电工技术电子技术-清华-11直流电动机.ppt

1、2020/7/28，电气技术，海南风光，第7章第11讲，单相异步电动机与DC电动机的步进电动机，2020年7月28日，电气技术，第7章，电动机，7.2 DC电动机概述7.2.1 7.2.2工作原理7.2.3电枢电动势和电压平衡关系7.2.4电磁转矩7.2.5机械特性7 . 2 . 6 DC电动机的调速7 . 2 . 7 DC电动机的使用和额定值7.3单相异步电动机7 与异步电机相比，DC电机结构复杂，其使用和维护不如异步电机方便，应采用DC电源。2020/7/28，电工技术，7.2.2工作原理，1。工作原理，电刷，换向器，2020/7/28，电工技术，注意：换向器和电源是固定连接的，无论线圈如

2、何旋转，上半部分的电流总是向内，下半部分的电流是向外。电刷压在换向器片上。根据左手定则，通电的线圈在磁场的作用下逆时针旋转。2020/7/28，电气技术，根据右手定则，当线圈在磁场中旋转时，线圈中会产生感应电动势，感应电动势的方向与电流的方向相反。2020/7/28，电工技术，DC发电机，判断感应电动势Ea的方向，电枢绕组电阻Ra，感应电动势，输出电压，2020/7/28，电工技术，2。DC电机由定子、转子和机座组成。框架，磁极，励磁绕组，转子，励磁DC电机结构，2020/7/28，电气技术，1。转子(又称电枢)由铁芯、绕组(线圈)和换向器组成。2.定子，定子分类：励磁的定义：磁极上的线圈被直

3、流电流激励产生磁通量，这被称为励磁。2020/7/28，电气技术，根据励磁线圈和转子绕组之间的连接关系，励磁DC电机可细分为：单独励磁电机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。并联励磁电机：励磁线圈和转子电枢并联在同一个电源上。串联励磁电机：励磁线圈和转子电枢串联在同一个电源上。复合励磁电机：励磁线圈和转子电枢串联和并联，并连接到同一个电源。2020/7/28，电工技术，7.2.3电枢电动势和电压平衡关系，电枢通电后，产生电磁转矩，使电机在磁场中旋转。当通电的线圈在磁场中旋转时，它将在线圈中产生感应电动势(用E表示)。1.电枢感应电动势，2020/7/28，电工技术，根据右手定则，e与原始电流相反，

4、其大小为：单位：(韦伯)，n (rpm)，e(伏特)，2020/7/28，电工技术，2。电枢绕组，u:施加电压Ra:绕组电阻，2020/7/28，电气技术，7.2.4电磁转矩，1。电磁转矩，单位： (韦伯)，Ia(安培)，t(牛顿米)，这可以从转矩公式中得知：(1)产生转矩的条件：必须有励磁磁通和电枢电流。(2)改变电机旋转方向：改变电枢电流方向或改变磁通量方向。2020/7/28，电气技术，2。转矩平衡关系，电磁转矩T是驱动转矩，它必须与电机运行时外部负载的电阻转矩和空载损耗相平衡，即转矩平衡过程：当负载转矩(TL)变化时，电磁转矩通过电机转速、电动势和电枢电流的变化自动调节，达到新的平衡。

5、2020/7/28，电气技术，例如：让外部电枢电压u保持不变，T=TL T0(平衡)，此时，如果TL突然增大，调整过程如下：与原来的平衡点相比，新的平衡点：Ia，p in，2020/7/28，电气技术，机械特性指电机的电磁特性，单独励磁电机的特性与并联励磁电机的特性相同。7.2.5机械特性，1。独立励磁电机的机械特性，2020/7/28，电气技术，n0:理想空载)，当t为n时，但是因为单独励磁电机的电枢电阻Ra非常小，所以当负载变化时，速度n变化不大，这是一个硬的机械特性。根据n-T公式，绘制特性曲线，2020/7/28，电气技术，串联励磁特性：励磁线圈的电流与电枢线圈的电流相同。2。串联励磁

6、电机的机械特性。如果通量与电流成比例，即=K Ia，则根据此公式，2020/7/28，电气技术，(1)当T=0时，在理想情况下，为N。然而，实际上，负负载扭矩不会为零，在T=0的状态下不会工作，但T非常小，空载时N非常高。串联励磁允许空载运行，以防止超速。串联励磁特性：(2)随着转矩的增加，N迅速减小，属于软机械特性。2020/7/28，电工技术，(2)恒功率负载(当P为常数，T和N成反比时)，应选择软特性电机驱动。例如电力机车。选择DC电机特性类型：(1)对于生产机械(转矩恒定，与转速无关)应选择具有硬特性的电机，如金属加工和起重机械。2020/7/28，电气技术，7 . 2 . 6 DC电

7、机调速。与异步电机相比，DC电机结构复杂、价格高、维护不便，但其最大的优点是调速性能好。下面以单独励磁电机为例，说明DC电机的调速方法。(1)调速平稳，可无级调速。(2)调速范围大，调速比可达200以上(单独励磁型)(调速比等于最大速度与最小速度之比)。DC电机调速的主要优点是：2020/7/28，电气技术。从这个公式可以知道，n是相关的，在u的某些条件下，变化可以改变n。在激励电路中串联一个电阻RF，改变Rf的大小来调节激励电流，从而改变Rf的大小。1.改变磁通量(调整磁通量)，1。原理，其中：=K中频，2020/7/28，电工技术，Rf中频n，但在额定条件下，接近饱和，中频再次增加，对其影

8、响很小，因此通常不使用这种增加磁通量的方法。降低磁通量是一种常用的调速方法。中频调整有两种情况：概念：改变磁通调速方式会降低磁通，但只能向上调整。2020/7/28，电子技术，2。特性变化，2020/7/28，电工学，如果调速过程是： U，那么，暂时，T TL，2020/7/28，电工学，(1)平滑调速，可以实现无级调速，但只能向上调节，受机械本身影响，(2)励磁电流是可调的(这个电流比电枢电流小得多)，所以调节控制方便。3。减速调节功能：2020/7/28，电气技术；2.通过改变电枢电压进行速度调节。从速度特性方程可知，电枢电压u和n0变化，斜率不变，因此调速特性是一组平行曲线。1。特性曲线

9、，2020年7月28日，电气技术，2。改变电枢电压调速的特性：(1)电枢电压在运行过程中是恒定的，在调压过程中不允许超过正、负电压，因此只能向下调节调速。(2)可实现平稳无级调速。(3)调速范围大。Uf=110V是固定的，U=0110V是可调的，通过改变电枢电压进行调速的方案是：2020/7/28，电气技术，例如，已知pn=2.2kw，un=220v，Ian=12.4a ra=0.5，nn=1500r/min的单独励磁电机。寻道：(1)当(1)t1=0.5TN，n=？(2)当=0.8 n时，n=？解决方案：(1)当TL=0.5 TN、2020/7/28时，电气技术，(2)当TL=0.8 N、2

10、020/7/28时，电气技术，这种调速方法消耗大量能量，仅用于小型DC机。串联励磁电机也可以以类似的方式进行调节。3。将转子电阻改为调速，并串联增加电阻，使N和n0不变，即，2020/7/28，电气技术，(1)如果电机静止，由于励磁转矩T=KT Ia为0，电机将不会启动，因此反电动势为零，电枢电流将非常大，电枢绕组将被烧毁。2020/7/28，电气技术，(2)如果电机在负载下运行时磁路突然断开，则E、Ia、T和可能不符合TL的要求，电机将减速或停止运行，使Ia变大且危险。2020/7/28，电工技术，措施：单独励磁的DC电机必须无磁保护。一般来说，电压损失继电器或欠电流继电器被添加到励磁绕组。

11、当电压丢失或电流不足时，自动切断电枢电源。2020/7/28，电气技术，2。反向旋转时，电机的旋转方向由电磁转矩的方向决定。2020/7/28，电气技术，(1)反向制动，(3)制动，制动方法：反向制动，能耗制动，发电反馈制动，电阻R的作用是在电源反向制动时限制电枢电流。2020/7/28，电气技术，(2)能耗制动器的电枢断电后，立即连接电阻器。2020/7/28，电气技术，在特殊情况下，例如当汽车下坡或当起重机重量下降时，在重力作用下，nn0(n0理想空载速度)，则电动机变成发电机，电磁转矩变成阻力转矩，从而限制电动机速度的过度增加。(3)发电反馈制动，2020/7/28，电气技术，DC电机有

12、四个引出端，两个电枢绕组和两个励磁绕组，可通过标记的字符和绕组电阻的大小来区分。4。连接，(1)绕组的电阻范围，电枢绕组的电阻范围从十分之几欧姆到12欧姆。单独励磁/并联励磁电机的励磁绕组电阻为几百欧姆。串联励磁电机励磁绕组的电阻值与电枢绕组的电阻值相等。2020/7/28，电气技术，(2)绕组符号，2020/7/28，电气技术，2。等级1。电机轴上的额定功率PN :机械功率输出。2.额定电压UN:额定工作条件下施加于电枢的DC电压。(示例：110伏、220伏、440伏)，3。额定电流IN:轴在额定电压下输出额定功率时的电流(并联励磁应包括励磁电流和电枢电流):PN=UNIN(效率)，2020

13、/7/28，电气技术，注：调速时，对于无调速要求的电机，4。额定速度nN:速度PN，UN，IN。DC电机的转速一般在500转/分以上。特殊的DC电机速度可能非常低(例如，每分钟几转)或非常高(每分钟超过3000转)。2020/7/28，电气技术，7.3单相异步电机，1。单相异步电动机的工作原理和结构：定子为单相绕组(提供220伏单相交流电)，转子一般为鼠笼式。2020/7/28，电气技术，n，s。当定子绕组产生的合成磁场增加时，根据右手螺旋法则和左手法则，可以知道转子条的左右力大小相等，方向相反，因此没有起动转矩。在电流的正半周，2020年7月28日，电工技术，当转子在其他力的作用下旋转后，外

14、力被移除，它继续按原来的方向旋转。原理分析如下：(1)定子绕组产生的脉动磁场可以由两个旋转磁场合成并等效。即，2020/7/28，电气技术，脉动磁场的分解，2020/7/28，电气技术，正向和反向旋转磁场的复合转矩特性，(正向)，(反向)，2020/7/28，电气技术，电容分相单相异步电动机的起动原理，2020/7/28，电工技术，t=t0，2020/7/28，电工技术，磁场逆时针旋转，t=t0，t=t1，2020/7/28，电工技术，起动时，开关K闭合，使两个绕组之间的相位差约为90，因此正常旋转后，离心开关断开，起动绕组断开，电机继续按原来的方向旋转。工作原理，2020/7/28，电气技术

15、，罩极单相电机，定子通电后，部分短路环中的电流阻碍磁通量的变化，导致短路环产生的磁通量和短路环产生的磁通量之间的相位差，从而形成旋转磁场并旋转转子。图中电机旋转方向：顺时针旋转。因为没有短路环的磁通量领先于有短路环的磁通量。2020/7/28，电气技术，单相异步电动机功率低，主要制成小型电动机。它用途广泛，如家用电器(洗衣机、冰箱、电风扇)、电动工具(如手钻)、医疗器械、自动仪器等。第三，使用单相电动机，单相运行的三相异步电动机，三相异步电动机在运行过程中，如果其中一相与电源断开，就变成单相运行。此时，像单相电机一样，电机仍将按原来的方向运行。但是，如果负载不变，三相电源将变成单相电源，电流将

16、增加，导致电机过热。在使用中要特别注意这一现象；如果三相异步电动机的一相在起动前被切断，它将不会像单相电动机那样起动。此时只能听到嗡嗡声，如果长时间不启动会过热，所以需要快速排除故障。2020/7/28，电气技术，第7章控制电机，概述7 .4步进电机7.4.1结构7.4.2工作模式7.4.3小步进角步进电机7.5.1交流伺服电机7.5.2 DC伺服电机，2020/7/28，电气技术本章介绍控制电机。控制电机有很多种。本章主要介绍步进电机和伺服电机。控制电机的主要要求：灵敏、准确、重量轻、体积小、运行可靠、功耗低等。2020/7/28，电气技术，7.4步进电机，机构：步进电机是一种利用电磁铁原理将脉冲信号转换成线性位移或角位移的电机。每当电脉冲到来时，电机就会旋转一个角度，驱动机器移动一小段距离。特征：(1)以一个脉冲，转动一个步角。(2)控制脉冲频率可以控制电机速度。(3)改变脉冲顺序和方向。2020/7/2