直流电机(机电传动控制)

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机电传动控制2第1章直流电机·第二部分①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；基本要求②掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；③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；④学会用机械特性的四个象限分析直流电动机运行状态；⑤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。学习重点理解基础拓展应用控制电动机选择电动机机电传动控制3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。重点难点机电传动控制4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:①直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。②直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。③直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。④由于存在换向器，其制造复杂，成本较高。⑤直流电动机存在直流电源问题。机电传动控制5第1章直流电机概述直流电机的铭牌数据额定条件下电机所能提供的功率NP额定功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机:是指输出额定电压；电动机:是指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压NU额定电压在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速.Nn额定转速fNI额定励磁电流对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流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。在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流NI额定电流机电传动控制6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机电传动控制7第1章直流电机主磁极: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机电传动控制8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换向器电刷装置主磁极换向磁极端盖风扇机座电枢绕组电枢铁心1-1直流电机的基本结构与工作原理机电传动控制9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机电传动控制10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机电传动控制11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机电传动控制12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电刷端外加直流电压电磁转矩驱动电枢旋转原动机拖动电枢旋转电刷端引出直流电源1-1直流电机的基本结构与工作原理机电传动控制13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机电传动控制14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Bev右手定则1-1直流电机的基本结构与工作原理机电传动控制15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①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）；②原动机拖动电枢以转速n(r/min)旋转；③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；④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机电传动控制16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机电传动控制17左手定则Bfi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转子如何旋转？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机电传动控制18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ff1-1直流电机的基本结构与工作原理机电传动控制19①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φ（称为励磁磁场，主磁场）；②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。③载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用（左手定则）；④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机电传动控制20U-外加电枢电压(V)Ia-电枢电流(A)Ra-电枢电阻(Ω)Φ-一对磁极的磁通(Wb)T-电磁转矩(N·m)TL-负载转矩(N·m)T0-空载损耗转矩(N·m)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(Ω)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(转子)电枢回路(定子)励磁回路机电传动控制21第1章直流电机二、直流电机的工作原理(1)转矩方程式T＝KtΦIa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＝KeΦn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U＝E＋IaRa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(转子)电枢回路(定子)励磁回路机电传动控制22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机电传动控制23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(转子)电枢回路(定子)励磁回路机电传动控制24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：n＝f（T）以直流他励电动机为例，说明：①直流他励电动机的机械特性表达式②直流他励电动机的固有机械特性③直流他励电动机的人为机械特性机电传动控制25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(转子)电枢回路(定子)励磁回路机电传动控制26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＝KtΦIa(2)电势方程式E＝KeΦn(3)电压平衡方程式U＝E＋IaRa——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n0-实际空载转速′nnTKKRKUnteae02ΦΦ理想实际机电传动控制27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转速降落△n的意义：电枢电阻Ra消耗能量的大小运行过程中相对稳定性的好坏他励电动机的机械特性曲线n0-理想空载转速nnTKKRKUnteae02ΦΦ——机械特性的硬度表示：曲线的平直程度大的为硬特性，倾斜程度小，小的为软特性，倾斜程度大。ateRKKnTdndT2100％)]([2ΦteaKKR曲线的斜率：为转矩对转速的导数，即曲线的斜率的倒数。机电传动控制28机械特性硬，转速降落小运行稳定性好。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转速降落△n的意义：电枢电阻Ra消耗能量的大小运行过程中相对稳定性的好坏他励电动机的机械特性曲线nnTKKRKUnteae02ΦΦ——机械特性的硬度表示：曲线的平直程度静差度（见第4章）电动机运行时转速的稳定程度的技术指标△n1nN1大的为硬特性，倾斜程度小，小的为软特性，倾斜程度大。硬度大稳定性好机电传动控制29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R＝Ra，(附加Rad＝0)电枢电压U＝UN，磁通Φ＝ΦN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）TKKRKUnNteaNeN2ΦΦ2aeetRUnTKKKΦΦ机械特性表达式机电传动控制30第1章直流电机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人为地改变三个量U、Φ、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。①电枢串电阻时的人为机械特性②降低电枢电压时的人为机械特性③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。TKKRKUnteae2ΦΦ根据机械特性表达式:机电传动控制31第1章直流电机1-3直流电动机的机械特性①电枢串电阻时的人为机械特性保持U＝UN、Φ＝ΦN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，β变小；（2）Rad越大，特性越软。(Rad1＜Rad2)TKKRKUnNteaNeN2ΦΦ固有机械特性三、直流他励电动机的人为机械特性TKKRRKUnNteadaNeN2ΦΦ机电传动控制32第1章直流电机1-3直流电动机的机械特性②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R＝Ra、Φ＝ΦN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(UN＞U1＞U2)TKKRKUnNteaNe2ΦΦ