直流电机(机电传动控制)

1、目录 第1章,第1章 直流电机 1-4 机电传动系统运动的理论基础 1-5 生产机械的机械特性 1-1 直流电机的基本结构与工作原理 1-2 直流发电机 1-3 直流电动机的机械特性 1-6 直流他励电动机的启动与调速 1-7 直流他励电动机的制动,第一 部分,第二 部分,第1章 直流电机 第二部分, 在了解直流电动机的基本结构的基础上， 着重掌握直流电机的基本工作原理，特别应掌 握转矩方程式、电势方程式和电压平衡方程式；, 掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；, 掌握直流电动机启动、调速和制动 的各种方法，以及各种方法的优缺点和应用场所；, 学会用机械特性的四个象限分析直流 电动机

2、运行状态； 学会根据他励直流电动机的铭牌技术 数据，确定电动机启动等运行特性。,第1章 直流电机 第二部分,由于机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推 导出来的，而机械特性又是分析启动、调速和制动特 性的依据，所以机械特性是电动机内容的重中之重； 他励直流电动机的启动特性； 他励直流电动机的调压调速特性。,电流、电势的换向过程和电动机的制动过程； 电动机在各种运转状态下电磁转矩 T、负载转矩 TL， 转速 n 、电枢电流 Ia ，和电势 E 等符号的确定。,第1章 直流电机,概 述,直流电机的用途: 直流电机包括直流发电机和直流电动机，两者具有可逆性。 作电源用：直流发电机将机械能转化为直

3、流电能 作动力用：直流电动机将直流电能转化为机械能 信号传递：直流测速发电机将机械信号转换为电信号 信号传递：直流伺服电动机将控制电信号转换为机械信号 直流电机的优缺点: 直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。 直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。 直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。 由于存在换向器，其制造复杂，成本较高。 直流电动机存在直流电源问题。,第1章 直流电机,概 述,直流电机的铭牌数据,电机铭牌上还标有其它数据，如励磁电压、出厂日期、出厂编号等。,第1章 直流电机,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,一、直流电机的基本结构,永磁直流电动机,直流电动机,第1章

4、 直流电机,主磁极:包括铁心和励磁绕组，产生恒定气隙磁通 换向磁极:改善换向 电刷装置:与换向片配合，完成直流与交流的互换 机座和端盖:起支撑和固定作用,定 子 静止部分,转 子 旋转部分,电枢铁心:主磁路的一部分，放置电枢绕组 电枢绕组:由导线绕制而成，是电路的一部分 换向器:与电刷装置配合，完成直流与交流的互换 转轴 轴承 风扇,一、直流电机的基本结构,直 流 电 机,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,一、直流电机的基本结构,直流电机 的剖面图,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,1电枢绕组 2电枢铁心 3机座 4主磁极铁心 5励磁绕组 6换向极绕

5、组 7换向极铁心 8主磁极极靴 9机座底脚,一、直流电机的基本结构,直流电机横剖面示意图,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,直流电机的电枢示意图 1转轴 2轴承 3换向器 4电枢铁心 5电枢绕组 6风扇 7轴承,一、直流电机的基本结构,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,二、直流电机的工作原理,一台直流电机原则上既可以作为电动机运行，也可以 作为发电机运行，只是外界条件不同而已。 发电机若用原动机拖动电枢恒速旋转，就可以从 电刷端引出直流电动势而作为直流电源对负载供电； 电动机若在电刷端外加直流电压，电机就可以带 动轴上的机械负载旋转，从而把电能转变成

6、机械能。 这种同一台电机能作电动机或作发电机运行的原理， 在电机理论中称为可逆原理。,直流电机的可逆性,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,二、直流电机的工作原理,直流电机的可逆性,直流发电机工作原理图,直流电动机工作原理图,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,磁极对N、S不动， 线圈（绕组）abcd 旋转， 换向片1、2旋转， 电刷及出线A、B不动。,二、直流电机的工作原理,直流电机 物理模型图,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,二、直流电机的工作原理,1.直流发电机的工作原理,直流发电机工作原理图,1-1 直流电机的基本结构与工

7、作原理,第1章 直流电机,二、直流电机的工作原理,1.直流发电机的工作原理, 定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流If ） 产生恒定磁场（称为励磁磁场，主磁场）； 原动机拖动电枢以 转速 n ( r/min )旋转； 电枢线圈的导体中将产生 感应电势e（右手定则）， 该电势为交流电； 经过换向器与电刷的作用 可以引出直流电势EAB， 从而输出直流电能。,直流发电机工作原理图,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,二、直流电机的工作原理,2.直流电动机的工作原理,直流电动机工作原理图,电枢绕组 开始通电时,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,二、直流电

8、机的工作原理,2.直流电动机的工作原理,电枢绕组 开始通电时,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,二、直流电机的工作原理,2.直流电动机的工作原理,电枢绕组 开始通电时,电枢绕组 转动半周后,1-1 直流电机的基本结构与工作原理, 定子上的励磁绕组通过直流电流（称为励磁电流 If） 产生恒定磁场（称为励磁磁场，主磁场）； 将直流电源U、Ia通过电刷和 换向器接入电枢绕组， 使电枢导体有电流 ia 通过。 载流的转子（即电枢）导体 将受到电磁力 f 的作用 （左手定则）； 所有导体产生的电磁力作用于 转子，可产生电磁转矩T，从而 拖动机械负载以 n（r/min）旋转。,第1章

9、 直流电机,二、直流电机的工作原理,2.直流电动机的工作原理,直流电动机工作原理图,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,U -外加电枢电压(V) Ia -电枢电流(A) Ra-电枢电阻() - 一对磁极的磁通 (Wb) T -电磁转矩 (Nm) TL-负载转矩(Nm) T0 -空载损耗转矩 (Nm),第1章 直流电机,二、直流电机的工作原理,3.直流电动机的基本方程式,方程式中的参数：,n-电枢转速 (r/min) E-电枢电动势 (V) Uf-励磁电压(V) If -励磁电流(V) Rf -励磁电阻() Kt 、 Ke-与电机结构 有关的常数,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章

10、直流电机,二、直流电机的工作原理,(1)转矩方程式 T KtIa 电磁转矩T 为拖动转矩，方向与n 相同 稳态时的转矩平衡 T = TL + T0 (2)电势方程式 E Ke n 电动势E为反电势，它与外加电压 产生的电流Ia方向相反。 (3)电压平衡方程式 UEIaRa 外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。,3.直流电动机的基本方程式,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,直流电机,自励式,他励式,第1章 直流电机,直流电机励磁绕组的接线方式称为励磁方式。 实质上就是励磁绕组和电枢绕组如何联接。 除了永磁直流电机外，直流电机的励磁方式有四种。,直流他励发电机 直流他励电动机,直流并励

11、发电机 直流并励电动机 直流串励发电机 直流串励电动机 直流复励发电机 直流复励电动机,三、直流电机的励磁方式,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,(a)他励,(b)并励,(c)串励,(d)复励,三、直流电机的励磁方式,直流电动机励磁方式示意图,1-1 直流电机的基本结构与工作原理,第1章 直流电机,1-3 直流电动机的机械特性,1-2 直流发电机 （略）,电动机最重要的运行特性是机械特性。 直流电动机的机械特性： 在电动机电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻 为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时， 转速与电磁转矩之间的关系： nf（T） 以直流他励电动机为例，说明： 直流他

12、励电动机的机械特性表达式 直流他励电动机的固有机械特性 直流他励电动机的人为机械特性,第1章 直流电机,直流他励电动机原理电路图,基本电路,串接附加电阻电路,1-3 直流电动机的机械特性,第1章 直流电机,一、直流他励电动机的机械特性表达式,直流电动机的基本方程式： (1) 转矩方程式 T KtIa (2) 电势方程式 E Ke n (3) 电压平衡方程式 UEIaRa,机械特性的一般表达式,1-3 直流电动机的机械特性,他励电动机的 机械特性曲线,n0 -理想空载转速,第1章 直流电机,一、直流他励电动机的机械特性表达式,1-3 直流电动机的机械特性,他励电动机的 机械特性曲线,n0 -理想

13、空载转速,曲线的斜率：, 为转矩对转速的导数， 即曲线的斜率的倒数。,第1章 直流电机,一、直流他励电动机的机械特性表达式,1-3 直流电动机的机械特性,他励电动机的 机械特性曲线,静差度 （见第4章） 电动机运行时转速的 稳定程度的技术指标,第1章 直流电机,1-3 直流电动机的机械特性,二、直流他励电动机的固有机械特性,电枢电路电阻 RRa ，(附加Rad0) 电枢电压 UUN， 磁通 N 时的机械特性称为固有机械特性,由于Ra 很小， 转矩T 增大时，n 下降很小，所以 他励电动机的固有机械特性 是一条比较平的下降曲线（即属硬特性）,机械特性表达式,第1章 直流电机,1-3 直流电动机的

14、机械特性,三、直流他励电动机的人为机械特性,人为地改变三个量U、Ra之一而其他量不变时， 可以改变特性曲线形状，得到的机械特性称人为机械特性。 电枢串电阻时的人为机械特性 降低电枢电压时的人为机械特性 减弱励磁磁通时的人为机械特性 电动机启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。 改变外加电压和励磁电流的方向都可改变电动机的转向。,根据机械特性表达式:,第1章 直流电机,1-3 直流电动机的机械特性, 电枢串电阻时的人为机械特性,保持UUN、N不变， 只在电枢回路中 串入电阻Rad的人为特性：,特点： （1）n0 不变，变小； （2）Rad 越大，特性越软。,固有机械特性,三、直流他励电动机

15、的人为机械特性,第1章 直流电机,1-3 直流电动机的机械特性, 降低电枢电压时的人为机械特性,特点：（1）n0 随 U 变化； （2）U 不同，曲线 是一组平行线。,保持RRa、N不变， 只改变电枢电压U 的人为特性：,三、直流他励电动机的人为机械特性,固有机械特性,第1章 直流电机,1-3 直流电动机的机械特性, 减弱励磁磁通时的人为机械特性,保持RRa、 UUN不变， 只改变励磁回路调节电阻 Rf的人为特性。 增大励磁电阻, 即减少励磁电流时， 使磁通减少。 减少称为弱磁。 特点：（1）弱磁，n0 增大； （2）弱磁，减小。,三、直流他励电动机的人为机械特性,固有机械特性,第1章 直流电

16、机,1-3 直流电动机的机械特性,三、直流他励电动机的人为机械特性,固有机械特性,三种人为机械特性的比较,第1章 直流电机,三、直流他励电动机的人为机械特性,直流他励电动机的启动特性 降压启动 电枢电路串电阻启动,直流他励电动机的调速特性 改变电枢电压调速 改变励磁磁通调速 电枢电路串电阻调速,直流他励电动机的制动特性 反馈制动 正向反馈制动 反向反馈制动 反接制动 电源反接制动 倒拉反接制动 能耗制动 反抗性恒转矩负载 位能性恒转矩负载,1-3 直流电动机的机械特性,固有机械特性,第1章 直流电机,三、直流他励电动机的人为机械特性,1-3 直流电动机的机械特性,直流他励电动机 电路原理图,第

17、1章 直流电机,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,起动过程： 电动机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行的过程。 起动要求： 起动转矩 Tst 要足够大 因Tst足够大，使TstTL，加速度(dn/dt)0，保证电动 机能起动，且使起动过程时间较短，从而提高生产效率； 起动电流 Ist 不要太大 因 Ist 太大，会造成换向困难，产生强烈火花， 而且与此电流成正比的转矩还会产生较强的转矩冲击， 可能损坏拖动系统的传动机构。 也就是起动转矩 Tst 不能太大。,第1章 直流电机,起动方法： 直流他励电动机起动时，必须先建立起磁场， 即先加励磁电压、通励磁电流，再加电枢电压。 由转矩方程式T

18、KtIa可知，起动转矩Tst=KtIst。 为了使Tst较大而Ist又不致太大，起动时应将励磁回路 的调节电阻Rf调至最小，使磁通为最大。 由电压平衡方程式UE(Ia/Ra)可知， Ia(UE)/Ra 在启动瞬间，因n0，E0，UUN， 故IstUNRa ，可见直接起动的起动电流Ist很大。,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,第1章 直流电机,起动方法： 直接起动 因为直接加额定电压起动的起动电流很大， 除了小容量的电动机可采用直接起动的方法外， 一般直流电动机都不采用这种方法。 限流起动 由启动电流IstURa可知，常用的启动方法有两种： 降压启动 使电枢电压由Ust逐渐升至UN。起动效

19、果好但需专用设备。 电枢电路串接外加电阻启动 使外电阻由最大逐步减至零。起动设备简单但效果一般。,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,第1章 直流电机,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,起动方法： 限流起动 降压启动,分 析 启 动 过 程,依据 特性图 方程式,调压设备,第1章 直流电机,起动方法： 限流起动 降压启动, 机械特性,转矩,电势,电压 平衡,依据 特性图 方程式,调压设备,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,第1章 直流电机,起动方法： 限流起动 降压启动,Ust U1IaT TTst ，到C点。 在B点，,到B点，TTLT Ia

20、E n TTstTL 、UUst 在A点，,B点A点,B点C点, ,式中： U -外加电枢电压 E -电枢的反电势 IaRa -电阻压降,C点额定工作点：依次重复下述步骤,第1章 直流电机,思 考,如何分析 使电枢电压由UN 逐渐降至Ust的过程？,起动方法： 限流起动 降压启动,式中： U -外加电枢电压 E -电枢的反电势 IaRa -电阻压降,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,第1章 直流电机,起动方法： 限流起动 电枢电路串接外加电阻启动 当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动； 此时E0，则 Ia(UE)（RaRst）,起动电流较小； 随着转速的升高，反电动势E不断增大， 起动电

21、流继续减小，但是，同时起动转矩也在减小。 所以，为了在整个起动过程中， 保持一定的起动转矩 ，加速电动机的起动过程， 可以采用将起动电阻一段一段逐步切除， 最后电动机进入稳态运行时，起动电阻应被完全切除。,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,第1章 直流电机,电路图,特性图,电枢电路串接外加电阻启动,如何控制电阻？,1-6.1 直流他励电动机的启动特性,第1章 直流电机,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,调速：根据生产机械要求，人为地改变电动机的转速。 直流电动机具有良好的调速性能。 根据直流电动机转速方程：,直流他励电动机的调速方法有三种： 调压调速：改变电枢外加电压U 调磁调速：改变

22、励磁磁通 调阻调速：在电枢电路中外串附加电阻Rad,第1章 直流电机,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,这种调速方法的主要特点是： 可以在额定转速nN以下平滑无级调速； 由于调压时机械特性硬度不变，调速的稳定度较高， 调速范围Dnmaxnmin较大； 可以与电动机启动时共用一套调压设备； 为了充分利用电动机，希望在调速过程中 维持电枢电流Ia不变，即电动机转矩T KtNIa不变， 所以调压调速适合于恒转矩调速。 这种调速方法用得最多。,一、改变电枢外加电压U调速,调压设备,（UNU1U2）,第1章 直流电机,工作条件： 保持励磁 = N 保持电阻 R = Ra 调节过程： 改变电压 UN

23、U U n ， n0 调速特性： 转速下降， 机械特性曲线平行下移,一、改变电枢外加电压U调速,调压调速 用于nN以下 恒转矩调速,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,第1章 直流电机,这种调速方法的主要特点是： 通过弱磁在额定转速以上平滑无级调速； 调速范围不大，普通他励电动机：nmax 1.2 nN 为了充分利用电动机，希望在调速过程中 维持电枢电流Ia不变，即功率PUIa不变， 所以调磁调速适合于恒功率调速。 此情况下电动机转矩T KtIa随主磁通的减小而减小。 基于弱磁调速范围不大，所以很少单独用它， 有时为了扩大调速范围，将它和调压调速配合使用，即： 在nN以下，用降压调速；在nN

24、以上，则用弱磁调速。,二、改变励磁磁通调速,调磁设备,调压设备,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,第1章 直流电机,N12,工作条件： 保持电压 U =UN ； 保持电阻 R = Ra ； 调节过程： 减小励磁 N n ， n0 调速特性： 转速上升， 机械特性曲线变软。,二、改变励磁磁通调速,调磁调速 用于nN以上 恒功率调速,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,N12,第1章 直流电机,二、改变励磁磁通调速,调磁调速 用于nN以上 恒功率调速,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,第1章 直流电机,工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程： 增加电阻 Ra

25、 R R n ，n0不变； 调速特性： 转速下降， 机械特性曲线变软。,三、在电枢电路中外串附加电阻Rad调速,（Rad1Rad2）,此法缺点多 已很少采用,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,第1章 直流电机,三、调阻调速,二、调磁调速,一、调压调速,比较,改变 电枢外加电压U 用于nN以下 恒转矩调速,改变 励磁磁通 用于nN以上 恒功率调速,电枢电路 串接外加电阻Rad 此法缺点多 已很少采用,1-6.2 直流他励电动机的调速特性,第1章 直流电机,1-7 直流他励电动机的制动特性,实现制动有两类方法，即机械制动和电磁制动。 电磁制动： 在制动时使电动机产生与其旋转方向相反的电磁转矩。

26、 其特点是制动转矩大，操作控制方便。 直流电动机的电磁制动中，常用的制动方法有三种： 反馈制动； 反接制动； 能耗制动。,在生产过程中，经常需要采取一些措施， 使电动机尽快停转 或从某高速降到某低速运转 或限制位能性负载在某一转速下稳定运转,电动机 制动 问题,第1章 直流电机,1-7 直流他励电动机的制动特性,反馈制动，也称回馈制动、再生制动或发电制动： 电动机在负载的拖动下， 使电动机的实际转速n大于其理想空载转速n0 (即nn0)， EU，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动转矩， 电动机变成发电机，把机械能转变成电能，向电源馈送。 反馈制动典型情况：,一、反馈制动,正向反馈制动,电

27、车下坡,重物下放,降压调速,弱磁调速,反向反馈制动,瞬态过程,稳态运行,第1章 直流电机,1-7 直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,正向反馈制动,电车下坡,重物下放,反向反馈制动,稳态运行,稳态运行,第1章 直流电机,1-7 直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,正向反馈制动,电车下坡,电车下坡行驶,电车平路行驶,正向反馈制动,正向电动运行,反向反馈制动,第1章 直流电机,一、反馈制动,重物下放,正向 电动运行,反向 电动运行,1-7 直流他励电动机的制动特性,反向反馈制动,第1章 直流电机,一、反馈制动,重物下放,正向 电动运行,反向 反馈制动 运行,反接制动 过程,反向 电动过程,

28、重物下放,重物提升,1-7 直流他励电动机的制动特性,第1章 直流电机,1-7 直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,N12,U1UN,正向反馈制动,降压调速,弱磁调速,瞬态过程,第1章 直流电机,1-7 直流他励电动机的制动特性,当他励电动机的电枢电压U或电枢电势E中的任一个， 在外部条件作用下改变了方向，即两者由方向相反变为 方向一致时，电动机即运行于反接制动状态。它有两种： 电源反接制动 即改变电枢电压U的方向所产生的反接制动。 用于生产机械要求迅速地减速、停车和反向的场合， 或用于要求经常正反转的机械上。 倒拉反接制动 即改变电枢电势E的方向所产生的反接制动。 用于重物下放时的限速，

29、改变Rad可以调节重物下降速度。,二、反接制动,第1章 直流电机,二、反接制动,分析 电路连接方式 反接制动过程,电源反接制动,反抗性 恒转矩负载,正向 电动运行,反向 反馈制动 运行,反接制动 过程,反向 电动过程,注意： 电源反接制动与反向反馈制动的特性图相似,1-7 直流他励电动机的制动特性,第1章 直流电机,二、反接制动,倒拉反接制动,分析 电路连接方式 反接制动过程,位能性 恒转矩负载,正向 电动运行,倒拉 反接制动 运行,1-7 直流他励电动机的制动特性,第1章 直流电机,二、反接制动,倒拉反接制动,分析 电路连接方式 反接制动过程,电源反接制动,位能性 恒转矩负载,反抗性 恒转矩负载,正向 电动运行,反接制动 过程,正向 电动运行,倒拉 反接制动 运行,1-7 直流他励电动机的制动特性,第1章 直流电机,把电动机电枢电路从电源脱开而串接一个附加电阻R， 电枢电流