2直流电动机及其控制(1)剖析

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1、1,第2章 直流电动机,2.1 直流电机的构造 2.2 直流电机的基本工作原理 2.3 直流电动机的机械特性 2.4 并励电动机的起动与反转 2.5 并励(他励)电动机的调速 2.6 直流伺服电动机 2.7 直流力矩电动机 2.8 有限转角直流力矩电动机,2,第2章 直流电动机,1. 了解直流电动机的基本构造和工作原理。 2. 掌握他励（并励）和串励直流电动机的电 压与电流的关系式，接线图、机械特性。 3. 搞清他励（并励）和串励直流电动机的起 动、反转和调速的基本原理和基本方法。,本章要求,3,2.1 直流电机的构造,直流电动机虽然比三相交流异步电动机结构复杂，维修也不便，但由于它的调速性能

2、较好和起 动转矩较大，因此，对调速要求较高的生产机械或 者需要较大起动转矩的生产机械往往采用直流电动 机驱动。,直流电机的优点：,(1) 调速性能好, 调速范围广, 易于平滑调节。 (2) 起动、制动转矩大, 易于快速起动、停车。 (3) 易于控制。,应用:,1) 轧钢机、电气机车、中大型龙门刨床、矿山竖井 提升机以及起重设备等调速范围大的大型设备。 2) 用蓄电池做电源的地方，如汽车、拖拉机等,4,2.1.1 直流电动机的构造,极掌,极心,励磁绕组,机座,转子,直流电动机的磁极和磁路,直流电机由定 子(磁极)、转子 (电枢)和机座等 部分构成。,5,2. 转子(电枢) 由铁心、绕组（线圈）、

3、换向器组成。,1. 磁极,励磁: 磁极上的线圈通以直流电产生磁通，称 为励磁。,用来在电机中产生磁场。,6,电机的负载电流，发电机的电势和电动机的转矩都要依靠电枢绕组产生，是电机的中枢和枢纽。 电枢绕组的制造方法是，把带绝缘的铜导线预制成形，在铁心糟内放好绝缘层后将绕组嵌入。 每个绕组元件的两个端头（引出线）按着一定的规律接到换向器上。直流电枢绕组本身自成闭合回路。,7,3换向器和电刷装置,换向器在转子上。 电刷在定子上。 将电刷上的直流 变为绕组内部的交 流 。,8,换向器的作用：导体从一个磁极转到相邻的异性磁极时，改变导体电流方向，保持每个磁极下电流方向不变，使电机连续转动。 转角范围小，

4、不用换向器。 反转：改变电刷电压的极性。 存在的问题：转矩小，波动大。 原因：匝数少（1匝），磁路是空气，磁密低。,9,1. 他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个直流电源供电。,2.1.2 直流电机的分类,直流电机按照励磁方式可分为他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机,2. 并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由一个直流电源供电。,10,4. 复励电动机 励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在同一电源上。,3. 串励电动机 励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。,11,图形符号,12,2.2 直流电机的基本工作原理,13,2.2 直流电机的基本工作原理,直流电从两电刷之间通入电枢

5、绕组，电枢电流方向如图所示。由于换向片和电源固定联接，无论线圈怎样转动，总是S极有效边的电流方向向里, N极有效边的电流方向向外。电动机电枢绕组通电后中受力(左手定则)按顺时针方向旋转。,电刷,换向片,换向器作用： 将外部直流电 转换成内部的 直流电，以保 持转矩方向不 变。,14,线圈在磁场中旋转，将在线圈中产生感应电动势。由右手定则，感应电动势的方向与电流的方向相反。,1. 电枢感应电动势,E=EK n,15,由图可知，电枢感应电动势E与电枢电流或外加电压方向总是相反，所以称反电势。,式中：U 外加电压 Ra 绕组电阻,2. 电枢回路电压平衡式,16,3. 电磁转矩,单位: (韦伯)，Ia

6、 (安) ，T (牛顿米),直流电动机电枢绕组中的电流(电枢电流Ia)与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，直流电机的电磁转矩公式为,4. 转矩平衡关系,电动机的电磁转矩T为驱动转矩, 它使电枢转动。 在电机运行时，电磁转矩必须和机械负载转矩及空 载损耗转矩相平衡，即,T=KT Ia,17,当电动机轴上的机械负载发生变化时，通过电动机转速、电动势、电枢电流的变化，电磁转矩将自动调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。,转矩平衡过程,例：,设外加电枢电压 U 一定，T=T2 (平衡)，此时， 若T2突然增加，则调整过程为,达到新的平衡点(Ia 、 P入) 。,T2 ,n,Ia ,T ,E,18,2

7、.2.1 直流电动机的基本关系式,一、电磁转矩与电枢反电势 由电磁力定律 可以推得直流电机电枢所受到的电磁转矩为 当磁通为常值时该式可写为 由电磁感应定律 可以推得直流电机电枢绕组感应电势（电动机中称为电枢反电势）为 转矩灵敏度，或称转矩系数 反电势系数 采用国际单位制（SI）,19,二、转矩平衡方程式 由转子受力图和力学定律 动态转矩平衡方程式 动态： 静态： 静态转矩平衡方程式,20,加速 减速 匀速,21,三、电压平衡方程式 电枢绕组有电阻和自感，在外磁场中转动时电枢中又有感应电势（电枢反电势），因此电枢回路可用图1-27表示。 动态电压平衡方程式 动态： 静态： 静态电压平衡方程式：,

8、22,四大关系式 动态： 通用： 静态 参数关系,23,四、几点说明 1.感应电势 实际的感应电势是波动的。波动的主要原因是因为实际电机有齿槽存在，电枢导体集中在有限的槽内而不在电枢表面。 感应电势的平均值仍符合前式，瞬时值随着电枢转动而上下波动，如图所示。 波动的频率为齿频率 纹波系数：,24,2.电磁转矩 由于有齿槽，由前式求得的电磁转矩是它的平均值，瞬时转矩是波动的，与电势相同。 槽中磁密较小。 由电磁理论可知铁磁性物质 表面所受磁场作用力与其 法向磁密的平方成正比，方向向外。 有齿槽时，主要是铁心的齿受力。,25,3. 和 的关系 利用能量守恒定律证明 电动机从电源输入的电功率为 电动

9、机做出的总的机械功率为 电枢绕组发出的热能功率为 能量守恒定律：,26,4.电阻 电枢回路总电阻。 包括电枢绕组电阻，电刷接触电阻，电枢回路中存在或故意加入的其他电阻，如功放内阻，调节电阻等。,27,2.3 直流电动机的机械特性,特点: 励磁绕组与电枢并联,由图可求得,由上分析可知：,当电源电压U和励磁回路的电阻Rf一定时, 励 磁电流If和磁通不变，即 = 常数。则,28,令：,T=KT Ia = KT Ia,即：并励电动机的磁通 = 常数，转矩与电枢电流 成正比。,由以下公式,求得,29,式中：,n= f (T) 特性曲线,并励电动机在负载变化时， 转速 n 的变化不大硬机械特性（自然特性

10、）。,改变电枢电压和电枢回路串电阻可得人工特性曲线,30,例: 有一并励电动机，其额定数据如下：P=22KW, UN=110V, nN=1000r/min, = 0.84, 并已知 Rf= 27.5 ，Ra= 0.04 , 试求: (1) 额定电流I , 额定 电枢电流Ia及额定励磁电流If ; (2) 损耗功率PaCu , 及PO ; (3) 额定转矩T; (4) 反电动势E。,解：(1) P2是输出功率，额定输入功率为,额定电流,额定励磁电流,额定电枢电流,31,（2）电枢电路铜损,励磁电路铜损,总损失功率,空载损耗功率,（3）额定转矩,（4）反电动势,32,2.3.1 直流电动机的静态特

11、性与控制方法,一、概述 静态：电流和转速不变。 静态特性：静态时各变量间的关系。 常用静态特性 机械特性：转速与转矩的关系 调节特性：转速与控制量（如电压）的关系,33,电机的电流 电流与转速有关 转速（利用上式）： 调速：改变和控制电动机的转速。 开环调速：电枢电压，磁通，电阻。 电枢控制，输入量是电枢电压（或电流）。 磁场控制，输入量是磁通，激磁电流或电压。,34,二、电枢控制时的机械特性 磁通不变，电枢电压为常数或参变量时转速与电磁转矩的关系。 图象：下垂的直线。 斜率： 理想空载转速 实际空载转速 堵转转矩,35,机械特性硬： 小。 机械特性族：改变电枢 压，平行直线。 电压提高，工作

12、状态变化。 不变，,36,三、电枢控制时的调节特性 电磁转矩为参变量时转速与电枢 电压的关系。平行直线 。 斜率 直线过原点。 始动电压 由摩檫力引起。 起动电流,37,电枢控制的优点：机械特性和调节特性曲线族是平行直线，这表明直流电机是理想的线性元件。 电枢控制的缺点：控制功率 大，要用较大容量的功率放大器。,38,知识回顾,四大关系式 动态： 通用： 静态 参数关系,39,四、磁场控制时的机械特性和调节特性 数学表达式 机械特性：磁通是参变量， 的关系。交叉的直 线。 调节特性：转矩是参变量， 的关系。曲线。 磁场控制时电机是非线性的。 方法：变激磁电压，电流。 优点：控制大功率电机。,4

13、0,2.3.2 并励电动机的调速方法,并励(他励)电动机与异步电动机相比，虽然结 构复杂，价格高，维护也不方便，但在调速性能上 由其独特的优点。,1. 调速均匀平滑，可以无级调速(注：异步机改 变极对数调速的方法叫有级调速)。 2. 调速范围大，调速比可达200 以上(调速比等 于最大转速和最小转速之比）,因此机械变速 所用的齿轮箱可大大简化。,主要优点：,可见直流电机调速方法有三种。,41,可见：在U 一定的情况下，改变可改变转速n 。,一、改变磁通调速,保持电枢电压U不变，改变励磁电流If (调Rf)以改变磁通 。,由式,Rf If n,一般只采用减少励磁电流(减弱磁通)的方法调速, 即,

14、改变磁通调速的方法：,减小磁通，n只能上调。,改变时的机械特性如图。,42,调速过程:,直至T=TC达到新的平衡。,电压U保持一定,减小磁通 。,43,(1)调速平滑，可得到无级调速；但只能向上调，受 机械本身强度所限，n不能太高。 (2) 调速设备简单，经济，电流小，便于控制。 (3) 机械特性较硬，稳定性较好。 (4) 对专门生产的调磁电动机,其调速幅度可达, 例如5302120 r/min及3101240 r/min 。,减小 调速的特点：,(1) 若调速后 Ia 保持不变，电动机在高速运转时其负载转矩必须减小。 (2) 这种调速方法只适用于恒功率调速(如用于切削机 床)。,使用调磁调速

15、时应注意：,44,二、改变电压调速,由转速公式知： 调电压U，n0变化，但斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。,特性曲线,改变电压调速的特点:,(1)工作时电压不允许超过UN ，而n U, 所以调速 只能向下调。,(2)机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳 定性好。,45,(3)均匀调节电枢电压，可得到平滑无级调速。,(4)调速幅度较大。,调速过程:,保持If 为额定,减小电枢电压。,改变电压调速需要用电压可以调节的专用设备，投资费用较高。 近年来已普遍采用晶闸管整流电源对电动机进行调压和调磁，以改变它的转速。,46,例: 有一他励电动机， 已知U=220V , Ia=53.8A, n=

16、1500r/min Ra=0.7 。今将电枢电压降低一 半，而负载转矩不变，问转矩降低多少？,解: 由T=KT Ia可知，在保持负载转矩和励磁电 流不变的条件下，电流也保持不变。,电压降低后的转速n对原来的转速n之比为,47,三、电枢回路串电阻调速,电枢中串入电阻,使 n 、 n0不变，即电机的特性曲线 变陡(斜率变大)，在相同力 矩下,n。特性曲线如图。,Ra,电枢回路串电阻调速需 在电枢中串入专用电阻，电阻增大则转速下降， 因此 n 只能下调。,特点：(1) 设备简单，操作方便。,(2)机械特性软，稳定性差。,(3)能量损耗大，只用于小型直流机。,Ra + R,48,1.额定功率PN: 电机轴上输出的机械功率。,2.额定电压UN : 额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：110V，220V