《电机与拖动》PPT课件.ppt

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1、电机与拖动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：516=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

2、转换分）o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o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o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o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。电机的分类电机的分类 发电机发电机 直流电机直流电机 电动机电动机 电动机电动机 旋转电机旋转电机 异步电机异步电机 普通电机普通电机 发电机发电机 变压器

3、变压器 交流电机交流电机 电机电机 电动机电动机 同步电机同步电机 通用式通用式 发电机发电机 特种电机特种电机 控制式控制式 二、电力拖动概述电力拖动概述o拖动拖动原动机为了完成一定任务而使生产机械运动。o电力拖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。o电力拖动系统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）电电力拖力拖动动系系统统电力拖动类型电力拖动类型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2.单电机拖动系统：一台电动机拖动一个工作机构

4、。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、基本定律基本定律（1 1）全电流定律（电生磁）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

5、，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。用途：电机和变压器的磁路计算(2)(2)电磁感应定律（磁生电）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（3 3）电磁力定律电磁力定律（载流导体在磁场中受力）o大小：B磁通密度；导体的有效长度；通电电流强度o方向：左手定则（4 4）可逆原理可逆原理电能机械能电功率（机械功率）（5 5）磁路的欧姆定律磁路的欧姆定律 磁动势相当于E 磁通相当于I 磁阻()相当于磁路

6、的欧姆定律磁路的欧姆定律四、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。第一章第一章直流电机基础直流电机基础1-1 概述直流电机直流电机:一种转换与直流电能有关的机器一种转换与直流电能有关的机器直流电能直流电能机械能机械能（直流电动机）（直流电动机）机械能机械能直流电能直流电能（直流发电机）（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可逆性：同一直流电机即可用作电动机也可用作发电机优优点：点：范围广范围广调速性能好调速性能好方方便便平平滑滑起动性能好，起动

7、力矩大起动性能好，起动力矩大缺缺点：结构复杂、用铜多、成本高、运行有时不够可靠点：结构复杂、用铜多、成本高、运行有时不够可靠环火问题。环火问题。电力机车电力机车用用途：途：电动机电动机主要用于广泛调速的地方主要用于广泛调速的地方地地铁铁 电力机车电力机车牵引电机牵引电机电电车车卷扬机卷扬机快速可逆电机拖动系统快速可逆电机拖动系统轧钢机轧钢机发电机发电机可作独立直流电源，也可组成发电机可作独立直流电源，也可组成发电机电动机电动机拖动系统（拖动系统（F-D），比如冶金、化工、采矿中使用。），比如冶金、化工、采矿中使用。优优点：发电机提供的直流电质量好，可靠（比整流）。将点：发电机提供的直流电质量好

8、，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。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直流电机的工作原理一、直流发电机的原理一、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原理：导体在磁场中运动切割磁力线产生感应电势大小：大小：方向：方向：右手定则右手定则下面以二极环形绕组（原理结构）为例：下面以二极环形绕组（原理结构）为例：图：二极环形绕组（原理结构）图：二极环形绕组（原理结构）定定子：两个主磁极（永久磁铁）子：两个主磁极（永久磁铁）在空间固定在空间固定产生恒定磁场产生恒定磁场转转子：环形铁心上绕有子：环形铁心上绕

9、有12个线圈（闭合绕组在原动机拖动个线圈（闭合绕组在原动机拖动下旋转）下旋转）N极下：极下：2、3、4、5、6切割磁力线感应电势方向切割磁力线感应电势方向S极下：极下：8、9、10、11、12切割磁力线感应电势方向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处于几何中性线处不感应电势特特点：点：同一极下的导体是在变化的，但同一极下导体电势方向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。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）。切割不同极性的磁力线）。转子绕组闭合回路中转子绕组闭合回路

10、中=0（对称），（对称），无环流无环流。引出直流电的办法引出直流电的办法：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而形成了两个并联支路且同一支路内电势方向一致直直流电势流电势电刷存在的问题及改进方法电刷存在的问题及改进方法问题：问题：寿命不长（经不起长期磨损）寿命不长（经不起长期磨损）安放电刷有困难安放电刷有困难改改进进办办法：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。组成，装在电枢端部与电枢一

11、起旋转。特特点：点：电刷位置电刷位置应与中性线处导体相连，从而保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。证支路内电势不互相抵消，以获取刷间最大电势。换向片数换向片数K=S(元件数元件数)环形绕组并联之路数环形绕组并联之路数2a=极数极数2p=电刷数电刷数a并联支路对数（两条支路时并联支路对数（两条支路时a=1）p极对数极对数（两个极时（两个极时p=1）二、直流电动机工作原理二、直流电动机工作原理结构：同直流发电机结构：同直流发电机特点：在电刷间加直流电源（电刷极性不变）特点：在电刷间加直流电源（电刷极性不变）图：直流电动机原理图：直流电动机原理通过换向器的作用，

12、将电流直流电转换为元件中的交流电，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。导体受力方向。注意：转子旋转后，元件中的电流方向在改变。注意：转子旋转后，元件中的电流方向在改变。换向器的作用：元件中的交流电换向器的作用：元件中的交流电电刷间的直流电。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、主要结构部件一、主要结构部件1、定子部分、定子部分主磁极主磁极产生主磁场产生主磁场铁心：铁心：0.51.0mm厚硅钢片冲迭而成。厚硅钢片冲迭而成。励磁绕组：由绝缘导线绕成

13、，通以直流电产生主极磁场。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）换向极（附加极）改善换向，减小电刷下的火花。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）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线圈：绝缘导线绕成与电枢绕组串联机座（磁轭）机座（磁轭）由厚钢板弯成圆筒焊接而成或铸钢由厚钢板弯成圆筒焊接而成或铸钢作用：提供磁路，支撑，防护作用作用：提供磁路，支撑，防护作用电刷装置和其它电刷装置和其它电刷装置的作用：引出（引进）电流电刷装置的作用：引出（引进）电流组成：电刷组成：电刷石墨制品，耐磨，导电石墨制品，耐

14、磨，导电刷握刷握刷盒，放电刷，用弹簧压紧电刷，在空间固定刷盒，放电刷，用弹簧压紧电刷，在空间固定刷架刷架安放刷盒用，本身固定在机座或端盖上安放刷盒用，本身固定在机座或端盖上.注意注意,刷刷盒与刷架之间要绝缘盒与刷架之间要绝缘其它：端盖、轴承（支持、防护）其它：端盖、轴承（支持、防护）2、转子部分、转子部分电枢（感应电势，通过电流）电枢（感应电势，通过电流）电枢铁心电枢铁心0.5mm厚低硅钢片外圆冲上齿、槽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磁化而产生过多铁耗齿齿、槽、槽安放电枢绕组安放电枢绕组通通

15、风风孔孔散热散热内内圆圆轴孔轴孔电枢绕组电枢绕组绝缘导线型绕加工而成，嵌放在铁心槽绝缘导线型绕加工而成，嵌放在铁心槽中中导线截面导线截面：矩形（大电机）：矩形（大电机）圆形（小电机）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换向片相联图：电枢绕组图：电枢绕组换向器（由许多彼此绝缘的换向片构成）换向器（由许多彼此绝缘的换向片构成）侧视图（沿径向剖开）侧视图（沿径向剖开）沿圆周方向剖开沿圆周方向剖开作用：基体作用：基体与电刷接触与电刷接触竖板（升高片）竖板（升高片）连接电枢绕组元件连接电枢绕组元件燕尾燕尾夹紧、固定夹紧、

16、固定二、分类（按励磁方式分）二、分类（按励磁方式分）他励他励自励自励他励式：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电枢绕组不连接励磁电流励磁电流电枢电流电枢电流负载电流负载电流 图：并励图：并励图：串励图：串励一部分与电枢绕组串联一部分与电枢绕组串联复励：励磁绕组分两部份复励：励磁绕组分两部份另一部分与电枢绕组并联另一部分与电枢绕组并联短分接法（先并后串）短分接法（先并后串）长分接法（先串后并）长分接法（先串后并）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反积

17、复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相积复励：串联绕组产生磁动势与并联绕组产生磁动势方向相同同由于联接方式不一样，将直接影响电机的特性。由于联接方式不一样，将直接影响电机的特性。无论是无论是发电机还是电动机都可采用上述联接方式发电机还是电动机都可采用上述联接方式三、额定值三、额定值1、额定功率（容量）额定功率（容量）指输出功率，单位：瓦（千瓦）指输出功率，单位：瓦（千瓦）发电机发电机=（输出电功率）（输出电功率）电动机电动机（轴上输出机械功率）（轴上输出机械功率）=式中：式中：电动机的额定电压；电动机的额定电压；电动机的额定电流；电动机的额定电流；电动机的额定效率电动机的额定效率2

18、、额定电压、额定电压允许加在电机两端的电压限定值允许加在电机两端的电压限定值小型发电机小型发电机小型电动机小型电动机大型电机大型电机115V230V460V110V220V440V1000V3、额定电流、额定电流电机额定输出功率时的电流值电机额定输出功率时的电流值发电机发电机过载过载满载满载电动机电动机欠载欠载4、额定转速、额定转速额定负载时电机的限定转速额定负载时电机的限定转速5、额定励磁电流、额定励磁电流6、额定效率、额定效率1-4 1-4 直流电机的空载磁场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空载磁场：直流电通入励磁绕组产生的磁场 特点：负载电流特点：负载电流 =0，

19、不考虑电枢通，不考虑电枢通过电流产生磁场的影响（只有主磁极产生的过电流产生磁场的影响（只有主磁极产生的磁场）磁场）一、直流电机空载时的磁通分布一、直流电机空载时的磁通分布1 1、直流电机空载时的磁通分布、直流电机空载时的磁通分布（以四极电机为例）主磁通主磁通（每极）（每极）经过气隙进入电枢的磁通磁通路径磁通路径路径：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

20、通：总磁通：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）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图：磁化曲线图：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、

21、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）处气隙最大比如：城市电车用直流电机ZQ-8009/4.5，即=4.5mm=9mm结果：在气隙中的磁密形成帽形图：帽形磁密图：帽形磁密帽形磁密的证明：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=40006500高斯大容量电机=1000010500高斯计算中常用气隙平均磁密，电枢轴向有效长度4、电机的磁化曲线（1）定义：代表每

22、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.由此可求得磁化曲线：由此可求得磁化曲线：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）（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，

23、性能好15 15 直流电机的电枢绕组（以单迭绕组直流电机的电枢绕组（以单迭绕组为例）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不感不感应电势应电势2、过渡到鼓型绕组 环型环型鼓型鼓型作法：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=

24、S2WcWc=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）=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-y2单迭绕组的展开图（某一瞬间)例：Z=K=S=162p=4作一单迭绕组展开图计算节距：y1=z/2p=16/44（整距）=0单迭y=1y2=y1-y=4-1=

25、3作图步骤：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）第二章第二章 直流发电机直流发电机2-1 2-1 直流发电机的感应电势和电磁转矩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/分代入上式：-电势常数，与结构有关单位：韦伯；转/分；伏结论：当电机每极磁通保持不变时，电枢电势

26、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。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:结论：当磁通结论：当磁通 不变时，电磁转矩与电枢不变时，电磁转矩与电枢电流成正比。电流成正比。2-22-2直流电机的磁场和电枢反应直流电机的磁场和电

27、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）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）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）2、电枢磁势（幅值）公式导体中（支路中）的电流一个

28、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）A与关系: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：结论：电枢反应使合成气隙磁密分布畸变且总结论：电枢反应使合成气隙磁密分布畸变且总的磁密减小的磁密减小注意：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

29、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。三、直轴和交轴电枢反应三、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：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）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。

30、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：直轴电枢反应图：直轴电枢反应电刷不在几何中性线电刷不在几何中性线四、解决办法（主要指对交轴磁势的解决办法）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在主极极面上加装“补偿绕组补偿绕组”抵消电枢磁势（自动抵消电枢磁势（自动化）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，枢电流的反向，与与 反向反向电路上：补

31、偿绕组与电枢绕组串联，适当设计补偿绕组匝电路上：补偿绕组与电枢绕组串联，适当设计补偿绕组匝数使数使 =2-3 2-3 直流电机换向的一般概念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

32、正确与电枢串联低饱和状态 图：换向极的作用图：换向极的作用2-4 2-4 直流发电机的基本平衡关系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%）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

33、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：四效率关系总损耗：2525直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性一他励直流发电机的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）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。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

34、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。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。3、效率特性当当当迅速上升所对应效率为（7593）%二、并励直流发电机的自励过程及特性二、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

35、电阻两个关系：磁路上Es=Uo=电路上过程：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

36、变原动机的转向（本质是使Es调头）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 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：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=(812)Ie也危险。（3）引起外特性“拐弯”的原因两种趋势三、串励直流发电机的

37、外特性三、串励直流发电机的外特性条件：研究：关系：分析方法：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。（四）复励直流发电机的外特性（四）复励直流发电机的外特性复励外特性复励外特性=串励和并励外特性的组合（视连接成分而定）串励和并励外特性的组合（视连接成分而定）积复励积复励=并励并励+串励串励平复励平复励在额定负载时，串励补偿了因负载引起的电压降在额定负载时，串励补偿了因负载

38、引起的电压降 U U0 0=满载电压满载电压过复励过复励串场太强，使串场太强，使U U0 0满载电压满载电压欠复励欠复励串场太弱，使串场太弱，使U U0 0满载电压满载电压差复励差复励=并励并励串励串励即：串励起去磁作用，使端电压随即：串励起去磁作用，使端电压随I I增大而急剧下降（少用）。可用于直流电焊机增大而急剧下降（少用）。可用于直流电焊机 第三章第三章 直流电动机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31 31 电机的可逆原理电机的可逆原理 图：电机可逆原理示意图图：电机可逆原理示意图物理过程：减小原动机的32 32 直流电动机的平衡关系（以并励电直流电动机的平衡关

39、系（以并励电动机为例）动机为例）一电路平衡关系二、功率平衡关系三转矩平衡空载时：负载后：33 33 直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性一并励直流电动机一并励直流电动机1.转速特性（速率特性 ）由转速公式：考虑到电枢反应的去磁作用结论：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。注意：并励直流电动机的励磁回路不能断开轻载时：重载时：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自然机械特性：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人为机械特性：电枢回路串入附加电

40、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：用于调速二串励直流电动机的运行特性二串励直流电动机的运行特性1、转速特性注意：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图：接旁路电阻示意图图：接旁路电阻示意图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=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

41、，列车如“马”飞奔三复励电动机的运行特性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 第四章直流电动机的电第四章直流电动机的电力拖动基础力拖动基础4141电力拖动系统的运动方程式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

42、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）旋转运动系统 工作机构及传动机构参数的折算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。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二工作机构转矩

43、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：电动状态图：齿轮传动图：齿轮传动发电机制动状态时工作机构拖动电动机三工作机构直线作用力的折算起重机、刨床发电机状态工作机构拖动电机（重物下落）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四传动机构和工作机构飞轮矩的折算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生产机械的负载特性生产机械

44、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反抗性负载：比如钢板碾压，方向可变，但不变。位能性负载位能性负载（起重类）负载转矩由重力作用产生，无论提升或下放重物，重力作用方向始终不变：特点：数量、方向均不变特点：二通风机负载：因旋转要克服周围介质阻力包括：通风机、水泵、油泵（按离心力原理设计）三恒功率负载特性：比如车床粗加工时，切削量大精加工时，切削量小 第五章第五章 他励直流电动机拖动他励直流电动机拖动系统的静态特性系统的静态特性51 51 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性一机械特性的一般表达式任何特性来源于基本关系：二固有（自然）机械特性三人为机械特性：人为改变电路

45、的参数所得到的特性。电枢串电阻的人为特性结论：电枢回路串电阻后其机械特性变软，转速差增大，可用于调速。改变电枢电压时的人为特性弱磁时的人为特性四机械特性的绘制因为是一条直线，故确定直线上的两个点可确定固有的绘制理想空载转速 10千瓦以上的电机，其系数取 1/2 10千瓦以下的电机，其系数取 2/3额定转矩点：人为机械特性的绘制代入相应的变化量即可求得相应的人为机械特性。比如：电枢回路串电阻Rt1的人为特性的绘制。求求求已知：n0一点，（n，Me）一点可画一直线。5-2 5-2 他励直流电动机的起动特性他励直流电动机的起动特性一、起动的基本知识 特点：n=0(合闸瞬间，由于机械惯性，电动机来不及

46、转动)后果：损坏电机：1）电磁力可把绕组从槽中摔出来；2）大电流形成环火，启动时引起爆炸损坏换向器。冲击电流：1）造成电网电压，影响其他负载；2）如采用半导体电源，由于其过载能力差-损坏。要求：1）起动电流Iq要小，约为1.22.0Ie 2）动转矩要大，-满磁场下起动（缩短起动过程，提高生产率）方法：（一）降压起动：（一）降压起动：1）要用专用的可调电压的电源-半导体可调电源。2）经济性能高 （起动中无附加损耗）。3）可实现无级调压-起动平稳。但价格贵 （二）变阻起动（本质也是降压起动（二）变阻起动（本质也是降压起动1、操作过程:闭合C，电动机开始转动Es闭合C1：切除闭合C2：切除。（至此，

47、起动电阻全部切除，起动完毕）优点：设备简单，操作方便。缺点：起动过程中上要消耗能量。由于起动时间短，消耗能量少，故广泛应用。2、起动的物理过程：-起动中最大电流-起动中最小电流（切换电流），以保证足够转矩。起动时：注意：操作过程中，当Is下降不要太多就可切换，以保证足够的力矩。3、起动电阻的计算（1）图解解析法画起动特性图先画出固有机械特性。选择起动中最大电流和最小电流，根据起动级数画人为机械特性：（试探法），一般变动。计算起动电阻：根据：（2）用解析法计算起动电阻：原理：（相当于电动机短路）步骤：根据电动机的铭牌数据，计算根据电动机容量选定起动级数m和最大起动电流，计算最大起动电阻R2由公式

48、计算各段起动总电阻计算各段起动电阻：5-3 5-3 他励直流电动机的制动特性他励直流电动机的制动特性一、制动的基本知识：1.制动-阻止拖动系统的运动。2.制动方法：机械制动：比如采用箍瓦，靠强大机械摩擦使其停下来或减速。电气制动：利用电动机产生反向转矩阻止拖动系统运动。3.电气制动的两个方面：制动过程：拖动系统转速下降直到零的过程。制动运行：负载拖动电机在某一转速下稳定运行。比如：列车在秦岭坡道（0.3%）前电机属于电动机状态，拖动列车前进。下坡道时，如果不切断电源，这时列车拖动 电动机前进，其转速必然大于n0，即电动机进入发电机状态，Is 反向，产生电磁转矩M与n相反，起到刹车作用，从而使列

49、车保持在一定转速时下坡，避免了列车越来越快。二、能耗制动特性：1、制动过程电机原来处于电动状态，想马上停转，可拉闸后在电枢两端接上制动电阻（励磁电流不变），让电枢储存动能发电，从而产生反向制动力矩使电机迅速制停。电动机状态:关系：能耗制动状态:拉开K1，闭合K2，迅速制动。关系：n较高，Es较大，串R2限流M=，制动。2、机械特性分析：原来（电动机时），现在U=0，即：n=0，M=0，特性曲线通过0点M=，n=-（4象限）或M=-，n=（2象限），过0点的2、4象限一条直线。斜率 即该特性直线与 时的人为机械特性直线平行制动电阻RZ的选取：RZ不能选得过小，制动效果好，但Is超过允许值，使电刷

50、下火花增大。三、反接制动特性（制动力量更强）1、转速反向（反转）的反接制动（位能性负载）（1）过程：电机处于电动机状态。把重物G向上提升，此时K处于闭合状态，RZ未接入。（2）机械特性分析电路关系：（电源U与电势Es串联），相当于电枢被反接，故称反接制动因大，变为负值，即反转，反接制动斜率很大，陡峭（3）功率关系分析：功率关系：2、电源反接的反接制动（1）过程：正常情况下，“1”闭合“2”打开，电机处于电动机状态，M与n方向一致。反接制动时：“1”打开，“2”闭合，电源电压U反向加在电枢两端。电枢电势与电源电压串联(相加)，经 Rz形成回路，这一瞬间Is且反向（未反向），反向 即与n反向形成制