机电传动控制1-3

1、 它是你建筑机电专业大厦的基石它是你建筑机电专业大厦的基石 济南大学济南大学 机电传动控制课题组制作机电传动控制课题组制作1.1 1.1 机电一体化技术产品的组成要素机电一体化技术产品的组成要素 第一台火星探测器第一台火星探测器SojournerSojourner第一章第一章 概概 述述洗衣机洗衣机1.1 1.1 机电一体化技术产品的组成要素机电一体化技术产品的组成要素 第一章第一章 概概 述述六轴工业机械手六轴工业机械手1.1 1.1 机电一体化技术产品的组成要素机电一体化技术产品的组成要素 第一章第一章 概概 述述数控机床数控机床 本机床属三座标数控铣床，能完成铣、本机床属三座标数控铣床，

2、能完成铣、镗、钻等切削运动，可在没有模具的镗、钻等切削运动，可在没有模具的情况下完成凸轮、样板、模具等形状情况下完成凸轮、样板、模具等形状复杂零件的加工。复杂零件的加工。 结构特点结构特点1、主轴采用无级调速。、主轴采用无级调速。 2、进给系统由交流伺服电机驱动。、进给系统由交流伺服电机驱动。 3、滑动面优质贴塑与淬硬磨削导轨、滑动面优质贴塑与淬硬磨削导轨 配合，具有良好耐磨性及伺服性。配合，具有良好耐磨性及伺服性。 4、配有主轴快换螺母换刀装置。、配有主轴快换螺母换刀装置。 5、根据需要可加配第四轴。、根据需要可加配第四轴。 数控机床第一章第一章 概概 述述1.1 1.1 机电一体化技术产品

3、的组成要素机电一体化技术产品的组成要素 传感器执行机构信息处理机械本体机电系统完成生机电系统完成生产任务的基础产任务的基础驱动运动部件的原动机驱动运动部件的原动机（各种电动机）之总称（各种电动机）之总称电动机电动机和控制和控制电动机电动机的一整的一整套电气套电气系统系统第一章第一章 概概 述述1.1 1.1 机电一体化技术产品的组成要素机电一体化技术产品的组成要素 控制电动控制电动机的系统机的系统 第一章第一章 概概 述述1.1. 机电传动的目的和任务机电传动的目的和任务 传动：运动的传递（能量）传动：运动的传递（能量） 1).1).传动的分类传动的分类 机械传动：齿轮、杠杆、皮带机械传动：齿

4、轮、杠杆、皮带 流体传动：液压与气动，液力传动流体传动：液压与气动，液力传动 机电传动：电动机机电传动：电动机注：有时，在一个生产机械中由几种传动形式联合工作。2 2）机电传动）机电传动(又称电力传动或电力拖动又称电力传动或电力拖动)：就是指以：就是指以电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。电动机为原动机驱动生产机械的系统之总称。第一章第一章 概概 述述 目前由于生产技术的不断发展，生产机械的自动化目前由于生产技术的不断发展，生产机械的自动化程度和生产精度不断提高，所以要求机电传动系统不程度和生产精度不断提高，所以要求机电传动系统不仅完成能量转换的工作还要对传动过程进行控制。仅完成能量转换的

5、工作还要对传动过程进行控制。3 3）机电传动控制）机电传动控制 1.1. 机电传动的目的和任务机电传动的目的和任务 重型镗床重型镗床为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下为保证加工精度和粗糙度，要求在极慢的稳速下进给，即要求系统有很宽的调速范围；进给，即要求系统有很宽的调速范围； 轧钢车间的轧钢车间的可逆式轧机可逆式轧机及其辅助机械，操作频繁，要求在及其辅助机械，操作频繁，要求在不到一秒的时间内完成从正转到反转的过程，即要求系统能迅不到一秒的时间内完成从正转到反转的过程，即要求系统能迅速启动、制动和反向；速启动、制动和反向； 对于对于电梯和提升机电梯和提升机，则要求启动和制动平稳，并能准确

6、地，则要求启动和制动平稳，并能准确地停止在给定的位置上；停止在给定的位置上； 对于对于冷、热连轧机冷、热连轧机以及以及造纸机造纸机的个机架或分部，则要求各的个机架或分部，则要求各机架或各分部的转速保持一定的比例关系进行协调运转；机架或各分部的转速保持一定的比例关系进行协调运转； 为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，为了提高效率，由数台或十几台设备组成的生产自动线，要求统一控制或管理。要求统一控制或管理。第一章第一章 概概 述述机电传动控制：机电传动控制： 1、任务：、任务： 将电能转换为机械能；将电能转换为机械能； 实现生产机械的启动、停止以及速度的实现生产机械的启动、停止以及速

7、度的 调节；调节； 完成各种生产工艺过程的要求；完成各种生产工艺过程的要求； 保证生产过程的正常进行。保证生产过程的正常进行。第一章第一章 概概 述述机电传动的目的和任务机电传动的目的和任务 2 2、目的：、目的： 从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、从广义上讲，机电传动控制的目的就是要使生产设备、生产线、车间乃至整个工厂都实现生产线、车间乃至整个工厂都实现自动化自动化。 从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产从狭义上讲，则指控制电动机驱动生产机械，实现生产产品产品数量的增加数量的增加（效率）、（效率）、质量的提高质量的提高（精度）、（精度）、生产成本生产成本的降低的降低

8、、工人劳动条件的改善工人劳动条件的改善以及以及能量的合理利用能量的合理利用等。等。 第一章第一章 概概 述述机电传动的目的和任务机电传动的目的和任务 第一章第一章 概概 述述1.3 1.3 机电传动及其控制系统的发展概况机电传动及其控制系统的发展概况机电传动的发展：机电传动的发展：成组拖动成组拖动一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由一台电动机拖动一根天轴（或地轴），然后再由天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动多台生产机械。天轴（或地轴）通过皮带轮和皮带分别拖动多台生产机械。 单电机拖动单电机拖动一台电动机拖动一台生产机械的各运动部件。一台电动机拖动一台生产机械的各运动部件。多电机拖动多

9、电机拖动一台生产机械的各个运动部件分别由不同的电一台生产机械的各个运动部件分别由不同的电动机来拖动。动机来拖动。 特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，特点是生产效率低、劳动条件差、一旦电动机出现故障，将造成成组的生产机械停车；将造成成组的生产机械停车； 这种拖动方式较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械这种拖动方式较成组拖动前进了一步，但当一台生产机械的运动部件较多时，其传动机构仍十分复杂；的运动部件较多时，其传动机构仍十分复杂；第一章第一章 概概 述述1.3 1.3 机电传动及其控制系统的发展概况机电传动及其控制系统的发展概况 控制系统的发展：控制系统的发展： 接触器接触器继电

10、器控制继电器控制: : 控制速度慢，控制精度差。控制速度慢，控制精度差。 电机放大机控制电机放大机控制: : 实现连续控制。实现连续控制。 晶闸管、晶体管控制：晶闸管、晶体管控制： 控制特性好，反应快，寿命控制特性好，反应快，寿命 长，可靠性高，维护容易，体积小，重量轻。长，可靠性高，维护容易，体积小，重量轻。 计算机控制：把晶闸管技术与微电子技术，计算机计算机控制：把晶闸管技术与微电子技术，计算机 技术结合在一起，使晶体管和晶闸管控制具有技术结合在一起，使晶体管和晶闸管控制具有 强大的生命力。强大的生命力。第一章第一章 概概 述述1. 课程的性质的和任务课程的性质的和任务 性质：性质：是机械

11、工程及自动化专业基础课程。是机械工程及自动化专业基础课程。 任务：任务：以伺服驱动系统为主导，以控制为线以伺服驱动系统为主导，以控制为线 索，系统介绍电动机基本原理、运行索，系统介绍电动机基本原理、运行 特性、控制方法、控制手段等知识。特性、控制方法、控制手段等知识。第一章第一章 概概 述述1.5 课程的内容安排课程的内容安排重重 点点 内内 容容 第二章第二章 机电传动系统的动力学基础机电传动系统的动力学基础 第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性 第四章第四章 交流电机的工作原理及特性交流电机的工作原理及特性 第五章第五章 控制电动机控制电动机 第六章第六章 继电器

12、继电器- -接触器控制接触器控制 第九章第九章 直流调速系统直流调速系统 第十章第十章 交流自动调速系统交流自动调速系统本本 章章 重重 点点掌握机电传动系统的运动方程式及多掌握机电传动系统的运动方程式及多轴拖动系统中转矩的折算；学会分析机电轴拖动系统中转矩的折算；学会分析机电传动系统的运行状态。传动系统的运行状态。本章内容不仅适用于直流电机拖动，本章内容不仅适用于直流电机拖动，也适用于交流电机拖动，是电力拖动系统也适用于交流电机拖动，是电力拖动系统的基础。的基础。2.1 2.1 机电传动系统的运动学方程机电传动系统的运动学方程一、单轴机电传动系统的运动学方程一、单轴机电传动系统的运动学方程d

13、tdvmFFL直线：直线：dtdJTTLM旋转：旋转：其中：其中：TM 电磁转矩电磁转矩 TL 负载转矩负载转矩 J 转动惯量转动惯量, J=m 22.1 2.1 机电传动系统的运动学方程机电传动系统的运动学方程dtdJTTLM运动方程式：运动方程式： 60/2 n实际工程中：常用飞轮转矩实际工程中：常用飞轮转矩GD2代替代替J，用，用n代替代替 。gJGDmJDgG42422dtdnGDTTLM3752dLMdLMTTTTdtdnGDTT3752动态转矩2 2）当）当TM TL 时，时，dn/dt 0，系统加速，系统加速， 当当TMTL 时，时，dn/dt 0，系统减速。系统减速。讨论：讨论

14、： 1 1）当）当 T TM M=T=TL L 时，加速度为零，电机转速为零或时，加速度为零，电机转速为零或 为常数，运动状态为为常数，运动状态为静态（或稳态）；静态（或稳态）；动态2.1 2.1 机电传动系统的运动学方程机电传动系统的运动学方程运动状态运动状态dLMTdtdnGDTT 37522.1 2.1 机电传动系统的运动学方程机电传动系统的运动学方程NoticeNotice: : TM、TL、n 的参考方向的参考方向 以转速以转速n n的转动方向的转动方向为参考，为参考，T TM M的方向与转速的方向与转速n n的方向相同时，为正方的方向相同时，为正方向；向；T TL L的方向与转速的

15、方向与转速n n的的方向相反为正方向。方向相反为正方向。dLMTdtdnGDTT 37522.1 2.1 机电传动系统的运动学方程机电传动系统的运动学方程 TM、TL、n 的参考方向的参考方向例：起重机提升重物时的启动和例：起重机提升重物时的启动和制动过程（即加速和减速上升）。制动过程（即加速和减速上升）。a）启动时）启动时: TM TL =Td b）制动时）制动时: -TM - TL=Td2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算多轴拖动系统：多轴拖动系统：等效折算为等效折算为单轴拖动系统：单轴拖动系统：dtdnGDTTLM37522.2 2.2 转矩、转动

16、惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算1.1.负载转矩的折算负载转矩的折算a) a) 对于旋转运动：对于旋转运动：折算原则：折算原则：功率守恒功率守恒电动状态：电动状态：MLMLLLTPTP后：前：LMCLMCLLLMLLLCMLCCjjTTTTTPP / 其其中中，等等效效负负载载转转矩矩，为为传传动动效效率率，2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算1.1.负载转矩的折算负载转矩的折算a) a) 对于旋转运动：对于旋转运动：折算原则：折算原则：功率守恒功率守恒MLMLLLTPTP后：前：.:/,321率，为整个传动机构的总效其中等效负载转矩C

17、CLMLCMLLCLLLCMLLCMNoticejjTTTTTPP制动状态：制动状态：b) 对于直线运动：对于直线运动：MCLMMMLCMLMLnFTnTFTPvFP /55. 960/2/:; ，电动：电动：后后，前前2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算折算原则：折算原则：功率守恒功率守恒MCLnFT/55. 9制动：2. 转动惯量的折算转动惯量的折算 折算原则：动能守恒折算原则：动能守恒设传动系统有设传动系统有m个转动件和个转动件和n个平动件组成，转个平动件组成，转动件的转动惯量和角速度分别为动件的转动惯量和角速度分别为 Ji和和i；平动件的质；平动

18、件的质量和速度分别为量和速度分别为mj和和vj；系统总的动能为：系统总的动能为：2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算njjjmiiivmJE121212121折算到电机轴上时，系统总动能为：折算到电机轴上时，系统总动能为：2221MJE21233222)(/MjnjjMvmjJjJJJ2/LLMjJJJ动惯量忽略中间传动机构的转2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算根据动能守恒：根据动能守恒：E2 = E1故：故：21122121)()()(MjnjjmiiiMjnjjMimiivmjJvmJJ2222)/(/LlL

19、iiMLLiiMvmjJJJjJjJJJ 3. 飞轮转矩的折算飞轮转矩的折算 依据转动惯量与飞轮转矩的关系，得到折依据转动惯量与飞轮转矩的关系，得到折算到电机轴上的总的飞轮转矩为：算到电机轴上的总的飞轮转矩为：2.2 2.2 转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算转矩、转动惯量和飞轮转矩的折算gJGD42gvmjDGGDnjMjjmiiii4)(211222dtdnGDTTLM37522.3 生产机械的机械特性生产机械的机械特性机械特性：机械特性：力（力（力矩力矩）与运动参数（包括位移、）与运动参数（包括位移、速度速度、 加速度）之间的关系。加速度）之间的关系。生产机械的机械特性：生产机械的机械特性：

20、n=f (T L) 电机的机械特性：电机的机械特性： n=f (T M)2.3 生产机械的机械特性生产机械的机械特性几种典型机械特性：几种典型机械特性： 恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性 特点：特点：TL=常数。常数。例：机床切削、提升机、皮例：机床切削、提升机、皮带运输机等。包括带运输机等。包括反抗转反抗转矩矩和和位能转矩。位能转矩。 反抗转矩反抗转矩：又称摩擦性转矩，因摩擦、非弹性体的：又称摩擦性转矩，因摩擦、非弹性体的压缩、拉伸与扭转等作用而产生的负载转矩。机械压缩、拉伸与扭转等作用而产生的负载转矩。机械加工过程中切削力产生的负载转矩就是反抗转矩。加工过程中切削力产生的负载转矩就是反抗转

21、矩。位能转矩：位能转矩：由物体的的重力和弹性体的压缩、由物体的的重力和弹性体的压缩、 拉拉伸与扭转等作用而产生的负载转矩。伸与扭转等作用而产生的负载转矩。2.3 生产机械的机械特性生产机械的机械特性几种典型机械特性：几种典型机械特性： 恒转矩型机械特性恒转矩型机械特性 特点：特点：TL=常数。常数。例：提升机、皮带运输机等。例：提升机、皮带运输机等。包括包括反抗转矩反抗转矩和和位能转矩位能转矩2. 风机型机械特性风机型机械特性 特点：特点：TL= C n 2 例：鼓风机、水泵等。例：鼓风机、水泵等。 2.3 生产机械的机械特性生产机械的机械特性3. 直线型机械特性直线型机械特性 特点：特点：T

22、L=C n 例如：他励直流发电机。例如：他励直流发电机。4. 恒功率型机械特性恒功率型机械特性 特点：特点：TL=K/n 例如：车床加工例如：车床加工 此外，还有其他形式的机械此外，还有其他形式的机械特性，如转矩随转角变化的，随特性，如转矩随转角变化的，随机变化的；也可能是以上几种典机变化的；也可能是以上几种典型的综合。型的综合。2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件 由机电传动系统的运动方程式：由机电传动系统的运动方程式： 为了使系统运行合理电动机的机械持性与生产机为了使系统运行合理电动机的机械持性与生产机械的机械特性要互相配合。特性配合好的一个基本械的机械特性要互相配

23、合。特性配合好的一个基本要求是系统能要求是系统能稳定运行稳定运行。 dtdnGDTTLM3752 小球稳定动画2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件一、机电传动系统的稳定运行含义：一、机电传动系统的稳定运行含义：1 1、系统应能以一定速度匀速运转；、系统应能以一定速度匀速运转；2 2、系统受某种外部干扰时，运行速度稍有变化，应保、系统受某种外部干扰时，运行速度稍有变化，应保证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。证在干扰消除后系统能恢复到原来的运行速度。二、机电传动系统的稳定运行条件二、机电传动系统的稳定运行条件必要条件：必要条件：生产机械的机械特性曲线与电动机的机械生

24、产机械的机械特性曲线与电动机的机械特性曲线有交点特性曲线有交点,即即TMTL。充分条件：充分条件：扰动消除后仍能回到原来的平衡点。扰动消除后仍能回到原来的平衡点。dtdnGDTTLM3752n0TnOTLab 干扰使干扰使 TL a 点点:TTL n T a a点。点。 a 点。点。 n T 干扰过后干扰过后 TTL T = TL 2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件讨论：讨论：n0TnOTLaba 干扰使干扰使 TL a 点点:TTL n T a点。点。 干扰过后干扰过后 TTL n T T = TL a 点。点。 干扰使干扰使 TL n TTLT a 点。点。 T

25、= TL干扰过后干扰过后 TTL n T T = TL a 点。点。 2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件结 论 ：结 论 ： a点点是稳定的是稳定的平衡点平衡点。讨论：讨论：n0TnOabTLb 点点: 干扰使干扰使 TL n n = 0 堵转。堵转。 T n TTL干扰过后干扰过后 T TL ，不能运行。，不能运行。 b2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件讨论：讨论：n0TnOabTLb 点点: 干扰使干扰使 TL n T n n = 0 堵转。堵转。 TTL干扰过后干扰过后 T TL ，不能运行。，不能运行。 干扰使干扰使 TL n TTL

26、T b 点。点。 n b干扰过后干扰过后 TTL n T a 点。点。 2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件结论：结论： b b点不是稳定点不是稳定 的平衡点的平衡点讨论：讨论：2.4 机电传动系统稳定运行的条件机电传动系统稳定运行的条件稳定运行的充要条件是稳定运行的充要条件是：1）生产机械的机械特性曲）生产机械的机械特性曲线与电动机的机械特性曲线与电动机的机械特性曲线有交点；线有交点； 2）在平衡点对应的转速之）在平衡点对应的转速之上应保证上应保证TMTL。2.5 机电传动系统过渡过程分析机电传动系统过渡过程分析本节重点：本节重点： 过渡过程的概念过渡过程的概念 研究

27、过渡过程的实际意义研究过渡过程的实际意义 产生过渡过程的原因产生过渡过程的原因 机电时间常数的概念机电时间常数的概念 加快过渡过程的方法加快过渡过程的方法一、一、 研究机电传动系统过渡过程的意义研究机电传动系统过渡过程的意义过渡过程：过渡过程： 当系统中电动机的转矩当系统中电动机的转矩TM或负载转矩或负载转矩TL发生变化发生变化时系统就要由一个稳定运转状态变化到另一个稳定时系统就要由一个稳定运转状态变化到另一个稳定运转状态，这个变化过程称为过渡过程。运转状态，这个变化过程称为过渡过程。 目的和意义：目的和意义： 为满足生产机械对过渡过程的各种要求，必须研究为满足生产机械对过渡过程的各种要求，必

28、须研究过渡过程的基本规律，研究系统各参量对时间的变化规过渡过程的基本规律，研究系统各参量对时间的变化规律，如转速、转矩、电流等对时间的变化规律，才能正律，如转速、转矩、电流等对时间的变化规律，才能正确地选择机电传动装置，为机电传动自动控制系统提供确地选择机电传动装置，为机电传动自动控制系统提供控制原则，设计出完善的启动、制动等自动控制线路，控制原则，设计出完善的启动、制动等自动控制线路，以求改善产品质量，提高生产率和减轻劳动强度。以求改善产品质量，提高生产率和减轻劳动强度。二、二、 机电传动系统过渡过程的分析机电传动系统过渡过程的分析1) 机械惯性机械惯性：反映在：反映在J或或GD2上，使转速

29、上，使转速n不能不能突变；突变；2) 电磁惯性电磁惯性：反映在电枢回路电感和励磁绕组电感：反映在电枢回路电感和励磁绕组电感 上，电枢回路电流和励磁磁通不能突变。上，电枢回路电流和励磁磁通不能突变。3) 热惯性热惯性：反映在温度上，使温度不能突变。：反映在温度上，使温度不能突变。 机电传动系统产生过渡过程的原因：机电传动系统产生过渡过程的原因： 这三种惯性在系统中虽然是互相影响的，如电机这三种惯性在系统中虽然是互相影响的，如电机运行发热时，电枢电阻和励磁绕组电阻都会变化从运行发热时，电枢电阻和励磁绕组电阻都会变化从而会引起电流和磁通的变化。但是由于热惯性较大，而会引起电流和磁通的变化。但是由于热

30、惯性较大，温度变化较转速、电流等参量变化慢的多，一般不考温度变化较转速、电流等参量变化慢的多，一般不考虑。只考虑机械惯性和电磁惯性。在有些场合，电磁虑。只考虑机械惯性和电磁惯性。在有些场合，电磁惯性也较小，所以过渡过程主要考虑机械惯性。惯性也较小，所以过渡过程主要考虑机械惯性。三、三、 加快机电传动系统过渡过程的措施加快机电传动系统过渡过程的措施缩短过渡过程应采取的措施缩短过渡过程应采取的措施:减少系统减少系统GD2或或J 例如：龙门刨床的刨台采用两台电动机同轴运行。例如：龙门刨床的刨台采用两台电动机同轴运行。2.增加动态转矩增加动态转矩Td 从电机方面考虑：使用大惯量直流电动机，从电机方面考

31、虑：使用大惯量直流电动机，Tmax/GD2较大。较大。 从控制系统方面考虑：在过渡过程中，尽可能在从控制系统方面考虑：在过渡过程中，尽可能在最大转矩下运行。最大转矩下运行。Td越大，系统加速度越大，过渡过越大，系统加速度越大，过渡过程时间就短。程时间就短。dtdnGDdtdJTTTLMd3752 第二章小结第二章小结1）掌握依据机电传动系统，写出其运动方程；）掌握依据机电传动系统，写出其运动方程；2 2）对于多轴系统，要学会根据功率守恒和动能守恒，）对于多轴系统，要学会根据功率守恒和动能守恒，将将负载转矩负载转矩和和转动惯量转动惯量进行等效转换；进行等效转换；3 3）掌握机械特性的概念，了解常

32、见生产机械的几种）掌握机械特性的概念，了解常见生产机械的几种机械特性；机械特性；4 4）掌握机电传动系统稳定运行的条件；）掌握机电传动系统稳定运行的条件；5 5）学会正确判定稳定平衡点。）学会正确判定稳定平衡点。dtdnGDTTLM3752作业作业23272 211第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性本本 章章 重重 点：点： 掌握直流电机的工作原理；掌握直流电机的工作原理； 掌握直流电机的机械特性；掌握直流电机的机械特性； 掌握直流电机启动、调速、制动的掌握直流电机启动、调速、制动的 方法。方法。 3.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理直流

33、电机交流电机3.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理一一. . 基本结构基本结构定子定子： 主磁极、主磁极、 换向极、换向极、 机座、机座、 轴承、轴承、 电刷电刷转子转子： 气隙气隙3.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理定子定子： 主磁极、主磁极、 换向极、换向极、 机座、机座、 轴承、轴承、 电刷电刷转子转子：也称电枢：也称电枢 电枢铁心、电枢铁心、 电枢绕组、电枢绕组、 轴、轴、换向片换向片气隙气隙一一. . 基本结构基本结构3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理二二. 工作原理工作原理电动机：电动机：通电导体在磁

34、场中通电导体在磁场中要受到电磁力（矩）的作用。要受到电磁力（矩）的作用。因此只要电枢绕组里有电流因此只要电枢绕组里有电流（外电源提供或感应电流），（外电源提供或感应电流），在磁场中就会受到电磁力的在磁场中就会受到电磁力的作用。作用。转矩方程式：转矩方程式：atIKT 3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理二二. 工作原理工作原理3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理二二. 工作原理工作原理3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理二二. 工作原理工作原理3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理二二. 工作

35、原理工作原理3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理发电机：发电机：导体在磁场内作导体在磁场内作切割磁力线运动，导体中切割磁力线运动，导体中便感应出电动势。（电磁便感应出电动势。（电磁感应）感应）电势方程式：电势方程式：nKEe 二二. 工作原理工作原理01TTT0TTTL电机电机运行方运行方式式E与与Ia的的方向方向E的作用的作用 T的性质的性质转矩转矩之间的关系之间的关系发电机发电机相同相同电源电源电动势电动势阻转矩阻转矩电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动驱动转矩转矩表表1 电机在不同运行方式下，电机在不同运行方式下，E和和T的作用的作用3.1直流电机的基本结构

36、和工作原理直流电机的基本结构和工作原理直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势产生电动势E和电磁转矩和电磁转矩T，但二者的作用正好相反，但二者的作用正好相反3.1直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理 直流发电机和直流电动机直流发电机和直流电动机电磁转矩的作用不同：电磁转矩的作用不同： 发电机的电磁转发电机的电磁转矩矩是是阻转矩；阻转矩； 电动机的电磁转矩是电动机的电磁转矩是驱动转矩驱动转矩。 直流发电机和直流电动机的直流发电机和直流电动机的电势作用也不同：电势作用也不同： 直流发电机的电势是有益的；直流发电机的电势是

37、有益的； 直流电动机的电势是反电势，他的方向总直流电动机的电势是反电势，他的方向总是与电源的电压方向相反。是与电源的电压方向相反。 3.2 直流发电机直流发电机他励：他励：励磁电流由外电源供电，不励磁电流由外电源供电，不受电枢端电压或电流的影响受电枢端电压或电流的影响( (图图a).a).并励：并励：励磁绕组与电枢绕组并联励磁绕组与电枢绕组并联 （图（图b b）串励：串励：励磁绕组与电枢绕组串联励磁绕组与电枢绕组串联 （图（图c c）复励：复励：一部分并联，一部分串联一部分并联，一部分串联 （图（图d d）励磁方式：励磁方式：是指励磁绕组如何供电，是指励磁绕组如何供电，以产生励磁磁场。以产生励

38、磁磁场。自自励励发发电电机机一、他励发电机一、他励发电机1、原理：、原理：RUIIIRUEIRIEUaaaaa/ )( 空载时，即空载时，即 I Ia a=0=0，有，有 U U = = E E = = K Ke en n他励发电机电枢回路中，电他励发电机电枢回路中，电压与电流的关系如下压与电流的关系如下：一、一、他励发电机他励发电机2、机械特性：、机械特性：外特性曲线：外特性曲线：发电机端电压发电机端电压 U 与负载电与负载电流流I 之间关系的曲线称为外之间关系的曲线称为外特性曲线特性曲线U f ( I )。空载特性曲线：空载特性曲线：当发电机空当发电机空载时，即载时，即 Ia=0，有，有

39、U = E = Ken，当转速为常数时，而当转速为常数时，而f (If)是一条磁化曲线，是一条磁化曲线，所以所以E = f ( If ) 与磁化曲线与磁化曲线相似。相似。aaRIEU二、并励发电机二、并励发电机1、原理：励磁绕组与电枢并联、原理：励磁绕组与电枢并联IIIIRUEIRUIRUIRIEUfaaaffaa/ )(/2、思考思考：并励发电机的励磁电流从何而来？：并励发电机的励磁电流从何而来？ 电压是如何建立起来的？电压是如何建立起来的？条件：条件：1 1）磁极有剩磁）磁极有剩磁 ；2 2）起始励磁电流所产生的磁场）起始励磁电流所产生的磁场方向与剩磁磁场方向相同方向与剩磁磁场方向相同 ；

40、3 3）R Rf f 不能过大。不能过大。措施：措施： 1）在直流电源上充磁；）在直流电源上充磁；2）将励磁绕组两端接线对调；）将励磁绕组两端接线对调； 3）将）将Rf 减小减小。二、并励发电机二、并励发电机三、三、 复励发电机复励发电机原理：励磁绕组与电枢有一部分并联，一部分串联。原理：励磁绕组与电枢有一部分并联，一部分串联。 在并励发电机中，其端在并励发电机中，其端电压随着负载电流的增大而电压随着负载电流的增大而下降。但在复励发电机，当下降。但在复励发电机，当负载电流增大时，串励绕组负载电流增大时，串励绕组能自动增加磁通，以补偿端能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。所以在复励发电压的下降。

41、所以在复励发电机的正常运行范围内，其电机的正常运行范围内，其端电压变化不大，这是它的端电压变化不大，这是它的优点。优点。3.3直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性一、他励电动机的机械特性一、他励电动机的机械特性nKERIEUeaa 电压平衡方程电压平衡方程：nnTKKRKUnKTIteaeta02)/(直流电动机机械特性的一般表达式aeaeIKRKUn +_IUETIaRaRfIfnUfM(a)一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性讨论讨论:1)理想空载转速理想空载转速 n0 ：当当T=0 时时, n0 = U / (K e)； 2)额定转速额定转速 nN :当当T=TN

42、时时, nN = n0- n 3)机械特性硬度：机械特性硬度：令令 Ra /KeKt2, n= T， 小小速降就小，机械特性硬速降就小，机械特性硬, 大速降大速降就大，机械特性软。就大，机械特性软。TnTKKRKUnteae02机械特性硬度机械特性硬度： d T/d n=T/n100%1）绝对硬特性）绝对硬特性 ,如交流同如交流同 步电动机的机械特性步电动机的机械特性2）硬特性）硬特性 10，如直流他励电，如直流他励电动机的机械特性动机的机械特性3）软特性）软特性 10，如直流串励电，如直流串励电动机的机械特性动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性TnTKKRK

43、Unteae021 1、固有机械特性：、固有机械特性： 又称自然机械特性，是指在又称自然机械特性，是指在额定条件下的机械特性，对于他额定条件下的机械特性，对于他励电动机而言，就是在励电动机而言，就是在额定电压额定电压UN和额定磁通和额定磁通N下，电枢电路不下，电枢电路不外接任何电阻时的外接任何电阻时的机械特性。机械特性。nnTKKRKUnNteaNeN02 一般通过两点，一般通过两点，理想空载点理想空载点（0，n0）和额定转速和额定转速点（点（TM,，nN ），），可得电动机的固有机械特性曲线。可得电动机的固有机械特性曲线。一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性2、人为机械特

44、性：、人为机械特性： 是改变是改变电压电压 U 、磁通、磁通 或电枢电路外加电阻或电枢电路外加电阻Rad时的机械特性。时的机械特性。一、一、他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性TKKRKUnNteaNeN22、人为机械特性：、人为机械特性：1 1）串接）串接Rad时的人为特性。时的人为特性。nnTKKRRKUnNteadaNeN02特点：特点：1 1） n n0 0不变，不变， 2 2） 变小，机械特性变变小，机械特性变 软，软，是一组射线。是一组射线。一、一、他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性TKKRKUnNteaNeN22 2）变）变U U时的人为机械特性时的人为

45、机械特性nnTKKRKUnNteaNe02特点：特点：1 1）n0 与与U成正比，成正比，n0 变小。变小。 2 2） 不变，不变，机械特性硬度机械特性硬度 不变，不变，是一组平行线。是一组平行线。 3 3）电枢电压只允许在额定）电枢电压只允许在额定 电压下调节。电压下调节。一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性3 3）变）变时的人为机械特性时的人为机械特性nnTKKRKUnteaeN0特点：特点：1）n0与与成反比，成反比，下降下降 n0变大；变大；2）下降，下降， 变大，机械特性硬度变大，机械特性硬度变软；变软；3）不能上升，只能不能上升，只能弱磁弱磁调节调节。一、他励直

46、流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性说明：说明：（1 1）电枢绕组严重过流；）电枢绕组严重过流；（2 2）飞车：）飞车：当当o时，电动机时，电动机尚有剩磁，这时转速虽不趋于尚有剩磁，这时转速虽不趋于，但会升到机械强度所不允许的数但会升到机械强度所不允许的数值，通常称为值，通常称为“飞车飞车”。atIKT（3 3）启动转矩太小。）启动转矩太小。00stestIKT，当ABC一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性3 3）变）变时的人为机械特性时的人为机械特性因此，直流他励电动机启动前必须因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流先加励磁电流，在运转过程中，决不允许，在运

47、转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有流他励电动机在使用中，一般都设有“失失磁磁”保护。保护。TnTKKRKUnteae02一、他励直流电动机的机械特性一、他励直流电动机的机械特性二、串励电动机的机械特性二、串励电动机的机械特性21/CRTCUCKRKCTKUnaNeateN机械特性曲线可分为两段：机械特性曲线可分为两段：1 1）第一段，轻载时：）第一段，轻载时：CKIKTIICIRIEUtataffaa/2未饱和，双曲线形状，理想空载转速无穷大。未饱和，双曲线形状，理想空载转速无穷大。II I特点：特点：启动

48、转矩较大启动转矩较大, ,启动时启动时, , T=KtIa=KtCIa2串励电动机串励电动机绝不允许空载启动绝不允许空载启动, ,以防止飞车。以防止飞车。反转时反转时, ,不能用改变电源极性的方法，可改变电枢不能用改变电源极性的方法，可改变电枢或励磁绕组的极性使其反转。或励磁绕组的极性使其反转。2）第二段重载时：）第二段重载时： 电枢电流较大时，磁路电枢电流较大时，磁路趋于饱和，机械特性曲线趋于饱和，机械特性曲线近似一条直线。近似一条直线。II I二、串励电动机的机械特性二、串励电动机的机械特性三、三、 复励电动机的机械特性复励电动机的机械特性 复励电动机有复励电动机有他励他励和和串励串励两个

49、励磁绕组。两个励磁绕组。机械特性介于机械特性介于他励和串励电动机的机械特性他励和串励电动机的机械特性之间。之间。工业上常用的是工业上常用的是积复励积复励电动机，即他励绕组和串励绕电动机，即他励绕组和串励绕组产生的磁通方向一致。组产生的磁通方向一致。特点：特点：串励绕组所占比重越大，串励绕组所占比重越大，特性越软；特性越软； n n0 0 一定。一定。3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 如果将直流他励电动机直如果将直流他励电动机直接接入电网，启动电流为：接接入电网，启动电流为：aNstRUI/一、启动的要求：一、启动的要求：启动：转速从启动：转速从0 0达到负载所要求的转速

50、的过程。达到负载所要求的转速的过程。n t启动转矩越大越好，启动转矩越大越好，atIKT启动电流越小越好。启动电流越小越好。它是额定电流的它是额定电流的10102020倍。倍。nKERIEUeaa3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性直流电动机绝不允许直接启动！直流电动机绝不允许直接启动！直接启动的直接启动的不良影响：不良影响：1 1）换向困难，产生危险火花；）换向困难，产生危险火花；2 2）过大的电动应力和启动转矩，易损坏传动部件；）过大的电动应力和启动转矩，易损坏传动部件；3 3）可能使电网上的保护装置动作，造成事故，或使）可能使电网上的保护装置动作，造成事故，或使电网电

51、压下降，影响其他用电器。电网电压下降，影响其他用电器。aNstRUI/由由 可知可知降电压降电压串电阻串电阻3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性二、启动方法二、启动方法1 1、降压启动、降压启动：U=E+IaRa，启动时，启动时， U较小，随着转速的上升较小，随着转速的上升不断提高不断提高U ，直到达到额定转速。，直到达到额定转速。如：直流发电如：直流发电机机电动机组，晶闸管电动机组，晶闸管电动机组。电动机组。2 2、串电阻启动、串电阻启动： 在电枢回路串接外加电阻启动。在电枢回路串接外加电阻启动。串接一段外加电阻启动串接一段外加电阻启动；串接多段外加电阻启动。串接多段外加

52、电阻启动。3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性二、启动方法二、启动方法2 2、串电阻启动、串电阻启动： 串接一段外加电阻启动串接一段外加电阻启动；3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性二、启动方法二、启动方法2 2、串电阻启动、串电阻启动：在电枢回路串接外加电阻启动。：在电枢回路串接外加电阻启动。 串接多段外加电阻启动。串接多段外加电阻启动。NTT)26 . 1 (1NTT)2 . 11 . 1 (23.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性速度调节速度调节：在一定的负载条件下，人为地：在一定的负载条件下，人为地改变电动机改变电动机的机械特性

53、的机械特性，以得到所需要的稳定转速。，以得到所需要的稳定转速。速度变化速度变化：由于：由于负载的变化负载的变化而引起的电动机的速度的而引起的电动机的速度的变化，是在同一条机械特性曲线上变化。变化，是在同一条机械特性曲线上变化。TKKRRKUnteadae2知：可以通过人为地改变知：可以通过人为地改变U U、R R ad ad 和和 三个参数来调节速度。三个参数来调节速度。BCAnTTL3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性调速指标：技术指标，经济指标调速指标：技术指标，经济指标技术指标技术指标 调速范围：调速范围：机械设备可能运行的最大转速机械设备可能运行的最大转速n nma

54、xmax与最小与最小转速转速n nminmin之比，之比，D= nmax / nmin 。 静差率静差率（相对稳定性）：就是指在负载转矩的变化（相对稳定性）：就是指在负载转矩的变化下转速变化的程度，下转速变化的程度， %=（n0 - nN ）/n0 。显然机械。显然机械特性越硬，转速变化越小，相对稳定性越好。特性越硬，转速变化越小，相对稳定性越好。 平滑性：平滑性：在一定的在一定的D内，调速的级数越多，则调速内，调速的级数越多，则调速越平滑，平滑的程度用平滑系数来衡量越平滑，平滑的程度用平滑系数来衡量 = ni / ni-1 （相邻两级转速之比）（相邻两级转速之比） =1时，称为无级调速。时，

55、称为无级调速。3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性调速指标：技术指标，经济指标调速指标：技术指标，经济指标经济指标经济指标：就是指调速设备的投资及运行费用，其中运行就是指调速设备的投资及运行费用，其中运行费用又取决于调速过程的功率损耗。费用又取决于调速过程的功率损耗。3.5.1 改变改变R Radad时的调速特性时的调速特性nnTKKRRKUnNteadaNeN022 2、特点：特点：1 1）机械特性软，机械特性软，电阻越大特性越软，电阻越大特性越软，相对稳定性越低；相对稳定性越低； 2 2）在空载或轻载时，调速范围）在空载或轻载时，调速范围D D不大不大；3 3）有级调速

56、有级调速； 4 4）调速电阻消耗大量电能，经济指标）调速电阻消耗大量电能，经济指标较差；较差；调速电阻调速电阻不不能用作启动电阻；能用作启动电阻；5 5）调速设备简单。）调速设备简单。此法只在起重机、卷扬机等低速运此法只在起重机、卷扬机等低速运转时间短的传动系统中使用。转时间短的传动系统中使用。1、调速过程、调速过程3.5.2 改变改变 U U时的调速特性时的调速特性2 2、特点：、特点： 机械特性机械特性硬度不变硬度不变，调速的稳定度较高，调速的稳定度较高，调速范围较宽调速范围较宽；2) 2) 转速可以平滑转速可以平滑无级调节无级调节，一般只能在，一般只能在额定转速以下调节；额定转速以下调节

57、；3) 3) 调速时，因电枢电流与电压调速时，因电枢电流与电压U U无关，故无关，故转矩转矩T TK Kt tI I a a 不变不变, ,属属恒转矩调速恒转矩调速，适，适合于恒转矩型负载。合于恒转矩型负载。nnTKKRKUnNteaNe021、调速过程、调速过程4) 4) 可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备；可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备； 5 5）需要可变电源，设备投资大。）需要可变电源，设备投资大。3.5.3 改变改变时的调速特性时的调速特性2 2、特点、特点：1)1)调速特性较软，调速特性较软，调速范围不大调速范围不大；2) 2) 可以可以平滑无级调速平

58、滑无级调速，但只能弱磁调速；，但只能弱磁调速； 3 3）在励磁电路中进行调节，控制方便，）在励磁电路中进行调节，控制方便，能量损耗少；能量损耗少；4) 4) 恒功率调速恒功率调速，调速时是维持，调速时是维持U U和和I Ia a不不变，即功率变，即功率P P不变；不变；1、调速过程、调速过程nnTKKRKUnteaeN 0 说明：说明：基于弱磁调速范围不大，它住往是和调压调速基于弱磁调速范围不大，它住往是和调压调速配合使用，即在额定转速以下，用降压调速，而在额配合使用，即在额定转速以下，用降压调速，而在额定转速以上，则用弱磁调速。定转速以上，则用弱磁调速。3.6 直流他励电动机的制动特性直流他

59、励电动机的制动特性电动状态：电动状态：电动机电磁转矩的方向与转速的方向电动机电磁转矩的方向与转速的方向相同相同。制动状态：制动状态：电动机电磁转矩的方向与转速的方向电动机电磁转矩的方向与转速的方向相反相反。 电动机有两种运转状态：电动机有两种运转状态：1）稳定制动稳定制动，转速不变如：恒速下放重物。，转速不变如：恒速下放重物。2）过渡制动过渡制动，速度变化如：电机降速或停车。，速度变化如：电机降速或停车。n n0 0-n-n0 0Tn3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性自然停车自然停车：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻力消：电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻力消耗机械能，使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。耗机械能，使转速慢慢下降，直到转速为零而停车。制动制动：从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位：从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。能负载下降速度的一种运转