电机与拖动基础总复习

第一部分直流电机一、基本知识点(一)直流电机的原理、结构和额定值1.原理·直流发电机(1)原动机拖动转子以n旋转；(2)电机内部须有磁场存在（直流励磁或永磁）；(3)转子上的电枢导体切割磁场→交流e=Blv(右手法则判定其方向)→电刷→直流E。·直流电动机(1)直流电源→电刷→在电枢中产生ia；(2)电机内部须有磁场存在（直流励磁或永磁）；(3)电枢导体受到电磁力f=Blia(左手法则判定其方向)→T→转子旋转→负载。2.结构凡是旋转电机，其基本结构总是由定子和转子两大部分组成。直流电机结构参见教材29页图3.4。其定子和转子的基本构成如下3.额定值额定值是电机长期运行时允许的各物理量的值。主要有·额定电压(V)NU·额定励磁电压(V)fNU·额定电流(A)NI·额定励磁电流(A)fNI·额定转速(r/min)Nn·励磁方式(他励方式；自励方式—并励、串励、复励)·额定功率(kw)(为额定输出功率)NP·额定效率(对电动机，指额定运行时输出机械功率与电源输入电功率之比)N电机的效率公式中，P1泛指输入功率，P2泛指输出功率。12PP(1)对直流电动机，有(2)对直流发电机，有NNNNIUPNNNIUP·电动机轴上输出的额定转矩)()(55.9)(55.96022mNnkWPnWPnPPTNNNNNNNNN4.电枢绕组电枢绕组一般装在直流电机的转子上。有叠绕组(单叠、复叠)、波绕组(单波、复波)和混合绕组。最基本的是单叠绕组、单波绕组。各种绕组的规律常用绕组展开图来表示。(二)直流电机的磁场分析1.励磁方式直流电机绕组，一般包括定子磁极上的励磁绕组和转子上的电枢绕组。两个绕组的不同连接方式，决定直流电机的励磁方式。励磁方式有两大类四种：他励方式；自励方式—并励、串励、复励。不同励磁方式电机的运行特性也不同。特别是并励电机的电流关系：(1)对直流电动机(2)对直流发电机faIIIfaIII分别为电枢电流、负载电流和励磁电流。faIII、、2.空载磁通空载磁通密度Box分布呈“平顶波”。主磁通Φ的路径为闭合磁路：气隙→电枢齿→电枢轭→电枢齿→气隙→主磁极→定子轭→主磁极→气隙。励磁磁势的绝大部分是消耗在气隙中。3.电枢反应电枢磁通密度Box分布呈“马鞍形”。在负载运行时，电枢磁场对空载磁场的影响称作电枢反应。(三)直流电机的电动势、功率、转矩平衡1.直流电动势表达式nCnapzEea60(1)对直流电动机：它为反电势（Ea与Ia反向）(2)对直流发电机：它为正电势（Ea与Ia同向）结构参数p、a、z分别为极对数、并联支路数、电枢绕组总导体数。2.电磁转矩表达式6022aIEPICIapzTaaMata(1)对直流电动机：它为拖动性转矩（T与n同向）(2)对直流发电机：它为制动性转矩（T与n反向）结构参数p、a、z分别为极对数、并联支路数、电枢绕组总导体数。注意公式的应用dtdnGDTTL37523.电动势平衡方程式（参看下页模型）(1)对直流电动机(UEa):(2)对直流发电机(UEa):aaaRIEUaaaRIEUaaaRIUE或如果还考虑电刷上的压降△Ub,(一般取1V左右)则有换向器│图1交流发电机物理模型图2直流发电机物理模型图3直流电动机物理模型(1)对直流电动机:(2)对直流发电机:baaaURIEU2baaaURIEU24.功率平衡方程式(1)对直流电动机CuaCuaaaCuaMappPpIEpPUIP)(021若总损耗因为他励发电机中不包含pCuf，则他励电动机sCuaFemCufppppppsFemCuappppPpPP221(2)对直流发电机)()(2001FemCuaaaMpppPpIEpPP若总损耗因为他励发电机中不包含pCuf，则他励电动机sCuaFemCufppppppsFemCuappppPpPP2215.转矩平衡方程式(1)对直流电动机:(2)对直流发电机:LTTTT0201TTT(T2为电动机输出转矩)(T1为原动机输入给发电机轴上的输入转矩)6.和值的计算eCtCeC的计算可根据电动势表达式和电压平衡方程式解得NaaNenRIUCNaaNenRIUC(1)对直流电动机:(2)对直流发电机:对于同一台电机，有eetCCC55.9260(四)直流电机的特性1直流电动机(1)工作特性：转速特性、转矩特性、效率特性——指在额定工作电压、额定励磁情况下，负载变化时n、T、η分别随P2(或Ia)的变化关系。(2)机械特性：固有机械特性、人为机械特性（电枢串电阻、降低电枢电压、减小励磁电流→减小气隙磁通）——指电动机在一定的工作电压和励磁电流情况下，电磁转矩与转速之间的变化关系。机械特性一般公式TnTCCRCUCRIUnteaeeaa02当时，→固有机械特性；aaNNRRUU,,当分别单独改变上述三个参数时，所得到的是人为机械特性。(3)直流电动机启动要求启动电流要小，启动转矩要大是电动机启动性能好的两个要素。注意：在启动并励、他励和复励电动机时，电枢回路外接电阻应置于最大（限制启动电流）、励磁回路外接电阻应置于最小（提高启动转矩）。串励直流电动机不能空载或轻载启动。(4)直流电动机调速调速依据TnTCCRCUCRIUnteaeeaa02其中RRRaa·改变电枢回路外接电阻R→n：R↑→n↓，R↓→n↑·改变励磁回路外接电阻Rf→n：Rf↑→If↓→Φ↓→n↑,反之亦然·改变电枢回路电压U→n(常用于他励机)：U↑→n↑,U↓→n↓(4)直流电动机制动制动方法：能耗制动、反接制动、倒拉反转制动、回馈制动。制动过程的分析（略）。(5)直流电动机运行电动和发电状态。2直流发电机开路(空载)特性、外特性(1)直流发电机空载特性U0=f(If)——工作在额定转速下，负载电流I=0时，端电压U0随励磁电流的变化关系。(2)直流发电机外特性U=f(I)——工作在额定转速、额定励磁情况下，负载变化时，端电压U随负载电流的变化关系。(五)直流电机的换向1.基本概念①研究换向的实际意义：换向质量直接影响电机性能，换向不好火花大。②换向定义：旋转着的电枢某元件，从一条支路转换到另一条支路时，元件(即换向线圈)中电流变化的过渡过程。③换向周期t：换向元件中的电流ia从正(或负)值变到负(或正)值所用的时间，即一个换向片通过一个电刷所用的时间：SecnKt002.0~0005.060K——换相片数2.改善换向的电磁方法①加装换向极:这是常用的有效方法，但这里的关键是如何确定换向极的极性发电机：顺转向看与主极极性相同；电动机：逆转向看与主极极性相同。②移动电刷位置：其原理是利用主磁极对换向元件感应的电势来改善换向，这里的关键是电刷移动的方向发电机：顺转向移动一个小角度；电动机；逆转向移动一个小角度。1、直流电机的电枢导体里流过的是直流电流还是交流电流?答；直流电机电枢导体里流过的是交流电流,其频率f=np/60Hz，其中P为电机的极对数,n为转子转速,单位为r／min,通过换向器和电刷引出来的电流才是直流电.2、直流电机铭牌上的额定功率是指输出功率还是输入功率?对发电机和电动机有什么不同?答：铭牌上的额定功率是指输出功率。发电机输出的是电功率，因此其额定功率指的是从电枢出线端输出的电功率。电动机输出的是机械功率，因此其额定功率指的是轴上输出的机械功率。3、直流电机的主磁路包括哪几部分?磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在磁路的哪—部分上?答：直流电机的主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极和磁轭五部分。磁路未饱和时，励磁磁通势主要消耗在气隙上。4、励磁磁通势是怎样产生的?与哪些量有关?答：励磁磁通势是由励磁绕组通以励磁电流产生的。其大小与励磁电流大小和励磁绕组的匝数有关．5、直流电机的电磁功率指的是什么?如何说明直流发电机中由机械能到电磁能的转换?答：直流电机的电磁功率指的是由电功率和机械功率相互转换的功率，所以，电磁功率PM以电功率形式表示时，等于电枢电动势与电枢电流的乘积；以机械功率形式表示时，等于电磁转矩与机械角速度的乘积，即PM=EaIa=TΩ直流发电机的电动势和电枢电流方向相同，说明是发出电功率。同时电磁转矩和角速度方向相反，说明必须输入—个和电磁转矩大小相等、方向相反的转矩才能维持发电机稳定运行，也就是需要输入机械功率。所以，直流发电机的电磁功率就是将机械功率转换为电功率的功率。6、直流发电机的损耗包括哪几部分?哪些损耗随负载的大小而变化？哪些是不变损耗?铁损耗存在于直流电机的哪一部分？答：包括铁损耗、铜损耗和机械损耗等。7、把他励直流发电机转速升高20％，此时空载端电压升高多少?如果是并励发电机，电压升高比前者大还是小?答：由于电枢电动势和转速成正比，因此，如果把他励发电机转速升高20％，则其电枢电动势就升高20％。而空载端电压等于电枢电动势，因此它也就升高20％。在并励发电机个，空载端电压也随转速的升高而升高，端电压升高引起励磁电流增大，使电枢电动势和空载端电压进一步升高．所以，并励发电机电压升高得比他励发电机的大．铜损耗随负载的大小变化，即与负载电流的平方成正比。铁损耗和机械损耗为不变损耗，即与负载电流大小无关。铁损耗存在于直流电机的电枢铁芯中。9、一台直流发电机，在励磁电流和电枢电流不变的条件下，若转速下降，则其铜损耗、铁损耗、机械损耗、电枢电动势、电磁功率、电磁转矩、输出功率、输入功率分别如何变化?答：铜损耗不变，铁损耗和机械损耗变小，电枢电动势变小，电磁功率变小，电磁转矩不变，输出功率变小，输入功率变小．8、直流电机负载时的电枢绕组电动势与空载时的电动势是否相同?答：因为负载时的电枢电流产少电枢磁通势，它和空载时励磁磁通势合成，共同产生气隙磁通。一般来说，该磁通和负载时仅由励磁磁通势产生的磁通是不一样的。因此它们感应的电枢绕组电动势就不相同。10、起动直流电动机时，为什么必须在电枢回路中串电阻或降低电源电压?答：开始起动时转速为零、感应电动势也为零，起动电流为端电压除以电枢回路总电阻:Ia=U/Ra。一般直流电动机Ra很小，因此在额定电压下的起动电流很大，约为额定电流的几十倍．这样大的电流会使换向困难，产生强烈火花或环火，或使电流保护装置跳闸，所以必须在电枢回路中串电阻或降低电源电压以减小起动电流.直流电机部分思考题3.1、3.8、3.9、3.17、3.18、3.14.1、4.2、4.7、4.12、4.13一、直流电机部分1.直流/交流电动机/发电机的基本工作原理分析。2.直流电机的额定参数的概念与计算。4.直流电动机的运行原理（基本方程式、功率关系、工作特性等）。3.直流电机的电枢电动势与电磁转矩的计算。5.他励直流电动机的机械特性（固有特性、人为特性）。6.直流电机的换相问题。7.他励直流电动机的启动方法与启动参数计算。8.他励直流电动机的调速方法、原理与性能指标计算。9.他励直流电动机的各种运行状态及相应的简单计算。10.如何改变直流电动机的旋转方向？（1）对于永磁直流电动机，通过改变电源方向,可以改变电动机的旋转方向。（3）对于串/并励直流电动机，单纯改变电源极性的方向不能改变电动机的旋转方向。可以改变励磁电流方向，或电枢电流方向来改变电动机的旋转方向。（2）对于他励直流电动机，可以通过改变电流方向来改变电动机的旋转方向。即可以改变励磁电流方向，或电枢电流方向来改变电动机的旋转方向。(请练习教材P103的思考题4.3)11.为什么直流电机能发出直流电？如果没有换向器，直流电机能不能发出直流电流？12.试判断下列情况下，电刷两端电压性质：（1）磁极固定，电刷与电枢同时旋转；（2）电枢固定，电刷与磁极同时旋转。答：由于换向器的作用，使电刷短接的元件始终切割相同磁极，感应电势在电刷两端不