電機與電器控制第六節(jié)課件

1、第二章第六節(jié) 直流電機的換向下圖表示1個元件的換向過程。設電刷的寬度等于一個換向片的寬度，電刷不動，元件和換向器以v的速度自右向左運動。第二章第六節(jié) 直流電機的換向 電刷只與換向片1接觸，如圖（a）所示，此時元件1處于電刷右邊的支路，元件中的電流等于支路電流+i，電流方向如圖，1號元件即將開始換向。 元件移動，電刷同時與換向片l和2接觸，如圖（b）所示，此時1號元件被電刷短接，表明該元件正在換向，其電流從+i逐漸減小到零。元件繼續(xù)移動， 電刷只與換向片2接觸，如 圖（c）所示，此時元件1屬于電刷左邊的支路，元件中的電流方向改變且從零逐漸增大到-i，則1號元件結束換向。 換向過程所需的時間稱為換

2、向周期TK，通常只有千分之幾秒。 第二章第六節(jié) 直流電機的換向換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。微弱的火花，對直流電機的正常運行沒有影響，如果火花超過一定限度，就會燒壞電刷和換向器，使電機不能正常工作。國家標準將火花的大小劃分為五個等級。如果沒有特殊說明，對正常工作的直流電機，火花等級不超過1上級，在短時過載情況下，火花不得超過2級。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花直線換向 換向元件中的電流決定于該元件中的感應電動勢和回路的電阻。假設換向元件申沒有任何電動勢，且將換向元件、引線與換向片的電

3、阻均忽略不計，回路中只有電刷與換向片1的接觸電阻r1和電刷與換向片2的接觸電阻r2，則換向元件中的電流只決定于回路中的電阻r1和r2的大小，這種換向情況稱為電阻換向。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得換向元件回路的電壓方程式為式中：i1，i2為流過換向片1，2的電流。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花 電刷與換向片之間的接觸電阻與接觸面積成反比，即式中：A1，A2為電刷與換向片1，2的接觸面積。由上兩式結合可得第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花設換向元件中的電流為i，則根據(jù)基爾霍夫電流定律，可以列出下面的電流關系：

4、 對照右圖，由上式分析可知：t0時，A2=0，i20，iia，換向開始；0tA2，i1i2，i0與原方向相同；第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花t=Tk/2時，A1=A2，i1i2，i0；Tk/2tTk時，A1A2，i1i2，i0，開始反向；t=Tk時，A10，i10，iia，換向結束。換向過程中，換向元件的電流i均勻地由ia變?yōu)閕a，變化過程為一條直線。如右圖所示，這種換向稱為直線換向。直線換向時不產(chǎn)生火花，故又稱為理想換向。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花延遲換向和電磁性火花實際上，換向元件回路中會有

5、電抗電動勢和旋轉(zhuǎn)電動勢存在，對換向產(chǎn)生不利影響。電抗電動勢er在換向過程中，由于換向元件中電流從+ia到-ia的變化，在換向元件中產(chǎn)生自感電動勢eL，其方向由楞次定律可知它總是阻礙原電流的變化，即方向應與換向前電流+ia方向相同。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花另外，實際電機的電刷寬度通常為23片換向片寬，因而相鄰幾個元件同時進行換向，由于互感作用，換向元件中還會產(chǎn)生由于相鄰元件電流變化時在本元件申引起的互感電動勢，用eM表示。通常將自感電動勢eL和互感電動勢eM合起來，稱為電抗電動勢，用er表示，故有第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花式中：Lr為換向元件

6、的電感系數(shù)；L為換向元件的自感系數(shù)；M為換向元件的互感系數(shù)。根據(jù)楞茨定律，電抗電動勢er的作用總是阻礙電流變化的，因此，er的方向與元件換向前的電流ia的方向相同。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花旋轉(zhuǎn)電動勢由于電樞反應使磁場發(fā)生畸變，使幾何中性線附近存在電樞磁動勢產(chǎn)生的磁場(馬鞍形分布的凹部)，換向元件旋磚時切割此電樞磁場所感應的電動勢稱為旋轉(zhuǎn)電動勢，也稱電樞反應電動勢，用ea表示：第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花式中：Wc為元件的匝數(shù)；Ba為換向元件邊所在處的氣隙磁密；l為元件邊導體的有效長度；va為電樞表面線速度。無論是在電動機還是發(fā)電機運行狀態(tài)，換

7、向元件切割電樞磁場所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)電動勢ea總與元件換向前的電流+ia的方向相同。電抗電動勢er和旋轉(zhuǎn)電動勢ea的方向相同，都企圖阻礙換向元件中電流的變化，使換向電流的變化延遲，如圖中曲線2所示，這種情況稱為延遲換向。顯然，曲線2與曲線l的電流之差就是電動勢erea在換向元件中產(chǎn)生的電流，稱為附加換向電流，用ik表示。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花附加換向器電流ik的方向與換向前電流ia的方向相同。如圖中的曲線3所示。當e足夠大時，該元件換向結束瞬間，即tTk時，附加換向電流ik0而為ikT，所以，換向元件中還貯存一部分磁場能量LrikT2/2，由于能量不能突變，LrikT2

8、/2就會以弧光放電的形式釋放出來，因而在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花，這種由電磁原因產(chǎn)生的火花稱為電磁性火花。第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花第二章第六節(jié)（續(xù)1） 直線換向、延遲換向和電磁性火花從erLrdi/dt和ea2WcBalva可以看出，兩者均和電樞電流與轉(zhuǎn)速成正比，所以大電流、高轉(zhuǎn)速電機的電磁性火花大，換向更為困難。 產(chǎn)生換向火花的原因是復雜的，除上面分析過的電磁原因以外，還有機械方面和化學方的原因。機械原因主要是由于換向器偏心、換向片間云母絕緣凸出、轉(zhuǎn)子平衡不良、電刷在刷握中松動、電刷壓力過大或過小、電刷與換向器的接觸面研磨得不好因而接觸不良等等?；瘜W原因電機運行時

9、，如果周圍環(huán)境氧氣稀薄、空氣干燥或者電刷壓力過大時，氧化亞銅膜難以生成，或者周圍環(huán)境中存在化學腐蝕性氣體壞氧化亞銅薄膜，都將使換向困難，火花變大。第二章第六節(jié)（續(xù)2） 產(chǎn)生火花的其它原因第二章第六節(jié)（續(xù)3） 改善換向的方法 如果換向不理想，在電刷處會產(chǎn)生火花。產(chǎn)生火花的原因除了電磁原因外，還可能因為換向器表面不平整、不清潔、換向片間有絕緣突出，電刷與換向器接觸壓力不適當?shù)?，這里主要從電磁原因入手，介紹一些改善換向的方法。 要減小火花就要減小附加電流，即要減小換向元件的合成電勢e，或增大電刷接觸電阻。常用以下的兩種方法。 第二章第六節(jié)（續(xù)3） 改善換向的方法選用合適的電刷，增加電刷與換向片之間的

10、接觸電阻電機用電刷，型號規(guī)格很多，其中炭石墨電刷的接觸電阻最大，石墨電刷和電化石墨電刷次之，銅石墨電刷的接觸電阻最小。直流電機如果選用接觸電阻大的電刷。有利于換向，但接觸壓降較大，電能損耗大。發(fā)熱厲害。同時由于這種電刷允許電流密度較小，電刷接觸面積和換向器尺寸以及電刷的摩擦都將增大。設計制造電機時須綜合考慮兩方面的因素，選擇恰當?shù)碾娝⑴铺?。為此。在使用維修中，欲更換電刷時。必須選用與原來同一牌號的電刷，如果實在配不到相同牌號的電刷，那就盡量選擇特性與原來相接近的電刷，并全部更換。裝設換向極換向極裝設在相鄰兩主磁極之間的幾何中性線上，如圖所示。幾何中性線附近一個不大的區(qū)域稱為換向區(qū)，是換向元件的元件邊在換向過程中所轉(zhuǎn)過的區(qū)城。換向極磁場，其方向與電樞反應磁場方向相反，使換向元件切割該磁場時產(chǎn)生一個與電抗電動勢er大小相等或近似相等、方向相反的附加電動勢ek，以抵消或明顯削弱電抗電動勢。從而使換向元件回路中的合成電動勢e為零或接近于零，換向過程為直線換向或接近于直線換向，火花小，換向良好。第二章第六節(jié)（續(xù)3） 改善換向的方法換向極的作用是在換向區(qū)產(chǎn)生換向極磁動勢，首先抵消換向區(qū)內(nèi)電樞磁動勢的作用，從而消除換向元件電樞反應電動勢(旋轉(zhuǎn)電動勢)幻的影響，同時在換向區(qū)建立一個第二章第六節(jié)（續(xù)4） 環(huán)火與補償繞組產(chǎn)生原因電樞反應使磁場發(fā)生畸變，負載較大