电机与控制2概要

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1、2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,1,电机与控制,任课教师：杨鹏程,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,2,直流电动机,优点： 调速范围：广、易于平滑调速 转矩：起动、制动、过载转矩大 可控性：易于控制、可靠性高 缺点： 换向：限制了直流电动机的极限容量，增加维护工作量 用途： 对调速要求较高的生产机械，如轧钢机、电车、挖掘机械、纺织机等,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,3,基本结构,定子： 机座： 主磁极： 换向级： 电刷,转子： 电枢铁心 电枢绕组 换向器 风扇 转轴 轴承,2019年11月12日星期二,第

2、二章 直流电动机的原理与特性,4,定子机座,作用：导磁和机械支撑，主磁极、换向器以及两个端盖都固定在机座上 材料：一般为导磁效果好的铸钢，小型直流电动机中也有使用后钢板,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,5,定子主磁极,亦称为主级， 作用：在电枢表面外的气隙空间产生一定形状分布的气隙磁通密度 类型：直流电流励磁或永久磁铁 励磁线圈 并励：匝数多，导线细 串励：匝数少，导线粗 各线圈相连称为并励磁绕组和串磁绕组,为什么？,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,6,定子换向器,亦称为附加极 位置：两主磁极之间 作用：改善直流电动机换向 特点：形状

3、比主磁极简单，与电枢绕组串联，匝数少，导线粗,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,7,定子电刷,作用：把电动机转动部分的电流引出到静止的电枢电路或反过来讲静止的电枢电路里的电流引入到旋转的电路里去。 使用方法：与换向器配合使用,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,8,转子电枢铁心,定义：主磁路的一部分，电枢旋转时，铁心中磁通方向发生变化，在铁心中引起涡流与磁滞损耗。 结构： 常用0.5mm的低硅硅钢片或冷轧硅钢片冲片，两面上漆叠装,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,9,转子电枢绕组,电枢线圈：包有绝缘导线绕制而成，

4、也成为元件 电枢绕组：电枢线圈嵌入电枢铁心的槽中，每个元件的两个出线端与换向器的换向片相连，按一定规律连接，构成电枢绕组,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,10,转子其他,换向器：安装在转轴上，有多个换向片组成，每两个换向片中间是绝缘片，换向片数量=线圈元件数 风扇 转轴 轴承,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,11,直流电动机的励磁方式,他励式：直流电源独立供电，永磁 并励式：励磁与电枢绕组电压相同 串励式：励磁电流与电枢绕组电流相等，或是电枢电流的分流 复励式：积复励式（磁通势相同），差复励式（磁通势相反）,2019年11月12日星期

5、二,第二章 直流电动机的原理与特性,12,直流发电机物理模型,1.提供直流励磁电流 2.电枢旋转，电刷固定，电刷A正B负。旋转180度后，ab、cd位置互换 3.换向器起整流作用，与线圈一起旋转，AB两端获得相同的直流电动势,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,13,直流电动机物理模型,导体ab、cd受力：,电磁转矩：,感应电动势：,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,14,直流电动机的额定数据,额定功率、额定电压、额定电流、额定转速、额定励磁电流,例如：Z4-160-11,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,15,

6、直流电动机的机械特性,机械特性：转矩转速特性 固有机械特性： 人为机械特性：,在额定条件下的机械特性 改变条件后的机械特性,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,16,他励电动机的机械特性,U、Ra不变，直线方程 实际情况，稍微下斜的直线,不考虑磁饱和，机械特性硬，转速变化不大 若考虑，负载加大，电枢电流大， 减小， n0增大，略有增加，不如n0影响大，因此对直流电机机械特性影响不大。,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,17,固有机械特性,条件： 电动机电枢两端为额定电压 气隙磁通量为额定值 电枢回路不外串电阻,数学表达式：,2019年11月

7、12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,18,固有机械特性,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,19,人为机械特性,定义：根据生产机械的需要，人为调整直流电动机的电源电压、励磁电流、电枢回路串电阻等参数，直流电动机的机械特性相应地发生变化。,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,20,电枢回路串接电阻,表达式：,特点： 理想空载转速不变 斜率随串电阻的增大成比例增大,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,21,改变电枢电源电压,表达式：,特点： 斜率不变 硬特性不变，各条人为特性相互平行 理想控制转速n0与U成正比

8、,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,22,减小气隙磁通量,表达式：,特点： UUN，理想控制转速n0升高，非线性 斜率加大，非线性 硬特性变软,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,23,串励电动机的机械特性,电枢电流=励磁电流，电动机转速： 电磁转矩： 可得电机速度表达式：,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,24,串励电动机的机械特性,特点： 非线性特征，偏软 电磁转矩很小时转速很高，因此不允许空载运行 电磁转矩与电枢电流平方成正比，起动转矩大，过载能力强,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与

9、特性,25,直流电动机的换向问题,某一元件经过电刷，元件中的电流必然会变换方向 换向不良会在电刷与换向片见产生火花，引起一系列问题 通过安装换向极来克服这一问题,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,26,直流电机起动的基本要求,足够大的起动转矩， 起动电流小， 起动设备简单、经济、可靠,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,27,起动方式,直接起动 电枢回路串电阻起动 降电压起动,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,28,电枢回路串电阻起动,A为起动开始点 B为稳定运行点 1为恒转矩负载曲线 2为起动切换负载曲线 特点

10、： 设备简单，操作方便 起动过程能量消耗大，不适用于频繁起动的大、中型电机,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,29,电枢端降电压起动,A为起动开始点 B为稳定运行点 1为恒转矩负载曲线 2为起动切换负载曲线 特点： 起动过程平滑，能量消耗小 配置专用可调压电源设备费用高,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,30,直流电动机的调速方式,调速方式： 电枢串电阻调速 电枢电源电压调速 弱磁调速,直流电动机转速公式：,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,31,电枢串电阻调速,方式： 保持电源电压与励磁电流为额定值，在电枢回

11、路串入不同电阻值 特点 设备简单调节方便 调速范围在基速与零速之间，效率低 机械特性变软，负载变化产生较大速度变化，稳定性差,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,32,电枢电源电压调速,方式： 电枢回路由可调节的直流电源供电 励磁绕组保持不变，由另一电源供电 特点 机械特性硬度不变，电动机低速稳定性好 可实现转速无级调节，平滑性好，效率高，应用广泛 调压设备费用较高,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,33,弱磁调速,方式： 减小电动机的励磁磁通，使电动机转速升高 特点 调速范围在基速与允许最高转速之间，调速范围有限 恒转矩负载，磁通减少，电

12、流增大，需避免电流过载 设备简单，调节方便，效率高，适合恒功率负载 机械特性变软，转速稳定性差；拖动恒功率负载，可能出现电流过载,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,34,实际中常用调速方法,电枢串电阻调速,电枢电源电压调速,弱磁调速,电枢电源电压调速+弱磁调速,电枢电源电压调速,弱磁调速,电枢串电阻调速,电枢电源电压调速,弱磁调速,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,35,调速性能指标,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,36,调速范围D,电动机在额定转速时，其最高转速与最低转速正比，即,最高速度受电动机换向及机械

13、强度限制 最低转速受转速相对稳定性（静差率）限制,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,37,静差率,也称为速度变化率，指电动机在一条机械特性上额定负载时的转速降落与该机械特性的理想空载转速之比，即,n0相同时，机械特性越硬，额定负载时转速将越小，则越小，转速稳定性越好，负载引起的转速变化越小。 同种调速方法， 大则D大， 小则D小。往往根据要求选择合适的调速方法,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,38,平滑系数,相邻两级转速的接近程度,越接近1，调速平滑性越好 趋于无穷大，平滑性最好，成为无级调速,2019年11月12日星期二,第二章 直流

14、电动机的原理与特性,39,恒转矩调速与恒功率调速方式,恒转矩调速特点：电枢电流不变，电动机的电磁转矩不变，如：他励式直流电动机电枢串电阻调速，改变电枢电压调速方法等,恒功率调速特点：电枢电流不变，电动机的电磁功率不变，如：他励式直流电动机弱磁调速等,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,40,调速经济性,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,41,直流电动机的控制,定义： 通过改变直流电动机电磁转矩T，使其与电动机转速n方向相反，达到电动机制动的目的。,制动方式,制动方式,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,42,能耗制

15、动原理,平稳运行时 制动时，电动机惯性旋转，电枢切割磁场将机械能转化为电能，通过电阻发热消耗掉,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,43,能耗制动机械特性,能耗制动机械特性方程,能耗制动过程： AB0 若拖动的是位能性恒转矩负载，出现反转，至C点稳定运行，称为能耗制动运行,能耗制动机械特性方程,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,44,反接制动原理,电动机电源电压反接，同时接入反接制动电阻，此时电枢电压变化，电枢感应电动势不变,系统减速至0时，应立即断开电源，结束制动。 反接制动过程中，电枢电压反接，电枢电流反向，电源输入功率大于0，电磁功率

16、小于零，机械功率转换为电功率，电源输入功率和机械转换功率通过电阻以发热形式消耗,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,45,反接制动的机械特性,反接制动过程： ABC 若拖动的是反抗性恒转矩负载，C点不立即断开电源，在其作用下，电动机出现反转，至D点稳定运行,反接制动机械特性方程,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,46,电枢串电阻起动调速、能耗制动正反转控制电路,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,47,倒拉反转制动原理,他励直流电动机拖动位能性恒转矩负载处于正向电动运行状态，在电枢回路串入电阻，引起转速减低，当电阻大到一定程度，电机反转，电枢电流,Ia0,T0，电动机靠位能性负载拉着反转，称为倒拉反转制动运行状态 此时电源输入功率为正，电磁功率为负，表明电动机从电源吸收能量，又将机械能转换为电能，并消耗在电阻上,2019年11月12日星期二,第二章 直流电动机的原理与特性,48,倒拉反转制动的机械特性,倒拉反转制动过程： AB C