【2017年整理】电工电子技术4

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1、第4章 交直流电动机,4.1.1 直流电机的构造,4.1.2 直流电机的基本工作原理,4.1.3 直流电动机的机械特性,4.1 直流电动机,4.2 三相异步电动机,4.1.1 三相异步电机的构造,4.1.2 三相异步电机的基本工作原理,4.1.3 三相异步电动机的机械特性,4.3 特殊电机,第4章 交直流电动机,本章要求,1. 理解直流电动机的基本构造和工作原理；了解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； 3. 了解直流电动机的机械特性；理解交流电动机的基本构造和工作原理；了解交流电动机的额定值及主要系列；了解直流电动机的转矩与机械特性。,4.1 直流电机的构造,直流电动

2、机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能较好和起动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动机驱动。,直流电机的优点：,(1) 调速性能好, 调速范围广, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。,应用:,1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。 2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等,4.1.1 直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定子(磁极)、转子(电枢)和机座等部分构成

3、。,4.1.1 直流电动机的构造,4.1.1 直流电动机的构造,1. 磁极,励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。,用来在电机中产生磁场。,2. 电刷装置,在直流电机中，为了使电枢绕组和外电路连接起来，必须装设固定的电刷装置，它是由电刷和刷握等组成，如图所示。电刷材料根据电机大小不同而有差异，一般小型电机用炭刷，大型电机用金属石墨电刷。,4.1.1 直流电动机的构造,3. 转子(电枢) 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。,电枢绕组,4.1.1 直流电动机的构造电枢,换向器是由若干彼此间用云母片绝缘的铜片(即换向片)组成，如图所示。,换向器的作用：对于直流电动机，它将外加的直流电动

4、势逆变成电枢绕组的交流电流，以产生恒定的电磁转矩。,4、换向片,直流电机的分类,他励,并励,串励,复励,1. 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。,直流电机的分类,直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。,4. 复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,3. 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,现将国产直流电动机系列简介如下: 一.Z型系列 Z为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是通风保护式的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐蚀及

5、温度低的场所。 二.Z2型系列 它是Z型系列的改进型,也上保护式。调速范围可达3比1，即可超过额定转速的一倍。 三.ZO型系列 这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。 四.ZD型系列 主要用于需要广泛调速，具有较大的过载能力的场所。如大型机床、卷扬机、起重设备。 五.ZQD型系列 它是直流牵引电动机，用于牵引车辆。,直流电动机的型号,以Z2-31型电机为例：,Z2系列是一般用途的中小型直流电动机，共分11个机座号，每个机座号有二种铁心长度，功率范围为0.4200kW；转速范围6003000r/min。,4.1.2 直流电机的基本工作原理,4.1.2 直流电动机的基本工作原理,直流

6、电从两电刷之间通入电枢绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。,电刷,换向片,换向器作用：将外部直流电转换成内部的直流电，以保持转矩方向不变。,4.1.2 直流电动机的基本工作原理,电枢线圈通电后在磁场中成为 载流导体载流导体在磁场中受到电磁力 作用产生电磁转矩T电枢在电磁转矩T作用下旋转旋转的电枢线圈又切割磁力线，从而产生感应电势E由于换向器的作用，感应电势E总是与外加电压的方向相反，称为反电势,4.1.2 直流电动机的基本工作原理,从直流发电机和

7、直流电动机工作原理来看： 一台直流电机若在电刷两端加上直流电压输入电能，即可拖动生产机械旋转，输出机械能而成为电动机； 反之若用原动机带动电枢旋转，输入机械能，就可在电刷两端得到一个直流电动势作为电源，输出电能而成为发电机。 说明同一台电机在一定条件下既可作电动机又可作发电机运行。这就是电机的可逆运行原理。,直流电机的可逆运行原理,原动机驱动电枢在磁场中旋转电枢线圈的有效边切割磁力线电枢线圈中产生感应电势 e交变的感应电势在换向器的作用下变换成电刷之间的直流电势E接负载后，电枢中产生电流 i载流导体在磁场中受到电磁力作用产生电磁转矩T原动机克服T的作用将机械能转变成电能,直流发电机的基本工作原

8、理,直流电机的额定值主要有：,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。,2. 额定电压 UN： 指额定状态下电枢出线端的电压，以 V为量纲单位。,3. 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为量纲单位。,4. 额定转速 nN： 指额定状态下运行时转子的转速，以r/min为量纲单位。,5. 额定励磁电流 If： 指电机在额定状态时的励磁电流值。,注意: 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PNUN IN,6. 额定转矩TN

9、输出额定机械功率除以转子额定角速度。,1、直流电机的空载磁场,直流电机中除主极磁场外，当电枢绕组中有电流流过时，还将会产生电枢磁场。电枢磁场与主磁场的合成形成了电机中的气隙磁场，它是直接影响电枢电动势和电磁转矩大小的。要了解气隙磁场的情况，就要先分析清楚主磁场和电枢磁场的特性。 定义：直流电机的空载是指电枢电流等于零或者很小，且 可以不计其影响的一种运行状态，此时电机无负载，即无功率输出。所以直流电机空载时的气隙磁场可以看作就是主磁场，即由励磁磁通势单独建立的磁场。,4.1.3 直流电机的磁场及电枢反应,2、空载时气隙磁磁通密度的分布图形 如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁通

10、势均为励磁磁通势。 在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。,直流电机空载磁场的磁密分布,3、直流电机负载时的磁场,负载时的气隙磁场将由励磁磁通势和电枢磁通势共同作用所建立。一、电枢磁通势和电枢磁场,电刷在几何中性线上时的电枢磁场分布,假设励磁电流为零，只有电枢电流。由图可见电枢磁动势产生的气隙磁场在空间的分布情况，电枢磁动势为交轴磁动势。,二、电枢磁通势产生的气隙磁通密度波形,四个元件所产生的电枢磁通势,如果气隙是均匀的，则在极靴范围内，磁密分布也是一条直线。为一三角波（气隙是均匀） 但在两极极靴之间的空间内

11、，因气隙长度大为增加，磁阻急剧增加，虽然此处磁通势较大，磁密却反而减小，因此磁密分布曲线是马鞍形,4、 直流电机的电枢反应,定义:电枢磁场对主磁场的影响称为电枢反应。,合成磁场,合成磁密分布,4.1.3直流电动机的工作特性,1、电动势E 根据电磁学原理，两电刷间有感应电动势。,式中：E 感应电动势（V）； 一对磁极的磁通（Wb）； n 电枢转速（r/min）； Ke 与电机结构有关的常数,方向: 直流发电机总是与电流的方向相同，常称为电源电动势。 直流电动机总是与电流的方向相反，常称为反电动势。,由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。,式中：U 外加电压 R

12、a 绕组电阻,电枢回路电压平衡式,2电磁转矩TM,电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。,式中：T 电磁转矩（Nm）； 对磁极的磁通（Wb）； Ia电枢电流（A）； Kt与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke,大小：,转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空载损耗转矩相平衡，即,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时，若T2突然增加，则调整过程为,达到新

13、的平衡点(Ia 、 P入) 。,T2 ,n,Ia ,T ,E,例: 有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 额定电流I , 额定 电枢电流Ia及额定励磁电流If ; (2) 损耗功率PaCu , 及PO ; (3) 额定转矩T; (4) 反电动势E。,解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,（2）电枢电路铜损,励磁电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,（3）额定转矩,（4）反电动势,(3) 恒功率负载（P 一定时，T和n

14、成反比)，要选 软特性电机拖动。如：电气机车等。,直流电动机特性类型的选择:,(1) 恒转矩的生产机械(TL一定，和转速无关)要选 硬特性的电动机，如：金属加工、起重机械等。,(2) 通风机械负载，机械负载 TL 和转速 n 的平方成正比。这类机械也要选硬特性的电动机拖动。,电动机的分类：,笼型异步交流电动机授课内容： 基本结构、工作原理、 机械特性,4.2 交流电动机,（a）防护式,（b）封闭式,（c）开启式,三相笼式异步电动机的部件图,三相异步电动机的构造及外部接线,下面是它主要部件的拆分图。,右图是一台三相鼠笼型异步电动机的外形图。,1.定子,4.2.1 三相异步电动机的构造,星形连接,

15、三角形连接,三相异步电动机的定子接线方式,L1,L2,L3,星形连接,L1,L2,L3,三角形连接,三相异步电动机的定子接线方式,转子: 在旋转磁场作用下，产生感应电动势或电流。,2.转子,鼠笼转子,铁心：由外周有槽的硅钢片叠成。,(2) 绕线式转子,同定子绕组一样，也分为三相，并且接成星形。,绕线型异步电动机,鼠笼型异步电动机,鼠笼式电动机与绕线式电动机的的比较：,鼠笼式： 结构简单、价格低廉、工作可靠；不能人为改变电动机的机械特性。,绕线式： 结构复杂、价格较贵、维护工作量大；转子外加电阻可人为改变电动机的机械特性。,4.2.2 三相异步电动机的转动原理,4. 2. 2 电动机的转动原理,1. 转子转动原理,A,X,Y,C,B,Z,定子三相绕组通入三相交流电,感应电动势 E20,电磁力F,