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1、微特电机及其控制电机控制技术 0 第第2 2章章 直流电机的控制直流电机的控制 直流电机具有良好的起动和制动性能、易于控制和平滑调直流电机具有良好的起动和制动性能、易于控制和平滑调 速、调速范围宽，在许多调速和快速正反向的电力传动系统速、调速范围宽，在许多调速和快速正反向的电力传动系统 中得到了广泛应用。中得到了广泛应用。 近年来，虽然高性能交流电机调速技术发展很快，交流调近年来，虽然高性能交流电机调速技术发展很快，交流调 速系统已逐步取代直流调速系统，但直流调速系统在理论和速系统已逐步取代直流调速系统，但直流调速系统在理论和 实践上都比较成熟，实践上都比较成熟，目前仍有应用目前仍有应用；而且
2、从控制规律的角度；而且从控制规律的角度 来看，直流调速系统来看，直流调速系统又是交流调速系统的基础又是交流调速系统的基础。因此，掌握。因此，掌握 直流电机调速技术是非常必要的。直流电机调速技术是非常必要的。 第第2章章 直流电机的控制直流电机的控制 微特电机及其控制电机控制技术 1 第第2 2章章 直流电机的控制直流电机的控制 本章主要内容本章主要内容 2.1 直流电机结构与原理回顾直流电机结构与原理回顾 2.2 直流电机调速方法直流电机调速方法 2.3 直流调速系统中的可控直流电源直流调速系统中的可控直流电源 2.4 直流直流PWM调速方法调速方法 2.5 直流电机转速单闭环调速系统直流电机
3、转速单闭环调速系统 2.6 直流电机转速和电流双闭环调速系统直流电机转速和电流双闭环调速系统 2.7 直流电机调速系统仿真与设计直流电机调速系统仿真与设计 微特电机及其控制电机控制技术 2 第第2 2章章 直流电机的控制直流电机的控制 本学时主要内容本学时主要内容 2.1 直流电机结构与原理回顾直流电机结构与原理回顾 2.2 直流电机调速方法直流电机调速方法 2.3 直流调速系统中的可控直流电源直流调速系统中的可控直流电源 2.4 直流直流PWM调速方法调速方法 2.5 直流电机转速单闭环调速系统直流电机转速单闭环调速系统 2.6 直流电机转速和电流双闭环调速系统直流电机转速和电流双闭环调速系
4、统 2.7 直流电机调速系统仿真与设计直流电机调速系统仿真与设计 微特电机及其控制电机控制技术 3 2.1 直流电机的原理与数学模型直流电机的原理与数学模型 2.1.1 直流电机的结构直流电机的结构 磁极磁极 励磁绕组励磁绕组 机座机座 转子铁心转子铁心 S N + + + + N + + + + + S + + + 电枢绕组电枢绕组 直流电机由直流电机由 定子定子 (磁极磁极) 、转子转子(电枢电枢) 和机座等部和机座等部 分构成。分构成。 2.1 直流电机的原理与数学模型直流电机的原理与数学模型 微特电机及其控制电机控制技术 4 2.1.1 直流电机的结构直流电机的结构 M 他励他励 Uf
5、 If Ia U M 并励并励 U If M 串励串励 U M 复励复励 U 1. 转子（电枢）转子（电枢） 由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。由铁心、绕组（线圈）、换向器组成。 2. 定子定子 永磁式：由永久磁铁做成。永磁式：由永久磁铁做成。 励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中励磁式：磁极上绕线圈，然后在线圈中 通过直流电，形成电磁铁。通过直流电，形成电磁铁。 微特电机及其控制电机控制技术 5 U + N S 电刷电刷 换向器换向器 I I 2.1.2 直流电机的工作原理直流电机的工作原理 直流直流 电源电源 电刷电刷 换向器换向器 线圈线圈 电刷电刷 换向器换向器 2.1.2 直流电机的工
6、作原理直流电机的工作原理 微特电机及其控制电机控制技术 6 【转矩方程转矩方程】 【电压方程电压方程】 2.1.3 他励直流电机的数学模型他励直流电机的数学模型 aaa UI RE e EC n Ua If Ra + Ia + E eTa TC I ua if RaLa + ia + e （a）动态等效电路）动态等效电路 （b）稳态等效电路）稳态等效电路 aa aaa dduR iLite e eC n eTa TC i 【反电势方程反电势方程】 2.1.3 他励他励直流电机的数学模型直流电机的数学模型 微特电机及其控制电机控制技术 7 ua电枢绕组电压（电枢绕组电压（V）；）； Ua电枢绕组
7、平均电压（电枢绕组平均电压（V）；）； ia电枢绕组电流（电枢绕组电流（A）；）； Ia电枢绕组平均电流（电枢绕组平均电流（A）；）； Ra电枢绕组电阻（电枢绕组电阻（）；）； La电枢绕组电感（电枢绕组电感（H）；）； e电枢绕组中感生反电势（电枢绕组中感生反电势（V）; E电枢绕组中感生反电势平均值（电枢绕组中感生反电势平均值（V）; Ce电动势结构常数（电动势结构常数（V/（Wb r/min）；）； 励磁磁通（励磁磁通（Wb）；）； n电机转速（电机转速（r/min）；）； Te电磁转矩（电磁转矩（N m）；）； CT转矩结构常数转矩结构常数(N m/(Wb A)， 。 Te 60 2
8、CC 2.1.3 他励直流电机的数学模型他励直流电机的数学模型 微特电机及其控制电机控制技术 8 aaa e eTa UI RE EC n TC I 以上公式反映的概念：以上公式反映的概念： (1) 电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变电枢反电动势的大小和磁通、转速成正比，若想改变E，只，只 能改变能改变 或或 n。 (2) 若忽略绕组中的电阻若忽略绕组中的电阻Ra ，则，则 ，可见当外，可见当外 加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变加电压一定时，电机转速和磁通成反比，通过改变 可调速。可调速。 (3) 当当 一定时，一定时，转矩与电枢电流成正比。转矩与电枢电流成正比。 ae
9、 = UEC n 他励直流电机的稳态方程：他励直流电机的稳态方程： 2.1.3 他励直流电机的数学模型他励直流电机的数学模型 微特电机及其控制电机控制技术 9 aaaaa 2 eeT e e UI RUR C C C n C T 是指电机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的是指电机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的 条件下，也就是电机处于条件下，也就是电机处于稳态运行时稳态运行时，电机的转速与电磁转矩，电机的转速与电磁转矩 之间的关系，即之间的关系，即n=f(Te)。 aaa e eTa UI RE EC n TC I (1) 机械特性方程机械特性方程 直流电机在额定条件（直流电
10、机在额定条件（Ua=UN，=N）下和电枢回路不接任何）下和电枢回路不接任何 电阻时的机械特性，称为电阻时的机械特性，称为“固有机械特性”固有机械特性”或或“自然机械特性”自然机械特性”。 2.1.4 他励他励直流电机的机械特性直流电机的机械特性 2.1.4 他励直流电机的机械特性他励直流电机的机械特性 微特电机及其控制电机控制技术 10 n0 n Te0TN nN n Te T1 n1 a 0 e e e a 2 Te R C C U n C T nT 2 eTe a = TC C nR 理想空载转速理想空载转速n0 机械特性硬度机械特性硬度(斜率斜率) 转速降落（速降）转速降落（速降） n=
11、 T1/ (2) 机械特性曲线机械特性曲线 2.1.4 他励直流电机的机械特性他励直流电机的机械特性 人为机械特性？人为机械特性？ 微特电机及其控制电机控制技术 11 【例例2-1】 【例例2-1】一台一台Z2-51型他励直流电动机，已知额定功率型他励直流电动机，已知额定功率 5.5kW，额定电压，额定电压220V，额定电流，额定电流31A，额定转速，额定转速1500r/min， 假设电机在额定负载下的铜耗占总损耗假设电机在额定负载下的铜耗占总损耗P 的的50%，求该电机，求该电机 的固有机械特性。的固有机械特性。 【解析解析】 先求电枢电阻：先求电枢电阻： 由由 2 a 0.5() NNNN
12、 I RU IP a 2 0.5() 0.687 NNN N U IP R I NNa eN N 0.132 (Nm/rpm) UI R C n 再求：再求： 分析：求两点坐标（分析：求两点坐标（0, n0）和（）和（TN, nN） N 0 eN 1661 (r/min) U n C 这样有：这样有： 微特电机及其控制电机控制技术 12 【例例2-1】 1661 n (r/min) Te(Nm) 035 1500 NN N NN 605500 9.5535 (Nm) 21500 PP T n 求额定转矩：求额定转矩： （0, n0）：（）：（0, 1661） （TN, nN）： （35,150
13、0） 得到两组坐标：得到两组坐标： 0 e e 1661 4.6n T nT e 35 =0.217 1661-1500 T n 硬度：硬度： 固有机械特性方程：固有机械特性方程： 微特电机及其控制电机控制技术 13 2.2 直流电机的调速方法直流电机的调速方法 2.2 直流电机的调速方法直流电机的调速方法 有三种方法可以调节电机的转速：有三种方法可以调节电机的转速： （1）改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻 Ra； （2）调节电枢供电电压调节电枢供电电压 Ua ； （3）调节励磁磁通调节励磁磁通 。 下面从下面从调速原理调速原理、机械特性机械特性(人为人为)、效率效率方面进行分析方面进行分析。
14、 e aaa I n C RU 2 aa e eTe UR nT C C C 微特电机及其控制电机控制技术 14 2.2.1 改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速 工作条件工作条件： 保持励磁 = N ； 保持电压 U =UN ； 调节过程调节过程： 增加电阻R(Ra+R) n ，n0不变；不变； 调速特性调速特性： 转速下降，机械特性 曲线斜率变大，特性 变软。 n n0 0 Ia(T e) IL(TL) R a R1 R2 R3 nN n1 n2 n3 变电阻调速特性曲线 N ee a a UR nI CC R 2.2.1 改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速 微特电机及其控制电机
15、控制技术 15 2.2.1 改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速 工作效率工作效率： e in = P P 电机电磁功率 工作效率 输入电功率 NN = ae a EICn U IU L a T T I C 说明：随着转速下降，效率降低！说明：随着转速下降，效率降低！ 负载不变时，则电枢电流保负载不变时，则电枢电流保 持不变，输入电功率也不变，持不变，输入电功率也不变， 但随着转速下降，外加电阻但随着转速下降，外加电阻 损耗加大！损耗加大！ 原因：原因： （1）属于有级调速；）属于有级调速； （2）效率低，只用于小型直流电机调速或大功率直）效率低，只用于小型直流电机调速或大功率直 流电机的起动控制。流电机的起动控制。 特点特点：
