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电机与拖动基础.pdf

电机与拖动基础

我是沙龙
2010-04-14 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《电机与拖动基础pdf》,可适用于经济金融领域

电机与拖动基础电机与拖动基础绪论绪论学习方法所需基本知识意义课程内容绪论-意义绪论-意义电机:与电能有关的能量转换机械是实现电能的生产、变换、传输、分配、使用和控制的电磁机械装置绪论-绪论-电能的生产、传输和分配电能的生产、传输和分配绪论-驱动生产机械和装备绪论-驱动生产机械和装备驱动生产机械和装备驱动生产机械和装备拖动生产机械如金属切削、矿山机械、交通运输机械、起重机械、化工机械、农用机械、电动工具、家用电器等绪论-绪论-控制系统和智能化装置的重要元件控制系统和智能化装置的重要元件绪论-电机的分类绪论-电机的分类电机动力类控制电机变压器直线电机旋转电机电动机发电机异步电机同步电机电动机发电机电动机发电机自动控制系统中的执行元件、检测元件绪论-电机拖动的分类绪论-电机拖动的分类电机拖动具有良好的起、制动性能平滑调速。世界电力拖动研究的中心。逐渐取代直流拖动交流电机拖动直流电机拖动绪论-课程性质绪论-课程性质z定位:十分重要的专业基础课目标:()分析电机运行的基本原理()分析直流电机、交流电机、变压器和一些控制电机的运行性能绪论-课程内容绪论-课程内容课程内容:z直流电机:结构、绕组、性能z变压器:等效电路z交流电机绕组、电势和磁势z异步电机:结构特性、调速z同步电机:结构、性能绪论-基本知识绪论-基本知识电学、磁学和动力学原理的综合运用z直流和交流电路分析原理z磁路定律z电磁关系z电、磁和力的关系z力学定律z能量转换和守恒定律z材料的特性绪论-基本名词绪论-基本名词•电流、电压、电阻•磁通φ、磁场密度B、磁场强度H、磁动势F•磁阻、磁导•磁滞、涡流绪论-电路分析绪论-电路分析交、直流电路分析z欧姆定律:z基尔霍夫定律RIU⋅=∑=iu∑=ii绪论-磁路分析绪论-磁路分析z磁路欧姆定律:z基尔霍夫定律FRFSlFmmΛ===μφ∑⋅=iHFi∑=iφ绪论-电磁定律绪论-电磁定律z电磁感应定律z全电流定律:∫∑=⋅lIdlHdtdNdtdeφψ−=−=vlBe⋅⋅=绪论-电、磁和力的关系绪论-电、磁和力的关系右手定则:导体在磁场中运动产生电势eBvBfi左手定则:载流导体在磁场中受到的电磁力。绪论-力学定律绪论-力学定律z直线运动和旋转运动的动力学定律rFM⋅=力和力矩的关系:旋转运动:∑=dtωdJM绪论-能量守恒绪论-能量守恒z输入能量=输出能量+损耗+储备绪论-材料特性绪论-材料特性z导电性、导磁性z磁化曲线、磁滞现象HB上升曲线和下降曲线不重合剩磁、矫顽力Hm×=πμ真空的磁导率:μμμ=r相对磁导率:绪论-材料特性绪论-材料特性z饱和性z磁滞损耗、涡流损耗B=f(H)HBμ=f(H),≈⋅∝ααmnBfp~,=⋅∝ββmFeBfp绪论-学习方法绪论-学习方法z综合性各种规律同时作用、多个物理量互相影响。z实用性主次之分具体条件作具体分析。绪论-参考书绪论-参考书z《电机与拖动基础》z《电机学》z《电机学习题集》第一章直流电机•直流电机的基本原理和结构•直流电机的电枢绕组•直流电机的磁场•直流电机的电枢电动势、电磁转矩和电磁功率•直流电机的换向直流电机的用途电源励磁机测速伺服直流电机的特点•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热动和制动转矩较大。•由于存在换向器其制造复杂价格较高一、直流电机的结构§-直流电机的原理和结构定子和转子直流电机电枢绕组结构直流电机电刷和换向器结构直流电机电刷结构直流电机的基本结构总结主要由定子、转子两部分组成直流电机定子转子机座换向极主磁极电刷装置电枢铁心轴承换向器风扇转轴电枢绕组二、直流电机的工作原理磁场定义直流电机的物理模型电势正方向:abcdB,A直流发电机的工作原理()、换流过程abcdABabcdABdcabAB电势正方向:电势正方向:dcbaB,A()直流发电机运行时的几点结论电枢线圈内电势、电流方向是交流电电刷间为直流电势。线圈中感应电势与电流方向一致从空间看电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的磁场产生的电磁转矩M与转子转向相反是制动性质直流电动机的工作原理()、换流过程abcdabcddcab电流正方向:dcba转矩方向:顺时针电势方向:abcd电流正方向:dcba转矩方向:电势方向:电流正方向:abcd转矩方向:顺时针电势方向:dcba()直流电动机运行时的几点结论外施电压、电流是直流电枢线圈内电流是交流线圈中感应电势与电流方向相反线圈是旋转的电枢电流是交变的。电枢电流产生的磁场在空间上是恒定不变的产生的电磁转矩M与转子转向相同是驱动性质直流电机的可逆原理•同一台直流电机通过改变外界条件可当发电机运行也可当电动机运行。三、直流电机的额定值额定容量PN:输出功率额定电压UN:额定状态下出线端电压额定电流IN:额定状态下出线端电流额定转速n:额定状态下的电机转速直流发电机:PN=UN·IN直流电动机:PN=UN·IN·η★直流电机的铭牌数据§直流电机电枢绕组对电枢绕组的要求:在通过规定的电流和产生足够的电势和电磁转矩前提下所消耗的有效材料最省强度高(机械、电气、热)运转可靠结构简单等。电枢绕组:直流电机的电磁感应的关键部件之一,是直流电机的电路部分亦是实现机电能量转换的枢纽。绕组实物图电枢绕组的形式环形绕组鼓形绕组叠绕组波绕组y=yy有关电枢绕组名词、术语元件:第一节距y极距:铁心表面一个极所占的距离。第二节距y合成节距y:换向器节距yk:极轴线:磁极中心线几何中心线:磁极之间的平分线基本绕组形式基本绕组形式一、单迭绕组:迭:两个相临联接的元件后以元件的端部紧迭在前一元件的端部。单:首末端相联的两换向片相隔一个换向片的宽度。特点:槽数Z、元件数S和换向片数K三者相同y=yk=单迭绕组分析实例。数据计算:y=yk=计算数据y和y画绕组展开图安放电刷和磁极实例:P=Z=S=K==×===pZyτ单迭绕组展开图槽展开绕组放置安放磁极电刷槽展开绕组放置安放磁极、电刷NSNSττττ---展开图()NSNSττττ---绕组放置•元件:上元件边在槽下元件边放在相距y=即槽下层。•元件:上元件边在槽下元件边放在相距y=即槽下层。以此类推某一瞬间电刷、磁极放置磁极:磁极宽度约τ,均匀分布N、S极交替安排。•电刷:连接内、外电路。为了在正负电刷间获得最大直流电势以及产生最大的电磁转矩电刷放在被电刷短路的元件电势为零的位置。电势为零的元件:在一个主极下的元件边电势具有相同的方向。在磁极的几何中心线上电势为零。•电刷放置:电刷放置在使电刷的中心线与主磁极轴线对准的换向片上。元件连接顺序图绕电枢一周所有元件互相串联构成一闭合回路。电路图电路图结合电刷的放置得到该瞬时的电路图每个极下的元件组成一条支路。即单迭绕组的并联支路数正好等于电机的极数。这是单迭绕组的重要特点之一。单迭绕组的特点单迭绕组的特点•元件的两个出线端连接于相邻两个换向片上。•并联支路数等于磁极数a=p•整个电枢绕组的闭合回路中感应电动势的总和为零绕组内部无换流•每条支路由不相同的电刷引出电刷不能少电刷数等于磁极数•正负电刷引出的电动势即为每一支路的电动势电枢电压等于支路电压•由正负电刷引出的电枢电流Ia为各支路电流之和即aaaiI=二、单波绕组波绕组:首末端所接的两换向片相隔很远两个元件紧相串联后形似波浪。•为了使紧相串联的元件所生的电势同向相加元件边应处于相同磁极极性下即合成节距ττ,≠≈yy单波绕组:换向片极距yk必须符合即±=⋅kyPkCPkyk=±=•为了使绕组从某一换向片出发沿电枢铁心一周后回到原来出发点相邻的一片上则可由此再绕下去。单波绕组实例:P=Z=S=K=左单波绕组计算数据y和y画绕组展开图安放电刷和磁极。绕组数据计算=−=±=εpzy=−===pKyykm=−=−=yyy元件、磁极、电刷放置原则元件、换向片的放置:#元件上层边#槽下层边#槽首末端所连的换向片相距yk=为了端部对称首末端所连的两换向片之间的中心线与#元件的轴线重合。#元件上层边所连的换向片定为#。依次联接。磁极放置:N、S极磁极均匀交替的排列。电刷的放置:放在与主极轴线对准的换向片上。单波绕组展开图单波绕组展开图NSSNττττ槽展开绕组放置安放磁极、电刷单波绕组元件连接顺序图单波绕组元件连接顺序图从绕组展开图可以看出全部个元件串联而构成一个闭合回路的顺序是:用联接顺序图表示为:上层边下层边单波绕组电路图单波绕组电路图单波绕组把相同极性下的全部元件串联起来组成一条支路。由于磁极只有N、S之分所以单波绕组的支路对数a与极对数多少无关永远为即a=。单波绕组的特点•同极性下各元件串联起来组成一条支路支路对数a=与磁极对数p无关。•当元件的几何尺寸对称时电刷在换向器表面上的位置对准主磁极中心线支路电动势最大。•电刷组数应等于极数(采用全额电刷)•电枢电流Ia=ia。直流电机绕组的归纳•所有的直流电机的电枢绕组总是自成闭路•电枢绕组的支路数(a)永远是成对出现这是由于磁极数(p)是一个偶数注:a-支路对数p-极对数•为了得到最大的直流电势电刷总是与位于几何中线上的导体相接触。单迭绕组和单波绕组的区别单迭绕组:先串联所有上元件边在同一极下的元件形成一条支路。每增加一对主极就增加一对支路。a=p。迭绕组并联的支路数多每条支路中串联元件数少适应于较大电流、较低电压的电机。单波绕组:把全部上元件边在相同极性下的元件相连形成一条支路。整个绕组只有一对支路极数的增减与支路数无关。a=。波绕组并联的支路数少每条支路中串联元件数多适用于较高电压、较小电流的电机。§直流电机的磁场Š直流电机磁场由永久磁铁或励磁绕组通以直流电励磁产生。励磁绕组和电枢绕组不同的联接决定了不同的励磁方式。Š不同的励磁方式电机的性能将不同。一、励磁方式励磁方式他励串励并励复励永磁材料励磁I=IaI=Ia=IfI=IaIfI=IaIfc=Ia,I=IaIfbI=Ifc=IaIfb直流电机的磁场和磁路磁场由电机中各绕组、包括励磁绕组、电枢绕组、附加极绕组、补偿绕组共同产生。励磁绕组起主要作用。()线圈套在铁心上产生磁场。磁力线集中在铁磁物质内。()磁路:使磁力线集中经过的路径。()磁路计算:∑∫=⋅IdlHr∑=nkkIWlHSBφ=μBH=二、空载时磁场分布直流电机空载时的磁场分布磁路从气隙出发经-电枢齿-电枢轭-电枢齿-气隙-主磁极-定子轭-主磁极最后又回到气隙磁通、磁路主磁通、主磁路:由N极出发经气隙进入电枢齿部经电枢铁心的磁轭到另外的电枢齿通过气隙进入S极再经定子轭回到原来N极。主磁通交链励磁绕组和电枢绕组在电枢绕组中感应电势产生电磁转矩。漏磁通、漏磁路:不进入电枢铁心直接经过相邻的磁极或定子轭。影响饱和程度主磁通和漏磁通Š主磁通φ和漏磁通φσ由同一磁动势建立Šφ所走的路径气隙小磁阻小Š漏磁通所走的路径气隙大磁阻大Š漏磁系数:φφσσ=kφφφφσσkp==励磁磁势的计算*磁路:两个气隙、两个电枢齿、一段电枢轭、两个主极铁心和一个定子轭。∑=xxLHF磁势:计算方法:。先求经过某一段的磁通。根据该段的截面积SX计算该段的磁密BX。由Bx在磁化曲线上查HX。气隙磁场在一个磁极的范围内励磁磁势大小一样Bδ大小完全与气隙长度成反比。引进极弧系数bp’和气隙卡氏系数主磁场磁密的分布在主极直轴附近的气隙较小并且气隙均匀磁阻小即此位置的主磁场较强在此位置以外气隙逐渐增大主磁场也逐渐减弱到两极之间的几何中线处时磁密等于。空载磁化曲线磁化曲线:表示空载主磁通Φ与主极磁动势Ff之间的关系曲线Φ=f(Ff)。通过实验或计算得到。ΦFf直线不饱和部分膝点饱和部分F’Fδ’''δμFFk=(约~)三、直流电机负载时磁场主极磁场电枢磁场合成磁场电枢磁场、电枢反应的定义Š直流电机负载后电枢绕组有电流通过该电流建立的磁场简称电枢磁场电枢磁场对主磁场的影响就称为电枢反应。Š当电机带上负载后电机的气隙磁场由主磁场和电枢两个磁场共同决定。电枢磁动势的出现使气隙磁场发生畸变即电枢反应。Š各支路电流都是通过电刷引入获引出因此电刷是电枢表面上电流分布的分界线。电枢磁势的轴线总是与电刷轴线相重合。交轴磁势与主极轴线正交的轴线通常称为交轴与主极轴线重合的轴线称为直轴直轴磁势电刷不在几何中心线上电枢磁势分为交轴和直轴分量交轴电枢反应NS主极产生磁场的磁密波形)(xDNiFaaax⋅=πδμaxaxFB⋅=电枢绕组产生磁场的磁密波形合成磁场的磁密波形直轴电枢反应增磁与去磁与电刷的旋转角度有关。若电机为发电机时电刷顺转向移动β角。★★直流发电机的电刷是顺转向偏移一个小角度时直轴电枢反应对主极磁场的作用将是去磁的。★★而直流发电机的电刷若是逆转向偏移一个小角度时直轴电枢反应对主极磁场的作用将是增磁的。直流电机的电枢反应电枢反应:电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙磁场的影响。具体表现:•使气隙磁场分布发生畸变•使物理中性线位移(空载时电机物理中性线与几何中性线重合负载时物理中性线发生偏转•呈去磁作用§-直流电机的感应电势和电磁转矩一、直流电机的电枢电势电枢电势:直流机正、负电刷之间的感应电势即每个支路里的感应电势。计算:求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁密的平均感应电势乘上一个支路里总的导体数。直流电机的感应电势具体计算:一根导体:vlBeiavav⋅⋅=Bav:平均磁密li:导体长度v:电枢旋转线速度npv⋅=τn:电枢旋转速度(rmin)iavlB⋅⋅=τφφ:每极磁通支路电势:nCnapNnpllaNeaNEeiiava⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅=⋅=φφττφCe:电势常数N:总导体数电枢电势的认识nCenapNEa⋅⋅=⋅⋅=φφ一台制造好的电机它的电枢电势(V)正比于每极磁通φ(韦伯)和转速n(rmin),与磁密分布无关。对电枢电势的认识:二、电磁转矩一根导体的平均电磁力:aiavavilBf⋅⋅=aIiaa=作用在电枢上的总电磁力:NilBNffaiavav⋅⋅⋅=⋅=电磁转矩:DNilBDfMaiavem⋅⋅⋅⋅=⋅=πτpD=aMaaiiemICIapNpNaIllM⋅⋅=⋅⋅=⋅⋅⋅⋅⋅=φφππττφCM:转矩常数电磁转矩的认识aMaemICIapNM⋅⋅=⋅⋅=φφπ一台制造好的电机它的电磁转矩正比于每极磁通和电枢电流与磁密分布无关。电势常数Ce和转矩常数CM决定于结构常数。它们的关系为:π=eMCC三、电磁功率电枢电功率Ω⋅=⋅⋅⋅⋅=⋅⋅⋅=⋅=emaMaeaaemMInCInCIEPφπφ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。机械功率§直流电动机直流电动机的励磁方式可以是他励、并励、串励和复励。以并励为例推导直流电动机的基本方程式。各物理量正方向的规定:电枢电动势Ea与电流Ia方向相反电磁转矩Mem与转速n方向一致。RarfIaIfIEaMem,nUrΩ一、基本方程式()电势平衡式电枢回路:)(Ω=RRIEUaaaffffRIrrIU⋅=⋅=Ω)(U>Ea重要的转速公式φCeRRIUnaa)(Ω−=基本方程式()转矩平衡式Mem=M+M=MZM:输出转矩M:空载制动转矩MZ:总负载转矩推论:()φMZaCMI=若制动MZ不变φ不变稳定后的Ia不变。()实际空载时Ia≠。()功率平衡式电动机从电源输入的电功率为:cufcuaemfaaaafaaaappPUIRRIIEIUIRRIEIUP==⋅⋅⋅=⋅=ΩΩ)()(admecfepppp=)(pPMMMIEPemaaem=Ω⋅=Ω⋅==n⋅=Ωπ功率平衡式直流电动机的功率平衡式:∑==∴pPpppppPPadmecfecufcua)(×−=×=∑∑pPpPPη效率:二、直流电动机的工作特性工作特性是指在U=UNIf=IfN时转速n、电磁转矩M和效率随输出功率P而变化的关系。即)(,,PfMemn=η或)(,,aIfMemn=η还研究n与Mem之间的关系即机械特性。n=f(Mem)Ian并励(他励)电动机转速特性fNfNIIRUU===Ω,,时)(aIfn=的关系为转速特性。aaaaNICeRnICeRCeUn⋅−=⋅−=φφφn:理想空载转速根据转速公式可得φCeUnN=转速下降不多考虑电枢发应有可能升高。IaMem并励(他励)电动机转矩特性根据转矩公式:aMaMemICICM'=⋅⋅=φ或者nPMemπ=考虑去磁曲线有所下降。并励(他励)电动机效率特性当U=UNIf=IfN时)(Iaf=η的关系叫效率特性。))(()(×⋅−=×−=∑faNaaadmecfecufIIURIppppPpη其中admecfecufpppp为不变损耗aacuaRIp=为可变损耗并励(他励)电动机效率特性η与Ia之间存在二次关系效率曲线存在一个最大值。=adIdη令可得NfNII<<忽略励磁电流aaadmecFecufRIpppp=Iaη))(()(×⋅−=×−=∑faNaaadmecfecufIIURIppppPpη电动机效率特性结论:当电动机在某负载下不变损耗等于可变损耗时此时效率最高。推论:()额定运行时总损耗()可从额定数据来估算电枢回路总电阻。aNRIp=∑NNNNaIPIUR−⋅⋅=上述结论和推论具有普遍性Memn并励(他励)电动机机械特性机械特性反映得是转速与电磁转矩之间的变化规律。aMemEaaEaaaRCMnCRInCRIEUφφφ===从可得emMEaEMCCRCUnφφ−=φMEaCCR<<机械特性是稍下降的直线计及饱和成为水平或上翘。并励(他励)电动机机械特性从并励电动机转速随所需电磁转矩的增加而稍有变化该特性称为硬特性。用转速变化率来表征:×−=ΔNNnnnnIan串励电动机转速特性()''eaaeNaaNCRICUICeRCeUn−=⋅−=φφ根据转速公式可得)(aIfn=串励电动机的特点afffIKIK⋅=⋅=φfaIII==特点:重载时n很小轻载时飞车。结论:串励电动机不允许在小于~%的额定负载下起动。IaMem'aMaafMaMemICIIKCICM=⋅⋅⋅=⋅⋅=φ串励电动机转矩特性M=f(Ia)根据转矩公式:特点:串励电动机有较大起动转矩与过载能力。大负载时该曲线接近直线变化。结论:适用于重载起动的场合不允许在空载和很轻负载下运行。Memn串励电动机机械特性)(saemfMfERRUMKCKCn−⎢⎢⎣⎡=asaEsaaEsaaaIRRnCRRInCRRIEU)K()()(f从电压方程===φ以及aMemICM⋅⋅=φ得转速随所需电磁转矩的增加而迅速变化该特性称为软特性。Ian复励电动机的工作特性复励是串励和并励共同合成得励磁方式。并励起主要作用接近并励特性串励起主要作用接近串励特性他励串励复励直流电动机的总结()三个平衡式以及U>E的电动状态判据。()不同励磁方式对工作特性的影响。§直流发电机直流发电机的励磁方式可以是他励、并励和复励。以并励为例推导直流发电机的基本方程式。各物理量正方向的规定:电枢电动势Ea与电流Ia方向一致电磁转矩Mem与转速n方向相反为制动转矩。RLRarfIaIfIEaMemUrΩn一、基本方程式()电势平衡式电枢回路:aaaRIUE=ffffRIrrIU⋅=⋅=Ω)(Ea>U()转矩平衡式M=M+MemM:输入转矩M:空载制动转矩()功率平衡式ΩΩ=ΩemMMMn⋅=Ωπ功率平衡式空载损耗功率p:adFemecpppp=pmec:机械损耗pFe:铁心损耗pad:附加损耗emPpP=P:输入功率p:空载损耗功率Pem:电磁功率电磁功率Pem:aememIEMP⋅=Ω⋅=aafaaaaaaemRIUIPRIUIIRIUP)(===功率和效率adppfepcufpcuapPpPPmecem==功率平衡式:效率:)(×−=×=∑PpPPη二、发电机的运行特性直流发电机的四个基本物理量:U、I、If、n。(n由原动机拖动保持不变)运行特性:在U、I、If之间保证其中一个量不变另外两个物理量之间的函数关系。主要特性:()n=常数I=常数U=f(If)负载特性()n=常数If=常数U=f(I)外特性()n=常数U=常数If=f(I)调节特性()空载特性负载特性u=f(If)在负载电流I=时即为空载特性。空载时aEU=nCEeaφ=n等于常数φ∝aE)()(ffIfIfu=∝=φ空载特性实质即为磁化曲线确定磁路和运行点的饱和程度空载特性Uo=f(If)空载特性可以通过实验的手段得到。调节rIf单调增长U=~UNIf单调减小至If反向单调增长U=-(~)UNIf单调减小至UfGAVrIU外特性U=f(I)外特性也可以通过实验的手段得到。调节RLI从零增至额定值aaeaaaRInCRIEU−=−=φ他励并励n不变If不变GAVrRL电压调整率„从空载到负载电压下降的程度由电压变化率来表示。×−=ΔNNUUUUU是空载时的端电压一般他励直流发电机的电压变化率约为%~。IIf调整特性If=f(I)转速一定负载电流变化时为维持他励直流发电机的端电压不变需要调节励磁电流。负载电流增大励磁电流也增大。I=IN,U=UN时的If称为额定励磁电流。INIfNIUGAV()并联发电机的自励条件和特性faIII=“自励发电机”If=%~%dtdILRIUffff=自励过程:)(fffIfRI=)(fIfU=)(ffRIdtdIfU自励特征•发电机自励时的稳定点为励磁回路伏安特性曲线与空载特性的交点。•电机的转速发生变化励磁回路伏安特性曲线发生移动稳定工作点发生改变。•不同的转速具有不同的临界电阻自励的条件()电机必须有剩磁。可通过“充磁”()励磁绕组的接线与电枢旋转方向必须正确配合使励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向一致()励磁回路的电阻应小于与电机转速相对应的临界电阻。外特性和调整特性•并励发电机的外特性U=f(I)与他励相比根据有几个特点:aaaRIEU−=()负载增大时端电压下降较快()外特性有拐弯现象•调整特性与他励发电机相似。直流发电机的总结()三个平衡式以及E>U的发电状态判据。()发电机的励磁方式:()不同励磁方式对工作特性的影响。§直流电机的换向换向过程?(假设电刷宽度等于换向片宽度)电枢旋转时被电刷短路的元件从短路开始到短路结束从一条支路转换到另一条支路电流改变了方向。•换向元件中电流的这种变化过程称为换向过程。•从换向开始到换向结束所需时间称为换向周期直线换向如果换向元件中电势为零则在被电刷短路的闭合回路中不会有环流。换向元件中的电流由电刷与相邻两换向片的接触面积决定。变化曲线时一条直线称为直线换向。但是换向过程中不可能没有电势!tiaiai换向元件中的感应电势()电抗电势er换向元件中由于换向电流的变化所引起的自感电势和互感电势之和称为电抗电势。dtdiLerr⋅−=Lr:换向元件的电抗系数包括自感和互感er的平均值:karrrTiLtiLe=ΔΔ⋅−=设电刷宽度bs等于换向片宽度bk换向片数为KnKnDKDvbvbTkkkkksk⋅=⋅===ππ换向周期Tk:电抗电势的特点nITieakar⋅∝∝•电机负载越重或转速越高电抗电势越大。•电抗电势的方向阻止换向电流的变化因此er的方向必与换向前的元件电流ia的方向一致。•换向元件所处的几何中线处主磁场几乎为零•电枢反应磁势所产生的磁通Φa正好穿过换向元件。•电枢旋转时换向元件切割Φa所生电势ea称为旋转电势。ΦaeaNSner()旋转电势旋转电势的特点设换向元件匝数为Wk电枢反应磁势在换向元件处所生的磁密为Ba则ea的平均值:akaavlWBe⋅⋅⋅=特点:()负载越重或者转速越高旋转电势也越大。nIeaa⋅∝()据右手定则ea的方向总是与换向前元件中的电流方向相同ea与er方向一致也是阻碍换向的。ti()电刷下产生火花的原因换向元件中存在两个方向相同的电势er和ea合成电势:≠=∑raeee合成电势在换向元件闭合回路中产生的环流:∑∑∑==ReeReirak由闭合转为断开时由ik建立的电磁能量以火花的形式释放出来。ik二、改善换向的方法减少换向元件的感应电势和旋转电势可以有效地改善换向。最有效的办法:装换向极。NSΦaneaerNkSk抵消电枢反应磁势使ea=换向极磁势建立Bk产生ek使∑=−=kreee安装换向极的要求•换向极应装在几何中性线上•换向极的极性使产生的Bk方向与电枢反应磁势的方向相反。•换向极绕组必须与电枢绕组串联使在任何时候ek=-er加换向极后的结构图三、环火及其防止Š电枢反应使气隙磁场发生畸变使处于Bδmax处的元件的感应电势增大。当片间电压Uk超过一定值时换向片间产生火花称为电位差火花。•电位差火花与换向火花连成一片构成环火。•防止环火的措施:在主磁极的极靴装补偿绕组并与电枢绕组串联。产生的磁势方向与电枢反应磁势相反。电力拖动的动力学基础他励电动机的机械特性他励直流电动机的起动他励直流电动机的制动他励直流电动机的调速直流电机的电机拖动电力拖动系统的动力学基础以电动机作为原动机按人们所给定的规律来带动生产机械称为电力拖动。电源控制设备电动机传动机构工作机构电力拖动系统的构成基础•运动方程:dtdnGDdtdJMMZ⋅=Ω⋅=−n⋅⋅=ΩπgGDDgGmJ)(==⋅=ρg:重力加速度米秒GD:系统的飞轮矩(牛·米)n:转速(转分)M、MZ:转矩(牛·米)注意:GD是一个完整的符号M、MZ具有方向性与转速方向一致为正。多轴系统的运动方程系统中具有两根或两根以上不同转速的转轴称为多轴系统。对多轴系统的分析通过把多轴系统折算为等效的单轴系统进行简化。按单轴系统的运动方程进行简化。折算原则:保持系统的功率传递关系及系统储存的动能不变。负载转矩、飞轮矩、阻力、质量等负载转矩的大小与速度无关但其方向始终与转向相反MZn负载转矩特性反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载恒功率负载通风机型负载转矩具有固定的方向不随转速方向的改变而改变nMZ负载的功率为常数不随转速的变化而改变负载的转矩与转速的平方成正比MZnMZnMn稳定运行条件电机的机械特性需要与负载特性同时存在。分析拖动系统运行时在同一坐标图上两特性的交点是系统的平衡点。平衡点=稳定点?稳定点:在受到外界扰动后仍能还原的点。稳定点的条件:dndMdndMZem<他励直流电动机的机械特性直流电动机的基本方程式:电磁转aMemICM矩:⋅⋅=φ感应电动势:nCEEa⋅=φ电枢回路电势平衡式:aaaRIEU=电动机转速特性:φEaCRIUn−=机械特性一般表达式:emMeeMCCRCUnφφ−=nMem他励直流电动机的固有机械特性当U=UNφ=φN电枢回路无外接电阻时转速与转矩之间的关系,称为固有机械特性。emNMeaNeNMCCRCUnφφ−=nMemn’MemNnN电磁转矩越大转速越低机械特性是一条下斜直线分析:固有机械特性分析当转矩等于零点为理想空载转速。此时Ia=Ea=UN是一种理想工作状态。NeNCUnnφ==n’为电动机的实际空载转速比n略低。对应于空载转矩。emNMeaMCCRnn'φ−=为机械特性斜率。ß增大也增大。通常称ß小的机械特性为硬特性ß大的机械特性为软特性。NMeaCCRφβ=nΔnMemnMemn’MemNnN固有机械特性分析额定转速变化率表示电机额定负载时的转速比n降落的程度。nΔ×Δ=×−=ΔNNNNnnnnnnn>n时为发电机状态此时Ea>U,Ia反向Ea与Ia同向向电网送出电功率。堵住点。此时电枢电流:为短路电流电磁转矩:为电机堵转转矩。,===nCeEanNφkaNaIRUI==emkkNMemMICM==φnMemnMemn’MemNnN人为机械特性分析根据转速、转矩公式emMeeMCCRCUnφφ−=人为地改变电动机参数U、R或Φ得到的机械特性称为人为机械特性。有三种人为机械特性:()电枢回路串电阻的人为机械特性()改变端电压时的人为机械特性()减弱电动机主磁通时的人为机械特性Memn电枢回路串电阻的人为机械特性保持U=UN及Φ=ΦN不变而在电枢回路中串入电阻Rc所得的n=f(Mem)关系。ememNMecaNeNMnMCCRRCUnβφφ−=−=对于给定的Rcβ为常数。RaRcRaRc人为Rc>Rc固有Ran电枢回路串电阻的人为机械特性电枢串电阻人为特性的特点:()理想空载转速n’与固有机械特性的n相同()斜率特性变软在同一个转矩下转速下降更多。NNMecaCCRRβφβ>=Memn改变端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(Rc=),只改变电枢电压时的机械特性。表达式:emNemNMeaNeMnMCCRCUnβφφ−=−='一般都为降低的电压。人为UN>U>U固有UNnUU改变端电压时的人为机械特性改变端电压人为特性的特点:()理想空载转速比固有特性的理想空载转速低。端电压下降越多其理想空载转速越低。()端电压不同但人为特性的斜率跟固有特性的斜率相等因此各条特性彼此平行。Memn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(Rc=),只改变励磁电流的机械特性。表达式:emNemMeaeNMnMCCRCUn'''βφφ−=−=额定时接近饱和一般都为减弱的磁通。ΦN>ΦN’固有ΦNn人为ΦN’减弱电机主磁通的人为机械特性减弱电机主磁通人为特性的特点:()由于Φ’<ΦN理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。()人为机械特性的斜率比固有机械特性大即人为特性比固有特性软。人为特性的几点补充()考虑电枢反应时会使机械特性上翘。影响稳定性。通过补偿绕组改善。()机械特性的确定。特殊点(n)(nNMemN)()通过电机的数据铭牌估算机械特性,NeNCUnφ=NaNNNaNNnRIUnECe−==φ他励直流电动机的起动直流电动机接到电源以后转速从零达到稳定转速的过程称为起动过程。对电动机起动的基本要求:()起动转矩要大()起动电流要小()起动设备要简单、经济、可靠。()他励直流电机直接起动:aNaaaRUIREn=≈==,,,将电动机的电枢投入额定电压的电源上起动。优点:操作简单无需另加设备。缺点:冲击电流大引起换向困难产生火花电源会发生瞬时跌落。适用于容量很小的电动机。Mn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。()电枢回路串变阻器起动RRRRRRRRR电枢回路串变阻器起动起动电流cccaNstRRRRUI=将起动电流限制在允许的范围内选择合适的Rst其步骤:()根据电动机铭牌数据估算电动机电枢回路电阻Ra()选取最大起动电流I计算最大起动电阻()决定起动电阻级数()计算起动电流比。降压起动开始时降低端电压使Ia=(~)IN,Mem=(~)Mem。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:需要一套专用的直流发电机或整流电源投资费用大。直流电动机的调速改变传动机构的传动比改变工作机构的速度称为机械调速。人为改变电动机的参数(如端电压、励磁电流或电枢回路电阻)使同一机械负载得到不同转速称为电气调速。电动机驱动生产机械对电动机的转速不仅要能调节而且要求调节的范围宽广、过程平滑、调节的方法简单、经济。直流电动机调速直流电动机的转速公式:φejaaCRRIUn)(−=直流电动机的调速方法:()改变励磁电流从而改变磁通()改变施加在电枢两端的电压U()改变串入电枢回路的调节电阻Memn改变励磁调速改变励磁电流调速实际上是减少励磁电流的调速所以又称弱磁调速。弱磁调速:保持U=UNRj=仅减小电动机的励磁电流If使主磁通减小达到调速目的。IfPIfQIf>If从两个稳定点P、Q对应转速说明减小励磁可以使转速升高。弱磁调速的过程If减小瞬间速度不变Φ减小nCEeaφ=IfIfPQIf>IfMemnaaREUI−=aMemICMφ=ZemMM>机组加速nEaIaMemMem=MZ新的平衡新的Ia和n弱磁调速调速前后的量:()假定负载转矩不变aMaMemICICMφφ==φφ=aaII()假定磁路不饱和不计电枢反应和IaRa的变化,ffIInnnCenCeE≈=∴==φφφφ()恒转矩负载η基本不变nPIUPa∝⋅=弱磁调速特点ƒ优点:设备简单调节方便能耗小。ƒ缺点:单方向调节转速调得过高励磁过弱电枢电流变大换向变坏出现不稳定。改变端电压调速保持电动机的Φ=ΦN不变且无外接电枢电阻仅降低施加于电动机电枢两端电压U达到调速的目的称为降压调速。MemnUU>U>UUUPQ电压越低转速越低调速方向从基值往下调。调节过程:(留为作业)()降压的人为特性是一簇与固有特性平行的直线无论是满载、轻载还是空载都有明显的调速效果。()由于人为特性硬度不变低速时由于负载变化引起的转速波动不大。静态稳定性好调速范围大。()可平滑调节端电压使转速平滑调节实现无级调速。()调节过程能量损耗小。调压调速的特点:改变电枢回路电阻调速保持U=UN且Φ=ΦN不变电枢回路中串入调速电阻Rc使同一个负载得到不同转速的方法称为电枢串电阻调速。串入电枢回路的电阻越大转速越低。RRPQR>R>RMemnR电机运行于固有机械特性上的转速称为基速。电枢回路串电阻调速的方法只能从基速往下调。串电枢电阻调速该调速的特点:()设备简单、操作方便。()低速时机械特性很软当负载变化时转速波动很大。静态稳定性差调速范围不大。()由于电阻的不连续调节因此速度调节不平滑属有级调速。()电枢电流在Rc上消耗的能量大调速时效率低。效率与转速成正比。调速性能指标()调速范围:电动机在额定负载转矩下调速时最高转速与最低转速之比。用D表示。()静差率(相对稳定性:也称转速变化率。指电动机由理想空载到额定负载时转速的变化率。静差率越小转速的相对稳定性越好。()调速的平滑性:无级调速平滑性最好有级调速由相邻两级转速中高一级转速与低一级转速之比。()调速时电动机的容许输出:电动机在不同转速时轴上输出的功率和转矩。不同的调速方法允许的输出不同。()经济性电动机调速时的容许输出在某转速下电机即能充分利用又能安全运行时输出的功率和转矩称为调速时的允许输出功率和转矩。()调压调速的允许输出降压调速、电枢回路串电阻都是降低电枢两端的电压。emNemMemNMMPIaCM=Ω===φφφ在整个调速范围允许输出转矩为常数恒转矩调速方式。允许输出功率与转速成正比。nKnMnMPKMICMiNiiNNNMi======φ保持I不变弱磁调速时的允许输出弱磁调速时保持电流I=INnKnCRIUeaNN=−=φKnnKnTPnKInKCICTiiNMNMi=⋅=====φ弱磁调速时在整个调速范围内的允许输出功率为常数是恒功率调速方式。其允许输

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电机与拖动基础

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