机电传动控制3

1、第第3章章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性掌握直流电机的电势方程式，转矩方程式和电压平衡方程式； 掌握直流电动机的机械特性，特别是人工机械特性； 掌握直流电动机起动，制动，调速的各种方法和应用场所； 了解用机械特性来分析直流电动机运行状态的方法。 电机分交流和直流两种：电机分交流和直流两种： 直流电机直流电机工作电压或输出的电压为直流；工作电压或输出的电压为直流； 交流电机交流电机工作电压为交流。工作电压为交流。直流电机分直流发电机和直流发电机两种：直流电机分直流发电机和直流发电机两种：直流发电机直流发电机将机械能转换为电能；将机械能转换为电能； 直流电动机直流电动机将电能转

2、换为机械能。将电能转换为机械能。电机分类：电机分类：3.1直流电机的基本结构和工作原理一一.直流电机的基本结构直流电机的基本结构 直流电机的组成可分为直流电机的组成可分为定子定子、转子转子和和换向器换向器三三大部分。大部分。 定子部分定子部分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。部分组成。 转子部分转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。 换向器换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持

3、滑动接触。主磁极主磁极电枢铁心电枢铁心换向器换向器电刷装置电刷装置1 1 主磁极：主磁极：励磁绕组上加上直流电压，励励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。 2 2电枢绕组：电枢绕组：在固定的磁场中旋转，主要在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量的转换实现能量的转换。3 3电刷电刷4 4换向片换向片 3 3、4 4换向器换向器：电刷：电刷固定不动，换向片与电固定不动，换向片与电枢绕组一起旋

4、转，主要枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，流电势。对电动机而言，则是将外加的直流则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。恒定的电磁转矩。直流电机的结构图剖面图：电枢1； 主磁极2；换向 极4；机座6电枢铁心冲片换向器：换向片3； 连接片4；云母环2 二、直流电机工作原理二、直流电机工作原理 直流电机的主要结构可简化为一

5、对磁极直流电机的主要结构可简化为一对磁极,一个线圈一个线圈，其工作其工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律的。原理是基于电磁感应定律和电磁力定律的。直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。 直流发电机则是根据切割磁场的导体会产生感生电势这一直流发电机则是根据切割磁场的导体会产生感生电势这一基本理论工作的。基本理论工作的。发电机电电动动机机.电磁力定律载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直 (图1-1c)，作用在导体上的电磁力大小为： = BtaTKI、电磁感应定理 在磁场中运动的导体将会感应电势，若磁场

6、、导体和导体的运动方向三者互相垂直则作用导体中感应的电势大小为： = Bv 1 1发电机原理：发电机原理：将机械能转换为电能将机械能转换为电能。 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边枢线圈的两根有效边ab和和cd（切割磁力线的（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势导体部分）中便感应出电动势e。 显然，每一有效边中的电动势是交变的，显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在即在N极下是一个方向，当它转到极下是一个方向，当它转到S极下时是极下时是另一个方向。另一个方向。 但是，由于电刷但是，由于电刷A A总是同与总是同与N N极下的有效极下的有

7、效边相联的换向片接触，而电刷边相联的换向片接触，而电刷B B总是同与总是同与S S极下的有效边相联的换向片接触，因此，极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。的作用下就在电路中产生一定方向的电流。 2电动机原理：电动机原理：将电能转换为机械能。将电能转换为机械能。 直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电流极下的

8、有效边中的电流总是一个方向，而总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总是另一极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转到）极下转到S（N）极下时，其中电流的方向必）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以方向不变而使转子以n的转速旋转。的转速旋转。3.2 直流发电机按励磁方法分类 1)他励发电机: 发电机的励磁绕组由外电源供电. 2)自

9、励发电机: 发电机的励磁电流为电枢电流或电枢电流的一部分.它又分为:(1)并励发电机; (2)串励发电机; (3)复励发电机. 1 1他励发电机：他励发电机：励磁绕组由外加电源单励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（电枢电流的大小无关。如图（a a）所示。）所示。 2. 2. 并励发电机：并励发电机：励磁绕组与电枢绕组并联励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（连接，由外部电源一起供电。如图（b b）所示。）所示。 3 3串励发电机串励发电机：励磁绕组与电枢绕组串联励磁绕组与电枢绕组串联连接，由外

10、部电源一起供电。如图（连接，由外部电源一起供电。如图（c c）所示：）所示： 4 4复励发电机：复励发电机：励磁绕组分为两部分，一励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕部分与电枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组串联连接。如图（组串联连接。如图（d d）所示）所示: :1.他励发电机他励发电机电枢回路方程为：电枢回路方程为：Ea=U+IaRa式中式中Ra为电枢回路总电阻，为电枢回路总电阻，它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。它包括电刷接触电阻和电枢绕组内阻。励磁回路方程为：励磁回路方程为：Uf=IfRf式中式中Rf为励磁回路总电阻，为励磁回路总电阻，从发电机电压基本方程式可

11、见：电枢电势从发电机电压基本方程式可见：电枢电势Ea必须大于电枢必须大于电枢端电压端电压U，这也是判断电机是否处于，这也是判断电机是否处于发电运行状态的依据。发电运行状态的依据。 2.并励发电机并励发电机 自励过程：并励发电机建立电压的过程。 并励发电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联，并励发电机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联，由发电机自已供给励磁电流，而不需要另外励磁电由发电机自已供给励磁电流，而不需要另外励磁电源。源。 3.复励发电机复励发电机 电机的主极上装有并励和串励两套励磁绕组，在电机的主极上装有并励和串励两套励磁绕组，在两个两个绕组绕组中，并励绕组的磁势起主要作用，以保证发中，并励绕

12、组的磁势起主要作用，以保证发电机在空载时能建立额定电压；串励绕组用来自动电机在空载时能建立额定电压；串励绕组用来自动调节发电机的电压，以适应不同负载的要求。调节发电机的电压，以适应不同负载的要求。 优点：串励绕组能自动增加磁优点：串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。所通，以补偿端电压的下降。所以带负载时，它的端电压下降以带负载时，它的端电压下降不多。不多。3.3直流电动机的机械特性直流电动机直流电动机他励电动机他励电动机 并励电动机并励电动机复励电动机复励电动机串励电动机串励电动机一、一、 他励他励直流直流电动机的机械特性电动机的机械特性 电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩电动机的机

13、械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。之间的关系。 不同励磁方式的电动机，其运行特性也不不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的尽相同，下面主要介绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。较广泛的他励电动机的机械特性。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。 aaRIEU 式中式中: : U外加电枢电压（外加电枢电压（V V）；）； E感应电势（感应电势（V V）；）；aI电枢电流（电枢电流（A A）；）；aR电枢回路内阻（电枢回路内阻（） 电枢回路部分电枢回路部分励磁回路部励磁回路部分分、nKE e am IKT

14、aae RInKU 即：即： aeaeIKRKUn 转速特性转速特性TKKRKUn2meae 机械特性机械特性对应的机械特性如图所示：对应的机械特性如图所示： 由他励电动机的特性可知：励磁电流由他励电动机的特性可知：励磁电流If的的大小与电枢电流大小与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小只的大小无关，它的大小只取决于取决于 Rf、 Uf的大小，当的大小，当 Rf、 Uf的大小一定时的大小一定时, If为定值，即磁通为定值，即磁通 为定值。为定值。1. 1. 理想空载转速：理想空载转速： T=0时的转速称为时的转速称为理想空载转速，用理想空载转速，用n0表示。表示。 根据机械特性可知：根据机械特性

15、可知： e0KUn 理想空载点理想空载点1 1、固有机械特性、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压在额定条件（额定电压UN和额定磁通和额定磁通 N 下下和电枢电路内不外接任何电阻时的和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)即即: :TKKRKUn2NmeaNeN 是一条直线。是一条直线。2、人为机械特性、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压枢外加电压U U和励磁磁通和励磁磁通的大小以及电枢的大小以及电枢回路串接附加电阻回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。所得到的机械

16、特性。 （2）当）当 0时，从理论上说，空载时电动时，从理论上说，空载时电动机速度趋近机速度趋近 ，通常称为，通常称为“飞车飞车”； （1）如果负载转矩不变，将使电动机电流）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载大大增加而严重过载； 当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为时，电动机不能启动，电枢电流为Ist ，长时，长时间的大电流会烧坏电枢绕组间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必须先加因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励

17、磁电流为零，为此，直流他励电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有动机在使用中，一般都设有“失磁失磁”保护。保护。 2 2、串励电动机、串励电动机UIa+_IfMn0T)f(Ina当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将当轻载时串励电动机的转速急剧上升，将导致电动机的损坏，所以串励电动机不允导致电动机的损坏，所以串励电动机不允许轻载运行，一般最低负载不小于额定负许轻载运行，一般最低负载不小于额定负载的载的30%bTaUnf(T)n机械特性机械特性3 3、复励电动机、复励电动机复励复励U+_IMIa 他的工作特性介于并励他的工作特性介于并励和串励之间。如果并励绕组和串励之间。

18、如果并励绕组磁通势起主要作用，其工作磁通势起主要作用，其工作特性与并励电动机工作特性特性与并励电动机工作特性接近。如果串励绕组磁通势接近。如果串励绕组磁通势起主要作用，其工作特性与起主要作用，其工作特性与串励电动机工作特性接近。串励电动机工作特性接近。但因为有并励绕组磁通势的但因为有并励绕组磁通势的存在，磁通存在，磁通 不会趋近于零，不会趋近于零，所以空载或轻载时，仍能正所以空载或轻载时，仍能正常运行。常运行。如果串励与并励绕如果串励与并励绕组的磁势方向相同，组的磁势方向相同，则称为加复励（或则称为加复励（或叫积复励），反之叫积复励），反之为差复励（或叫减为差复励（或叫减复励）。复励）。 一般

19、来说，并励绕组起主导作用，串励绕组起调节性能的作用。 一、开路特性 U0=f(If) 开路时串励绕组不起作用，则其开路特性同并励发电机的开路特性。 二、外特性 U=f(I)负载运行时，串励绕组产生磁势，这个磁势将影响主磁通的大小和电机性能。 对加复励发电机来说串励磁势起增磁作用即升压作用，而电阻压降和电枢反应的去磁作用起降压作用，二者的相对影响力会决定发电机的外特性。 如果串励绕组作用较大，即在额定电流时端电压超过额定电压，则为过复励。 如果串励绕组的作用不足，即在额定电流时端电压小于额定电压，则为欠复励。 如果串励绕组的作用适当，即在额定电流时端电压等于额定电压则为平复励。 差复励发电机的串

20、励绕组为一个去磁磁势，负载增大时端电压迅速下降。 3.4 直流他激电动机的起动特性1.降压起动降压起动: 组成组成SCR-M自动调速系统的起动环节自动调速系统的起动环节。 2.电枢电路串外接电阻起动：电枢电路串外接电阻起动：直流他激电动机的起动电流是额定电流的直流他激电动机的起动电流是额定电流的(10-20)倍倍,不允许直接起动不允许直接起动.限制其起动电流的方法有两限制其起动电流的方法有两种种. 图为具有三段起动电阻的他激电动机电路原理图图为具有三段起动电阻的他激电动机电路原理图和起动特性和起动特性,。3.5直流他激电动机的调速特性 由直流他激电动机人工机械特性方程式 直流电动机的调速方法:

21、 式中, Ke,Kt,Ra 均为常数,因此,电动机有3种调速方法 1.变电枢电路外接电阻Rad; 2.变电枢电压U; 3.变磁通 .TKKRRKUnteadae21.改变电枢电路外接电阻调速电动机电枢电路串电阻后,其人工机械特性，如图1)应用: 起重机,卷扬机; 2)缺点:机械特性软,实现无级调速困难; 3)注意:串电阻调速与起动特性相似,但起动电阻与调速电阻不同. 2.改变电动机电枢供电电压调速变电枢电压调速的机械特性，如图. 1)特点:容易实现无级调速;机械特性是一组平行线,硬度不变;不需用其他起动设备. 2)应用;适用于恒转矩负载,组成SCR-M系统，在工业生产中广泛应用.第11章将重点学习.3.改变电动机主磁通调速变磁通调速的机械特性，如图所示.1)特