电机原理及电力拖动教学课件.pptx
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- 电机 原理 电力 拖动 教学 课件
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1、前言主要内容:1)电机的基本理论及应用(能量转换)2)电机及拖动系统的静、动态特性3)拖动系统的速度调节及其特性4)电机容量选择主要特点:电机是一种电磁结构设备,运行中,既遵循磁路定律,又遵循电路定律,在拖动系统中满足能量守恒定律。前言二基本电磁定律URI电阻(电抗):UI R 电压:dewdt 电势:E UIR电流:FW I磁势:mmFUR磁通:1mFLRA磁阻:mmUR 磁压:在电路中:在磁路中:前言1)全电流定律1H dLI 12NkkHLII W(或)1NkFR 当电流方向与积分路径方向符合右手螺旋定则时,其电流为正,否则为负。2)磁路欧姆定律:前言3)电磁感应定律:eU4)回路定律:
2、eBLVdewdt e方向:由右手螺旋定则确定RiLeuL5)电磁力定律:fBLif的方向由左手定则确定上述基本定律要求熟练掌握,准备使用。前言三电机分类电机变压器旋转电机控制电机直流电机交流电机同步电机异步电机变压器:把一种电压等级的电能变为另一种电压等级的电能。发电机:把机械能转换为电能。电动机:把电能转换为机械能。前言四学习方法明确物理概念,注重工作原理和运行特性,通过习题和实验消化所学内容。第一章直流电机原理第一节 直流电机用途、结构及原理第二节 直流电机的空载磁势第三节 直流电机的电枢绕组第四节 直流电机的电枢反应第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩第六节 直流发电机第七节 直流电动
3、机第八节 直流电机换向简介 第一节直流电机用途、结构及原理一.直流发电机的工作特性 发电机是将机械能转换为电能,故必须原动机拖动发电机。设此发电机在原动机拖动下,以逆时钟旋转。第一节直流电机用途、结构及原理 当转子(电枢)旋转在图位置时:abcdeeAB导体电势:电刷“”电刷“”当转子(电枢)旋转在图位置时:abcdeeAB导体电势:电刷“”电刷“”12ABABee 由上述分析可见:导体中的电势是交变的 电刷两端的电势极性是恒定的(直流)为什么是直流电势是电刷与换向器的共同作用的结果第一节直流电机用途、结构及原理换向器的作用:在直流发电机中,换向器将绕组中的交变电势变为电刷间的直流电势(整流作
4、用)。()()LVeBLVeBBBfef wt电势波形分析:设导体有效长度为,速度为恒速,由可知,的波形 由磁密 确定。在气隙空间分布波形为、。第一节直流电机用途、结构及原理二直流电动机的工作原理fBLi 直流电动机与直流发电机的结构一样,但是直流电动机是将直流电能转换为机械能的装置,故要加直流电源。载流导体在磁场中产生电磁力:电磁力的方向由左手定则确定:第一节直流电机用途、结构及原理 当电枢线圈位于图时,其等效为下图niabfcdfe第一节直流电机用途、结构及原理当电枢线圈位于图b时,其等效为下图nicdfabfe第一节直流电机用途、结构及原理直流电动机中换向器的作用:将电刷端的直流转换为绕
5、组中的交变 电流(保证其转矩方向不变)。UifBLiMn 工作过程:在电刷端加直流载流导体产生电磁力 形成力矩带动生产机械做功。1,()e in M外总结:1.直流发电机:)机械能转换为电能 2)换向器将绕组中的交流变为电刷间的直流 3)发电机中的电势为电势源(同方向)4)发电机中的转矩为制动力矩,与相反第一节直流电机用途、结构及原理直流电动机:1)将电能转换为机械能2)换向器将外加直流转换为绕组中的交流3)电动机中的电势为反电势与电流方向相反4)电动机中的转矩为拖动力矩,与n同方向第一节直流电机用途、结构及原理三直流电机的结构由两大部分组成定子部分转子(电枢)部分(一)定子结构 定子作用:产
6、生磁场,支撑电机及配件。并励直流发电机功率流程图:电动机中的转矩为拖动力矩,与n同方向1-2、1-3、1-4、1-9、1-10、1-13、1-141、2、316 表示元件上层所在槽号P33换向极:用来改善换向,减少电刷与换向器间的火花,装于两主磁极间(可以是主极数的一半)换向极绕组匝数少,线径粗。电枢反应小结:第一节直流电机用途、结构及原理第一节直流电机用途、结构及原理第三节 直流电机的电枢绕组所以其外特性是一条下垂的曲线。转子也称为电枢。并励发电机除具备电枢电阻压降和电枢反应的去磁作用使端电压下降的原因外,还具备因端压U的下降导致励磁电流下降,进一步使U下降的原因。图c串励直流发电机发电机必
7、须有剩磁(若无,可充磁一次)按励磁方式分类:第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩电动机中的转矩为拖动力矩,与n同方向第七节 直流电动机第四节 直流电机的电枢反应第一节直流电机用途、结构及原理1.主磁极:产生磁场(成对出现),可以是永久磁场,也可以在极身上绕绕组,通入直流电产生磁场。fi主磁极换向磁极电机外壳第一节直流电机用途、结构及原理磁极铁芯:用11.5mm低碳钢板冲压而成。(小型机可用整块铸钢制成)激磁绕组:用绝缘导线绕制而成。1s2s1N2N+-fUfI磁极N、S相间出现!第一节直流电机用途、结构及原理2.换向极:用来改善换向,减少电刷与换向器间的火花,装于两主磁极间(可以是主极数的一半
8、)换向极绕组匝数少,线径粗。3.机壳:固定主磁极,换向极,端盖等,同时又是磁路。用铸钢或厚钢板制成。4.电刷装置:接通外电路和电枢电路。第一节直流电机用途、结构及原理(二)转子结构 转子也称为电枢。电枢的作用:产生感应电势和电磁转矩是能量转换的枢纽。(1)转子铁芯:用0.350.5mm相互绝缘的硅钢片制成。电枢槽电枢绕组电枢齿电枢磁轭第一节直流电机用途、结构及原理(3)换向器:由相互绝缘的换向片组成。换向器的作用:在直流发电机中,将绕组中交流转为电刷间的直流 在直流电动机中,将电刷间直流转为绕组中的交流(2)电枢绕组:通过电流感应电势,能量转换的重要部件,是直流电机的主电路。用高强度绝缘漆包线
9、绕制。第一节直流电机用途、结构及原理四.直流电机的额定值 71(,),2()3()4(/)5(,)6eNNNNNNNNNNNNP w kwPU IPU IUVIAnr minMN m kg mP主要有:)额定容量输出功率 发电机:出线端输出功率 电动机:轴上输出功率 )额定电压:)额定电流:)额定转速:)额定转矩:)额定效率:直流电机的主要系列:见教材 页。额定值:指电机在额定运行状态下各物理的数值 第二节 直流电机的空载磁势(ffffFN INI匝数,励磁电流)由F所产生的磁通主磁通:漏磁通:(80%)占以上(20%)大约直流电机空载时的磁势:空载磁场:指电机无负载时,由主极励磁绕组通入直流
10、所产生磁场。一.直流电机磁路、磁通和磁化曲线 一个主极所产生的磁势为:第二节 直流电机的空载磁势主磁通:交链电枢绕组的磁通(参与能量转换)漏磁通:只交链励磁绕组的磁通(不参与能量转换)其路径:气隙电枢气隙相邻磁极 磁轭气隙主磁路的磁势分析:设主磁路径如下图所示:定子磁轭磁极电枢齿电枢磁轭气隙第二节 直流电机的空载磁势根据磁路第二定律:2222222(ottrtrtppststffffFHLHH LH LH LH LN IN总磁势:气隙磁势电枢齿磁势 电枢磁轭磁势 磁极磁势定子磁轭磁势 两极总磁势)(1-3)式中:励磁绕组匝数,I励磁电流mmBLH LLRsRS对于各段磁压降可写成:(1-4)式
11、中:磁导、磁阻、导磁体截面积第二节 直流电机的空载磁势()mffffRN iif I闭合回路磁势方程:(1-5)由(1-5)式可见,磁通 是励磁电流 的函数,即曲线1:气隙磁化曲线因气隙不存在饱和,故为直线(曲线2的切线)。曲线2:刚开始铁芯未饱和,呈直线关系,随后因铁芯趋于饱和,呈曲线关系。1.111.35mmacKabK饱和系数:表征电机饱和程度。一般取第四节 直流电机的电枢反应3)使主磁通有所减少(由于一般磁路都处于临界饱和)当电枢线圈位于图b时,其等效为下图第一节直流电机用途、结构及原理图b并励直流发电机第六节 直流发电机所以其外特性是一条下垂的曲线。定子作用:产生磁场,支撑电机及配件
12、。复励直流发电机简介(自学)第三节 直流电机的电枢绕组1)若不考虑磁路饱和,则增磁与去磁部分相等,如果考虑磁路饱和,则去磁部分大于增磁部分。并激直流发电机端电压的建立:Z=S=K=16,试绕制一单迭绕组同时认为全部磁势降在气隙中(即各处电刷不在几何中性线时,交直轴电枢反应同时存在还有复迭、复波绕组,主要对于单迭绕组。功率平衡方程式(能量平衡)例如:一台直流电机,极数2P=4直线换向、延迟换向、超越换向变压器:把一种电压等级的电能变为另一种电压等第二节 直流电机的空载磁势二.气隙磁密沿电枢表面分布波形设电枢表面是光滑的(略去齿槽影响);同时认为全部磁势降在气隙中(即各处磁势相等);气隙磁势磁密的
13、分布波形由下式确定:16ffBN IHB (1-6)式中:是常数(是空气隙)由()式可知与气隙长度成反比。第二节 直流电机的空载磁势B最大,各处基本相同。B在靴处气隙显著加大,明显减少每极下平均磁通()Bf曲线是个钟形波。vBL (1-7)vB式中:每极平均磁密极距(相邻主极间的距离)在极轴两边气隙小且大小相差不大第三节 直流电机的电枢绕组 绕组是连接到换向片上的线圈总称。绕组分类:单迭绕组:单匝单迭元件多匝单迭元件后匝端有效边前匝端第三节 直流电机的电枢绕组单波绕组:还有复迭、复波绕组,主要对于单迭绕组。一.基本概念 1)极轴线:平分主极成左右两部分的直线。第三节 直流电机的电枢绕组NNSS
14、极轴线几何中性线第三节 直流电机的电枢绕组 2)几何中性线 相邻两主极的几何分界线。3)极距(ZPP相邻两主极在电枢圆周的长度,用 表,单位为槽:总槽数 磁极对数)主极极数2 4)绕组节距1y2yKy第三节 直流电机的电枢绕组111112yZyPyyy1第一节距:一个元件两有效边的距离。整距元件 长距元件 短距元件 通常使用短距元件,因为可节省铜导线,同时有利于改善电势波形。y2第二节距:第一个元件的下层边与紧接着串联的第二元件上 层边之间的距离。第三节 直流电机的电枢绕组121yyyy合成节距y:相邻两串联元件间的距离:在单迭绕组中。kyyk换向节距y:同一元件的首尾端在换向器的跨距。(单位
15、不同)第三节 直流电机的电枢绕组1211642413kZyPyyyyy计算节矩:整距绕组 在单迭绕组中 二.单迭绕组的绕制 例如:一台直流电机,极数2P=4 Z=S=K=16,试绕制一单迭绕组绕组连接顺序表:规定:元件号、元件上层边所在槽号以及该元件首端所接换向片均相同。1、2、316 表示元件上层所在槽号 1、2 、3 16 表示元件下层所在槽号 第三节 直流电机的电枢绕组绕组元件的连接顺序:第四节 直流电机的电枢反应第二节 直流电机的空载磁势并励直流发电机自励条件:第四节 直流电机的电枢反应第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩2)按图中标定的磁场、电流方向、发电机转速为逆时钟,电动机转速方
16、向为顺时钟方向。电枢的作用:产生感应电势和电磁转矩是能量转换的枢纽。发电机是将机械能转换为电能,故必须原动机拖动发电机。并励发电机除具备电枢电阻压降和电枢反应的去磁作用使端电压下降的原因外,还具备因端压U的下降导致励磁电流下降,进一步使U下降的原因。1、2 、3 16 表示元件下层所在槽号第七节 直流电动机换向器的作用:直流电机磁路、磁通和磁化曲线第四节 直流电机的电枢反应电动机中的电势为反电势与电流方向相反设电枢表面是光滑的(略去齿槽影响);二直流电动机的工作原理*物理中性线与几何中性线重合电刷在几何中性线时,只有交轴电枢反应第四节 直流电机的电枢反应第三节 直流电机的电枢绕组绕组展开图:第
17、三节 直流电机的电枢绕组电刷具体放置方法:应放在元件轴线与主极轴线重合的元件所接两换向片之间,且电刷中心线与两换向片中心线重合(即被电刷短路的元件其瞬时电势为0)。电枢绕组的电路图:第四节 直流电机的电枢反应电枢反应:电枢磁场对主磁极建立的气隙磁场的影响。电枢反应可分为:电刷在几何中性线时只有交轴电枢反应电刷不在几何中性线时有交轴电枢反应,还有直轴电枢反应一.电刷在几何中性线时的电枢磁势和电枢磁场 图中:导体中电流流进 导体中电流流出电枢磁场的方向由右手定则确定第四节 直流电机的电枢反应0aoF图中:0点主极轴线与电枢表面交点 即空间坐标的起点()aaaxAN iADNiDFA x线负荷单位长
18、度的安匝数(安培导体数)(1-12)式中:总导体数,导体电流(即支路电流)电枢直径电枢表示任一点到 O点的电枢磁势为:(1-13)第四节 直流电机的电枢反应axaxaxomoaFFBR电枢气隙磁密空间分布波形 (1-14)式中:气隙导磁率,气隙长度 见图1-15 C)所示鞍形波第四节 直流电机的电枢反应二.电刷在几何中性线上时的电枢反应(只有交轴反应)ox 主极磁场不受电枢磁场影响时,磁密波B 为钟形具体分布如下图:00B NS几何中线极轴线*主极磁力线以极轴线对称均匀分布*物理中性线与几何中性线重合 物理中性线过电枢表面磁密为0 的直线。第四节 直流电机的电枢反应电刷在几何中性线上时的电枢反
19、应:第四节 直流电机的电枢反应交轴电枢反应磁密波形图:在图中:1)若不考虑磁路饱和,则增磁与去磁部分相等,如果考虑磁路饱和,则去磁部分大于增磁部分。2)按图中标定的磁场、电流方向、发电机转速为逆时钟,电动机转速方向为顺时钟方向。交轴电枢反应的结果:1)使主磁场波形畸变 2)物理中性线偏离几何中性线 3)使主磁通有所减少(由于一般磁路都处于临界饱和)第四节 直流电机的电枢反应三.电刷不在几何中性线时的电枢反应发电机移动一个 角度:adF 直轴反应,增磁作用an图:电刷顺 方向移 角度:aF电枢电势aqF 交轴反应adF 直轴反应,去磁作用bn图:电刷逆 方向移 角度:aqF 交轴反应aF电枢电势
20、第四节 直流电机的电枢反应在电动机中n电刷顺 移 角度aqF 交轴反应adF 直轴去磁n电刷逆 移 角度:adF 直轴增磁aqF 交轴反应励磁绕组并联到电枢端时,保证励磁磁通与剩磁磁通同方向。设电枢表面是光滑的(略去齿槽影响);第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩第一节直流电机用途、结构及原理由于并激发电机由自身的电压作为励磁电压,故并激发电机首先满足自身自励条件,建立端电压。并激直流发电机端电压的建立:第三节 直流电机的电枢绕组电动机中的电势为反电势与电流方向相反第四节 直流电机的电枢反应第二节 直流电机的空载磁势直线换向、延迟换向、超越换向第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩第四节 直流电
21、机的电枢反应定子作用:产生磁场,支撑电机及配件。(若不同,可换接励磁绕组,也可变化n的方向)2)物理中性线偏离几何中性线直线换向、延迟换向、超越换向自激直流发电机可分为:电刷在几何中性线时的电枢磁势和电枢磁场定子作用:产生磁场,支撑电机及配件。第四节 直流电机的电枢反应电枢反应小结:电刷在几何中性线时,只有交轴电枢反应电刷不在几何中性线时,交直轴电枢反应同时存在交轴反应1)气隙磁场波形畸变2)物理中性线偏移几何中性线3)主极磁通量有所减少直轴反应发电机电动机顺n移增磁逆n移去磁顺n移去磁逆n移增磁第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩一.电动势 设电机绕组元件为整距元件,元件数很多,电刷在几何中
22、线上,无齿槽影响。N总导体数 2a支路数第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩2avavaaveB LVNEea由前述已知:一根导体平均电势:一条支路的电势(即电刷间电势):(1-15)260260260avavavnBVpLeBL VnLpLnp 由于:、(1-17)第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩26060/aaveeaNpNEenCnaapNCaWbnr minE (1-18)式中:电势常数 伏特第五节 直流电机的电枢电势与电磁转矩二.电磁转矩avavaafBL iiL 一根导体所产生的平均力:导体电流(即支路电流)导体有效长度,22avavavaDDDTfBL i 设电机电枢直径为则
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