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1、电机拖动与电机维修,主讲教师：蔡文轩,电气与电子系,第一讲：本课程概述,本课程主要章节内容：直流电机；直流电动机的电力拖动；变压器；三相异步电动机；三相异步电动机的电力拖动；同步电机；驱动和控制微电机；风力发电机,0.1 电机及电力拖动系统简介0.2 本课程的性质、任务和内容0.3 本课程的特点及学习方法0.4 风力发电机组简介,0 本课程概述,电机是利用电磁感应原理工作的机械。电机常用的分类方式有两种：一是按功能用途分，有发电机、电动机、变压器和控制电机四大类；二是按电机结构或转速分，有变压器和旋转电机。,0.1 概述,0.1 概述,电机拖动系统是用电动机来拖动机械运行的系统。包括：电动机、
2、传动机构、生产机械、控制设备和电源五个部分。,它们之间的关系如下,电动机,0.1 概述,本课程是工业电气自动化、电气技术和供用电技术、机电等专业的一门专业基础课。,0.2 本课程的性质、任务和内容,本课程的任务是让学生掌握电机制基本结构和工作原理，以及拖动系统的运行性能、分析计算、电机选择及试验方法，培养在电机及电力拖动方面分析和解决问题的能力，为今后学习和工作打下坚实的基础。,本课程的内容有直流电机、直流电动机的电力拖动、变压器、三相异步电动机、三相异步电动机的电力拖动、同步电机、驱动和微控电机、电动机的选择八个部分。,电机及拖动是一门理论性很强的技术基础课，同时又具有专业课的性质，涉及的基
3、础理论和实际知识面广，是电磁学、动力学、热力学等学科知识的综合。用理论分析电机及拖动的实际问题时，必须结合电机的具体结构，采用工程观点和分析方法。掌握基本理论的同时，还要注意培养实验操作技能和计算方法。,0.3 本课程的特点及学习方法,为了学好本门课程，必须做到以下几点：,1、抓主要矛盾，有条件地略去一些次要因素；,2、抓住重点，牢固掌握基本概念、基本原理和主要特性；,3、要有良好的学习方法，运用对比或比较的方法，分析电机的共性和特点，加深对原理和性能的理解；,4、理论联系实际，重视科学实验和工程实践；,5、充分预习和复习。,1.风力发电机工作过程描述 2.风力发电机（以下简称风力机）是一种将
4、风能转换为电能的能量转换装置。,0.4 风力发电机组简介,3.风力机的系统图：风 电力 进一步有：风 电力,4.风力机类型 可分为两类：1）水平轴风力机，风轮的旋转轴与风向平行；2）垂直轴风力机，风轮的旋转轴垂直于地面或气流方向,0.4 风力发电机组简介,垂直轴,水平轴,0.4 风力发电机组简介,5.风力机用发电机类型1）直流发电机小型风力机（家庭型）2）并网型装机发电机：异步型 和同步型,0.4 风力发电机组简介,MULTIBRID5000kW叶轮直径：D116重量：290T,金风 48/750,0.4 风力发电机组简介,金风600,金风1200,0.4 风力发电机组简介,直流电机,第1教学
5、单元,本单元主要讲解内容：1.直流电机的基本工作原理与结构；2.直流电机的电枢绕组；3.直流电机的电枢反应；4.直流电机的电枢电动势和电磁转矩；5.直流电机的换向；6.直流发电机；7.直流电动机,本单元主要讨论直流电机的基本结构和工作原理，讨论直流电机的磁场分布、感应电动势、电磁转矩、电枢反应及影响、换向及改善换向方法。,概述,1.直流发电机工作原理,右图为直流发电机的物理模型，N、S为定子磁极，abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体称为电机的转子或电枢。线圈的首末端a、d连接到两个相互绝缘并可随线圈一同旋转的换向片上。转子线圈与外电路的连接是通过放置在换向片上固定不动的
6、电刷进行的。,直流电机的基本工作原理,第一讲：直流电机的基本工作原理,当原动机驱动电机转子逆时针旋转 后，如右图。,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下。,导体ab在S极下，a点低电位，b点高电位；导体cd在N极下，c点低电位，d点高电位；电刷A极性仍为正，电刷B极性仍为负。,第一讲：直流电机的基本工作原理,可见，和电刷A接触的导体总是位于N极下，和电刷B接触的导体总是位于S极下，因此电刷A的极性总是正的，电刷B的极性总是负的，在电刷A、B两端可获得直流电动势。,实际直流发电机的电枢是根据实际需要有多个线圈。线圈分布在电枢铁心表面的不同位置，按照一定的规律连
7、接起来，构成电机的电枢绕组。磁极也是根据需要N、S极交替排列多对。,第一讲：直流电机的基本工作原理,2.直流电动机工作原理,把电刷A、B接到直流电源上，电刷A接正极，电刷B接负极。此时电枢线圈中将有电流i流过。,直流电动机是将电能转变成机械能的旋转机械。,在磁场作用下，N极性下导体ab受力方向从右向左，S 极下导体cd受力方向从左向右。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。当电磁转矩大于阻转矩时，电机转子逆时针方向旋转。,第一讲：直流电机的基本工作原理,原N极性下导体ab转到S极下，受力方向从左向右，原S 极下导体cd转到N极下，受力方向从右向左。该电磁力形成逆时针方向的电磁转矩。线圈在该电磁力形
8、成的电磁转矩作用下继续逆时针方向旋转。,当电枢旋转到右图所示位置时,同直流发电机相同，实际的直流电动机的电枢并非单一线圈，磁极也并非一对。,第一讲：直流电机的基本工作原理,直流电动机的工作原理示意图:,第一讲：直流电机的基本工作原理,直流电动机工作原理,直流电机的主要结构,第二讲：直流电机的结构,直流电机的主要结构,第二讲：直流电机的结构,主磁极 1.作用:是建立主磁场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。2.结构：主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极靴，它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并
9、使励磁绕组容易固定。为了减少转子转动时由于齿槽移动引起的铁耗，主磁极铁心采用11.5mm的低碳钢板冲压一定形状叠装固定而成。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现。,第二讲：直流电机的结构,机座 1.机座有两个作用，一是作为主磁极的一部分，二是作为电机的结构框架。2.结构：机座中作为磁通通路部分称为磁轭。机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成。机座的两端装有端盖。端盖中的轴承支撑转子，将定转子连为一体。同时端盖对电机内部还起防护作用,换向极是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换
10、向情况，使电机运行时不产生有害的火花。换向极结构和主磁极类似，是由换向极铁心和套在铁心上的换向极绕组构成，并用螺杆固定在机座上。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组在使用中是和电枢绕组相串联的，要流过较大的电流，因此和主磁极的串励绕组一样，导线有较大的截面。,第二讲：直流电机的结构,电刷装置是电枢电路的引出（或引入）装置，它由电刷，刷握，刷杆和连线等部分组成，右图所示，电刷是石墨或金属石墨组成的导电块，放在刷握内用弹簧以一定的压力按放在换向器的表面，旋转时与换向器表面形成滑动接触。刷握用螺钉夹紧在刷杆上。每一刷杆上的一排电刷组成一个电刷组，同
11、极性的各刷杆用连线连在一起，再引到出线盒。刷杆装在可移动的刷杆座上，以便调整电刷的位置。,第二讲：直流电机的结构,电枢铁心:既是主磁路的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用厚0.5mm且冲有齿、槽的型号为DR530或DR510的硅钢片叠压夹紧而成，如右图所示。小型电机的电枢铁心冲片直接压装在轴上，大型电机的电枢铁心冲片先压装在转子支架上，然后再将支架固定在轴上。为改善通风，冲片可沿轴向分成几段，以构成径向通风道。,第二讲：直流电机的结构,电枢绕组:由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，他是直流电机的电路部分，也是感生电动势，
12、产生电磁转矩进行机电能量转换的部分。线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导线绕成，分上下两层嵌放在电枢铁心槽内，上下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘（右图），并用槽楔压紧。大型电机电枢绕组的端部通常紧扎在绕组支架上。,换向器：在直流电动机中，换向器起整流逆变作用，因此换向器是直流电机的关键部件之一。换向器由许多具有鸽尾形的换向片排成一个圆筒，其间用云母片绝缘，两端再用两个V形环夹紧而构成，如图所示。每个电枢线圈首端和尾端的引线，分别焊入相应换向片的升高片内。,第二讲：直流电机的结构,直流电机的铭牌数据,额定值是制造厂对各种电气设备（本章指直流电机）在指定工作条件下运行时所规定的一些量值。在额定状
13、态下运行时，可以保证各电气设备长期可靠地工作。并具有优良的性能。额定值也是制造厂和用户进行产品设计或试验的依据。额定值通常标在各电气的铭牌上，故又叫铭牌数据。,1、额定功率PN指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以“W”为量纲单位。若大于1kW或1MW时，则用kW或MW表示。对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。即：PNUNIN 对于直流电动机，PN是指输出的机械功率，所以：PNUNINN,第二讲：直流电机的结构,额定电压 UN指额定状态下电枢出线端的电压，以“V”为单位。额定电流 IN指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以“A”为单位。额
14、定转速 nN指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为单位。额定励磁电流 If指电机在额定状态时的励磁电流值。,第二讲：直流电机的结构,电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,第二讲：直流电机的结构,此外，电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,电机运行时，所有物理量与额定值相同电机运行于额定状态。电机的运行电流小于额定电流欠载运行；运行电流大于额定电流过载运行。长期欠载运行将造成电机浪费，而长期过载运行会缩短电机的使用寿命。电机最好运行于额定状态或额定状态附近，此时电机的运行效率、工作性能等比较好。,第二讲：直流电机的结构,一、直流电机的电枢电动
15、势,第二讲：直流电机的电枢电动势和电磁转矩,电枢旋转时,主磁场在电枢绕组中感应的电动势简称为电枢电动势。,性质:发电机电源电势(与电枢电流同方向);电动机反电势(与电枢电流反方向).,，称为电动势常数,为电机的结构常数,式中：,可见，直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通及转速有关。,二、直流电机的电磁转矩,电枢绕组中有电枢电流流过时,在磁场内受电磁力的作用,该力与电枢铁心半径之积称为电磁转矩。,性质:发电机制动(与转速方向相反)；电动机驱动(与转速方向相同)。,可见，制造好的直流电机其电磁转矩与气隙磁通及电枢电流成正比。,为电机的转矩常数，有,其中,第二讲：直流电机的电枢电动势和电磁转矩,
16、一、直流发电机的励磁方式,供给励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。,1.他励：直流电机的励磁电流由其它直流电源单独供给。,他励直流发电机的电枢电流和负载电流相同，即：,第三讲：直流发电机 直流电动机,2.并励：发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。且满足。,3.串励：励磁绕组与电枢绕组串联。满足。,第三讲：直流发电机 直流电动机,4、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。,第三讲：直流发电机 直流电动机,二、直流发电机的基本方程式,如图规定各物理量的参考方向,1.电枢电动势和电压平衡方程
17、,电枢电动势：,从方程式可见，直流发电机,为电枢回路总电阻，为正负电刷与换向器表面的接触压降。则电动势平衡方程为：,第三讲：直流发电机 直流电动机,2.电磁转矩和转矩平衡方程,电磁转矩：,直流发电机的励磁电流,直流发电机轴上有三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩、电磁转矩 和机械摩擦及铁损引起的空载转矩。平衡方程为：,3.励磁特性公式,每极气隙磁通,第三讲：直流发电机 直流电动机,4.功率平衡方程,原动机输入给发电机的机械功率,电磁功率,电磁功率一方面代表电动势为 的电源输出电流 时发出的电功率，一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。,电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻
18、产生铜损耗,输出的电功率,自励发电机中还应减去励磁损耗,第三讲：直流发电机 直流电动机,三、他励发电机的运行特性,1.空载特性,定义：当、时，,直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。,空载时，。由于，因此空载特性实质上就是。由于 正比于，所以空载特性曲线的形状与空载磁化特性曲线相同。,第三讲：直流发电机 直流电动机,2.外特性,定义：当、时，,外特性曲线如图所示,由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所下降。,根据 可知，端电压下降有两个原因：一是在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少
19、；另一个原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。,第三讲：直流发电机 直流电动机,3.调节特性,定义：当、时，,外特性曲线如图所示,由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。,四、并励发电机的自励条件和外特性,并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。并励发电机建立电压的过程称为自励过程，满足建压的条件称为自励条件。,第三讲：直流发电机 直流电动机,1.自励条件,曲线1为空载特性曲线,曲线2为励磁回路总电阻 特性曲线,也称场阻线。,原动机带动
20、发电机旋转时,如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确,产生与剩磁方向相同的磁通,使主磁路磁通增加,电动势增大,增加。如此不断增长,直到励磁绕组两端电压与 相等时,达到稳定的平衡工作点A。,增大，场阻线变为曲线3时，称为临界电阻。如图所示。,若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。,第三讲：直流发电机 直流电动机,可见，并励直流发电机的自励条件有：,2.空载特性,并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。,（1）电机的主磁路有剩磁,（3）励磁回路的总电阻
21、小于该转速下的临界电阻,（2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确,第三讲：直流发电机 直流电动机,3.外特性,4.调节特性,并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。,对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。,并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。,第三讲：直流发电机 直流电动机,一、直流电机的可逆原理,以他励电机为例说明可逆原理：,一台电机既可作为发电机运行，又可作为电动机运行，这就是直流电
22、机的可逆原理。,把一台他励直流发电机并联于直流电网上运行，保持不变。,保持发电机的 不变，减少原动机的输出功率，发电机的转速下降。当 下降到一定程度时，使得,此时，发电机输出的电功率，原动机输入的机械功率仅仅用来补偿电机的空载损耗。继续降低原动机的，将有,反向，这时电网向电机输入电功率，电机进入电动机状态运行。同理，上述的物理过程也可以反过来，电机从电动机状态转变到发电机状态。,第三讲：直流发电机 直流电动机,二、直流电动机的基本方程,如图规定各物理量的参考方向,电机的基本方程如下：,第三讲：直流发电机 直流电动机,三、直流电动机的工作特性,（1）转速特性,1.他励（并励）直流电动机的工作特性
23、,定义：当、时，,由方程式可得,忽略电枢反应的去磁作用，转速与负载电流按线性关系变化。,（2）转矩特性,定义：当、时，,转矩表达式,考虑电枢反应的作用，转矩上升的速度比电流上升的慢。,第三讲：直流发电机 直流电动机,（3）效率特性,定义：当、时，,由方程式可得,空载损耗为不变损耗，不随负载电流变化，当负载电流较小时效率较低，输入功率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大，效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流增大到一定程度时铜损快速增大此时效率又变小。,第三讲：直流发电机 直流电动机,2.串励直流电动机的工作特性,当负载电流较小时，电机磁路不饱和，每极气隙磁通与励磁电流呈线性关系。即：,转速特性,转矩特性,当负载电流较大时，磁路饱和，串励电动机的工作特性与他励电动机相同。,当负载电流为零时，电机转速趋于无穷大，所以串励电动机不宜轻载或空载运行。,第三讲：直流发电机 直流电动机,
