机电控制技术第三章

1、本章要点本章要点 直流电机的基本原理与结构直流电机的基本原理与结构 直流电机的可逆性直流电机的可逆性 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性 直流电动机的启动直流电动机的启动 直流电动机的调速直流电动机的调速 直流电动机的制动直流电动机的制动驱动电机驱动电机 是设备的主要动力源，包括各种类型的交、是设备的主要动力源，包括各种类型的交、直流电动机及步进电动机。直流电动机及步进电动机。控制电机控制电机 常见的有步进电动机、交直流伺服电机、测常见的有步进电动机、交直流伺服电机、测速发电机等，这些电机的主要任务是转换和传递控制信速发电机等，这些电机的主要任务是转换和传递控制信号，能量的传递是次要的。

2、号，能量的传递是次要的。常用的电机主要分两大类：常用的电机主要分两大类：电机驱动电机交流电机同步电机异步电机直流电机电磁式直流电动机他励、并励、串励、复励永磁直流电动机其他电机步进电机无刷直流电动机控制电机 交流伺服电动机、 直流伺服电动机、 力矩电动机、 小功率同步电动机、 测速发动机、 自整角机、 直线电动机电机分类表：电机分类表：一、电磁基本定律一、电磁基本定律1.全电流定律：全电流定律： 在环绕载流导体的任在环绕载流导体的任一磁通闭合回路中，磁一磁通闭合回路中，磁场强度场强度H沿着该回路的沿着该回路的线积分，等于该闭合回线积分，等于该闭合回路所包围电流的代数和。路所包围电流的代数和。N

3、IlHdHdlll2.电磁感应定律（法拉第定律）电磁感应定律（法拉第定律）：线圈中的磁链发生变化，就线圈中的磁链发生变化，就会在线圈中产生感应电势。会在线圈中产生感应电势。xxWdtdedtdWdtde感应电势方向判定（右手定则）感应电势方向判定（右手定则）导体在磁场中做切割磁力线运动，则在导体的两端将产生感应电动势，其方向可用右手法则判定。线圈中磁链发生变化的两个原因：1.磁通由交流电产生，磁通本身随时间变化；2.线圈与磁场有相对运动，使线圈的磁链发生变化。dxxdttd因此，总的感应电势为sbeexvdtdtdxxtdtde分别为变压器电势 旋转电势（速率电势）载流导体在磁场中受到的力载流

4、导体在磁场中受到的力Blif B 磁场的磁感应强度磁场的磁感应强度(Wb/m2)i 导体中的电流导体中的电流(A)l 导体的有效长度导体的有效长度(m)3.电磁力定律(安培定律) ，将电能转换为机械能.导磁材料及其特性导磁材料及其特性作电源用的直流发电机永磁直流电动机直流电机既可用作直流电机既可用作电动机电动机(将电能转换为机械能将电能转换为机械能)，也可用作也可用作发电机发电机(将机械能转换为电能将机械能转换为电能)。一、直流电机1.直流发电机机械整流器的交流电机2.直流电动机3.直流电机的感应电势Blve 动画：电刷上的电动势.exe 感应电势的方向：右手定则；感应电势的方向：右手定则；

5、电刷间的电动势电刷间的电动势*： ； 其中其中 是结构常数，称为电势常数是结构常数，称为电势常数 nKEe eKRETatIKT tKetKK55. 9 4.直流电机的电磁转矩电磁力的方向：左手定则；电磁转矩*：其中 是转矩常数， 不管作为发电机还是电动机，上述两种情况均存在，而且作用相克。二、直流电机的基本结构三、直流电机的励磁方式按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、 串励电动机、复励电动机串励电动机、复励电动机3.3直流发电机aaRIEURUIIa/0eUEKn1、他励直流发电机、他励直流发电机空载特性：()fUEf I外特性：)(aIfU

6、aaRIEUIIIIRUIRUIfaff/2、并励直流发电机、并励直流发电机 并励发电机电压能建立的条件： 首要条件是发电机的磁极要有剩磁。 其次是励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同。 励磁回路的电阻应小于与电机运行转速相对应的临界电阻。 按励磁方式的不同，直流电动机按励磁方式的不同，直流电动机可以分为：可以分为：他励、并励、串励和复励他励、并励、串励和复励等形式。等形式。aaRIEUaeaeIKRKUn0eUEKntaKTI/nnTKKRKUnteae02 1)第一段，在负载较轻，第一段，在负载较轻， 较小时，较小时， 未到饱和，未到饱和， 即即 ，有：，有： 或或 ，代入机械特

7、性方程得：代入机械特性方程得：其中其中 是常数。是常数。表明串励机械特性曲线具有双曲线的形状。表明串励机械特性曲线具有双曲线的形状。 aI aI aCI CKIKTtat/2 tKCT / 21/CRTCUCKRKCTKUnaneaten21CC 、2)第二段，随第二段，随 ， 达到饱和，即达到饱和，即（常数），图近似为一直线。（常数），图近似为一直线。 串励直流电动机特性较软（软特性），串励直流电动机特性较软（软特性）， 受受 影响大，启动转矩大（启动电流大），重载时影响大，启动转矩大（启动电流大），重载时能可以自动降低运行速度，适用于机车，运输能可以自动降低运行速度，适用于机车，运输吊车等

8、机械。吊车等机械。 值得值得注意注意的是：的是： 串励串励直流电动机直流电动机不允许空载运行不允许空载运行，因为会产，因为会产 生大的生大的 ，发生危险。，发生危险。 串励串励直流电动机直流电动机反转不能单纯电源反接反转不能单纯电源反接，需需 改变改变 或电枢的极性。或电枢的极性。 . aILT C LTnn 这种直流电动机的主这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电组串联，另一个与电枢绕组并联，所以复枢绕组并联，所以复励电动机的特性兼有励电动机的特性兼有串励电动机和并励电串励电动机和并励电动机的特点。动机的特点。3、复励直流

9、电动机、复励直流电动机3.5 直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性直流电动机机械特性的一般表达式：TKKRKUteae2nnn0固有机械特性固有机械特性对于他励电机可根据电机铭牌数据计算得到如下参数：对于他励电机可根据电机铭牌数据计算得到如下参数：NNNNNIUIUP1)75. 050. 0(RaNaNNNnRIUKeNN0KeUn min/55. 9rNWNsradWNmNNnPPT根据电路有根据电路有 ，其中其中 ，代入方程得代入方程得 直流电动机的直流电动机的转速特性转速特性 ：并代入并代入 ，a aR Ra aI IE EU Un ne eK KE E a ae ea ae

10、 eI IK KR RK KU Un n )/( taKTI 与电机结构与电机结构 有关常数有关常数 eK 一对磁极磁通（一对磁极磁通（WB） n 电枢转速电枢转速( ) min/r 与电机结构与电机结构 有关常数有关常数 tK1)机械特性方程机械特性方程 重要重要 电磁转矩电磁转矩 （N.m) T可以得到可以得到 直流电动机直流电动机机械特性机械特性表达式：表达式： nnTtKeKaReKUn 02eKaRtK与电机结构有关与电机结构有关 与励磁方式、励磁电流等有关与励磁方式、励磁电流等有关 U 电枢电压电枢电压T 电磁转矩电磁转矩重要公式！重要公式！必须知道符号必须知道符号含义和单位！含义

11、和单位！1. 理想空载转速理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转时的转速称为理想空载转速，用速，用n0表示。表示。 根据机械特性可知：根据机械特性可知： e0KUn 2. 转速降落转速降落 TKKRnn2mea0 3. 机械特性硬度机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：其定义为： %100dd nTnT 理想空载点理想空载点 即转矩变化与所引起的转速即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬变化的比值，称为机械特性的硬度。度。 根据根据 值的不同，可将电值的不同，可将电动机机械特性

12、分为三类。动机机械特性分为三类。 （1）绝对硬特性）绝对硬特性 （2）硬特性）硬特性 10 （3）软特性）软特性 10 %100dd nTnT 讨论：讨论： 机械特性硬度机械特性硬度 ： 绝对硬度：交流同步电动机的机械特性；绝对硬度：交流同步电动机的机械特性； 硬特性：直流他励电动机，交流异步电硬特性：直流他励电动机，交流异步电 动机机械特性的上部；动机机械特性的上部； 软特性：直流串励等机械特性；软特性：直流串励等机械特性； dndT 10 10 2）固有机械特性（注意，重要！）固有机械特性（注意，重要！） 指在额定条件下指在额定条件下(一定的功率、结构等情况一定的功率、结构等情况) ， 关

13、系。关系。 本章仅讨论他励情况本章仅讨论他励情况： 额定的额定的 、 下，电枢电路中不外接电下，电枢电路中不外接电阻时的机械特性，又称自然特性。阻时的机械特性，又称自然特性。 根据直流电动机机械特性有：根据直流电动机机械特性有： 、 、 为常数，为常数， （ ）此方程为一直）此方程为一直线。线。 )(Tfn NUN NNteaNeNTKKRKUn2 eKtKaRNKTnn 0nnn 0NUU N 求固有特性直线的方法：求固有特性直线的方法： 根据铭牌中：根据铭牌中： 额定功率额定功率 额定电压额定电压 额定电流额定电流 额定转速额定转速 求：求： 电枢电阻 可画出特性曲线 空载转速 额定转矩N

14、PNUNINnaR eK0nNT0nNTNn根据电动机的根据电动机的铭牌数据求出铭牌数据求出(0,n0 )和和(TN, nN)即可绘出固即可绘出固有的机械特性。有的机械特性。 (1) 估算电枢电阻估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占约占 总损耗总损耗 PN的的50%75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75. 05 . 0()1(Na2aNNNNNNNNNNNN 输输入入功功率率输输出出功功率率式中：式中： NNNNIUP 是额定运行条件下电动机的效率，且此时是额定运行条件下电动机的效率，且此时 NaII 故得故得 NNNNNa

15、)1)(75. 05 . 0(IUIUPR (2) 求求 Ne K 额定运行条件下的反电势为：额定运行条件下的反电势为： aNNNe RIUnKEN 故故 NaNNNenRIUK (3) 求理想空载转速求理想空载转速: NeN0 KUn 得得 00 n, (4) 求额定转矩求额定转矩: NNNNN55. 9nPPT 得得 NN,nT根据根据 、00 n, NN,nT两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线，（直流电动机反接特性曲线在第三象限）。，（直流电动机反接特性曲线在第三象限）。 。Tfn n602 TKKRRKUnNteaadNeN2电

16、枢回路中串电阻时的人为机械特性 改变磁通改变磁通时的时的人为机械特性人为机械特性3.6 直流他励电动机的启动直流他励电动机的启动 启动开始时电流过大，烧毁电枢绕组及换向器；启动开始时电流过大，烧毁电枢绕组及换向器； 对机械负载及传动机构的冲击；对机械负载及传动机构的冲击； 对电网的冲击；对电网的冲击； 确保磁场存在。确保磁场存在。逐级切除启动电阻的启动方法逐级切除启动电阻的启动方法3.7 直流电动机的特性方程直流电动机的特性方程： TKKRRKUn2teadae改变电枢电路中改变电枢电路中外电阻的方法进行外电阻的方法进行调速的缺点是耗电调速的缺点是耗电多，电机机械特性多，电机机械特性软，调速范

17、围小，软，调速范围小，且只能进行有级调且只能进行有级调速，故这种方法较速，故这种方法较少采用。少采用。1 、改变电枢电路外串电阻、改变电枢电路外串电阻Rad（1）当电源电压连续变化时，转）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节；能在额定转速以下调节；（2）调速特性与固有特性互相平）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速行，机械特性硬度不变，调速的稳定性高，调速范围较大；的稳定性高，调速范围较大；（3）调速时，电动机转矩不变，）调速时，电动机转矩不变，属于恒转矩调速，适合于对恒属于恒转矩调速，适合于对恒转矩型负载进行调速；转矩

18、型负载进行调速；（4）靠调节电枢电压来启动电机，）靠调节电枢电压来启动电机，不再需要其它启动设备。不再需要其它启动设备。2、 改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压U（1）可以平滑无级调速，但）可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；转速以上调节；（2）调速特性较软，且受电）调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制；动机换向条件等的限制；（3）调速时维持电枢电压和）调速时维持电枢电压和电枢电流不变，即功率不电枢电流不变，即功率不变，属于恒功率调速。变，属于恒功率调速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为调压调速的一种补充手段。工作中，这种方法常作为调压调速的一种补充手段。3、 改变电动机主磁通改变电动机主磁通例题：有一他励电动机，已知：例题：有一他励电动机，已知：U=220V,I=53.8AU=220V,I=53.8A，n=1500r/minn