 I f 下降支 上升支 平均磁化曲线 0 Es 剩 s sEE 剩 fI 0 ()fU f I 0 ()fU f I 0 s o eU E C n ()enn0U 0 ( ) ( )ffU f I f I 2 、外特性：当 ， 为常数时， 的 关系曲线 现象： 原因： 1.电路上 2.磁路上：当 不变时 电枢反应为去磁作 用使 enn fI ()U f I IU s s sU E I r U fI I sEU 曲线分析： (1)电压变化率 ，实质：空载 满载时电压变化 一般允许 （ 2）当负载电阻 =0时，出现短路电流 因为 很小， Isk=(1230)Ie（危险） 办法： 加装保护装置。 U enn f feII ee I I U 0 100%e e UUU U ( 5 10) %U LR ss s EIK r U 0 Ue U IIe0 3、效率特性 当 当 当 迅速上升 所对应效率 为（ 75 93） % 12 1 1 1 2 11P P P PPP P P P P j F e fj c u s c u fP P P P P P 2 0 , 0P 22 s s sP I I r 2 2 PP PP 2 P PP e21/1PP 二、并励直流发电机的自励过程及特性 1、并励直流发电机电压建立的物理过程 并励：励磁绕组两端与电枢绕组两端并联，励磁 电流取自发电机本身，不需要其他直流电源供 电。 励磁绕组电阻 励磁回路电阻 fr f f pR r r 两个关系： 磁路上 Es=Uo= 电路上 ()ffI f f sU I U E 过程：主磁极有剩磁（ 剩） 电枢旋转 感应 剩 供给起始励磁电流 产生磁场加 强剩磁 到达空载特 性曲线与场阻线 OP的交点 P才能实现稳定 场阻线 OP： 不变， 直线关系 说明： OP：是以励磁回路电阻的大小为斜率的 直线 即 OP的斜率与 Rf成正比 所以 (临界场阻 ) 此时 OP与 相切 .sfEI fR fUI f f fI R I sE f f fkR R R ()sfE f I 2、建立电压的条件 （ 1）主磁极要有剩磁 （ 2）初始励磁电流产生磁场必须加强剩磁 （ 3） 与 要有交点（励磁回路断开 时 即无交点，电压不能建立） 3、不能建立电压的原因和解决办法 （ 1） =0，无剩磁（电机多年不用造成） 加 直流重新充磁 加强励磁时 联接错误，出现刹磁 办法： 1、改变电枢与励磁绕组的相对联接，比如将励 磁绕组的两个头调换。 2、改变原动机的转向（本质是使 Es调头） f f fU I R()ffE f I fR sE sE 剩 注意： 1、 2两种方法不能同时使用 （ 3）、加强励磁后 无变化 励磁回磁断开 造成，解决办法是停机查线 （ 4）、稳定点电压太低 sE剩 转 速 太 低 增 大 转 速 场 阻 太 大 ， 减 小 串 接 电 阻 r 4、并励直流发电机的外特性 条件： n=ne 常数 研究 U=f(I) 关系： 特点： f f pR r r ,s s s s fU E I r I I I 0 ( )LR I U （ 2 ） 拐 弯 f f p f UUI r r R ()sfE f I LR I U （ 1 ） 解释 （ 1）引起 U 原因 电枢回路电阻压降 电枢反应去磁作用 （这两个原因他励机也存在） (2)稳态短路电流不大 但要注意两点，即突然短路过程中仍然出现危险： 稳态短路过程中，电流要经过电流 = ， 致使电机出现环火，不允许。（ 有电感， 不 能马上为 0） 考虑过渡过程： U=0瞬间，磁场不等于 0，即 Es较大， Ik=(8 12)Ie也危险。 fsU I E U 20%U 0 s Ke s EII r 剩 ( 2 3 )cr eII fW fI （ 3） 引起外特性“拐弯”的原因 两种趋势 LR 1 2) () L fs f L f s f f s L s I R I U I E U I I R I U I E I I E R U E I ） 当 电 机 的 端 电 压 较 高 时 较 大 磁 路 饱 和 这 时 候 若 变 化 不 大 故 第 一 种 趋 势 占 主 要 地 位 当 电 机 的 端 电 压 较 低 时 ， 较 小 ， 磁 路 不 饱 和 ， 下 降 更 多 ， 所 以 第 二 种 趋 势 占 主 要 地 位 。 三、串励直流发电机的外特性 ( 1 ) U Es = f ( I ) ( 2 ) U = f ( I )=( 1 ) - ( 2 ) I 0 () s c f I r r 条件： 研究 ： 关系： 分析方法 ： enn ()U f I fsI I I ( ) , ( ) ( )s s s c f s fU E I r r E f I f I () ( ) ( ) s s s cf s s cf cf U E I r r f I I r r r 串 场 电 阻 画出 曲线 (1) （ 2） 将 (1)-(2)得 U=f(I) 引起 U变化原因 : 上升因素： 下降因素： ，电枢反应去磁 主次关系：负载电流 I小 磁路不饱和 上升因素 占主要 负载电流 I大 磁路饱和 上升大于 Es上 升 , U下降占主要 结论：串励直流发电机的端电压随负载变化很大，不 适于恒压系统。 ()sE f I ()s c fU I r r fsI I E U U ()s cfI r r U ()s s cfI r r （四）复励直流发电机的外特性 复励外特性 =串励和并励外特性的组合（视连接成分而定） 积复励 =并励 +串励 平复励 在额定负载时，串励补偿了因负载引起的电压降 U0=满载电压 过复励 串场太强，使 U0满载电压 欠复励 串场太弱，使 U0满载电压 差复励 =并励 串励 即：串励起去磁作用，使端电压随 I增大而急剧下降（少用）。可用于直流电焊机 第三章 直流电动机 同一台直流电机既可作发电机运行，也可作电动机运 行 3 1 电机的可逆原理 图：电机可逆原理示意图 sI sE s i 1Mn MfI U sI si sE nMfI 发电机时 减小 M1 电动机时 端电压 输出正的电功率 发电机状态 M1 M，输出电功率 无能量转换 条件：进一步减 小 输入转矩 M与 n方向 一致 拖动电机， 电能 机械能 电动机状态 1 0， 输出机械功率 ,sUE ssEI与 同 方 向 M s sP E I 1MM与 反 向 机 械 能 电 能 ,sUE 1M 撤 出 原 动 机 ,sUE端 电 压 ssEI与 反 向 M s sP E I 物理过程：减小原动机的 11M M M n 2 sEUs s E s s EUE C n I P r 2 1 000sI P P P sUEsnE 撤 出 原 动 机无 功 率 转 换 sI M n M 不 反 向反 向 反 向 与 方 向 一 致 成 为 拖 动 转 矩 电 动 机 状 态 3 2 直流电动机的平衡关系（以并励电 动机为例） 一电路平衡关系 s s s s s s sf sE E s s ss E UE U E I r I r I I I E C n U C n I r U I r n C （ 可 用 于 调 速 ） 二、功率平衡关系 221 () c u s c u f M s s f f s sP U I P P P I r I r E I 电 功 率 2 1 2 2 () ( 0.5 1 ) % M s s j Fe fj j Fe fj c us c uf j Fe fj c us c uf fj e P E I P P P P P P P P P P P P P P P P P P P PP 输 出 机 械 功 率 总 损 耗 三转矩平衡 空载时： 负载后 ： 2M 输 出 转 矩 （ 制 动 转 矩 ） 0 () j F e f jP P PMM 空 载 转 矩 02 ssM Ms M M M EIP CI 2 2 ()P UIM 3 3 直流电动机的运行特性 一并励直流电动机 1.转速特性（速率特性 ） 由转速公式： eUU条 件 ： 常 数fI 常 数 ()sn f I , () ss es E s s s U I r n U U I n C n f I I r 得 ， 当 为 常 数 时 ， 是 一 条 稍 有 下 降 的 直 线 （ 由 引 起 ） 0ne sIseI0 电 枢 反 应 去 磁 考虑到电枢反应的去磁作用 0 0 0 () 1 , ( 0) 2) 10 0% ( 3 8 ) % s e s E e e In n U nI C nn n n 略 有 上 升 注 意 ： ） 理 想 空 载 转 速 转 速 变 化 率 结论：并励直流电动机的转速随负载（ ）变化 不大 硬特性 优点：适用于要求转速恒定的场合。缺点：不 能过载。 sI 0ne sIseI0 电 枢 反 应 去 磁 注意：并励直流电动机的励磁回路不能断开 轻载时： 重载时： 2 ( ) , s Ms s s M f I M C I MI IM 、 转 矩 特 性 ， 根 据 ： 当 常 数 （ 直 线 关 系 ） 考 虑 到 电 枢 反 应 去 磁 ， 较 大 时 ， 稍 有 下 降 剩因 = （ 很 小 ） n 飞 速 损 坏 电 机 2M M M 剩因 很 小 ， 停 转 ， 可 能 烧 坏 电 机 eM sIseI0 电 枢 反 应 去 磁 3机械特性 公式推导： 是一条略为下降的直线 自然机械特性 ： ()n f M M s M s M s s M MM M M C I M C I C I I C CC 并 励 时 常 数 2 ss M s E E E E M MU U I r C UMnr C C C C C 代 入 eM 0tR 1t 2tR 3tR en M0 en0 nn 电枢回路无附加电阻 Rt， 即 Rt=0时的机械特性 考虑到电枢反应的去磁，当 Is较大时， 相对较小 曲线略微上翘 人为机械特性 ：电枢回路串入附加电阻 Rt 设： 特点：串入附加电阻相当于 从公式可见： 越大，直线下降越厉害 用途：用于调速 n 1 2 3t t tR R R sr 2 () () e M st E e E e e M st E e E M e M U C n r R CC M U C rR C C C tR f r p r t Rn sE U IfI sI 二串励直流电动机的运行特性 1、转速特性 ()sn f I , , () e s f s s s s c f c f s s c f E U U I I I U E I r I r r U I r r n C 条 件 ： 特 点 ： 公 式 推 导 ： 串 场 电 阻1 ( ) ( ) s ss s s c f s s c f E E s s c f E s E s I I K I U I r r U I r r n C C K I rrU C K I C K nI 注 意 ： 变 变 ， 故 分 两 种 情 况 探 讨 、 不 饱 和 时 ： 即 较 小 时 ， 显 然 ， 与 为 双 曲 线 关 系 U n sE f I sII 1C 2C 01 / 4 01 / 4 2 () , , 100% 1 4 s s c f s E e e s se U I r r n n I C n nn n n n I I 、 饱 和 时 ： 常 数 与 为 略 有 下 降 的 直 线 关 系 考 虑 电 枢 反 应 去 磁 使 转 速 变 化 率 式 中 ： 轻 载 的 转 速 注意 ： 1）串励直流电动机不能空载，否则“飞速” 2）串励电动机的串励绕组不能过多“旁路”，因 为过多旁路会使 更厉害 n 图：接旁路电阻示意图 2 2 ( ) , () 2 () s Ms sf s M s s M s Ms s M f I M C I II KI M C K I I C I M C I M IM 、 转 矩 特 性 根 据 因 为 所 以 分 两 种 情 况 讨 论 ： 1) 磁 路 不 饱 和 时 ： = 属 于 抛 物 线 关 系 ） 磁 路 饱 和 后 ： 常 数 属 于 直 线 上 升 关 系 考 虑 到 电 枢 反 应 去 磁 （ 略 有 下 降 ） 优 点 ： 过 载 能 力 强 （ ） 2 3 ( ) , 1 () ( , ) e s M s s M s s M s c f s s c f E s E s E E M s c f E E M n f M U U KI M M C K I I C K I I CK r r I r rUU n C K I C K I C KM CK CK U b aM rrCK ab CKCK 、 机 械 特 性 ， 条 件 公 式 推 导 ： ） 当 磁 路 不 饱 和 时 ： = 12 2 2 12 1 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( , ) () M s M s s M s c f s c f s c f E E M E ME E n f M M M C I C I I C U r r M r r M r rU nC C C C C C U C C C C C n f M 可 见 ： ） 磁 路 不 饱 和 时 ， 为 双 曲 线 ） 磁 路 饱 和 时 ， = 常 数 , 显 然 ， 为 一 条 下 降 直 线 串励直流电动机的优点： 起动转矩越大，过载能力越强 具有恒功特性 轻载和重载时输出功率基本相等。 解释： 轻载时： n高，低 n高 * 低 重载时：高， n低 高 *n低 () q e q eI I M M IM 平 方 关 系 2 60Mn nP M M M 常 数 = 优点：）充分利用电动机和电源（全部贡献） ）牛马特性软特性适用于“牵引” 比如上坡时：要求 M大， n自动降下来，列车能上去 如“牛”慢行 比如下坡时：要求 M小， n自动升起来，列车如“马” 飞奔 三复励电动机的运行特性 1转速特性 积复励磁场 =并励磁场 +串励磁场 特性：介于并、串励特性之间。 串励为主，并励为辅 优点：具有串励机的牛马特性，且在空载 时不会“飞速”； 并励为主、串励为辅 优点：具有硬特性，且过载能力强 差复励 =并励磁场串励磁场 特点： 转矩特性 设计中对积复励考虑 之前： 积复励的 串励 其 串励 并励 并励； 之后： 积复励的 并励 其 并励 串励 串励； 一般：串励只占 sIn ()sM f I seI seI (5 1 0 )% 第四章 直流电动机的电 力拖动基础 4 1电力拖动系统的运动方程式 一电力拖动 用各种电动机作为原动机的拖动系 统 关键：掌握电动机的特性和被拖动的负载的特性。 二直线运动系统与旋转运动系统 直线运动系统（例如直线电机拖动的系统） 2 : ( ) : ( ) ( / ) Z dv F F m dt F N m K g dv ms dt 单 位 ： ， m a F （ 拖 动 ） F z 阻 力 V 旋转运动系统 2 22 22 () r a d / ) : ( ) () 44 , 1 , 2 1 2 z d M M J dt s M N m J G D GD JM gg mG RR R 惯 性 转 矩 惯 性 转 矩 ： ( 其 中 ： 转 动 惯 量 （ 衡 量 旋 转 体 惯 性 大 小 ） 重 量 定 义 ： （ Kg m ） 式 中 ： 旋 转 体 的 质 量 和 重 量 惯 性 半 径 ， 均 匀 圆 柱 体 的 半 径 的 理 由 ： 圆 柱 体 的 重 量 并 非 集 中 在 边 缘 M z 阻 力 转 矩 M 拖 动 转 矩 2 22 2 22 21 22 22 4 ( ) 4 2 60 2 4 60 2 4 60 375 375 / z D D R R R GD GD gJ N m J g n d GD dn M M J dt g dt GD dn GD dn g dt dt 惯 性 半 径 实 际 半 径 飞 轮 矩 ： 关 系 式 推 导 ： 具 有 加 速 度 的 纲 量 （ 米 分 秒 ） 3 0 10 0 0 z z z ndn MM dt n dn M M n dt dn M M n dt 、 系 统 状 态 的 判 定 ） 或 恒 量 ， 稳 态 2 ） 加 速 状 态 3 ） 减 速 状 态 工作机构及传动机构参数的折算 一实际拖动系统与等效拖动系统 实际拖动系统 特点：转轴有多根（多级传动） 各轴上有本身的转动惯量及转 速从而要列出每根轴的运动方 程及相互联系的运动方程联立 求解，才能了解负载的运动状 况 太复杂。 M M z dJ 11J 2J 2 zzJ 负 载 传 动 系 统 等效系统 以电动机轴为研究对象，把实际拖动系统等效为单轴 运动系统 等效原则：系统传送的功率及储存的动能不变 优点：仅研究一根轴的运动系统，从而大大简化了计 算 办法：把传动机构和工作机构的参数折算到电动机轴 上 比如：工作机构的负载转矩 ，直线运动时的 各轴的转动惯量 都要折算到电动机轴上进行计算 zM zM zF 1 2 3J J J、 、 二工作机构转矩 的折算 原则： 系统传递的功率不变（把传动机构的损 耗在效率中考虑） 电动机带动负载时：电动状态 zM 1 2 3 1 2 3 c z c z z z z z z z cc c z zz P MM M M M M j n j j j j n j j j j 包 括 在 效 率 中 ， 等 效 转 矩 ： 为 总 的 转 速 比 为 各 级 齿 轮 速 比 电 动 机 传 动 机 构 工 作 机 构 p1P 2P zM z zM 12 21 1 1 nZ j nZ j j 齿 轮 传 动 ： 若 ， 转 速 降 低 低 速 若 ， 高 速 （ 比 如 离 心 机 ） 图：齿轮传动 发电机制动状态时 工作机构拖动电动 机 z c z z z z z z z cc c z MM M M M M j 等 效 转 矩 ： 电 动 机 传 动 机 构 工 作 机 构 p1P 2P zM z z M 三工作机构直线作用力的折算 起重机、 刨床 1 60 2 1 2 z c z z z z z z z cc c c c c M F V F V F V M n 、 电 动 机 状 态 - 提 升 重 物 等 效 转 矩 ： 式 中 为 提 升 效 率 ， 它 与 下 降 效 率 不 一 样 ， 因 为 损 耗 不 一 样 ， 输 入 输 出 功 率 不 一 样 可 以 证 明 ： 下 降 效 率 电 动 机 m g zG z F zV zM 发电机状态 工作机构拖动电机（重物下 落） 60 9 .5 5 , ( 9 .5 5 ) 2 0 .5 , 0 z z z c zz zc cc M F V FV M n 当 时 （ 负 值 ） 说明：工作机构的下降功率不足以克服传动机构的功 率损耗，要下落必须电动机帮忙（反向转动） 好处：比如电梯，由于设计时有意使传动机构损耗大， 故提升效率 .，这个代价才能保证突然断电 时电梯无法下降（ ），以保证人的生命安 全 c c 四传动机构和工作机构飞轮矩的折算 1 2 3 2 2 2 2 2 2 1 1 2 2 3 3 12 2 2 2 12 2 2 2 22 1 1 () 1 1 1 1 1 1 2 2 2 2 2 2 2 , 4 60 j d z z z D z dd J J J J J J J J J J J J J J JJ GD n J GD n g GD GD G D n n 即 ， ， ， （ 传 动 机 构 ） + 工 作 机 构 折 算 到 电 动 机 轴 上 的 折 算 原 则 ： 系 统 储 能 的 动 能 等 效 等 效 系 统 ： 等 效 转 矩 ： 2 22 22 2 1 22 1 z z z dd z GD n n GD GD GD nn nn ： 最 大 ， ： 最 小 ， ： 其 次 五工作机构直线运动质量的折算 以 运动的质量 折算到电动机轴上可 用一个转动惯量为 的转动体与之等效 折算原则 储存动能等效 ()zV m s ()zm Kg zJ 2 2 2 2 11 22 z Z z z Z z V J m V J m 电 动 机 m g zG z F zV zM 电 动 机 2()GD J z 22 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 () 4 2 60 4 60 60 () 365 zz zz zz zz GVGD gg n GV n GV GD n GV n 转 换 为 飞 轮 转 矩 ： 生产机械的负载特性 一恒转矩负载特性 与负载转速无关 反抗性负载 ：比如钢板碾压，方向可变， 但 不变。 ()fzM f n fzM 常 数 fzM fz fz fz n MM n M 电 动 机 正 转 时 ： = 反 向 ， 定 义 电 动 机 反 转 时 ： = 但 大 小 不 变 位能性负载 （起重类） 负载转矩由重力作用产生，无论提