Transcript 第一章直流电机
第1章 直流电机 1.1 直流电机的特点和用途 一、直流电机的定义、分类 1、直流电机的定义 实现直流电能和机械能相互转换的电气设备。 2、直流电机的分类 直流电动机和直流发电机。 直流电动机：将直流电能转换为机械能的电机。 直流发电机：将机械能转变为直流电能的电机。 3、电机的可逆原理 一台直流电机既可作为发电机 使用，也可作为电动机使用,它 们的能量转换过程是可逆的。 电机的运行方式 取决于外部条件 将直流电源加于电刷， 输入电能，将电能转换 为机械能，直流电机作 电动机运行。 用原动机拖动直流电机的电枢旋转， 输入机械能，将机械能转换为直流 电能，从电刷上引出直流电动势， 直流电机作发电机运行。 二、直流电机的用途 作电源用-直流发 作动力用-直流 电机将机械能转化 电动机将直流电 为直流电能 能转化为机械能 做励磁机用 一般小于10万kW即100MW 的单机同步发电机要用直流 信号传递-直流测速 信号传递-直流伺服电 发电机作为励磁机。 发电机将机械信号转 换为电信号 动机将控制信号转换 为机械信号 三、直流电机的优缺点 ★ 直流发电机的电势波形较好，对电磁干 扰的影响小。 ★ 直流电动机的调速范围宽广，调速特性 平滑。 直流电动机过载能力较强 ★ 由于存在换向器，其制造复杂，价格较高。 1.2 直流电机的结构和工作原理 一、直流电机的基本结构 主要由定子、转子两部分组成 直流电机 定子 机座 换向极 转子 主磁极 电刷装置 电枢铁心 换向器 电枢绕组 风扇 转轴 轴承 1、定子 定子的主要部件：机座、 主磁极、换向极、端 盖和电刷等装置。 主要作用：产生磁场。 机座 ——机座有两个作用，一是电机磁路的一部分(称为磁 轭)，二是作为电机的结构框架。 机座的两端装有端盖。 主磁极 主磁极的作用是建立 主磁场。绝大多数直流电机的主 磁极不是用永久磁铁而是由励磁 绕组通以直流电流来建立磁场。 主磁极由主磁极铁心和套装在铁 心上的励磁绕组构成。主磁极铁 心靠近转子一端的扩大的部分称 为极靴，它的作用是使气隙磁阻 减小，改善主磁极磁场分布，并 使励磁绕组容易固定。 换向极 ——换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极， 它的作用是改善直流电机的换向情况，使电机运行时不产生 有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和 套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换 向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电 机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕 组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组 一样，导线有较大的截面。 端盖 —— 端盖装在机座两端并通过端盖中的轴 承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电 机内部还起防护作用。 电刷装置——电刷与换向器配合可以把转动的电枢绕组电路和 外电路相连接，并把电枢绕组中的交流电转变成电刷两端的 直流电。电刷装在刷握的刷盒内，用弹簧把它紧压在换向器 表面上。电刷组的个数，一般等于主磁极的个数。 2、转子 转子的主要部件包括：电 枢铁心、电枢绕组、换向 器、转轴、轴承、风扇等。 主要作用是：产生感应电 动势和电磁转矩，是直流 电机能量转换的核心。 1.转轴 2.轴承 5.电枢绕组 3.换向器 6.风扇 4.电枢铁心 7.轴承 直流电机转子结构 电枢铁心 —— 电枢铁心既是主磁路的组成部分，又是电枢 绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少 电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm、两边涂有绝缘 的硅钢片叠压而成。 电枢绕组——由一定数目的电 枢线圈按一定的规律连接组成， 分上下两层嵌放在电枢铁心槽 内，上下层以及线圈与电枢铁 心之间都要妥善地绝缘，并用 槽楔压紧。 电枢绕组: 产生感应电动势和电磁转矩，从而实现机电能 量转换，是电机的重要部件。 换向器——它是有许多带有 燕尾槽的楔形铜片组成的一 个圆筒，铜片之间用云母片 绝缘，用套筒、云母环和螺 帽紧固成一个整体，换向片 套筒之间要妥善绝缘。电枢 绕组中每个线圈上的两个端 头接在不同换向片上。它的 作用是与电刷一起，起转换 电动势和电流的作用。 二、直流电机的工作原理 补充：分析电机常用的基本电磁定律 (1)电磁力定律：垂直于磁力线的导体通过电流时，会受到力的作用。 若与磁力线垂直的导体通过电流，导体受的力为：F=B·L·I F：力，N B：磁感应强度, Wb/m2或T(特斯拉) L: 导体的有效长度，m I：导体中的电流，A •力的方向用左手定则确定： (2)电磁感应定律：若导体切割磁力线，导体中会产生感应电动势。 若导体与磁力线发生相对运动，导体中感应的电势为：E=B·L·V E：感应电势，V B：磁感应强度, Wb/m2或T(特斯拉) L: 导体的有效长度，m V：导体的运动速度，m/s •感应电动势的方向用右手定则确定： (3)电流磁效应：通电的导体周围会产生磁场。 •磁场的方向用右手螺旋定则确定： 电机的各组成部件 1、 直流发电机的基本工作原理 如右图，N、S为定子磁 极，abcd是固定在可旋转导 磁圆柱体上的线圈，线圈连 同导磁圆柱体称为电机的转 子或电枢。线圈的首末端a、 d连接到两个相互绝缘并可 随线圈一同旋转的换向片上。 转子线圈与外电路的连接是 通过放置在换向片上固定不 动的电刷进行的。 图1.3.7 直流发电机的工作原理图 直流发电机是将机械能 转变成电能的旋转机械。 当原动机驱动电机转子 逆时针旋转时，线圈abcd 将产生感应电动势。 如右图，导体ab在N极下， a点高电位，b点低电位； 导体cd在S极下，c点高电 位，d点低电位；电刷A极 性为正，电刷B极性为负。 图1.3.7 直流发电机的工作原理图 当原动机驱动电机转子 逆时针旋转180度后，如右 图。导体ab在S极下，a点 低电位，b点高电位；导体 cd在N极下，c点低电位，d 点高电位；电刷A极性仍为 正，电刷B极性仍为负。可 见，和电刷A接触的导体总 是位于N极下，和电刷B接 触的导体总是位于S极下。 图1.3.7 直流发电机的工作原理图 总结直流发电机原理 定子（不动部件）上的励磁绕组通过直流电流(称为励磁电 流If)时产生恒定磁场（励磁磁场，主磁场）； 原动机带动电枢线圈旋转切割主磁场B,转速n(r/min)； 电枢线圈的导体中将产生感应电势e=Blv； 通过换向器与电刷的作用，可以引出单向（直流）的端电势 eAB。 2、直流电动机的基本工作原理 直流电动机是将直流电能转变成机械能的旋转机械。 N和S是一对固定的磁极，可 以是电磁铁，也可以是永久磁铁。 把电刷A、B接到直流电源上，电 刷A接正极，电刷B接负极。此时 电枢线圈中将电流流过，电流方 向a到b到c到d到a。在磁场作用 下，N极性下导体ab受力方向从 右向左，S 极下导体cd受力方向 从左向右。该电磁力形成逆时针 方向的电磁转矩。当电磁转矩大 于阻转矩时，电机转子逆时针方 向旋转。如右图。 a) 图1.3.8 直流电动机的工作原理 当电枢旋转到右图所示 位置时原N极性下导体ab转 到S极下，受力方向从左向 右，原S 极下导体cd转到N 极下，受力方向从右向左。 该电磁力形成逆时针方向的 电磁转矩。线圈在该电磁力 形成的电磁转矩作用下继续 逆时针方向旋转。 b) 图1.3.8 直流电动机的工作原理 将直流电动机的工作原理归结如下： 1、将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流 流过。 2、电机内部有磁场存在。 3、载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力F 的作用 F=BLI （左手定则） 4、所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n(转/分) 旋转，以便拖动机械负载。 1.3 直流电机的额定值 一、直流电机分类 直流电动机按结构形式分为开启式、防护式、封闭式和防 爆式几种；按容量分为小型、中型和大型；按励磁方式分为他 励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。 （a）他励 （b）并励 （c）串励 （d）复励 1、他励直流电机 他励：直流电机的励磁电流由 其它直流电源单独供给，与电 枢电流无关。 2、并励直流电机 电机的励磁绕组与电枢绕组并联。 3、串励式直流电机 励磁绕组与电枢绕组串联，满足： Ia I f I 4、复励直流电机 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。(先并后串/先串后并) （a）积复励 （b）差复励 二、直流电机的额定值 额定值——是电机制造厂对电机正常运行时有关的电量或机械量所规定 的数据。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值 通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌值。 ⒈额定功率 PN 电机在额定状态下运行时，电机的输出功率。 ★★★---------------------------注意-------------------------------------★★★ 对于直流发电机，PN是指输出的电功率。 它等于额定电压和额定电流的乘积，PN＝UNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率。 所以公式中还应有效率ηN存在。PN＝UNINηN ★★★--------------------------------------------------------------------★★★ 单位：W、kW 直流电动机：从电源吸收的电功率，通过电磁感应作用，转 换成轴上的机械功率。 直流发电机：原动机克服电磁转矩的制动作用所做的机械功 率等于通过电磁感应作用在电枢回路所得到的电功率。 ⒉额定电压 UN 指额定状态下,电刷两端输出或输入的电压。 单位:V ⒊额定电流 IN 指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值。 单位：A ⒋额定转速 nN 指额定状态下运行时电机转子的转速。 单位：r/min 。 ⒌额定励磁电流 If 指电机在额定状态时的励磁绕组电流值。 单位：A 6、额定转矩 ● 电动机轴上输出的额定转矩用TN表示，其大小等于输出 的额定机械功率除以转子额定角速度， 即 TN= PN /ωN=PN/(2πnN/60)=9.55 PN/ nN 单位：N.m ※ 实际运行时，电机不可能总是工作在额定运行状态，如 果运行时电机的负载小于额定容量，称为欠载运行；而电机 的负载超过额定容量，称为过载运行。长期的欠载或过载都 不好。 例：一台直流电动机其额定功率PN=160kW，额定电压 UN=220V，额定效率ηN=90%，额定转速nN=1500r/min， 求该电动机额定运行状态时的输入功率、额定电流及额 定转矩各是多少？ 解：额定输入功率 P1= PN/ ηN=160/0.9=177.8 kW 额定电流 IN= P1/ UN =177.8 ×103/220 = 808.1A 额定转矩 TN= 9.55 PN/nN =9.55×160× 103 /1500=1018.7 N• m 三、电枢绕组的感应电动势与电磁转矩 1、电枢电动势 电枢电动势:电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势。是指直流电 机正、负电刷之间的感应电动势，也就是电枢绕组每条支路的感应电动 势，即一条支路中各元件感应电动势之和。 pN F n C eF n 大小: E a pN 60 a 其中 Ce 为电机的结构常数 (电动势常数 ) 60 a 式中 N—电枢总导体数； a—电枢绕组并联支路对数； pN Ce —电动势常数 60 a F —气隙每极磁通（Wb） n—电机的转速（r/min） 可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通 及转速有关，感应电动势的方向由电机转向和主磁场方 向决定。 性质: 发电机——电源电势(与电枢电流同方向)； 电动机——反电势(与电枢电流反方向)。 2、 电磁转矩 电磁转矩:电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作 用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。 电机的总电磁转矩为： 大小: T pN F Ia CT F Ia 2 a pN 其中 CT 为电机的转矩常数，有 2a CT 9.55Ce 可见，制造好的直流电机其电磁转矩、每极磁通及电枢电流 成正比；方向由主磁场方向和电枢电流方向决定。 性质: 发电机——制动(与转速方向相反)； 电动机——驱动(与转速方向相同)。 电枢电动势的方向由电机的转向和主磁场方向决定，其中 只要有一个方向改变，电动势方向也就随之改变了。电磁转 矩的方向由电枢电流和主极磁场的方向决定，同样，只要改 变其中一个方向，电磁转矩方向将随之改变，而两个方向同 时改变时，则电磁转矩方向不变。 §1.4 直流电机的机械特性和调速方法 一、直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是指电动机的转速n与电磁转矩T之间 的关系： n f(T ) 1、他励直流电动机的机械特性 在电枢电路中串入一个附加电阻Rp，电枢电压 为U，磁通为Φ ，电枢回路电势平衡式： 将电枢电动势Ea=Ce ΦNn与电磁转矩T=CT ΦNIa整理得： n U C eF Ra+Rp Ia Ce F 又根据电磁转矩公式TCTFIa代入上式，得电动机的机械 特性方程为： Ra+Rp U T 2 C eF C eC T F n0 - bT n n0称为理想空载转速 b--为机械特性的斜率 (1) 固有机械特性：当电枢两端加额定电压、气隙每极磁通量 为额定值、电枢回路不串电阻时，即 U U N , F F N , R 0 的机械特性。 表达式为： UN Ra n T 2 CeF N CeCT F N (2) 固有机械特性曲线 n0 nN n n TN T 他励直流电动机固有机械特性 (3)固有机械特性的特点： ◆ 当 T时n ，其特性是略下斜的直线。 ◆ 当T=0时，n0为理想空载转速(实际工作时, 由于有空载损耗，电机的T不会为0)。 ◆ 由于电枢电阻Ra很小，所以机械特性斜率 n0 nN n n β很小，在负载变化时，转速 n 的变化不大， 特性较平，习惯上称之为硬特性。 ◆ 当T=TN时，n=nN，此点为电动机额定工作点， 转速差Δn=n0-nN= β TN ，为额定转速差，一般 Δn≈0.05nN。 ◆ 当n=0时，即电动机起动时，Ea=0，此时电 枢电流Ia=UN/Ra=Is，称为起动电流；电磁转矩 T=CTΦNIs=Ts，称为起动转矩。由于电枢电阻Ra 很小，Is和Ts都比额定值大很多（可达几十倍）， 给电机和传动机构带来危害。 TN T 他励直流电动机固有机械特性 2.人为机械特性 根据转速、转矩公式 n U R T 2 Ce CeCT （1）人为地改变电动机参数U、R或F得到的机械特性，称为人为机械特性。 （2）有三种人为机械特性： ◆ 电枢回路串电阻的人为机械特性； ◆ 改变电枢电压时的人为机械特性； ◆ 减弱电机磁通时的人为机械特性； 电枢回路串电阻的人为机械特性 保持U＝UN 及F＝FN 不变而在电枢回路中串入电阻Rp，所得的n＝f（T）关系。 Ra R p UN n T n0 - bT 2 CeN CeCT N 对于给定的Rp，b为常数。 电枢回路串电阻的人为机械特性特点： （1）改变电枢外接电阻，可得到一组不同斜率的射线。 （2）理想空载转速n0不变； （3）斜率 Ra Rp b bN 2 Ce C M N ，串入电阻越大， b越大，特性越软。 改变电枢电压时的人为机械特性 保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rp=0),只改变电枢电 压时的机械特性。 表达式： Ra U n T 2 Ce N CeCT N n0 - b N T 改变电枢电压时的人为机械特性的特点： （1）当U作多次改变时，可得一组平行的人为机械特性曲线。 （2）理想空载转速与U成正比。 （3） b不变，特性曲线互相平行。 电枢电压一般以额定电压为上限， 因此只能从UN往下降压。 减弱电机主磁通的人为机械特性 保持端电压为额定值不变，电枢回路不串电阻(Rp=0),只改变励磁电流 的机械特性。 表达式： UN Ra n T 2 Ce CeCT n0'' - b N' T 额定时，磁路已接近饱和，一般磁 通从FN开始减弱。 减弱电机主磁通的人为机械特性的特点： （1）理想空载转速n0与磁通F成反比， F 下降， n0上升。 （2）磁通F下降， b上升，曲线变软。 3.串励电动机机械特性 空载转速极高，所以串励电动机不许空载或轻载运行，由于电磁转矩与 电流平方成正比，因此起动和过载能力强。 串励电动机接交流电源后，由于磁通Φ和电枢电流Ia同时改变方向，所 以电磁转矩方向不变，因此是一种交直流两用的电动机。 二、他励直流电动机的调速 直流电动机的转速公式： U R n T 2 Ce CeCT 直流电动机的调速方法： （1）电枢串电阻调速； （2）降低电枢电压调速； （3）弱磁调速； 1.电枢回路串电阻调速 调速的特点： （1）只能从额定转速往下调； （2）转速越低机械特性越软，负载 波动时转速稳定性差； （3）电枢所串电阻流过的电流大， 电能损耗大； （4）转速越低、损耗越大，调速的 经济性差； （5）调速范围小，电机空载时几乎 无调速作用； （6）但使用设备简单，初次投资小。 2.降低电枢电压调速 降压调速过程与电枢串电阻调 速过程相似，调速过程中转速和电 枢电流（或转矩）随时间变化的曲 线也相似。 调速的特点： （1）只能从额定转速往下调； （2）机械特性较硬； （3）调速范围大 （4）当电枢电压可连续调时，转速也可调，可实现无级调速； （5）调速过程中耗能少。 （6）需要专用的调压电源，初次投资大。 3.减弱磁通调速 结论：磁场越弱，转速越高。 因此电机运行时励磁回路不能 开路。 调速特点： （1）调速平滑，可实现无级调速； （2）调速经济，控制方便； （3）机械特性较硬，稳定性好； （4）但调速范围小 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方 法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定 转速以下采用降压调速。 §1.5 直流电机的起动、反转和制动 一、他励直流电动机的起动 1、起动：电动机接入电源后，转速从零逐渐上升到稳定转速的过程。 2、电动机起动的基本要求： ◆ 起动转矩要大-------起动时间要短； ◆ 起动电流要小------保证电源供电质量； ◆ 起动设备要简单、经济、可靠。 3、他励直流电机直接起动： （1）直接起动：直接加额定电压起动的方法。 UN n 0, Ea 0, Ra 0, I a Ra （2）缺点 ◆ 电网电压波动大，影响同一电源的其他设备正常运行。 ◆ 使电动机换向恶化，使在换向器与电刷之间产生强烈火花。 ◆ 起动转矩过大，产生机械冲击。 4、他励直流电动机起动方法 （1）电枢回路串电阻起动 将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，逐步将起动电阻切除。 （2）降压起动 起动时，降低端电压，随着转速的上升，逐步提高电枢电压，并 使电枢电流限制在一定范围内。 优点：起动电流小，起动过程平滑、能量损耗少。 缺点：专用降压设备，成本较高。 二、他励直流电动机的反转 电机反转即改变电磁转矩的方向，由电磁转矩公式（T=CTФIa） 可知，欲改变电磁转矩的方向，只需改变励磁磁通方向或电枢电流 方向即可。所以，改变直流电动机转向的方法有两个： ◆ 在励磁电流方向不变即磁场方向不变时，将电枢电压反接。 ◆ 在电枢电压的极性不变时，改变励磁电流的方向。 三、他励直流电动机的制动 制动的概念 电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反时，就称为电动机处于制动状态。 制动的目的： 1）使电动机减速或停车。 2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡） 制动的方法 （1）机械制动 :靠摩擦力对电机制动。 （2）电磁制动：通过使电动机的电磁转矩方向与旋转方向相反进行制动。 电磁制动的方法 （1）能耗制动 （2）反接制动(倒拉、电源反接） （3）回馈制动(又称再生发电) 1、能耗制动 电动状态，电枢电流、电枢电动势、 转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭 头所示。 制动时接制动电阻Rb上，由于惯性， 电枢保持原来方向继续旋转，电动势 Ea(Ea=CeΦn)方向不变。由Ea产生的电枢电 流Ia 的方向与电动状态时Ia的方向相反， 对应的电磁转矩 TB与T方向相反,为制动性 质,电机处于能耗制动状态。 能耗制动运行时，电动机靠将生产机 械的动能转换成电能，消耗在制动电阻上。 电动机由生产机械和自身的惯性作用拖动 发电，把生产机械和电动机储存的动能转换为 电能，再消耗在电枢回路的电阻上，这种制动 方式叫能耗制动。 能耗制动时的机械特性方程为： n=n0 - Ra R B T 0 - bT 2 C eCT F N (n0=U/CeF0,U=0) n 制动瞬间 工作点 B 电动机状态工 作点 n0 A Ra 制动过程 工作段 0 TL C T 2 、电源反接制动 电压平衡式： - U N Ea I a ( Ra RB ) - U N - Ea Ia Ra RB （Ia反向） 串入制动电阻Rz，以限制过大的制 动电流（制动电流允许最大值≤2～ 2.5IN)反向的电枢电流产生反向的电磁 转矩，从而产生很强的制动作用——电 源反接制动。 3、回馈制动（再生发电制动） 电动状态下运行的电动机，在某种 条件下会出现 n >n0情况，此时Ea >U， Ia 反向，T反向，由驱动变为制动。从能 量方向看，电机处于发电状态——回馈 制动状态。 回馈制动实现的条件:转速高于理想空载转速 注意：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大 的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动 转矩容易控制的特点。 说明：很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动， 即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零 速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好 的制动效果。