机电传动控制[1]1111.ppt

目录第二章,第二章直流电机的工作原理及特性2.1直流电机的基本结构和工作原理2.2直流发电机2.3直流电动机的机械特性2.4直流他励电动机的启动特性2.5直流他励电动机的调速特性2.6直流他励电动机的制动特性,第二章直流电机的工作原理及特性,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；掌握直流电动机的机械特性，特别是人为机械特性；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；学会用机械特性的四个象限分析直流电动机运行状态；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。,第二章直流电机的工作原理及特性,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。,第二章直流电机的工作原理及特性,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:直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。由于存在换向器，其制造复杂，成本较高。直流电动机存在直流电源问题。,第二章直流电机的工作原理及特性,直流电机的铭牌数据,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。,概述,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,永磁直流电动机,直流电动机,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,一、直流电机的基本结构,直流电机的剖面图,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,直流电机的可逆性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。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,右手定则,1、直流发电机的工作原理,直流发电机工作原理图,电磁定律,一般电动机主要由两部分组成：固定部分称为定子，旋转部分称为转子。动机的工作原理是建立在电磁感应定律、全电流定律、电路定律和电磁力定律等基础上的。当磁极沿顺时针方向旋转，磁极的磁力线切割转子导条，导条中就感应出电动势。电动势的方向由右手定则来确定。因为运动是相对的，假如磁极不动，转子导条沿逆时针方向旋转，则导条中同样也能感应出电动势来。在电动势的作用下，闭合的导条中就产生电流。该电流与旋转磁极的磁场相互作用，而使转子导条受到电磁力F，电磁力的方向可用左手定则确定。由电磁力进而产生电磁转矩，转子就转动起来。,电枢反应,电枢反应对称负载时，电枢磁动势对主极磁场基波产生的影响，这种现象称为电枢反应。当电枢绕组中没有电流通过时，由磁极所形成的磁场称为主磁场，近似按正弦规律分布。当电枢绕组中有电流通过时，绕组本身产生一个磁场，称为电枢磁场。电枢磁场对主磁场的作用将使主磁场发生畸变,产生电枢反应;(1)纯电阻性负载时的电枢反应电枢磁场的电动势与电流相位相同，电枢磁场使主磁场发生畸变，一半加强，一半削弱；（2）纯电感性负载时的电枢反应电枢磁场的电流滞后于电动势90度，电枢磁场产生的电动势与主磁场产生的电动势方向相反，因此削弱了主磁场电动势，这就是为什么三相电路中含有电感性元件时电压下降的原因；这时叫做纵轴去磁电枢反应（3）纯电容性负载时的电枢反应电枢磁场的电流超前于电动势90度，因电枢磁场与主磁场成90度，电枢磁场产生的电动势与主磁场产生的电动势方向相同，因此加强了主磁场电动势，这就是为什么三相电路中含有电容性元件时端电压上升的原因；这时叫做纵轴辅助磁电枢反应。电枢反应对直流电机的工作影响很大，使磁极半边的磁场加强；另半边的磁场减弱，负载越大，电枢反应引起的磁场畸变越强烈，其结果将破坏电枢绕组元件的正常换向，易引起火花，使电机工作条件恶化。同时电枢反应将使极靴尖处磁通密集，造成换向片间的最大电压过高，也易引起火花甚至造成电机环火。削弱电枢反应影响的方法:加装附加磁极以便使畸变的磁通得以补偿。对大型电机，在主磁极的顶部加装补偿绕组可使磁通分布畸变得以修正。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,1、直流发电机的工作原理,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）；原动机拖动电枢以转速n(r/min)旋转；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；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。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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,直流电动机工作原理图,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,转子如何旋转？,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,直流电动机工作原理图,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,2、直流电动机的工作原理,线圈受力方向,直流电动机原理图,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,2、直流电动机的工作原理,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,2、直流电动机的工作原理,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）；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。载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用（左手定则）；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。,U外加电枢电压(V)Ia电枢电流(A)Ra电枢电阻()一对磁极的磁通(Wb)T电磁转矩(Nm)TL负载转矩(Nm)T0空载损耗转矩(Nm),第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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()Kt、Ke与电机结构有关的常数,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,二、直流电机的工作原理,3、直流电动机的基本方程式,(1)转矩方程式TKtIa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EKen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UEIaRa外加电枢电压为电枢的反电势和电阻压降所平衡。,直流电机,自励式,他励式,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,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,第二章直流电机的工作原理及特性,2.1直流电机的基本结构和工作原理,(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,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3直流电动机的机械特性,直流他励电动机原理电路图,基本电路,串接附加电阻电路,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3直流电动机的机械特性,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TKtIa(2)电势方程式EKen(3)电压平衡方程式UEIaRa,机械特性的一般表达式,他励电动机的机械特性,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3直流电动机的机械特性,一、直流他励电动机的机械特性表达式,其中：n0为理想空载转速n0为实际空载转速n为转速降,为机械特性的硬度，表示机械特性的平直程度。大的为硬特性，倾斜程度小，小的为软特性，倾斜程度大。,定义：,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3直流电动机的机械特性,一、直流他励电动机的机械特性表达式,注意：在一些教材中表示如下,为机械特性的斜率，表示机械特性的平直程度。小的为硬特性，倾斜程度小，大的为软特性，倾斜程度大。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3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,电枢电路的电阻RRa，(附加电阻Rad0)电枢电压UUN，磁通N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）。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3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、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。电枢串电阻时的人为机械特性降低电枢电压时的人为机械特性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。,根据机械特性表达式:,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3直流电动机的机械特性,电枢串电阻时的人为机械特性,保持UUN、N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，变小；（2）Rad越大，特性越软。,三、直流他励电动机的人为机械特性,固有机械特性,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3直流电动机的机械特性,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RRa、N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,固有机械特性,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3直流电动机的机械特性,减弱励磁磁通时的人为机械特性,保持RRa、UUN不变，只改变励磁回路调节电阻Rf的人为特性。增大励磁电阻,即减少励磁电流时，使磁通减少。减少称为弱磁。特点：（1）弱磁，n0增大；（2）弱磁，减小。,三、直流他励电动机的人为机械特性,固有机械特性,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3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,三种人为机械特性的比较,固有机械特性,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3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,直流他励电动机的启动特性降压启动电枢电路串电阻启动,直流他励电动机的调速特性改变电枢电压调速改变励磁磁通调速电枢电路串电阻调速,直流他励电动机的制动特性反馈制动正向反馈制动反向反馈制动反接制动电源反接制动倒拉反接制动能耗制动反抗性恒转矩负载位能性恒转矩负载,第二章直流电机的工作原理及特性,2.3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,直流他励电动机电路原理图,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,起动过程：电动机接上电源从静止状态转动起来到达稳态运行的过程。起动要求：起动转矩Tst要足够大因Tst足够大，使TstTL，加速度(dn/dt)0，保证电动机能起动，且使起动过程时间较短，从而提高生产效率；起动电流Ist不要太大因Ist太大，会造成换向困难，产生强烈火花，而且与此电流成正比的转矩还会产生较强的转矩冲击，可能损坏拖动系统的传动机构。也就是起动转矩Tst不能太大。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,起动方法：直流他励电动机起动时，必须先建立起磁场，即先加励磁电压、通励磁电流，再加电枢电压。由转矩方程式TKtIa可知，起动转矩Tst=KtIst。为了使Tst较大而Ist又不致太大，起动时应将励磁回路的调节电阻Rf调至最小，使磁通为最大。由电压平衡方程式UE(Ia/Ra)可知，Ia(UE)/Ra在启动瞬间，因n0，E0，UUN，故IstUNRa，可见直接起动的起动电流Ist很大。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,起动方法：直接起动因为直接加额定电压起动的起动电流很大，除了小容量的电动机可采用直接起动的方法外，一般直流电动机都不采用这种方法。限流起动由启动电流IstURa可知，常用的启动方法有两种：降压启动使电枢电压由Ust逐渐升至UN。起动效果好但需专用设备。电枢电路串接外加电阻启动使外电阻由最大逐步减至零。起动设备简单但效果一般。,起动方法：限流起动降压启动,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,分析启动过程,依据特性图方程式,调压设备,起动方法：限流起动降压启动,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,机械特性,转矩,电势,电压平衡,依据特性图方程式,调压设备,UstU1IaTTTst，到C点。在B点，,起动方法：限流起动降压启动,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,到B点，TTLTIaEnTTstTL、UUst在A点，,B点A点,B点C点,式中：U-外加电枢电压E-电枢的反电势IaRa-电阻压降,C点额定工作点：依次重复下述步骤,起动方法：限流起动降压启动,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,可以参考教材第31、32页的内容，详细说明使电枢电压由Ust逐渐升至UN的过程。,注意,思考,如何分析使电枢电压由UN逐渐降至Ust的过程？,式中：U-外加电枢电压E-电枢的反电势IaRa-电阻压降,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,起动方法：限流起动电枢电路串接外加电阻启动当起动转矩大于负载转矩，电动机开始转动；此时E0，则Ia(UE)（RaRst）,起动电流较小；随着转速的升高，反电动势E不断增大，起动电流继续减小，但是，同时起动转矩也在减小。所以，为了在整个起动过程中，保持一定的起动转矩，加速电动机的起动过程，可以采用将起动电阻一段一段逐步切除，最后电动机进入稳态运行时，起动电阻应被完全切除。,第二章直流电机的工作原理及特性,2.4直流他励电动机的启动特性,电路图,特性图,电枢电路串接外加电阻启动,如何控制电阻？,第二章直流电机的工作原理及特性,2.5直流他励电动机的调速特性,调速：根据生产机械要求，人为地改变电动机的转速。直流电动机具有良好的调速性能。根据直流电动机转速方程：,直流他励电动机的调速方法有三种：调压调速：改变电枢外加电压U调磁调速：改变励磁磁通调阻调速：在电枢电路中外串附加电阻Rad,第二章直流电机的工作原理及特性,2.5直流他励电动机的调速特性,这种调速方法的主要特点是：可以在额定转速nN以下平滑无级调速；由于调压时机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围Dnmaxnmin较大；可以与电动机启动时共用一套调压设备；为了充分利用电动机，希望在调速过程中维持电枢电流Ia不变，即电动机转矩TKtNIa不变，所以调压调速适合于恒转矩调速。这种调速方法用得最多。,一、改变电枢外加电压U调速,调压设备,（UNU1U2）,第二章直流电机的工作原理及特性,2.5直流他励电动机的调速特性,工作条件：保持励磁=N保持电阻R=Ra调节过程：改变电压UNUUn，n0调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移,一、改变电枢外加电压U调速,调压调速用于nN以下恒转矩调速,第二章直流电机的工作原理及特性,2.5直流他励电动机的调速特性,这种调速方法的主要特点是：通过弱磁在额定转速以上平滑无级调速；调速范围不大，普通他励电动机：nmax1.2nN为了充分利用电动机，希望在调速过程中维持电枢电流Ia不变，即功率PUIa不变，所以调磁调速适合于恒功率调速。此情况下电动机转矩TKtIa随主磁通的减小而减小。基于弱磁调速范围不大，所以很少单独用它，有时为了扩大调速范围，将它和调压调速配合使用，即：在nN以下，用降压调速；在nN以上，则用弱磁调速。,二、改变励磁磁通调速,调磁设备,调压设备,N12,第二章直流电机的工作原理及特性,2.5直流他励电动机的调速特性,工作条件：保持电压U=UN；保持电阻R=Ra；调节过程：减小励磁Nn，n0调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。,二、改变励磁磁通调速,调磁调速用于nN以上恒功率调速,第二章直流电机的工作原理及特性,2.5直流他励电动机的调速特性,工作条件：保持励磁=N；保持电压U=UN；调节过程：增加电阻RaRRn，n0不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。,三、在电枢电路中外串附加电阻Rad调速,（Rad1Rad2）,此法缺点多已很少采用,第二章直流电机的工作原理及特性,三、调阻调速,二、调磁调速,一、调压调速,比较,2.5直流他励电动机的调速特性,改变电枢外加电压U用于nN以下恒转矩调速,改变励磁磁通用于nN以上恒功率调速,电枢电路串接外加电阻Rad此法缺点多已很少采用,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,实现制动有两类方法，即机械制动和电磁制动。电磁制动：在制动时使电动机产生与其旋转方向相反的电磁转矩。其特点是制动转矩大，操作控制方便。直流电动机的电磁制动中，常用的制动方法有三种：反馈制动；反接制动；能耗制动。,在生产过程中，经常需要采取一些措施，使电动机尽快停转或从某高速降到某低速运转或限制位能性负载在某一转速下稳定运转,电动机制动问题,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,反馈制动，也称回馈制动、再生制动或发电制动：电动机在负载的拖动下，使电动机的实际转速n大于其理想空载转速n0(即nn0)，EU，电枢电流Ia反向，电磁转矩T反向变成制动转矩，电动机变成发电机，把机械能转变成电能，向电源馈送。反馈制动典型情况：,一、反馈制动,正向反馈制动,电车下坡,重物下放,降压调速,弱磁调速,反向反馈制动,瞬态过程,稳态运行,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,正向反馈制动,电车下坡,重物下放,反向反馈制动,稳态运行,稳态运行,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,正向反馈制动,电车下坡,电车下坡行驶,电车平路行驶,正向反馈制动,正向电动运行,反向反馈制动,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,重物下放,正向电动运行,反向电动运行,反向反馈制动,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,重物下放,正向电动运行,反向反馈制动运行,反接制动过程,反向电动过程,重物下放,重物提升,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,一、反馈制动,N12,U1UN,正向反馈制动,降压调速,弱磁调速,瞬态过程,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,当他励电动机的电枢电压U或电枢电势E中的任一个，在外部条件作用下改变了方向，即两者由方向相反变为方向一致时，电动机即运行于反接制动状态。它有两种：电源反接制动即改变电枢电压U的方向所产生的反接制动。用于生产机械要求迅速地减速、停车和反向的场合，或用于要求经常正反转的机械上。倒拉反接制动即改变电枢电势E的方向所产生的反接制动。用于重物下放时的限速，改变Rad可以调节重物下降速度。,二、反接制动,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,二、反接制动,分析电路连接方式反接制动过程,电源反接制动,反抗性恒转矩负载,正向电动运行,反向反馈制动运行,反接制动过程,反向电动过程,注意：电源反接制动与反向反馈制动的特性图相似,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,二、反接制动,倒拉反接制动,分析电路连接方式反接制动过程,位能性恒转矩负载,正向电动运行,倒拉反接制动运行,第二章直流电机的工作原理及特性,2.6直流他励电动机的制动特性,二、反接制动,倒拉反接制动,分析电路连接方式反接制动过程,电源反接制动,位能性恒转矩负载,反抗性恒转矩负载,正向电动运行,反接制动过程,正向电动