第一篇直流電機6

/第六章直流電機的換向對裝有換向器的電機來說,換向對正常運行有重大影響。本章介紹換向過程、換向的電磁理論、換向過程中火花產生的原因以及改善換向的方法。第一節(jié)直流電機的換向過程圖1—６－1換向過程電樞旋轉時，組成電樞繞組的線圈將由一條支路轉入另一條支路，此時線圈里的電流要改變方向,這種線圈電流改變方向的過程稱為換向過程。圖1—6—1表示單疊繞組線圈中電流的換向過程,為清楚起見，把線圈的形狀稍加改變.設電刷寬ｂ等于換向片寬ｂc,換向器從右向左運動。由此可見，當電刷與換向片1相接觸時(圖1—６-1a），線圈1屬于右邊一條支路,線圈中電流的方向為從右線圈邊流向左線圈邊，定為＋ｉa；隨著電樞的旋轉，電刷與換向片１和2同時接觸（圖1－6－１ｂ），線圈1被電刷短路；線圈就進入換向過程;接下去，電刷與換向片2相接觸(圖１—6-１c），線圈1就進入電刷左邊的一條支路,線圈中電流反向,變?yōu)椤猧a,換向結束.圖1—６-２理想的線圈電流變化過程正在進行換向的線圈稱為換向線圈,換向線圈中的電流稱為換向電流。在換向過程中,換向線圈的線圈邊在電樞表面上所移過的距離稱為換向區(qū)域.換向過程經歷的時間稱為換向周期Tｃ，即相當于線圈被電刷短路的整個時間，通常Tc只有幾千分之幾秒,可見換向過程是在極短的時間內完成的,如圖1－6-2所示。在換向周期內線圈1中電流發(fā)生了２ｉａ的變化，換向不良,將在電刷下發(fā)生有害的火花。當火花超過一定的程度，就有燒壞電刷和換向器的危險，使電機不能正常運行。第二節(jié)換向的電磁理論換向過程中，換向線圈中會產生電抗電動勢和運動電動勢，并因此引起換向線圈中電流的變化。一、換向線圈中的電動勢電抗電動勢換向時，換向線圈中的電流從＋ia變?yōu)椤猧a，換向線圈本身具有自感，同時換向線圈之間又有互感作用，因此換向線圈中必然有自感和互感電動勢，兩者合成的電動勢稱為電抗電動勢。由于所有線圈(包括換向線圈在內）所產生的氣隙磁通匯合起來成為電樞反應磁通,故電抗電動勢僅由換向線圈的漏磁通所感應產生。在換向周期內，電抗電動勢平均值eｒ為(1－6-１)式中,Ｌｒ為換向線圈的等效漏電感,包括自漏感和互漏感。根據(jù)楞茨定律,電抗電動勢的作用總是阻礙電流變化的,故ｅｒ的方向必與換向前的電流方向相同。運動電動勢在幾何中性線附近，主極磁場雖很微弱，但電樞磁場Ba卻有一定的值，因此換向線圈“切割”電樞磁場后,將會產生運動電動勢ｅc.分析表明，無論是發(fā)電機還是電動機,其方向總與電抗電動勢ｅr的方向一致，即也是阻礙換向的.二、換向線圈中電流變化的規(guī)律當換向線圈中的合成電動勢er+ec＝0時,在理想的情況下,換向線圈中的電流變化規(guī)律大體為一直線，這種換向稱為直線換向,如圖１-6－3b中的ｉL所示。直線換向的特點是，電刷接觸面上的電流密度分布均勻，因此換向情況良好。a）b)c）圖1－６—3換向線圈中電流的變化a）換向線圈b)直線換向和延遲換向c）超越換向以電抗電動勢er作為正值,若ｅr＋ｅc〉0，則換向線圈中的電流ｉ由直線換向電流iL和由合成電動勢er+ec所產生的附加換向電流ｉc疊加而成，如圖１-6－3b所示.ｉc的出現(xiàn)使換向線圈中電流改變方向的時刻向后推延因此稱為延遲換向.對于強烈延遲換向的情況,換向結束而被電刷短路的換向線圈瞬時開斷時，后刷邊常常會出現(xiàn)火花。因此大電流、高轉速的電機其換向往往比較困難。若換向極磁場較強，則換向線圈中與電抗電動勢反向的運動電動勢ec可大于電抗電動勢er，此時er+ec＜０，附加換向電流ic將反向，因而換向線圈中電流改變方向的時刻將比直線換向時提前，如圖1—6—３c所示,這種換向稱為超越換向.輕微的超越換向對換向有一定好處,但過度的超越換向亦是不好的。第三節(jié)產生火花的原因直流電機運行時往往在電刷下發(fā)生火花,雖然電刷下的小部分發(fā)生微弱火花對電機運行并無危害,但如果火花范圍擴大和程度強烈，則將燒灼換向器和電刷，使其表面粗糙和留有灼痕,而不光滑的換向器表面與粗糙的電刷接觸又使火花程度加強.如此循環(huán)積累下去，將很快使電機不能繼續(xù)運行。所以，在實際運行時，電刷下面的火花不應超過一定的等級。我國國家標準ＧB755－８１將火花分成五個等級：1級電刷下無火花；換向器上沒有黑痕以及電刷上沒有灼痕。11/4級電刷邊緣僅小部分（約1／5至１/4刷邊長）有斷續(xù)的幾點點狀火花;換向器上沒有黑痕以及電刷上也沒有灼痕。11／2級電刷邊緣大部分（大于1/2刷邊長）有連續(xù)的較稀的顆粒狀火花;換向器上有黑痕,但不發(fā)展。用汽油擦其表面可除去；同時電刷上有輕微灼痕。2級電刷邊緣全部或大部分有連續(xù)的較密的顆粒狀的火花,開始有斷續(xù)的舌狀火花;換向器上有黑痕。用汽油不能擦除,同時電刷上有灼痕.如短時出現(xiàn)這一級火花,換向器上不出現(xiàn)灼痕，電刷不燒焦或損壞.3級電刷整個邊緣有強烈的舌狀火花,伴有爆裂聲音;換向器上黑痕較嚴重，用汽油不能擦除,同時電刷上有灼痕。如在這一級火花等級下短時運行，則換向器上將出現(xiàn)灼痕，同時電刷將被燒焦或損壞。關于直流電機允許的火花程度，一般應在電機技術條件里說明。如果不加以說明話，則對正常工作的電機，其火花等級應不超過11/2級。產生火花的原因很多,主要有下列幾種：一、電磁性原因當嚴重的延遲換向時，在t＝Ｔｃ時，ic的數(shù)值不為零。這是因為電刷與換向器的接觸并非完全的面接觸，而是點接觸，這種接觸的不連續(xù)變化的性質,使得t趨近于Tc時，限制附加換向電流的接觸電阻Rｂ也不連續(xù)地趨于無窮大。當電流密度較大時,甚至離子導電起主要的作用,以致電刷離開換向片前，接觸電阻Ｒb一直呈現(xiàn)低值，這樣，當t趨于Tc時，ic便具有較大的數(shù)值.在換向結束時,電刷與換向線圈所構成的換向回路突然斷開，如果此時換向回路儲存著的磁場能量足夠大，它將以火花形態(tài)由后刷邊放出。當過分超越換向時,前刷邊電流密度很高，電刷與換向器間的接觸點被灼熱，加以開始時只在少數(shù)點接觸,接觸電壓降增大，導致電刷與換向片間有較大的電壓,于是形成離子導電，從而在前刷邊出現(xiàn)火花?？傊a生火花的電磁性原因是由于附加換向電流ｉc的出現(xiàn)，只要換向回路中由ｉc建立的磁場能量很大，或由ｉｃ引起的接觸點上的熱能損耗很大,火花便可能發(fā)生。二、機械原因主要是換向器、轉子和電刷裝置等方面的缺陷，如換向器偏心、換向片間的云母絕緣突出、轉子平衡不良、電刷在刷握盒中松動、電刷壓力不適當以及電刷表面粗糙等,都可能導致電刷與換向器接觸不良或發(fā)生振動而產生火花。也有由于各個刷桿之間、或磁極之間距離不相等，使換向線圈受到主極磁場的作用而引起火花。三、化學原因換向器表面的氧化亞銅薄膜的形成，對電機的良好換向有重大作用。如果電刷壓力過大、或在高空缺氧與缺乏水汽、或在具有破壞氧化膜的氣體（如酸性氣體等)的環(huán)境工作，都會使換向器表面的氧化膜遭到破壞，于是就容易引起火花。上述的產生火花的原因，只是按其根源來分類.實際上形成火花的原因是綜合的,而且情況比較復雜，要結合具體情況來分析.第四節(jié)改善換向的方法圖1—6－4用換向極改善換向改善換向的目的在于消除電刷下的火花。這里,從消除產生火花的電磁原因方面來介紹常用的改善換向的方法。一、裝置換向極改善換向的最有效方法就是在兩個主極之間的幾何中性線處裝置換向極,如圖１—6—4所示。換向極產生的磁動勢方向應與電樞磁動勢方向相反，且比電樞磁磁動勢稍強。既除了抵消電樞磁場外，還建立一個與之相反的換向磁場Ｂｃ，使換向線圈切割Bc后產生的電動勢ｅc與電抗電動勢er相抵消，使換向線圈內的合成電動勢為零，消除附加換向電流ic，從而改善電機的換向。換向極的極性可以由換向極磁場與交軸電樞磁場相反的原則來確定。如圖1—6-4所示，作為發(fā)電機運行時,電樞磁場的方向為自左至右,故換向極磁場的方向應為自右至左。由此可見，在發(fā)電機中,換向極的極性應與順電機旋轉方向的前方主極的極性相同；在電動機中，應與逆電機旋轉方向的前方主極的極性相同。由于電抗電動勢er與電樞電流成正比，所以換向磁場Bc也應與電樞電流成正比，以使ec和ｅr在不同的負載電流下均能抵消，所以換向極繞組應該和電樞繞組串聯(lián)。實踐證明，只要換向極的設計和調整良好，就能達到無火花換向.因此當直流電機容量大于時，一般都裝設換向極.二、移動電刷位置在未裝置換向極的小型電機中，把電刷從換向器的幾何中性線移開一個適當?shù)慕嵌龋箵Q向區(qū)域隨之從電樞上的幾何中性線移開一個相應的角度而進入主極磁場之下，利用主極磁場來代替換向極所產生的換向磁場,同理可獲得必要的運動電動勢以抵消電抗電動勢。移刷方向確定如下：對于發(fā)電機運行，應順電機旋轉方向移過一個適當?shù)慕嵌?；對于電動機運行，應逆電機旋轉方向移過一個適當?shù)慕嵌?。如圖1—6－5所示.電刷移動角度β的大小，須使移刷后換向線圈能產生適當?shù)膃ｃ以抵消er.圖１—６-5移動電刷改善換向用移刷來改善換向的方法存在兩個嚴重缺點：其一，移刷后產生的直軸去磁電樞反應，將使發(fā)電機的電壓降低,使電動機的轉速升高；其二，因電抗電動勢er隨負載而變化，故必須隨著負載的變化不斷的調節(jié)電刷的位置，這是很難實施的.因此這種方法除在個別小容量直流電機外很少采用。三、選用合適的電刷電刷是引導電樞電流的，減小電刷接觸電阻可減小電刷接觸電阻壓降。但從改善換向的角度看，卻要增加電刷接觸電阻。故對不同的電機必須選用相應合適的電刷.圖1-6－6環(huán)火一般來說，對于換向并不太困難的中,小型電機,通常采用石墨電刷；對于換向比較困難的電機常采用碳－石墨電刷；對于低壓大電流電機，則常采用接觸電壓降較小的青銅—石墨或紫銅－石墨電刷；對于換向問題嚴重的大型直流電機，電刷的選擇應以長期試驗和運行經驗為依據(jù)。四、補償繞組在大容量和負載繁重或變化劇烈的中大型電機中，則常采用補償繞組來改善換向。圖１-6-7補償繞組電樞反應不僅會給換向帶來困難，且在極靴下的增磁區(qū)域使氣隙磁場達到很高的值。當線圈“切割"該處磁場時，就會感生較高的電動勢，使與這些線圈相連接的換向片的片間電位差較高。當片間電位差超過一定限度，就會發(fā)生游離擊穿，在換向片的片間形成電位差火花。在換向不利的情況下，電刷下的火花與換向片間的電位差火花匯合在一起，可導致正、負電刷之間形成很長的電弧，使換向器的整個圓周上發(fā)生環(huán)火,如圖１—6-６所示。環(huán)火可以把電刷和換向器表面燒壞,并使電樞繞組受到損傷。因此在主極極靴上專門沖出一些均勻分布的槽，槽內嵌放一套補償繞組,如圖１－6—7所示。補償繞組與電樞繞組串聯(lián),其磁動勢方向與電樞磁動勢相反,使在任何負載下均能減少或消除電樞反應所引起的氣隙磁場畸變，達到消除電位差火花和環(huán)火的目的。習題１-1直流電機有哪些勵磁方式?各種勵磁方式具有什么特點?1-2一臺直流電機，Qu=Ｓ=K=2２.分別計算2p=4的右行單疊短距繞組和２p=６的左行單波繞組的節(jié)距,并繪出繞組展開圖和電路圖.１—3在換向器上電刷正常應當置放在什么位置？為什么？1-４如果一臺p對極的單疊繞組其電樞電阻為R，問用同等數(shù)目的同樣線圈接成單波繞組時，電樞電阻應為多少？１－5一臺四極直流發(fā)電機，原為四組電刷,現(xiàn)取去相鄰兩組電刷，問電機的端電壓及允許通過的電樞電流會發(fā)生什么變化:（１）電樞為單疊繞組；(2）電樞為單波繞組。１—6在直流發(fā)電機中，電刷順電樞旋轉方向移動一角度后，電樞反應的性質怎樣？當電刷逆電樞旋轉方向移動一角度,電樞反應的性質又是怎樣？如果是電動機在這兩種情況下，電樞反應的性質怎樣？1-７一臺兩極發(fā)電機的空載磁通為0。3Wb,每極勵磁磁動勢為３００0A;設電樞圓周上的電流總和為8400Ａ，并作均勻分布；電樞外徑為0。42m，電刷自中性線沿轉向前移２0o電角度；試計算:（1)每極下的交軸電樞磁動勢和直軸電樞磁動勢;（2)不計磁飽和時，每對磁極的合成磁動勢及每極的總磁通值。1—8試述電刷從幾何中性線上移開時，直流發(fā)電機電刷上的空載電壓有何變化(設電樞繞組是整距的，主磁場在極弧下的分布為矩形波）。1—9直流電機電樞繞組線圈內的電動勢和電流是交流還是直流？為什么在穩(wěn)態(tài)電壓方程中不考慮線圈本身的電感電動勢?1—10直流電機的電磁功率等于什么？1－１1一臺四極82kW、230Ｖ、９70ｒ/mｉn的他勵直流發(fā)電機，電樞上共有1２3個線圈，每線圈為一匝，支路數(shù)2ａ＝=2。如果每極的合成磁通等于空載額定轉速下具有額定電壓時每極的磁通，試計算當電機輸出額定電流時的電磁轉距.1—12磁飽和效應對直流發(fā)電機的運行有什么影響?如何表征磁飽和效應？1-13同一臺既有并勵、又有串勵繞組的直流發(fā)電機，在恒速條件下，將它作他勵、并勵、積復勵時，比較電壓調整率的大小。為什么勵磁不同時，電壓調整率也不同？1-１4一臺他勵發(fā)電機的轉速提高２０％，空載電壓會提高多少（設勵磁電流保持不變）？若為并勵發(fā)電機，則電壓升高的百分值比他勵發(fā)電機多還是少（設勵磁電阻不變)？1－１5一臺他勵直流發(fā)電機的額定電壓為230V，額定電流為1０A.額定轉速為１０0０r/min，電樞總電阻Ra＝1。5Ω，勵磁繞組電阻Rf=88Ω。已知在750r/min時的空載特性如下表所示,試求：(1）額定轉速時,勵磁電流為2。5Ａ，空載電壓為多少？（2)若轉速為900r／miｎ，空載電壓為多少？（３)滿載時電磁功率為多少？If/A０.４1.01.６2.02．53。03．６４．45。２Ｅo/Ｖ３37８１2０150１761９4２０622５2401—16一臺四極8２ｋW、230V、9７0r/mｉn的并勵發(fā)電機,R（75oC)=０.0259Ω勵磁繞組總電阻Rf（７5oC)=２2．８Ω，額定負載時并勵回路串入3。5Ω的調節(jié)電阻，電刷壓降為2Ｖ,鐵耗和機械損耗共2.5kW，雜散損耗為額定功率的0.5％,試求額定負載時發(fā)電機的輸入功率、電磁功率和效率。１—１7一臺5。5kW并勵直流發(fā)電機，電樞總電阻Ｒa=0．5Ω。當轉子的角速度為１00rad/s時,其空載特性為If/A0。5１。01．52.02.５Ｅo/V9516721８24８２5６在此角速度下調節(jié)勵磁回路的電阻,使發(fā)電機產生空載端電壓為250V,試決定：(1）電樞電流為20Ａ時,發(fā)電機的端電壓是多少（不計電樞反應）？（２）當角速度從100rａd/s降低為８０raｄ／s時,要保持電樞電流為10A，端電壓為2２0Ｖ,勵磁電流必須增加到多少（不計電樞反應)？1－１８一臺100kW、230V的并勵發(fā)電機，每極勵磁繞組有1０00匝，在額定轉速下，空載產生額定電壓需勵磁電流7Ａ,額定電流時需9.4A才能達