東北電力大學(xué)電機(jī)學(xué)講義

1、27-1換向過(guò)程的物理現(xiàn)象?直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，由于換向器的作用，電樞元件從一條支路進(jìn)入另一條支路，元件內(nèi)電流的方向發(fā)生了改 變，元件電流改變方向的過(guò)程，稱(chēng)為換向。換向前后的電 流大小相等、方向相反。在直流電機(jī)中，任何瞬間都有元 件在換向。?換向是直流電機(jī)的共同問(wèn)題，也是制約直流電機(jī)進(jìn)一步發(fā)展的最主要問(wèn)題。直流電機(jī)換向不好，將在電刷和換向器之間弓I起火花，火花超過(guò)一定程度，將燒壞電刷和換向 器?；鸹▏?yán)重時(shí)，還可能 與電位差火花匯合在一起，形成 環(huán)火，燒毀電機(jī)。此外，火花還 會(huì)產(chǎn)生電磁波，產(chǎn)生無(wú)線 電干擾。?換向過(guò)程非常復(fù)雜，涉及到機(jī)械、電磁和電化學(xué)等多方 面的因素，目 前對(duì)換向的理論分析，都

2、是建立在一定簡(jiǎn) 化基礎(chǔ)上的，尚不能完全解 決實(shí)際問(wèn)題。下面僅介紹影 響換向的電磁因素和改善換向的方法。?圖27-1表示一單疊繞組元件的換向過(guò)程。假設(shè)換向元件編號(hào)為1,電刷寬度b等于換向片寬度，片間絕緣厚度忽略不計(jì)，電樞繞組以線速度E向左移動(dòng)。圖4）中，元件1屬于電刷右邊的支 路，其中的電流為i（，電刷僅 與換向片1接觸；運(yùn)動(dòng)到圖（b）所示 位置時(shí)，電刷同時(shí)與 換向片1和2接觸，元件1被短路，其中 的電流發(fā)生變化?,從仃開(kāi)始衰減，直至電刷與換向片 2完全接觸；在圖（c）所示位置，元件1已屬于電刷左邊的支路，流過(guò)的電流是“，所以從圖（Q）到圖（C），元件1經(jīng)歷了換向過(guò)程，稱(chēng)為換向元件。元件1、換向

3、片1、換向片2、電刷所構(gòu)成的回 路，稱(chēng)為換向回路。換向回路內(nèi)的電流，也就是換向元件內(nèi)的電流稱(chēng)為換向電流。換向過(guò)程經(jīng)歷的時(shí)間稱(chēng)為換向期，用J表示。換向周期很短，一般約幾個(gè)毫秒。21aa）換向開(kāi)始1221ab）正在換向21aC）換向結(jié)束圖27? 1單疊繞組元件中電流的換向過(guò)程（a）換向開(kāi)始；（b）正在換向；（c）換向結(jié)束27-2換向火花及其產(chǎn)生的原因、換向元件中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)?在換向過(guò)程中，換向元件內(nèi)將產(chǎn)生兩種感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，下面分別討論。?1電抗電動(dòng)勢(shì)?換向元件本身有自感，還有與其它元件之間的互感。換向電流的變化將在換向元件內(nèi)產(chǎn)生自感電動(dòng)勢(shì)和互感電動(dòng)勢(shì)，二者的合成電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為電抗電動(dòng)勢(shì)。由于所有元件所產(chǎn)

4、生的合成氣隙磁通為交軸電樞反應(yīng)磁通，不在換向元件內(nèi)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，故電抗電動(dòng)勢(shì)僅由換向元件的漏磁通所感應(yīng)產(chǎn)生；在換向周期內(nèi)，電抗電動(dòng)勢(shì)的平均值為5。根 據(jù)電磁感應(yīng)定律，電抗電動(dòng)勢(shì)總是阻礙電流的變化，由于換向元件內(nèi)電流不斷減小，故5的方向與換向前的電流方向相同。2旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)裁理想情況下，換向元件的兩個(gè)邊位于幾何中性線位置上。由于電樞反應(yīng)磁場(chǎng)的影響，幾何中性線位置的氣隙磁密不為零，換向元件切割磁場(chǎng)，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) S,稱(chēng)為旋轉(zhuǎn) 電動(dòng)勢(shì)或運(yùn)動(dòng)電 動(dòng)勢(shì)。無(wú)論是電動(dòng)機(jī)還是發(fā)電機(jī)，旋轉(zhuǎn)電 動(dòng)勢(shì)的方向總與換向前 的電流方向一致。即一與山的方向相同。?在大多數(shù)直流電機(jī)中，為改善換向，在幾何中性線位置安裝換向極

5、，換向極產(chǎn)生的磁場(chǎng)比電樞反應(yīng)磁場(chǎng)略強(qiáng)而方向相反，此時(shí)幾何中性線位置的磁場(chǎng)方向與無(wú)換向極時(shí)的方向相反，因而一和5的方向相反。換向元件中總的電動(dòng) 勢(shì)應(yīng)是旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)和電抗電動(dòng) 勢(shì)的代數(shù)和，即忌=冬+鄉(xiāng)? Ye = O為理想情況。通常情況下忌工 0o若決 較大，將導(dǎo)致 換向不良，在電刷下產(chǎn)生火花。?二、換向元件中電流的變化規(guī)律?直線換向?當(dāng)換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)習(xí) e=O時(shí)，換向元件中的電 流變化規(guī)律大體為一直線，這種換向稱(chēng) 為直線換向，如圖 27-30）所示。?直線換向的特點(diǎn)是，電刷接觸面上的電流密度分布均勻、換向良好。延遲換向以電抗電動(dòng)勢(shì)5 作為正值，如果則換向元件中的電 流 I 由直線換向電流血

6、和由合成電動(dòng)勢(shì)工? 產(chǎn)生的附加換向電 流 j 疊加而成，如圖 27-3 (b) 所示。幺V0的出現(xiàn)，使換向元件中的電流改變方向的時(shí)刻向后推延，因此這種換向稱(chēng)為延遲換向。延遲換向結(jié)束時(shí)，被電刷短路的換向元件瞬時(shí)斷開(kāi)，后刷邊容易出現(xiàn)火花，導(dǎo)致?lián)Q向不良。?超越換向? 若換向極磁場(chǎng)較強(qiáng)，則換向元件中與電抗電動(dòng)勢(shì)反向的旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)可能大于電抗電動(dòng)勢(shì)，此時(shí), 附加換向電流將反向， 因而換向元件中電流改變方向的時(shí)刻將比直線換向時(shí)提前，如圖 27-3 (c) 所示，這 * 申接向赫另瘟趣陵前 輕薇的祠舷換向有一定 好處，但過(guò)度的超越換向也是不利的i、a）直線換向c）超越換向11*o1+iaXT5）延遲換向?圖2

7、7-3換向元件中電流的變化?四、火花等級(jí)? 雖然直流電機(jī)在運(yùn)行時(shí)電刷下往往產(chǎn)生火花，但只要火花被限制在一定程度，就不會(huì)危及電機(jī)的運(yùn)行。火花嚴(yán)重時(shí)， 會(huì)影響電機(jī)運(yùn)行甚至損壞電機(jī)。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，電刷下的火 花可以分為五個(gè)等級(jí)，即 1 級(jí)、計(jì)級(jí)、 1*級(jí) 2 級(jí)和 3 級(jí)。? 1 級(jí)表示無(wú)火花。?片級(jí) 電刷邊緣及小部分有微弱的火花點(diǎn)或者非放電性紅色 小火花， 換向器上沒(méi)有黑痕，電刷上沒(méi)有灼痕。?片級(jí)電刷邊緣大部分或全部有輕微的火花，換向器上有黑痕,但用汽油可擦除，同時(shí)在電刷上有輕微的灼痕。? 2 級(jí) 電刷邊緣全部或大部分有強(qiáng)烈的火花，換向器上有黑 痕， 用汽油不能擦除，同時(shí)電刷上有灼痕。? 3 級(jí)

8、在電刷的整個(gè)邊緣上都有強(qiáng)烈的火花，同時(shí)有大火 花飛出。換向器嚴(yán)重發(fā)黑，用汽油不能擦掉，而且電刷有 燒焦和損壞。? 1 級(jí)、片級(jí)和葉級(jí)火花均為持續(xù)運(yùn)行中無(wú)害的火花。在 2 級(jí)火花作用下，換向器表面會(huì)出現(xiàn)炭渣和黑色痕跡，如運(yùn)行時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，黑色痕跡也將擴(kuò)展，同時(shí)電刷和換向器的磨 損也顯著增加。所以2 級(jí)火花只允許在短時(shí)過(guò)載時(shí)出現(xiàn)。3 級(jí)火花是危險(xiǎn)的，僅允許在直接起動(dòng)或反轉(zhuǎn)的瞬間出現(xiàn) , 正常 運(yùn)行時(shí)是不允許的。27-3改善換向的方法換向不良將使電刷下出現(xiàn)火花，使換向器表面受到損傷，電刷磨損加快。改善換向的目的在于消除電刷下的火花，雖然產(chǎn)生火花的原因比較復(fù)雜，但若能設(shè)法減少或消除附 加換向電流心，就可以

9、改 善換向。下面介紹常見(jiàn)的改善換 向方法。?移動(dòng)電刷由于電樞反應(yīng)的存在，幾何中性線位置的磁密不再為零，換向元件內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動(dòng)勢(shì)，使換向惡化?？梢圆捎?移動(dòng)電刷的方法， 使幾何中性線位置的磁密為零，可以改善換向。對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，應(yīng)順電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷；?對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，應(yīng)逆電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向移動(dòng)電刷。電刷的移動(dòng)是在電機(jī)生產(chǎn)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)的，電機(jī)制成之后，電刷無(wú)法 移動(dòng)。? 該方法缺點(diǎn)比較明顯，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，電樞反應(yīng)發(fā)生變化，電刷位置不一定合適，可能使換向惡化；此外，若電 機(jī)允許正反轉(zhuǎn)，則該方法也不適合。這種方法只在運(yùn)行情 況固定而負(fù)載變化又不大的單向旋轉(zhuǎn)的直流電機(jī)中采用。?安裝換向極? 幾乎所有的直流電機(jī)都在兩個(gè)主極之間的幾何中性線處裝有換向極，如圖 27-4 所示。換向極的磁動(dòng)勢(shì)除抵消電樞磁動(dòng)勢(shì)以外，還在換向區(qū)內(nèi)產(chǎn)生一個(gè)與電樞磁場(chǎng)相反的換 向磁場(chǎng)，使換向元件切割該磁場(chǎng)后產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)與相抵消 , 這樣就可以消除附加換向電流，改善換向。換向極的極性可以由換向極磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)相反的原 則來(lái)確定。對(duì)于圖 27-4 所示主極極性，電機(jī)作發(fā)電機(jī)逆時(shí) 針旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞磁場(chǎng)的方向?yàn)樽宰笾劣遥蕮Q向極磁場(chǎng)的 方向?yàn)樽杂抑磷?。由此可?jiàn)，在發(fā)電機(jī)中，換向極的極性 應(yīng)與順旋轉(zhuǎn)方向的下一個(gè)主極的極性相同；在電動(dòng)機(jī)中， 換向極的極性與發(fā)電機(jī)相反。由于 電抗電動(dòng)勢(shì)與電樞電流 成正比，所以換向磁場(chǎng)也應(yīng)