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第1章常用控制电机本讲稿第一页，共六十七页1.1直流电机结构与工作原理v直流电机是通以直流电流的旋转电机，是电能和机械能相互转换的设备。将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。v直流电机是建立在电磁感应定律和电磁力定律的基础上工作的。电磁感应定律的内容是导体在磁场中做切割磁力线的运动会产生感应电动势，形成感应电流；电磁力定律的内容是通电导体在磁场中会受到电磁力（或安培力）的作用。本讲稿第二页，共六十七页一、直流电机基本结构 由定子和转子两个基本部分组成。1.定子v定子是电机中静止不动的部分。主要由主磁极、换向磁极、机座、端盖和电刷装置等组成。v主要作用：产生主磁场、支撑作用。本讲稿第三页，共六十七页本讲稿第四页，共六十七页（1）主磁极 v组成：由主磁极铁心、励磁绕组组成v作用：产生主磁场（2）换向磁极 v换向磁极也是由铁心和换向磁极绕组组成，位于两主磁极之间，是比较小的磁极。v作用：是产生附加磁场，以改善电机的换向条件，减小电刷与换向片之间的电弧火花。（3）机座 v机座由铸钢或厚钢板制成。v作用：来安装主磁极和换向磁极等部件和保护电机，它既是电机的固定部分，又是电机磁路的一部分。（4）电刷装置v作用：支持转子的转轴，固定电刷架。本讲稿第五页，共六十七页2.转子v转子（电枢）的组成：主要由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。（1）铁心：由0.5厚硅钢片叠压而成。v作用：用来嵌放电枢绕组，是直流电机磁路的一部分。（2）电枢绕组：由绝缘导线绕制的电枢线圈组成。作用是产生感应电动势和电磁转矩。（3）换向器：换向器又称整流子，其作用是将直流电动机输人的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，进而产生恒定方向的电磁转矩，或是将直流发电机电枢绕组中的交变电动势转换成输出的直流电压。本讲稿第六页，共六十七页3.气隙v气隙是电机磁路的重要部分。转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙，称为工作气隙。气隙大小对电机性能有很大影响。本讲稿第七页，共六十七页二、直流电机工作原理1、直流发电机工作原理 1）简单模型简介：vN，S静止磁场，产生磁通（定子）v电枢绕组线圈abcdv换向器固定在转轴上且与转轴绝缘的两个铜质的半圆环（电枢又叫转子，它包括电枢铁心、绕组、换向器）v电刷与换向片滑动接触，是旋转的线圈与外界静止的电路相连接。本讲稿第八页，共六十七页本讲稿第九页，共六十七页2）基本工作原理：a.电磁感应定律的应用（右手定则）b.换向器的作用：保证流出的电流方向不变（直流电）c.简述基本工作原理：（核心：机械能转换成电能）v当原动机以某一转速拖动转子（电枢）旋转起来，在磁场中电枢绕组切割磁力线，产生感应电动势，形成感应电流，通过电刷流过负载，实现机械能转换成电能。本讲稿第十页，共六十七页2、直流电动机工作原理1）工作模型：内部结构与直流发电机（主磁场、电枢绕组、换向器、电刷）一样，外部串接直流电源。本讲稿第十一页，共六十七页本讲稿第十二页，共六十七页2）基本工作原理：a.利用电磁力定律（左手定则）b.换向器的作用：保证转子旋转方向不变c.简述基本工作原理：（核心：电能转换成机械能）v当电流经过电刷流入电枢绕组，通电导体在磁场中会受到电磁力的作用，形成电磁转矩驱动转子旋转起来，实现了电能转换成机械能。本讲稿第十三页，共六十七页3、电机的特点：v可逆性既可作发电机又可作电动机使用v主要原因：内部结构一样v辨别方法：查看外部条件，发电机一般接负载；电动机一般接电源。本讲稿第十四页，共六十七页4、直流电机转子电动势1）概念v转子电动势：转子绕组切割磁力线而产生的感应电动势。2）表达式v每根导体的感应电动势：e:感应电动势(V)B:电磁感应强度(T)L:每根导体的有效长度(m)v:转子转动线速度(m/s)本讲稿第十五页，共六十七页v直流电机转子电动势：a:转子电动势(V)Ce:转子电动势系数 :每极磁通(Wb)n:电动机转速(r/min)本讲稿第十六页，共六十七页、直流电机电磁转矩1）概念v电磁转矩：直流电通入转子绕组后，在主磁场的作用下，使得转子绕组的导体受到电磁力F的作用而形成的转矩。2）表达式v每根导体的电磁力：F：产生的电磁力(N)B：电磁感应强度(T)I：每根导体中的电流，与转子电流a成正比(A)L：每根导体的有效长度(m)本讲稿第十七页，共六十七页v直流电机电磁转矩：e:电磁转矩(N.m)Cm:电磁转矩系数 :每极磁通(Wb)Ia:转子电流(A)本讲稿第十八页，共六十七页v电动势系数Ce与电磁转矩系数Cm间的关系：v直流电动机额定转矩：TN:额定转矩(N.m)PN:额定功率(W)nN:额定转速(r/min)本讲稿第十九页，共六十七页v补充补充：直流电动机中，转子旋转起来会切割磁力线，产生感应电动势，这被称为电枢电动势Ea，判断它的方向与电源输入的电流方向相反，称为反电动势v直流发电机中，电枢绕组中有了感应电流，在磁场中又会受到电磁力的作用，电磁力所形成的电磁转矩T与转子的运动方向相反，阻碍运动，被称为制动转矩（或阻转矩）v在工作原理中重要的两个参数的不同作用：v 直流电动机 直流发电机v T 驱动转矩 阻转矩v Ea 反电动势 相当于直流电源本讲稿第二十页，共六十七页1.2 直流电机的励磁方式和铭牌一、直流电机的励磁方式v1励磁方式：直流电机的励磁绕组的供电方式。v2直流电机种类：按励磁方式分为有（1）他励直流电机；（2）并励直流电机；（3）串励直流电机；（4）复励直流电机等四种。本讲稿第二十一页，共六十七页本讲稿第二十二页，共六十七页二、直流电机的铭牌 每台直流电机的机座上都有一个铭牌，其上标有电机型号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件。本讲稿第二十三页，共六十七页 （1）电机型号：表明电机的系列及主要特点。知道了电机的型号，便可从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。本讲稿第二十四页，共六十七页v（2）额定功率PN：指电机在额定运行时的输出功率。v 对发电机是指明输出电功率PNUNINv 对电动机是指明输出的机械功率PNUNINNv（3）额定电压UN：指额定运行状况下，直流发电机的输出 电压或直流电动机的输入电压。v（4）额定电流IN：指额定电压和额定负载时允许电机长期输入（电动机）或输出（发电机）的电流。v（5）额定转速nN：指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。v（6）电动机额定效率N：指直流电动机额定输出功率PN与电动机额定输入功率P1UNIN比值的百分数。本讲稿第二十五页，共六十七页1.3 直流电动机的基本平衡方程与机械特性一、直流电动机的基本平衡方程式 各物理量正方向的规定如图所示：电枢电动势Ea为反电势，与电枢电流Ia方向相反；电磁转矩Te为拖动转矩，方向与电动机转速n的方向一致；TL为负载转矩；T0为空载转矩，方向与n方向相反。本讲稿第二十六页，共六十七页本讲稿第二十七页，共六十七页 式中U电枢电压（V）Ia电枢电流（A）Ra电枢电阻（）e电磁转矩（N.m)L负载转矩（N.m)0空载转矩（N.m)本讲稿第二十八页，共六十七页二、功率平衡方程式二、功率平衡方程式1直流电动机损耗按其性质可分：v（1）机械损耗（机械摩擦损耗）Pemv（2）铁心损耗PFev（3）铜损Pcuv（4）附加损耗Psv空载损耗P0=Pem+PFev直流电动机总损耗P为P=Pem+PFe+Pcu+Ps本讲稿第二十九页，共六十七页2直流电动机输入的电功率为：vP1=UIa=（Ea+IaRa）Ia=EaIa+Ia2Ra=Pm+Pcuv上式说明：输入的电功率一部分被电枢绕组消耗（电枢铜损）一部分转换成机械功率（电磁功率）。3直流电动机输出的机械功率为：vP2=Pm-PFe-Pem-PS=Pm-P0-PS=P1-P 4直流电动机的效率为：5他励直流电动机的功率平衡关系可用功率流程图来表示。本讲稿第三十页，共六十七页本讲稿第三十一页，共六十七页三、转矩平衡方程式e电磁转矩（N.m)L负载转矩（N.m)0空载转矩（N.m)本讲稿第三十二页，共六十七页四、他励直流电动机的机械特性v 直流电动机的机械特性：是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(Te)。1.他励直流电动机机械特性方程式（1）机械特性方程式还可以写成n0理想空载转速本讲稿第三十三页，共六十七页一械特性斜率n转速降（2）机械特性曲线图 本讲稿第三十四页，共六十七页本讲稿第三十五页，共六十七页2.他励直流电动机的固有机械特性v当他励直流电动机的电源电压、磁通为额定值，电枢回路未接附加电阻Rad时的机械特性称为固有机械特性，其特性方程为v由于电枢绕组的电阻Ra阻值很小，而N值大，因此n很小，固有机械特性为硬特性。本讲稿第三十六页，共六十七页3.他励直流电动机的人为机械特性v人为地改变电动机气隙磁通、电源电压U和电枢回路串联电阻Rad等参数，获得的机械特性。（1）电枢回路串接电阻Rad时的人为特性人为机械特性方程为:v人为机械特性的特点为:va.理想空载转速n0保持不变；vb.机械特性的斜率随Rad的增大而增大，特性曲线变软。本讲稿第三十七页，共六十七页v上图为不同Rad时的一组人为机械特性曲线。v从图中可以看出改变电阻Rad大小，可以使电动机的转速发生变化，因此电枢回路串电阻可用于调速。本讲稿第三十八页，共六十七页（2）改变电源电压时的人为机械特性人为机械特性方程为：v人为机械特性的特点为va.理想空载转速n0正比于电压U，U下降时，n0成正比例减小；vb.特性曲线斜率p不变。v如下图为调节电压的一组人为机械特性曲线，它是一组平行直线。因此，降低电源电压也可用于调速，U越低，转速越低。本讲稿第三十九页，共六十七页（3）改变磁通时的人为机械特性人为机械特性方程式为：v人为机械特性的特点是：va.理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通，n0升高；vb.斜率与磁通二次方成反比，减弱磁通使斜率增大。本讲稿第四十页，共六十七页v如下图所示为一组减弱磁通的人为机械特性曲线，随着减弱，n0升高，曲线斜率变大。若用于调速，则越小，转速越高。本讲稿第四十一页，共六十七页1.4 直流电动机的起动和反转一、直流电动机的起动v电动机的起动：指电动机接通电源后，转速由零上升到稳定转速的过程。v直流电动机的起动要求：在保证起动转矩足够大的前提下，尽量减小起动电流。v常用的起动方法：全压起动、减压起动、转子回路串电阻起动。本讲稿第四十二页，共六十七页1全压起动v（1）全压起动：是在电动机磁场磁通为N情况下，在电动机电枢上直接加以额定电压的起动方式。v 起动电流Ist为：v 起动转矩Tst为：本讲稿第四十三页，共六十七页（2）他励直流电动机不允许直接全压起动v 因为他励直流电动机电枢电阻Ra阻值很小，额定电压下直接起动的起动电流很大，通常可达额定电流的1020倍，起动转矩也很大。过大的起动电流引起电网电压下降，影响其他用电设备的正常工作，同时电动机自身的换向器产生剧烈的火花。而过大的起动转矩可能会使轴上受到不允许的机械冲击。所以全压起动只限于容量很小的直流电动机。本讲稿第四十四页，共六十七页2减压起动 v减压起动：是起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流Ist的起动方式。v起动电流通常限制在(0.52)IN内，则起动电压应为：v一般，广泛应用的是大功率半导体器件组成的可控整流电源。本讲稿第四十五页，共六十七页v3电枢回路串电阻起动v电枢回路串电阻起动：是电动机电源电压为额定值且恒定不变时，在电枢回路中串接一个起动电阻Rst的起动方式，此时Ist为：本讲稿第四十六页，共六十七页本讲稿第四十七页，共六十七页二、他励直流电动机反转v直流电动机反转的方法有以下两种：v（1）改变励磁电流方向 保持电枢两端电压极性不变，将电动机励磁绕组反接，使励磁电流反向，从而使磁通中方向改变。v（2）改变电枢电压极性 保持励磁绕组电压极性不变，将电动机电枢绕组反接，电枢电流Ia即改变方向本讲稿第四十八页，共六十七页1.5 他励直流电动机的调速v由直流电动机转速特性方程：v可发现：直流他励电动机的调速方法有：（1）降压调速；（2）电枢回路串电阻调速；（3）减弱磁通调速三种。本讲稿第四十九页，共六十七页一、改变电枢电路串联电阻的调速一、改变电枢电路串联电阻的调速 v电枢回路串接电阻Rad时的人为机械特性曲线如下图所示。v1电枢串电阻的特点：vl）是基速以下调速，且串入电阻越大特性越软。v2）是有级调速，调速的平滑性差。v3）调速电阻消耗的能量大，不经济。v4）电枢串电阻调速方法简单，设备投资少。v2适用范围：适用于小容量电动机调速。但调速电阻不能用起动变阻器代替。本讲稿第五十页，共六十七页本讲稿第五十一页，共六十七页二、降低电枢电压调速v降低电枢电压后的人为机械特性曲线如下图所示。v降压调速的特点：1）调速性能稳定，调速范围广。2）调速平滑性好，可实现无级调速。3）损耗减小，调速经济性好。4）调压电源设备较复杂。本讲稿第五十二页，共六十七页本讲稿第五十三页，共六十七页三、减弱磁通调速v减弱磁通调速称为弱磁调速，机械特性方程为：v减弱磁通调速的人为机械特性曲线如下图所示v减弱磁通调速的特点：l）调速范围不大。2）调速平滑，可实现无极调速。3）能量损耗小。4）控制方便，控制设备投资少。本讲稿第五十四页，共六十七页本讲稿第五十五页，共六十七页v他励直流电动机调速性能和应用场合如下表所示。本讲稿第五十六页，共六十七页1.6 他励直流电动机的制动 v 他励直流电动机的电气制动：是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动。v v 常用的电气制动方法有：能耗制动、反接制动和发电回馈制动。本讲稿第五十七页，共六十七页一、能耗制动一、能耗制动v1制动原理：能耗制动是把正处于电动机运行状态的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻Rbk上构成闭合回路。控制电路如下图a所示。v能耗制动开始瞬间电动机电枢电流为：v 在制动过程中，电动机把拖动系统的动能转变为电能并消耗在电枢回路的电阻上，故称为能耗制动。本讲稿第五十八页，共六十七页本讲稿第五十九页，共六十七页2机械特性v能耗制动的机械特性方程：本讲稿第六十页，共六十七页二、反接制动v反接制动有（1）电枢反接制动（2）倒拉反接制动两种方式。1.电枢反接制动v（1）制动原理：电枢反接制动是将电枢反接在电源上，同时电枢回路要串接制动电阻Rbk。控制电路如下图所示。v反接制动开始瞬间电动机电枢电流Ia为v（2）机械特性本讲稿第六十一页，共六十七页本讲稿第六十二页，共六十七页2.倒拉反接制动（1）制动原理：电动机运行在固有机械特性的a点下放重物时，电枢电路串入较大电阻Rbk，电动机转速因惯性不能突变，工作点过渡到对应的人为机械特性的b点上，此时电磁转矩TTL电动机减速沿特性曲线下降至c点。在负载转矩的作用下转速n反向，Ea为负值，电枢电流为正值，电磁转矩为正值与转速方向相反，电动机处于制动状态。称为倒拉反接制动。（2）机械特性：倒拉反接制动的机械特性方程式为或本讲稿第六十三页，共六十七页本讲稿第六十四页，共六十七页v由特性曲线可知，倒拉反接制动下放重物的速度随串人电阻Rbk大小而异，制动电阻越大，特性越软，下放速度越快。v综上所述，电动机进入倒拉反接制动状态必须有位能负载反拖电动机，同时电枢回路必须串入较大的电阻。此时位能负载转矩为拖动转矩，而电动机的电磁转矩是制动转矩，它抑制重物下放的速度，使其安全下放。本讲稿第六十五页，共六十七页v三、发电回馈制动v发电回馈制动：当电动机转速高于理想空载转速，即nno 时，电枢电动势Ea大于电枢电压U，电枢电流，电 磁转矩T为制动性质转矩，电动机向电源回馈电能，此时电机运行状态称为发电回馈制动。v应用：位能负载高速下放和降低电枢电压调速等场合。本讲稿第六十六页，共六十七页v直流电动机制动形式比较：本讲稿第六十七页，共六十七页