1直流电机.

第五篇直流电机上一页下一页退出电机的主要类型之一主要用途;电动机,发电机----电机可逆性测速发电机,伺服电动机直流电机特点:性能优良,结构复杂在电机统一理论中作为其他电机的基础。直流电机的工作原理及结构、一直流电机的工作原理f=Bile=Bvl作电源用退出上一页下一页返回做励磁机用退出上一页下一页返回返回直流测速发电机退出上一页下一页返回直流伺服电动机退出上一页下一页返回17.2直流电机的结构直流电机剖面图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心铁心冲片换向极17.3直流电机的铭牌数据直流电机的额定值有：1、额定(输出)功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V)直流电机出线端标志绕组名称出线端标志新标准旧标准电枢A1A2换向极B1B2补偿C1C2串励D1D2并励E1E2他励F1F2直流电机主要系列Z2中小型一般用途ZZF大中型一般用途ZT恒功率宽调速ZZJ冶金辅助拖动ZQ电力机车牵引Z-H船用ZA矿用防爆ZU龙门刨床用ZLJ力矩伺服型号例:Z4-200-21Z系列序号4机座中心高度200mm电枢铁芯长度代号2端盖代号1直流电机的铭牌数据第18章直流机的电枢绕组、磁场和电枢反应直流机中导体旋转过程的电势电流是交变的需要利用换向器及绕组正确连接，在电枢旋转过程中自动换流,使在同一磁极下导体电流和感应电势方向不变,18.2电枢绕组一、环形与鼓形绕组(略)二叠绕组叠绕组的特点：相邻线圈依次串联线圈的两个端子连接在相邻的两个换向片上。。例16槽4极单叠绕组展开图线圈宽Y=极距τ=Z/(2p)=4每槽2个线圈边线圈数S=换向片数K=槽数Z=161换向(被短路)线圈边在2磁极中间2同极下线圈边的电流或电势方向相同，异极相反3电刷物理位置在磁极中线迭绕组并联支路数多=主磁极数----电流容量大18.2电枢绕组波绕组：相隔约一对极距的线圈相串联，象波浪式的前进。(书图18.10)并联支路数=2串联线圈多电压容量大18.1直流电机的励磁方式1、他励2、并励3、串励4、复励:并+串。18.1直流电机的空载磁场空载：电枢电流=0只有励磁的磁场称直轴磁场Bd。在电枢表面Bd分布：1.极面下主要为径向分量Bdr其磁通为主磁通Φ2.中性线Bdr=0,有小量切向分量Bdt注:径向Br产生转矩与切割电势径向Bqr主要分布在极间中性线有Br分量切向Bqt主要分布在极面下电枢电流磁场交轴磁场Bq负载时的磁场效应1：使总磁场扭曲产生电磁转矩T18.3直流电机负载时的磁场及电枢反应电枢反应--电枢电流对气隙磁场的影响。励磁电流直轴励磁Bd电枢电流交轴励磁Bq效应2中性线有径向分量Br换向元件边在此有切割电势----换向恶化改善(1)电刷移动,使换向处无Br(电动机逆转向移,发电机顺移)—但不能适应Ia变化(2)在主磁极之间设换向磁极励磁绕组与电枢串联,其磁场抵消换向处Br能自动适应电流变化电枢反应效应3：气隙总Br=励磁Bdr+电枢BqrBr比Bdr有增有减但因磁饱和，增不抵减--总平均Br减小Φ减小即“减磁”改善：主磁极可加补偿绕组,与电枢串联即积复励磁,使其增磁自动抵消电枢反应的减磁,电枢反应主磁通Φ主要由Bdr产生与电枢绕组⊥，产生切割电势--传递电磁能量漏磁通Φk主要由Ia的Bqt产生，与电枢绕组交链产生变压器电势e=-dΦk/dt=-LkdIa/dt磁路的气隙比例大，Φ-I线性,Lk常数等效为一个串联电抗,不传递电磁能量---电机通则主磁通与漏磁通感应电动势和电磁转矩,功率一、感应电动势---直流电机无论电动或发电机运行,电枢由主磁通产生的切割电势Ce----电势常数)60/()260())(2()(ee1aNpCnCEpnllaNBrlvNEaa并联路数总匝数串联匝数转矩常数eTmCaNpCC55.9)2/(二、电磁转矩amemaaemICTRaIpRNRaIllNRBrliNT2)2/(2)2()())()((半径电磁力导体数按电动机:输入电功率EIa转为机械功率Tem*n/9.55:代入E=CeΦn,Tem=CmΦIa,Cm=9.55CeE*Ia=Tem*n/9.55=Pem----电磁功率发电机:Ia反向,Pem0---机械能电能三、电磁功率绕组RI2铜损;磨擦机械损耗pmec电枢铁芯磁场交变铁损pfe齿槽磁变铁损+换向铜损附加pad,约0.5-1%PN电动运行损耗与功率流可变损耗Pv-电枢回路铜损(即电枢,换向,补偿,串励等绕组铜损）--与负载Ia有关”不变”损耗Piv--与负载无关（与转速、电压、磁场有关）发电机运行功率流一电动势平衡方程式电动机稳态运行U=E+RaIa+2ΔU≈E+RaIa--E,I反向,UE二发电机稳态运行U=E-RaIa-2ΔU≈E-RaIa--E,I同向,EUfffIRU直流机的基本方程式二运动方程式电动机运行：由功率流图及T=9.55P/n电磁转矩Tem=轴上输出T2+电机空载损耗T0注:T2包括电机自身加速转矩(GD2/375)dn/dt发电机运行:Tem=输入T1-电机空载损耗T0效率η=f(P2)η=输出P2/输入P1=1-(损耗Σp/P1)Σp=“不变”损耗Piv+可变损耗PvP2(I)过小,不变损耗比例大,效率低过大,可变损耗比例大,效率低直流电机工作效率损耗率(Pvi+Pv)/UIa=(2/U)(Pvi/Ia+RaIa)/2–算术平均=(2U)√(Pvi*Ra)--几何平均仅当Piv/Ia=Ra*Ia时”=“成立,损耗率最小即：效率最高条件:不变损耗Pv=Piv可变损耗--电机效率通则直流电机效率直流电机效率直流电机额定效率;10kW以下：75%~88.5%；10~100kW：85%~90%;100~1000kW：88%~93%。------容量越大,效率越高最高效率点大电机约半载:半载~满载:高效率范围大小电机超载:摩擦等使Pvi过大例1.1直流电动机额定值:Pn=40000,Un=220,Ian=210,nn=1500Ifn=0.5,Ra=0.078,pad=Pn/100%单位W,V,A,Ω,RPM%功率计算P1n=Un*(Ian+Ifn)%pcuan=Ra*Ian^2%pvpcuf=Un*IfnPemn=P1n-pcuan-pcufp0=Pemn-Pnpiv=pcuf+p0Etan=Pn/P1n463103439.8110427602760.22870.2pv0.86374例1.1设piv不变,计算效率曲线Ia=[0.1:0.01:1.0]*Ian;pv=Ra*Ia.^2;P1=Un*(Ia+Ifn);P2=P1-pv-piv;Eta=P2/P1;plot(Ia/Ian,Eta)半载后效率较高最高:Ia=sqrt(piv/Ra)=191Etam=max(Eta)=0.86374注:“不变”损耗及效率曲线与电压、转速有关.00.20.40.60.810.40.50.60.70.80.91Ia/Ianeta例1.1机械特性计算En=Un-In*Ra;203.62VCeF=En/n0.13575V/RPMCmF=9.55*CeF0.13575N-m/ATn=P2n/(nn/9.55)254.67N-mn=(Un-Ia*Ra)/CeF;Tem=CmF*Ia;plot(Tem,n)05010015020014501500155016001650Ia(A)n(rpm)19.2直流发电机的工作特性一直流发电机空载特性原动机拖动至n=nN调励磁If使U0±(1.1~1.3)UN得出空载特性曲线U0=f(I0)如图。1空载特性曲线发电:E与Ia同向,|E||U|电枢Tem与n反向2并励直流发电机自励压三个条件：1）电机有剩磁；2）励磁绕组并联到电枢的必须极性正确；3）If的发电电压UO高于所需的励磁电压Uf自励过程如图由于磁饱和最后Uo=UfU=Ea-RaI=CeΦn-RaI直流发电机负载运行外特性外特性:建立电压以后，在n=nN,(他励If=IfN)的条件下发电机端电压U随负载电流I变化情况如图1他励发电机外特性(略电枢反应)压降为电阻降,随I增大2并励发电机外特性降压引起降磁更降压压降比他励大直流发电机负载运行外特性3复励发电机外特性主磁极加补偿绕组--随I增大增磁增压补偿电阻降小负载过补--U随I升大负载(磁饱和)欠补U随I降直流发电机负载运行外特性4闭环自动控制输出恒压原理:Ud↓ΔU↑Uc=“+”VT通If↑Ud↑↑…..“-”断↓19.3直流电动机eaeaCRIUCEn/直流电动机Ia与E反向|U||E|电枢Tem与n同向方程:U=E+Ia*RaTem=CTΦIa,E=CeΦn转速:emaaaTCeCmRICeRnCeUnnnn200转速降空载转速略转速降Δnn~no=U/(CeΦ)–正比于U--反比于ΦΦ↑n↓Φ↓n↑电机失磁(无励磁仅有剩磁)Φ~0则n极大飞车电机静态机械特性n=f(Tem)或n=f(Ia)NNnn)%8~3(电流较大时，电枢反应减磁，转速回升，特性呈上翘。转速降小-特性较硬恒速性好一、他（并）励机机械特性TemCeCmRCUIaCeRCUnee2负载机械特性n-TL与平衡点状态过渡如果nnb,由图:TemTLdn/dt0n↑直至nb:Tem=TLn稳定他励机特性较硬对各种负载转速变化不大稳定性设干扰使：nnb,如此时有TemTLdn/dt0可恢复n=nb一般：（n-nb)*dn/dt0(偏差与变化反向)---系统稳定转速随负载增大下降的特性,拖动各种负载均稳定电压与电流关系稳态Ia=TL/CTΦ与U无关U上升n上升,Ia:下降/不变/上升—与负载有关他励机工作特性--随输出功率P2上升:(1)转速n略下降(2)输出转矩T2=9.55P2/n上升,因n降而有上翘(3)电磁转矩T=T2+T0(4)输入电流功率P1∝Ia∝T—(略电枢反应)(5)效率η先升后降,不变损耗=可变损耗时最高二、串励电动机的机械特性磁路未饱和eaeTakCRkICUnkICTemkIa2aeNaaICRCeUnIIΦCTemNNT磁路饱和转速降大特性软恒功性好串励机特点:(1)空载飞车,--应负载25%额定磁场不饱和时,T∝I2a(2)起动转矩大，过载能力强(3)特性软，恒功性好,便于配电（4）接线简单，工作可靠,常用于大变化负载,吊车,电车等串励机工作特性三、复励电动机机械特性机械特性:介于并励（他励）和串励特性之间。并励为主，则接近并励机；串励为主，则接近串励机。复励机：恒功性较好，起动转矩大，过载能力强，无空载“飞车”。用途也很广泛，例如无轨电车。)()(0aeaeakICRIUCRIUn串并一般为积复励:并励与串励绕组的极性相同直流电机的起动、制动与调速退出上一页下一页返回一起动：从静止ｎ＝０到稳定n=nL运行过程，要求:1起动电流不能太大n,E=0Ist=U/RΣ2起动转矩大,起动快1、全压直接起动Ist=UN/RaINTstTL电流Ia=(UN-E)/Ra随n&E上升而下降稳态Ia=IL特点：起动快,但电流太大常用于百瓦的电机2、串阻起动：常用多级串电阻,使切换过程电流在Ist=I1=(1.52)IN和I2=(1.11.2)IN间需要用电流继续电器切换3、恒流起动现直流电机调速系统均有限流功能电流闭环或调压器限流起动过程中，自动限流—恒流为：Im=（1.5~2）In直到转速达到给定值--最优起动第五节他励直流电动机的制动制动（发电）：Tem与ｎ反向(E,I同向)机械特性:2,4象限制动--特殊发电状态目的：减速，限速发电,制动n电动Tem电动发电,制动一、能耗制动电枢从电网断开,并到RadE发出同向Ia发电制动,n,Tem反向减速动能→电能→R