電機(jī)與電氣控制（第二版）課件：直流電機(jī)的運(yùn)行

１．了解直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)對電機(jī)工作的影響。２．掌握電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩的基本概念。３．熟悉直流電機(jī)的基本方程式和工作特性。４．了解直流電機(jī)產(chǎn)生火花的原因和改善換向的方法。５．學(xué)會(huì)直流發(fā)電機(jī)工作特性的測試方法。學(xué)習(xí)目標(biāo)

直流電機(jī)的運(yùn)行任務(wù)引入直流電動(dòng)機(jī)通電啟動(dòng)后，為了高效經(jīng)濟(jì)地利用它，就需要了解直流電動(dòng)機(jī)的效率在什么情況下最高？與哪些因素有關(guān)？一臺機(jī)床的負(fù)載大小會(huì)根據(jù)加工零件和加工工藝的不同而改變，這就要求直流電動(dòng)機(jī)能根據(jù)負(fù)載的不同而改變其力矩的大小、轉(zhuǎn)速的高低，那么電動(dòng)機(jī)的力矩與哪些因素有關(guān)？直流電機(jī)在工作時(shí)，電刷與換向器之間難免會(huì)產(chǎn)生火花，可以用哪些方法來減小火花呢？直流發(fā)電機(jī)有時(shí)候需要輸出較高的電壓，有時(shí)候又需要較低的電壓，那么應(yīng)該如何來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小呢？直流電機(jī)的上述問題都需要由電氣技術(shù)人員來解決，因此本任務(wù)就來熟悉直流電機(jī)的運(yùn)行性能，掌握它的測試方法。相關(guān)知識一、直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)１．空載時(shí)的主磁場磁通從N極出來，經(jīng)過氣隙、電樞齒、電樞磁軛進(jìn)入S極，再經(jīng)過定子磁軛回到N極，形成一個(gè)閉合回路。這部分磁通穿過電樞繞組，電樞轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，能在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，一旦電樞繞組中有電流流過，能夠產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這種磁通稱為主磁通Φ。直流電機(jī)的空載磁場２．負(fù)載時(shí)的電樞磁場電樞磁場和電樞反應(yīng)３．電樞反應(yīng)（１）氣隙磁場發(fā)生畸變每一磁極下，電樞磁場與主磁極磁場一半方向相同，一半方向相反。因此，主磁極磁場的一半被削弱，另一半被加強(qiáng)，此時(shí)磁場為零的物理中性線與幾何中性線在位置上發(fā)生偏離。（２）對主磁場起附加去磁作用在磁路不飽和時(shí)，主磁極磁場被削弱的數(shù)量恰好等于被加強(qiáng)的數(shù)量，因此負(fù)載時(shí)每極下的合成磁通量與空載時(shí)相同。二、直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩１．電樞電動(dòng)勢電樞繞組示意圖電樞電動(dòng)勢Ea可按下式計(jì)算：２．電磁轉(zhuǎn)矩直流電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩T

的大小可以表示為：在同一臺直流電機(jī)中，電樞電動(dòng)勢常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)是恒定的，兩者之間有如下關(guān)系：三、直流電機(jī)的換向１．換向過程直流電機(jī)在工作時(shí)，繞組元件連續(xù)不斷地從一條支路退出而進(jìn)入相鄰的支路。電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷轉(zhuǎn)入另一條支路，元件中的電流改變方向，稱為換向。直流電機(jī)電樞繞組元件的換向過程２．產(chǎn)生火花的原因直流電機(jī)的電路中由于存在電刷和換向器之間的動(dòng)接觸，因此在運(yùn)行時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)或多或少的火花。產(chǎn)生火花的原因是多方面的，除了電磁原因外，還有機(jī)械原因，換向過程中還伴隨有電化學(xué)、電熱等因素，它們互相交織在一起，所以相當(dāng)復(fù)雜。３．改善換向的方法（１）安裝換向極換向極裝設(shè)在相鄰兩個(gè)主磁極之間，換向極繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢方向與電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢的方向相反，大小比電樞磁動(dòng)勢略大。直流電機(jī)換向極電路與極性（２）正確移動(dòng)電刷當(dāng)電機(jī)運(yùn)行于電動(dòng)機(jī)狀態(tài)時(shí)，電刷應(yīng)逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)；而運(yùn)行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時(shí)，電刷則應(yīng)順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)。（３）正確選用電刷不同牌號的電刷具有不同的接觸電阻，選擇合適的電刷能改善換向。（４）裝設(shè)補(bǔ)償繞組

補(bǔ)償繞組嵌置在主磁極表面的槽內(nèi)，其中流過的是電樞電流，所以補(bǔ)償繞組應(yīng)與電樞繞組串聯(lián)，其電流方向與對應(yīng)磁極下電樞繞組的電流方向相反，顯然它產(chǎn)生的磁動(dòng)勢與電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢方向相反，從而抵消了電樞反應(yīng)的影響。四、直流電機(jī)的基本方程式１．直流發(fā)電機(jī)的基本方程式他勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組是由其他直流電源提供電流的，其電樞在原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)下旋轉(zhuǎn)（輸入機(jī)械能），切割勵(lì)磁繞組的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，通過換向器和電刷對外輸送直流電能。直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作原理圖（１）電壓方程式（２）轉(zhuǎn)矩方程式（３）功率方程式直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的功率方程式為：直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的功率關(guān)系２．直流電動(dòng)機(jī)的基本方程式并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，由同一直流電源供電。接通直流電源后，勵(lì)磁繞組中流過勵(lì)磁電流If，建立主磁場；電樞繞組中流過電樞電流Ia，電樞電流與主磁場作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T，使電樞朝轉(zhuǎn)矩T

的方向以轉(zhuǎn)速n

旋轉(zhuǎn)，將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械工作。直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作原理圖（１）電壓方程式（２）轉(zhuǎn)矩方程式（３）功率方程式直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的功率方程式如下：直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的功率關(guān)系五、直流發(fā)電機(jī)的工作特性１．空載特性直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的空載特性是指當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為常數(shù)，電樞電流Ia=0時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓U0

與勵(lì)磁電流If

之間的關(guān)系，即U0=f(If)，空載特性可用其曲線來表示。直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)空載特性曲線２．外特性直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性是指轉(zhuǎn)速不變、勵(lì)磁電流不變時(shí)，輸出端電壓U

與負(fù)載電流Ia

之間的關(guān)系，即當(dāng)n=常數(shù)，If=常數(shù)時(shí)，U=f(Ia)的關(guān)系。直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性３．調(diào)整特性直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性是指保持轉(zhuǎn)速和端電壓不變，即n=nN、U=UN

時(shí)，If=f（Ia）的關(guān)系曲線。直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性六、直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過程直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過程為：當(dāng)原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速nN

旋轉(zhuǎn)時(shí)，因?yàn)橹鞔艠O有剩磁Фr，電樞繞組切割此剩磁通產(chǎn)生電樞電動(dòng)勢Er；此Er

在勵(lì)磁回路中產(chǎn)生勵(lì)磁電流If1。如果極性正確，If1

在磁路里產(chǎn)生的磁通與剩磁通Φr

方向一致，這樣主磁路里的總磁通將增加為Φ1(Φ1>Φr)，于是電樞繞組切割Φ1

產(chǎn)生電樞電動(dòng)勢E1(E1>Er)，E1

又產(chǎn)生勵(lì)磁電流If2(If2>If1)。當(dāng)Φ

趨于飽和時(shí)，E

也趨于穩(wěn)定，直到工作點(diǎn)A時(shí)，由U0產(chǎn)生的勵(lì)磁電流為If0，而If0也是產(chǎn)生U0

所需的勵(lì)磁電流，因此A

點(diǎn)是個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)。整個(gè)過程如圖所示。直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)這種自己建立工作電壓的過程叫自勵(lì)。直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)的接線圖直流并勵(lì)發(fā)電機(jī)建立電壓的過程（１）電機(jī)必須有剩磁。（２）勵(lì)磁繞組的接線與電樞旋轉(zhuǎn)的方向必須正確配合，使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁通方向一致。（３）勵(lì)磁回路的總電阻應(yīng)小于與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。任務(wù)實(shí)施一、任務(wù)準(zhǔn)備二、繪制并連接直流他勵(lì)發(fā)電機(jī)的工作電路三、測試直流