电机与电器控制 教学课件 ppt 作者 冯晓 刘仲恕编 第六节

直流电机运行时，随着电枢的转动，电枢绕组的元件从一支路经过被电刷短路一下后进入另一条支路，元件中的电流随之改变方向的过程称为换向过程，简称换向。 从换向开始到换向结束的过程就称为换向过程。电枢绕组中每个元件都要经过换向过程，所有元件在换向过程中的情况一样，只需讨论一个元件的换向过程就可以了。 下图表示1个元件的换向过程。设电刷的宽度等于一个换向片的宽度，电刷不动，元件和换向器以v的速度自右向左运动。电刷只与换向片1接触，如图（a）所示，此时元件1处于电刷右边的支路，元件中的电流等于支路电流+i，电流方向如图，1号元件即将开始换向。元件移动，电刷同时与换向片l和2接触，如图（b）所示，此时1号元件被电刷短接，表明该元件正在换向，其电流从+i逐渐减小到零。元件继续移动，电刷只与换向片2接触，如图（c）所示，此时元件1属于电刷左边的支路，元件中的电流方向改变且从零逐渐增大到-i，则1号元件结束换向。换向过程所需的时间称为换向周期TK，通常只有千分之几秒。 换向问题很复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火花。当火花大到一定程度，可能损坏电刷和换向器表面，使电机不能正常工作。微弱的火花，对直流电机的正常运行没有影响，如果火花超过一定限度，就会烧坏电刷和换向器，使电机不能正常工作。国家标准将火花的大小划分为五个等级。如果没有特殊说明，对正常工作的直流电机，火花等级不超过1上级，在短时过载情况下，火花不得超过2级。 直线换向 换向元件中的电流决定于该元件中的感应电动势和回路的电阻。假设换向元件申没有任何电动势，且将换向元件、引线与换向片的电阻均忽略不计，回路中只有电刷与换向片1的接触电阻r1和电刷与换向片2的接触电阻r2，则换向元件中的电流只决定于回路中的电阻r1和r2的大小，这种换向情况称为电阻换向。 根据基尔霍夫电压定律，可得换向元件回路的电压方程式为式中：i1，i2为流过换向片1，2的电流。 电刷与换向片之间的接触电阻与接触面积成反比，即式中：A1，A2为电刷与换向片1，2的接触面积。由上两式结合可得 设换向元件中的电流为i，则根据基尔霍夫电流定律，可以列出下面的电流关系： 对照右图，由上式分析可知：t＝0时，A2=0，i2＝0，i＝＋ia，换向开始；0<t<Tk/2时，A1>A2，i1>i2，i>0与原方向相同；t=Tk/2时，A1=A2，i1＝i2，i＝0；Tk/2>t>Tk时，A1<A2，i1<i2，i<0，开始反向；t=Tk时，A1＝0，i1＝0，i＝－ia，换向结束。换向过程中，换向元件的电流i均匀地由＋ia变为－ia，变化过程为一条直线。 如右图所示，这种换向称为直线换向。直线换向时不产生火花，故又称为理想换向。 延迟换向和电磁性火花 实际上，换向元件回路中会有电抗电动势和旋转电动势存在，对换向产生不利影响。电抗电动势er 在换向过程中，由于换向元件中电流从+ia到-ia的变化，在换向元件中产生自感电动势eL，其方向由楞次定律可知它总是阻碍原电流的变化，即方向应与换向前电流+ia方向相同。* 另外，实际电机的电刷宽度通常为2～3片换向片宽，因而相邻几个元件同时进行换向，由于互感作用，换向元件中还会产生由于相邻元件电流变化时在本元件申引起的互感电动势，用eM表示。通常将自感电动势eL和互感电动势eM合起来，称为电抗电动势，用er表示，故有 式中：Lr为换向元件的电感系数；L为换向元件的自感系数；M为换向元件的互感系数。 根据楞茨定律，电抗电动势er的作用总是阻碍电流变化的，因此，er的方向与元件换向前的电流＋ia的方向相同。 旋转电动势 由于电枢反应使磁场发生畸变，使几何中性线附近存在电枢磁动势产生的磁场(马鞍形分布的凹部)，换向元件旋砖时切割此电枢磁场所感应的电动势称为旋转电动势，也称电枢反应电动势，用ea表示： 式中：Wc为元件的匝数；Ba为换向元件边所在处的气隙磁密；l为元件边导体的有效长度；va为电枢表面线速度。 无论是在电动机还是发电机运行状态，换向元件切割电枢磁场所产生的旋转电动势ea总与元件换向前的电流+ia的方向相同。 电抗电动势er和旋转电动势ea的方向相同，都企图阻碍换向元件中电流的变化，使换向电流的变化延迟，如图中曲线2所示，这种情况称为延迟换向。显然，曲线2与曲线l的电流之差就是电动势er＋ea在换向元件中产生的电流，称为附加换向电流，用ik表示。 附加换向器电流ik的方向与换向前电流＋ia的方向相同。如图中的曲线3所示。 当∑e足够大时，该元件换向结束瞬间，即t＝Tk时，附加换向电流ik≠0而为ikT，所以，换向元件中还贮存一部分磁场能量LrikT2/2，由于能量不能突变，LrikT2/2就会以弧光放电的形式释放出来，因而在电刷与换向片之间产生火花，这种由电磁原因产生的火花称为电磁性火花。 从er＝－Lrdi/dt和ea＝2WcBalva可以看出，两者均和电枢电流与转速成正比，所以大电流、高转速电机的电磁性火花大，换向更为困难。产生换向火花的原因是复杂的，除上面分析过的电磁原因以外，还有机械方面和化学方的原因。 如果换向不理想，在电刷处会产生火花。产生火花的原因除了电磁原因外，还可能因为换向器表面不平整、不清洁、换向片间有绝缘突出，电刷与换向器接触压力不适当等，这里主要从电磁原因入手，介绍一些改善换向的方法。要减小火花就要减小附加电流，即要减小换向元件的合成电势e，或增大电刷接触电阻。常用以下的两种方法。 选用合适的电刷，增加电刷与换向片之间的接触电阻 电机用电刷，型号规格很多，其中炭——石墨电刷的接触电阻最大，石墨电刷和电化石墨电刷次之，铜——石墨电刷的接触电阻最小。直流电机如果选用接触电阻大的电刷。有利于换向，但接触压降较大，电能损耗大。发热厉害。同时由于这种电刷允许电流密度较小，电刷接触面积和换向器尺寸以及电刷的摩擦都将增大。设计制造电机时须综合考虑两方面的因素，选择恰当的电刷牌号。为此。在使用维修中，欲更换电刷时。必须选用与原来同一牌号的电刷，如果实在配不到相同牌号的电刷，那就尽量选择特性与原来相接近的电刷，并全部更换。 装设换向极 换向极装设在相邻两主磁极之间的几何中性线上，如图所示。几何中性线附近一个不大的区域称为换向区，是换向元件的元件边在换向过程中所转过的区城。 换向极磁场，其方向与电枢反应磁场方向相反，使换向元件切割该磁场时产生一个与电抗电动势er大小相等或近似相等、方向相反的附加电动势ek，以抵消或明显削弱电抗电动势。从而使换向元件回路中的合成电动势∑e为零或接近于零，换向过程为直线换向或接近于直线换向，火花小，换向良好。换向极的作用是在换向区产生换向极磁动势，首先抵消换向区内电枢磁动势的作用，从而消除换向元件电枢反应电动势(旋转电动势)幻的影响，同时在换向区建立一个 产生原因 电枢反应使磁场发生畸变，负载较大时，气隙磁密分布严重畸变，元件边处于磁密最大位置的元件感应电动势很大，会使换向片之间的空气电离击穿，产生所谓电位差火花。在换向不利的情况下，这种电位差火花会和电刷与换向器之间的换向火花连成一片，形成跨越正、负电刷之间的电弧，使整个换向器被一圈火环所包围。这种现象称为环火。环火发生时，轻则烧坏电刷和换向器，严重时会烧坏电枢绕组。使电机无法运行。 防止环火的措施——装补偿绕组 补偿绕组嵌放在主磁极极靴上专门冲出的槽内或励磁绕组外面，该绕组与电枢绕组串联，产生的磁场方向与电枢反应的磁通方向相反，用以抵消电枢反应的磁通。装配补偿绕组使电机结构复杂，成本增加。因此，只有在负载变化很大的大、中型直流电机中使用。*