《數(shù)電與模電》PPT課件

第 三 章 直 流 電機(jī)緒 論3.1 直 流 電機(jī) 的 工 作原 理 和 基本 結(jié) 構(gòu)3.2 空 載和 負(fù) 載 時直 流 電 機(jī)的 磁 場3.3 直 流電 機(jī) 的 感應(yīng) 電 動 勢和 電 磁 轉(zhuǎn) 矩3.4 直 流 電 機(jī)的 基 本 方 程3.5 直 流 電 動 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 性 直 流 電 機(jī) 是 電 機(jī) 的 主 要 類 型 之 一 。 直 流 電 機(jī)自 身 有 著 顯 著 的 優(yōu) 點 ， 但 與 交 流 電 機(jī) 相 比 自 身 又有 著 缺 點 。 近 年 來 ， 與 電 力 電 子 裝 置 結(jié) 合 而 具 有直 流 電 機(jī) 性 能 的 電 機(jī) 不 斷 涌 現(xiàn) ， 使 直 流 電 機(jī) 有 被取 代 的 趨 勢 。 盡 管 如 此 ， 直 流 電 機(jī) 仍 有 一 定 的 理論 意 義 和 實 用 價 值 ! 本 章 主 要 內(nèi) 容 1、 直 流 電 機(jī) 的 工 作 原 理 和 基 本 結(jié) 構(gòu)2、 說 明 電 機(jī) 的 磁 動 勢 和 磁 場 4、 分 析 直 流 電 動 機(jī) 的 穩(wěn) 態(tài) 運(yùn) 行 性 能3、 導(dǎo) 出 電 機(jī) 的 電 動 勢 和 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 公 式 3.1 直 流 電 機(jī) 的 工 作 原 理 和 基 本 結(jié) 構(gòu)一 、 直 流 電 機(jī) 的 工 作 原 理固 定 部 分 （ 定 子 ） ： 主 磁 極 N和 S；（ 如 圖 3 1） 表 示 一 臺 直 流 電 機(jī) 。1、 直 流 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu)旋 轉(zhuǎn) 部 分 （ 轉(zhuǎn) 子 ） ： 電 樞 鐵 心 ； 電 刷 ；電 樞 繞 組 AX(一 個 線 圈 )； 換 向 器 。定 子 與 轉(zhuǎn) 子 之 間 為 氣 隙 。 2、 直 流 發(fā) 電 機(jī) 的 工 作 原 理 發(fā) 電 機(jī) ： 雖 然 線 圈 AX電 動 勢 是 交 流 電 動 勢 ， 但 由 于 換 向 器 的 整 流 作 用 ， 電 刷 間 的 輸 出 電 動 勢 卻 是 直 流 電 動 勢 。（ 圖 3-2 a， 圖 3-2b） 3、 直 流 電 動 機(jī) 的 工 作 原 理 電 動 機(jī) ： 在 直 流 電 動 機(jī) 中 ， 外 加 電 壓 并 非 直 接1B 2B加 于 線 圈 ， 而 是 通 過 電 刷 、 和 換 向 器 再 加 到 線 圈變 而 同 時 改 變 其 方 向 ， 從 而 使 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 的 方 向 始 終上 的 。 所 以 ， 導(dǎo) 體 中 的 電 流 將 隨 其 所 處 磁 極 極 性 的 改保 持 不 變 。 4、 脈 動 的 減 小 電 刷 上 的 電 動 勢 (如 圖 3 3)。電 樞 繞 組 由 多 個 線 圈 串 聯(lián) 而 構(gòu) 成 的 ，實 現(xiàn) 方 法 ： 二 、 直 流 電 機(jī) 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 1、 主 磁 極 構(gòu) 成 ： 主 極 鐵 心 和 套 裝 在 鐵 心 上 的 勵 磁 繞 組 。 2、 機(jī) 座 構(gòu) 成 ： 用 厚 鋼 板 彎 成 筒 形 焊 成 或 鑄 鋼 件 制 成 。作 用 ： 建 立 主 磁 場 。作 用 ： 1、 主 磁 路 的 一 部 分 ；2、 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) 框 架 。 3、 電 樞 鐵 心作 用 ： 1、 主 磁 路 的 一 部 分 ；2、 電 樞 繞 組 的 支 撐 部 件 。 構(gòu) 成 ： 一 般 用 厚 0.5 且 沖 有 齒 、 槽 的 DR530 4、 電 樞 繞 組作 用 ： 直 流 電 機(jī) 的 電 路 部 分 。 構(gòu) 成 ： 用 絕 緣 的 圓 形 或 矩 形 截 面 的 導(dǎo) 線 繞 成 ， 上 下層 以 及 線 圈 與 電 樞 鐵 心 間 要 妥 善 地 絕 緣 ， 并 用槽 楔 壓 緊 ?；?DR510的 硅 鋼 片 疊 壓 夾 緊 而 成 。 5、 換 向 器 作 用 ： 整 流 （ 發(fā) 電 機(jī) ） 或 逆 變 （ 電 動 機(jī) ） 。構(gòu) 成 ： 由 許 多 鴿 形 尾 的 換 向 片 排 列 成 一 個 圓 筒 片 間用 V形 云 母 絕 緣 ， 兩 端 再 用 兩 個 形 環(huán) 夾 緊 而6、 電 刷 裝 置作 用 ： 電 樞 電 路 的 引 出 （ 或 引 入 ） 裝 置 。構(gòu) 成 ： 電 刷 、 刷 盒 、 刷 桿 和 連 線 等 。構(gòu) 成 。 三 、 勵 磁 方 式勵 磁 繞 組 的 供 電 方 式 稱 為 勵 磁 方 式 。直 流 電 機(jī) 按 勵 磁 方 式 可 分 ： 他 勵自 勵 7、 換 向 極構(gòu) 成 ： 由 鐵 心 和 繞 組 組 成 。作 用 ： 改 善 換 向 。 復(fù) 勵 式 (圖 3-5d) ： 裝 有 兩 個 勵 磁 繞 組 ， 一 為 與 電1、 他 勵 式 （ 如 圖 3-5a） 其 勵 磁 繞 組 由 其 他 電 源 供 電 ， 勵 磁 繞 組 與 電 樞 繞組 不 相 連 。2、 自 勵 式發(fā) 電 機(jī) ： 利 用 自 身 發(fā) 出 的 電 流 勵 磁 ； 電 動 機(jī) ： 勵 磁 繞 組 和 電 樞 繞 組 由 同 一 電 源 供 電 。并 勵 式 (圖 3-5b) ： 勵 磁 繞 組 與 電 樞 繞 組 并 聯(lián) ；串 勵 式 (圖 3-5c) ： 勵 磁 繞 組 與 電 樞 繞 組 串 聯(lián) ；樞 并 聯(lián) 的 并 勵 繞 組 ， 二 為 與 電 樞 串 聯(lián) 的 串 勵 繞 組 。 四 、 直 流 電 機(jī) 的 額 定 值 （ 1） 額 定 功 率 ： 指 電 機(jī) 在 銘 牌 規(guī) 定 的 額 定 狀 態(tài) 下 運(yùn) 行 時 ， （ 2） 額 定 電 壓 ： 指 額 定 狀 態(tài) 下 電 樞 出 線 端 的 電 壓 ， 以 V表 示 。（ 3） 額 定 電 流 ： 指 電 機(jī) 運(yùn) 行 在 時 電 機(jī) 的 線 電 流 ， 以 A表 示 。 （ 4） 額 定 轉(zhuǎn) 速 ： 指 額 定 狀 態(tài) 運(yùn) 行 時 轉(zhuǎn) 子 的 轉(zhuǎn) 速 ， 以 r/min表 示 。 （ 5） 額 定 勵 磁 電 壓 （ 僅 對 他 勵 電 機(jī) ） 。 對 電 動 機(jī) ， 輸 出 的 機(jī) 械 功 率 ； 對 發(fā) 電 機(jī) ， 輸 出 的 電 功 率 。NP NP NPNUNI Nn fNU 直 流 電 機(jī) 的 額 定 值 有 ：電 機(jī) 的 輸 出 功 率 ， 以 kW表 示 。 3.2 空 載 和 負(fù) 載 時 直 流 電 機(jī) 的 磁 場一 、 空 載 時 直 流 電 機(jī) 的 磁 場 (如 圖 3-6)。 f pD 2 ：空 載 時 的 主 磁 極 的 磁 通 ：a) 主 磁 通 ： 通 過 氣 隙 ， 并 形 成 氣 隙 磁 場 。b) 主 極 漏 磁 通極 矩 ：0 二 、 負(fù) 載 時 的 電 樞 磁 動 勢 和 電 樞 反 應(yīng) （ 介 紹 ）電 樞 反 應(yīng) ： 負(fù) 載 時 電 樞 磁 動 勢 對 主 極 磁 場 的 影 響 。1、 交 軸 電 樞 磁 動 勢 和 交 軸 電 樞 反 應(yīng)影 響 ： 1） 、 引 起 氣 隙 磁 場 畸 變 ， 使 電 樞 表 面 磁 密 等 2） 、 不 計 飽 和 時 ， 交 軸 電 樞 反 應(yīng) 既 無 增 磁 、 亦 無 去 磁 作 用 ； 計 及 飽 和 時 ， 交 軸 電 樞 反 應(yīng) 具 有 一 定 的 去 磁零 的 位 置 （ 物 理 中 性 線 ） 偏 離 幾 何 中 性 線 。作 用 。 2、 直 軸 電 樞 磁 動 勢 和 直 軸 電 樞 反 應(yīng)發(fā) 電 機(jī) ： 電 刷 順 電 樞 旋 轉(zhuǎn) 方 向 移 動 ， 電 樞 反 應(yīng) 為 去 磁 ； 電 刷 逆 電 樞 旋 轉(zhuǎn) 方 向 移 動 ， 電 樞 反 應(yīng) 為 增 磁 。電 動 機(jī) ： 與 發(fā) 電 機(jī) 的 情 況 相 反 。 3.3 直 流 電 機(jī) 的 感 應(yīng) 電 動 勢 和 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 設(shè) 氣 隙 磁 場 的 分 布 （ 如 圖 3 7） 所 示 ， 則 每lvbe 根 導(dǎo) 體 的 感 應(yīng) 電 動 勢 為 blv一 、 電 樞 繞 組 的 感 應(yīng) 電 動 勢式 中 ， 導(dǎo) 體 所 在 處 的 氣 隙 磁 密 ； 導(dǎo) 體 的 有 效 長 度 ； 導(dǎo) 體 相 對 氣 隙 磁 場 的 速 度 。 電 樞 繞 組 的 電 動 勢 應(yīng) 為 一 條 支 路 各 串 聯(lián) 導(dǎo) 體 的 令 為 平 均 氣 隙 磁 密 ， 則 上 式 改 寫 為 aZ iaZ aa xblvlvbE 2121 )( avB avaa BaZlvE 2602 npv 將 代 入 上 式 得 出電 動 勢 的 代 數(shù) 和 ， 則 電 動 勢 公 式 ： nCnapZlBaZpnE eaavaa 60)(2602 nCE ea lBav式 中 ， apZC ae 60 每 極 的 總 磁 通 量 ； 電 動 機(jī) 常 數(shù) ； 電 動 勢 公 式 。 二 、 直 流 電 機(jī) 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 電 樞 表 面 任 一 點 處 的 載 流 導(dǎo) 體 上 的 電 磁 轉(zhuǎn) 距 為 式 中 ， 該 點 處 的 氣 隙 磁 密 。 一 個 極 下 的 載 流 導(dǎo) 體 上 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 應(yīng) 為 式 中 ， 氣 隙 平 均 磁 密 。 cT2DlibT ab pT22)(2 21 DliBpZxbDliT aavapZ iap a )(21 21 ipzaav xbpZB a 整 個 電 樞 上 的 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 則 為 22 DliBZpTT aavape pD 2 lBav aIi aa 2 aTaaaavae ICIaZppaIlBZT 22 nCT Te 可 得 直 流 電 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 公 式 為 再 考 慮 到 eT 一 、 電 壓 方 程 ；基 本 方 程 二 、 轉(zhuǎn) 矩 方 程 。 一 、 電 壓 方 程 1、 他 勵 直 流 電 機(jī) 直 流 電 機(jī) 的 穩(wěn) 態(tài) 電 路 圖 （ 發(fā) 電 機(jī) ， 電 動 機(jī) ） 發(fā) 電 機(jī) ： 則 有 ； 電 動 機(jī) ： 則 有 。IIa UEa aasaa RIUURIUE 2UEa aaasaa RIEURIEU 2 3.4直 流 電 機(jī) 的 基 本 方 程他 勵 時 ， 勵 磁 電 流 由 其 他 電 源 單 獨(dú) 供 電 ， 故 。 2、 并 勵 直 流 電 機(jī) 其 電 樞 回 路 的 電 壓 方 程 與 他 勵 時 相 同 ， 但 激 磁UU f fa III af III III sa 3、 串 勵 直 流 電 機(jī) 其 電 樞 回 路 的 電 壓 方 程 與 他 勵 時 亦 相 同 ， 但 因 勵 另 外 ， 電 壓 方 程 應(yīng) 加 入 串 勵 繞 組 的 電 阻 壓 降 。電 壓 為 電 樞 端 電 壓 ， 即發(fā) 電 機(jī) ：電 動 機(jī) ：磁 繞 組 與 電 樞 繞 組 相 串 聯(lián) ， 有 。 二 、 轉(zhuǎn) 矩 方 程 eT eTTT 011T0T 為 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 。 1、 發(fā) 電 機(jī) 情 況 下 電 機(jī) 本 身 的 機(jī) 械 阻 力 轉(zhuǎn) 矩 ； 原 動 機(jī) 的 驅(qū) 動 轉(zhuǎn) 矩 ；電 磁 轉(zhuǎn) 矩 為 制 動 轉(zhuǎn) 矩 ， 有 電 動 機(jī) 軸 上 的 負(fù) 載 轉(zhuǎn) 矩 。2T式 中 ， 20 TTTe 2、 電 動 機(jī) 情 況 下電 磁 轉(zhuǎn) 矩 為 驅(qū) 動 轉(zhuǎn) 矩 ， 有 三 、 電 磁 功 率 發(fā) 電 機(jī) ： 機(jī) 械 能 轉(zhuǎn) 化 為 電 能 ； 電 動 機(jī) ： 電 能 轉(zhuǎn) 化 為 機(jī) 械 能 。 eP aae IEP 602 n eaaaa TIapZIE 2 eT aaIEaaIE eT 電 磁 功 率 用 表 示 ， 則將 代 入 上 式 ， 得 四 、 直 流 電 機(jī) 的 可 逆 性UE a 電 機(jī) 的 可 逆 性 ： 從 原 理 上 講 ， 任 何 電 機(jī) 既 可 作 為發(fā) 電 機(jī) 運(yùn) 行 ；電 動 機(jī) 運(yùn) 行 。UEa 發(fā) 電 機(jī) 、 亦 可 作 為 電 動 機(jī) 運(yùn) 行 。 3.5 直 流 電 動 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 性 fNfN IIUU , )(, 2PfTn e 直 流 電 動 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 性 主 要 有 兩 條 ， 一 條 是 工 作一 、 并 勵 電 動 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 性 1、 工 作 特 性指 時 ， 。特 性 ， 另 一 條 是 轉(zhuǎn) 矩 特 性 （ 或 稱 為 機(jī) 械 特 性 ） 。 )( 2Pfn aeaeea ICRCUCEn n %100 0 N Nn nnn （ 1） 、 轉(zhuǎn) 速 特 性 據(jù) 轉(zhuǎn) 速 公 式 得 出 轉(zhuǎn) 速 特 性 曲 線轉(zhuǎn) 速 調(diào) 整 率 ： 注 意 ： 并 勵 電 動 機(jī) 在 運(yùn) 行 中 ， 勵 磁 繞 組 絕 對 不 能 斷 開 。 （ 2） 、 轉(zhuǎn) 矩 特 性 轉(zhuǎn) 矩 方 程 )( 2PfTe 2020 PTTTTe )( 2Pf（ 3） 、 效 率 特 性并 勵 電 動 機(jī) 的 效 率 特 性 和 其 他 電 機(jī) 相 類 似 。得 出 轉(zhuǎn) 矩 特 性 曲 線 。 NUU fR)( eTfn eeT ae TCC RCUn 22、 轉(zhuǎn) 矩 轉(zhuǎn) 速 特 性 指 ， 勵 磁 回 路 電 阻 常 值 時 ， 。轉(zhuǎn) 速 與 轉(zhuǎn) 矩 的 關(guān) 系 表 達(dá) 式 為得 特 性 曲 線 （ 如 圖 3 11）結(jié) 論 ： 硬 特 性 )( eTfn 二 、 串 勵 電 動 機(jī) 的 運(yùn) 行 特 性 1、 工 作 特 性 III sa NUU )(, 2PfTn e )(, ae IfTn se saasesse saae saa KC RRIKCUIKC RRIUC RRIUn 1)()(特 點 ： 是 指 時 ， 或 （ 圖 形 3 12）轉(zhuǎn) 速 公 式 上 式 表 明 曲 線 大 致 為 一 雙 曲 線 。sR )( aIfn 式 中 為 串 勵 繞 組 的 電 阻 。輕 載 時 ， 、 常 值 ssIK sK 22 aTssTe ICIKCT 2ae IT 負(fù) 載 增 加 ， 磁 路 飽 和 ， 常 值 aTe ICT ae IT 注 意 ： 串 勵 電 動 機(jī) 不 允 許 空 載 運(yùn) 行 。 %10041 N Nn nnn （ 與 并 勵 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 調(diào) 整 率 定 義 相 對 比 ） 。 2、 轉(zhuǎn) 矩 轉(zhuǎn) 速 特 性 是 指 時 。 NUU )( eTfn由 電 壓 方 程 可 知 IRRnKCRRInCRRIEU sasesaesaaa )()()( 其 轉(zhuǎn) 速 調(diào) 整 率 定 義 為 ： 式 中 。 ssIK 于 是 電 磁 轉(zhuǎn) 矩 為 22 )( sasesTsTaT RRnKC UKCIKCICT 可 得 )(1 sae sTse RRUTKCKCn （ 如 圖 3-13）結(jié) 論 ： 隨 著 轉(zhuǎn) 矩 的 增 加 ， 串 勵 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 速 迅 速下 降 ， 是 軟 特 性 。 三 、 復(fù) 勵 電 動 機(jī) 的 特 點 復(fù) 勵 電 動 機(jī) 通 常 接 為 積 復(fù) 勵 ， 其 特 性 介 于 并 勵 和 復(fù) 勵 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 轉(zhuǎn) 速 特 性 （ 如 圖 3-14） 。串 勵 電 動 機(jī) 之 間 。 結(jié) 構(gòu) 較 復(fù) 雜直 流 電 機(jī) 成 本 較 高 使 它 的 應(yīng) 用 受 到 限 制 可 靠 性 較 差 1.直 流 電 動 機(jī) 以 其 良 好 的 起 動 性 和 調(diào) 速 性 能 著 稱 。2.直 流 發(fā) 電 機(jī) 供 電 質(zhì) 量 較 好 ， 常 常 作 為 勵 磁 電 源 。 tO A X圖 3-2a 線 圈 電 動 勢 的 波 形2 3XAe O t圖 3-2b 電 刷 間 的 電 動 勢 波 形1 2B Be 圖 3-4 國 產(chǎn) 直 流 電 機(jī) 的 結(jié) 構(gòu) aEaIU I+-圖 3-5c 串 勵 式 aEaIU I+- fI圖 3-5 復(fù) 勵 式 圖 3-6 空 載 時 直 流 電 機(jī) 的 氣 隙 磁 場 fU fI aR aI U圖 3-8 發(fā) 電 機(jī)aE fU fI aR aI U圖 3-9 電 動 機(jī)aE 0T圖 3-10 并 勵 電 動 機(jī) 的 工 作 特 性2Pn eT 圖 3-11 并 勵 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 轉(zhuǎn) 速 特 性O(shè)n eT O aIn eT圖 3-12 串 勵 電 動 機(jī) 的 工 作 特 性 nO eT圖 3-13 串 勵 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 -轉(zhuǎn) 速 特 性 nO eT圖 3-14 復(fù) 勵 電 動 機(jī) 的 轉(zhuǎn) 矩 -轉(zhuǎn) 速 特 性復(fù) 勵串 勵并 勵